BIM技術(shù)在鐵路信號工程運(yùn)維中的應(yīng)用研究

張 凱，宋勝林，肖彥科

（1.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司電務(wù)部，北京 100860）

（2.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司北京工電大修段，北京 100860）

（3.陜西心像信息科技有限公司，西安 710000）

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，鐵路網(wǎng)規(guī)劃與建設(shè)，鐵路的運(yùn)營里程在不斷增多，鐵路設(shè)備也在不斷升級與更新。鐵路信號系統(tǒng)作為鐵路運(yùn)輸控制的中樞系統(tǒng)，是鐵路高效運(yùn)輸及安全運(yùn)行的重要保障，鐵路信號設(shè)備的安全高質(zhì)量運(yùn)行直接關(guān)乎國計民生，如何提升信號設(shè)備的維修手段，提高電務(wù)作業(yè)維護(hù)效率，降低電務(wù)維護(hù)的作業(yè)成本，這些問題亟待解決。

1 鐵路信號工程運(yùn)維現(xiàn)狀

1) 竣工及維修資料圖實不符

現(xiàn)行的竣工圖紙交付管理模式中，交付給運(yùn)維單位的圖紙很難達(dá)到與現(xiàn)場實際一致，尤其對信號設(shè)備的室內(nèi)配線關(guān)系、室外電纜走向、車站暗埋隱蔽工程等信息無法準(zhǔn)確表達(dá)。

2) 信號設(shè)備臺賬及資料管理混亂

信號設(shè)備維修及管理的部門涉及眾多，分工各自不盡相同，又相互協(xié)調(diào)。信號設(shè)備的資料和臺賬管理以電子表格或獨(dú)立的信息化系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)難以同步，資料修改無法及時更新，導(dǎo)致出現(xiàn)版本管理混亂，數(shù)據(jù)不一致情況時有發(fā)生。

3) 隱蔽工程難以定位，故障排查困難

當(dāng)鐵路信號設(shè)備顯示信息異常時，維修維護(hù)人員大多通過經(jīng)驗來排查和判斷故障位置，尤其對隱蔽工程更是無法定位，導(dǎo)致故障排查困難，故障處置時間延長。

4) 設(shè)備配線關(guān)系龐雜，維護(hù)檢修難度大

信號設(shè)備作為鐵路控制系統(tǒng)，設(shè)備之間的邏輯關(guān)系復(fù)雜，配線眾多，日常對設(shè)備及線纜的維護(hù)檢修難度大，尤其是排除單個設(shè)備控制電纜徑路時需要翻越大量資料，信息檢索難度大。

5) 輔助系統(tǒng)間信息不共享、不連通

國內(nèi)鐵路信號設(shè)備穩(wěn)定性高，技術(shù)成熟，配備有記錄監(jiān)測等多種輔助設(shè)備。但是，各種記錄監(jiān)測輔助設(shè)備之間信息不共享，不連通，只對信號設(shè)備起到狀態(tài)監(jiān)督，還無法對故障進(jìn)行預(yù)測、定性及定位[1]。

2 BIM技術(shù)在鐵路信號工程運(yùn)維中的應(yīng)用研究

BIM技術(shù)是一個共享的知識資源，可以把信號工程的設(shè)計、施工到交付運(yùn)維全過程的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行集中的記錄和流轉(zhuǎn)。在工程全生命周期階段，項目各參建方不斷的對信號模型及數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和完善，當(dāng)竣工交付時，可同步交付與現(xiàn)場1∶1的數(shù)字工程信息模型。這些模型涵蓋了設(shè)備設(shè)施的物理構(gòu)造、邏輯配置關(guān)系和全生命周期過程建立的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。本文以京廣線長陽線路所信號工程為例，來介紹BIM技術(shù)在鐵路信號工程運(yùn)維中的具體應(yīng)用方法、應(yīng)用內(nèi)容和應(yīng)用價值。

2.1 可行性分析

結(jié)合BIM技術(shù)的特點(diǎn)和要求，通過對鐵路信號專業(yè)要素進(jìn)行分析，充分研究信號專業(yè)的維修內(nèi)容，從而對涉及信號專業(yè)的BIM標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備構(gòu)件模型、設(shè)備技術(shù)參數(shù)等進(jìn)行分析并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持庫。同時對BIM模型、設(shè)備參數(shù)及鐵路場景信息進(jìn)行整合，結(jié)合設(shè)備維修的需求，搭建鐵路信號工程BIM運(yùn)維系統(tǒng)[2]。

可行性分析關(guān)系如圖1所示。

圖1 可行性分析關(guān)系Fig.1 Feasibility analysis relationship

2.2 信號BIM模型創(chuàng)建

以京廣線長陽線路所信號改造工程為實際應(yīng)用，進(jìn)行鐵路信號BIM模型創(chuàng)建，如圖2所示。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行

本項目建模主要參照鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)，包括《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南（1.0版）》、《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》、《鐵路四電工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)（1.0版）》、《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)（1.0 版）》[3-7]。

圖2 信號BIM模型創(chuàng)建流程圖Fig.2 Flow chart of signal BIM model creation

2.2.2 模型創(chuàng)建與屬性添加

1）模型創(chuàng)建與成果展示

考慮到工程建設(shè)每階段應(yīng)用目標(biāo)、研究深度及后期實際運(yùn)維需求，分階段進(jìn)行長陽線路所BIM模型創(chuàng)建，如表1所示，最終達(dá)到LOD500水平，提升顯示效果和真實反映構(gòu)件細(xì)節(jié)。即構(gòu)件主要組成部分在幾何上表述準(zhǔn)確，能夠反映物體的實際外形，與現(xiàn)場布置保持一致，保證在運(yùn)營維護(hù)中不會因竣工圖紙或維修資料圖示不符而產(chǎn)生錯誤判斷。部分BIM建模成果如圖3所示。

表1 信號BIM模型建模內(nèi)容Tab.1 Modeling contents of signal BIM model

圖3 長陽線路所設(shè)備BIM建模成果Fig.3 BIM modeling results of Changyang block post device

2）屬性信息添加

模型屬性信息主要有身份信息、定位信息、流轉(zhuǎn)信息及運(yùn)維信息，分階段進(jìn)行模型屬性添加（如表2、3所示），并上傳BIM運(yùn)維管理平臺，解決維修信息亂、少、信息不連通的情況，提高設(shè)備維修效率，降低運(yùn)維成本。

2.2.3 BIM+GIS模型整合

GIS技術(shù)是用來采集、存儲、管理、分析和呈現(xiàn)地理空間信息的系統(tǒng)。將BIM模型與GIS數(shù)據(jù)相整合，使宏觀地理地形場景分析規(guī)劃與微觀設(shè)備構(gòu)件布置相結(jié)合，達(dá)到提高運(yùn)維工作效率、縮短工期目的。整合流程如圖4所示。

2.3 BIM模型在信號運(yùn)維中的應(yīng)用

隨著工程的建設(shè)和交付，與工程同步建立的BIM模型也1∶1的完全反映工程現(xiàn)場的實際構(gòu)造，在竣工交付時同步將BIM竣工模型數(shù)據(jù)交付運(yùn)維，為運(yùn)維期的資產(chǎn)管理、設(shè)備維護(hù)、故障應(yīng)急等提供良好的數(shù)據(jù)集成平臺。

2.3.1 設(shè)備臺賬可視化管理

結(jié)合運(yùn)維期設(shè)備臺賬管理的需求，開發(fā)基于BIM的設(shè)備臺賬管理子系統(tǒng)。該系統(tǒng)中設(shè)備的數(shù)量、屬性等信息均從BIM模型中獲取，設(shè)備臺賬中包含車站室外的信號機(jī)、道岔、軌道電路、補(bǔ)償電容、設(shè)備箱盒等數(shù)據(jù)，同時也包含室內(nèi)設(shè)備機(jī)柜、設(shè)備模塊、設(shè)備配線等信息。在運(yùn)營維護(hù)過程中只要對模型的信息及時更新，設(shè)備臺賬管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)將同步更新并發(fā)布。

系統(tǒng)中建立了數(shù)據(jù)權(quán)限管理功能，可通過數(shù)據(jù)權(quán)限控制不同人員，對不同車站的設(shè)備，不同的應(yīng)用功能進(jìn)行維護(hù)，包括設(shè)備上道、設(shè)備更換進(jìn)行登記管理。對登錄用戶管線范圍內(nèi)設(shè)備的履歷臺賬，可通過車站、工區(qū)、車間、電務(wù)段或設(shè)備分類信息進(jìn)行統(tǒng)計查詢，如圖5所示。

表2 施工階段需增加或修改的模型信息Tab.2 Model information to be added or modified in the construction stage

2.3.2 線纜及隱蔽工程可視化管理

鐵路信號運(yùn)維管理平臺通過3D可視化地下模式直觀展示室外電纜的敷設(shè)走向，可清晰表達(dá)信號設(shè)備之間的連接關(guān)系，真實記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)，反映隱蔽工程電纜布設(shè)實景。以電纜標(biāo)記的形式展示各區(qū)段電纜型號、用途、直徑、埋深、芯數(shù)、備用芯數(shù)、是否暗包等信息數(shù)據(jù)，以及電纜兩端的連接設(shè)備。滿足維修人員及時掌握現(xiàn)場電纜敷設(shè)的隱蔽工程實況，提升維修效率，實現(xiàn)了鐵路信號工程中室外電纜信息的三維可視化，如圖6所示。

表3 竣工交付、運(yùn)維階段需增加或修改的模型信息Tab.3 Model information to be added or modified in the completion delivery, operation and maintenance stage

圖4 BIM+GIS模型整合流程Fig.4 Integration process of BIM+GIS model

2.3.3 設(shè)備及線纜配線關(guān)系可視化應(yīng)用

系統(tǒng)通過室內(nèi)機(jī)柜設(shè)備的BIM三維模型，滿足即時定位到繼電器設(shè)備及端子上，展示繼電器等設(shè)備的用途、控制關(guān)系和端子之間的連接關(guān)系。利用設(shè)備端子可視化幫助運(yùn)維人員迅速查找設(shè)備之間的邏輯控制關(guān)系，便于故障維修的快速處理，實現(xiàn)了鐵路信號工程中設(shè)備端子信息的可視化，如圖7所示。

2.3.4 多系統(tǒng)不同數(shù)據(jù)集成及協(xié)同應(yīng)用

基于BIM的運(yùn)維管理平臺可結(jié)合信號集中監(jiān)測信息，設(shè)備維修記錄信息，設(shè)備檢測檢修信息，設(shè)備維修資料信息等集成加載和管理，同時提供資料分類、版本對比、快速查找等功能，依據(jù)BIM設(shè)備模型通過界面操作實現(xiàn)關(guān)聯(lián)顯示，達(dá)到設(shè)備參數(shù)，技術(shù)資料的精準(zhǔn)管控，如圖8所示。

圖5 設(shè)備臺賬可視化管理Fig.5 Visual management of device ledger

圖6 線纜及隱蔽工程可視化Fig.6 Visualization of cables and concealment works

圖7 設(shè)備及線纜配線關(guān)系可視化Fig.7 Visualization of device and cable distribution relationship

1) 實現(xiàn)信號運(yùn)維的可視化管理

圖8 數(shù)據(jù)集成管理Fig.8 Data integration management

精細(xì)化的BIM模型，反映的是現(xiàn)場設(shè)備的實際規(guī)格尺寸、外形特征及內(nèi)部構(gòu)造，具有接近實際的逼真度和可視化效果。在指導(dǎo)現(xiàn)場施工和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的可視化管理方面，發(fā)揮了重要作用[8]。

2) 實現(xiàn)信號設(shè)備信息的集成化

就傳統(tǒng)的運(yùn)維系統(tǒng)來看，其中涉及到的設(shè)計和建造階段的信息與運(yùn)維階段的信息一般都是分開存儲和調(diào)用，這樣就造成了管理上的混亂和調(diào)控方面的不足。而采用BIM技術(shù)后，相應(yīng)的情況也就得到了極大的改觀，由于此類技術(shù)對不同專業(yè)和不同設(shè)計者在同一模型中的操作沒有限制，因而在具體信息的添加和調(diào)取上比較自由便捷，從而真正實現(xiàn)了所謂的更新統(tǒng)一性。由此運(yùn)維過程中產(chǎn)生的各類信息數(shù)據(jù)就可以全部保存在此類模型中[9]。同時與之有關(guān)的報表、圖片、視頻等資料可與模型相關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)以BIM模型為載體，設(shè)備信息集成的運(yùn)維管理模式。

3) 實現(xiàn)運(yùn)維數(shù)據(jù)的積累與分析

基于BIM技術(shù)的運(yùn)維管理平臺，可實現(xiàn)對信號設(shè)備臺賬、信號設(shè)備履歷、信號設(shè)備故障、歷史維護(hù)等數(shù)據(jù)信息的積累與分析，對鐵路信號設(shè)備的維修維護(hù)工作作出判斷、預(yù)警和指導(dǎo)。如果出現(xiàn)意外狀況，運(yùn)維大數(shù)據(jù)的分析可為信號維修人員高效應(yīng)急處置提供基礎(chǔ)保障，出具應(yīng)急預(yù)案路線供管理者決策，從而避免更大的損失。

4 結(jié)論

研究表明，鐵路信號設(shè)備運(yùn)維實現(xiàn)可視化、集成化、智能化是現(xiàn)代鐵路高速發(fā)展的必然趨勢，BIM技術(shù)的最大價值就是全生命周期的信息傳遞與共享[10]。BIM技術(shù)應(yīng)用于鐵路信號設(shè)備運(yùn)維工程，可對信號設(shè)備快速精準(zhǔn)定位，對故障設(shè)備上下游連接關(guān)系追溯查源，對信號設(shè)備進(jìn)行精細(xì)、高效維修維護(hù)，保障了鐵路運(yùn)行的安全、穩(wěn)定，推動了鐵路行業(yè)的高速發(fā)展。