BIM技術(shù)在信號(hào)智能運(yùn)維中的應(yīng)用研究

劉 彧

（浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江海寧 314499）

1 信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)維發(fā)展現(xiàn)狀

隨著國家鐵路運(yùn)營建設(shè)規(guī)模的穩(wěn)步擴(kuò)大，鐵路信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)維子系統(tǒng)技術(shù)在近年來也得到了飛速發(fā)展，大量相關(guān)行業(yè)的新技術(shù)陸續(xù)被引入信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維領(lǐng)域。借助于互聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生和區(qū)塊鏈等新技術(shù)，信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維子系統(tǒng)的發(fā)展呈現(xiàn)平臺(tái)化發(fā)展、模型化運(yùn)維的趨勢。但是目前信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維行業(yè)的整體發(fā)展水平距離最終用戶所期望的智能、基于狀態(tài)維修、全生命周期覆蓋的長遠(yuǎn)目標(biāo)，仍有較大距離。

由于信號(hào)系統(tǒng)目前的數(shù)據(jù)治理還處于起步階段，故障預(yù)測、健康評(píng)估等較復(fù)雜的智能化功能在短期內(nèi)較難提升。相比較而言，運(yùn)維子系統(tǒng)的全生命周期信息覆蓋是技術(shù)上更容易實(shí)現(xiàn)的功能，這類功能主要依靠信息化技術(shù)，因此是當(dāng)前信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的發(fā)展重點(diǎn)。當(dāng)前傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維在這方面仍然存在一些突出問題。

首先，既有信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維子系統(tǒng)能覆蓋的設(shè)備生命周期階段有限，信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)維子系統(tǒng)信息與信號(hào)設(shè)備的其他生命周期缺乏有效的信息交換和互通。比如在信號(hào)系統(tǒng)車載設(shè)備的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，板卡和機(jī)籠的生產(chǎn)信息和測試信息并沒有有效的引入到用戶的運(yùn)維子系統(tǒng)中。如果在現(xiàn)場運(yùn)營過程中，這些設(shè)備發(fā)生了故障，用戶很難開展深度的故障建模，難以識(shí)別成批次的故障模式。

其次，既有信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維子系統(tǒng)缺少與鐵路用戶其他信息系統(tǒng)的整合。傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)維子系統(tǒng)功能比較單一，也缺少與鐵路用戶其他信息系統(tǒng)，比如用戶的資產(chǎn)管理、設(shè)備管理系統(tǒng)、維修工單系統(tǒng)、人員管理系統(tǒng)等。在多個(gè)信息系統(tǒng)需要協(xié)同的場景中，比如用戶的庫存采購場景時(shí)，需要手工統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障信息去支撐備品備件采購。

另外，既有信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維子系統(tǒng)人機(jī)界面展示方式普遍比較抽象，多數(shù)只有拓?fù)鋱D或二維圖紙，缺乏設(shè)備模型展示，對(duì)于多個(gè)廠家信號(hào)設(shè)備共存的場景，用戶的維護(hù)學(xué)習(xí)成本較高。信號(hào)系統(tǒng)雖然從功能上有各類國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證支撐，但是各廠家的實(shí)體設(shè)備差異較大，設(shè)備外形、板卡燈位、組裝結(jié)構(gòu)都有很大的差異。但是運(yùn)維子系統(tǒng)目前并未展示這類信息，需要用戶通過實(shí)際設(shè)備觀察學(xué)習(xí)。

BIM 技術(shù)為有效解決上述問題提供了較好的技術(shù)支撐。首先，設(shè)備的信息模型非常有利于軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)全生命周期中各階段的數(shù)字化信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)、整合、提取，從而更容易實(shí)現(xiàn)全過程的信息關(guān)聯(lián)。另外，設(shè)備信息模型的標(biāo)準(zhǔn)化也有利于實(shí)現(xiàn)與其他信息系統(tǒng)的接口協(xié)議編制和傳輸，減少信息系統(tǒng)之間互聯(lián)互通互操作的開發(fā)成本。最后，BIM 技術(shù)的三維立體模型加上時(shí)間軸的四維信息能提供更好的可視化效果和精確的圖紙信息。

2 信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的BIM技術(shù)應(yīng)用方案

2.1 信號(hào)系統(tǒng)BIM建模原則

BIM 全稱是建筑信息模型（Building Information Modeling）。該技術(shù)誕生于傳統(tǒng)建筑業(yè)的信息化革新浪潮，目前被認(rèn)為是解決建筑領(lǐng)域在內(nèi)的各行各業(yè)物理設(shè)備數(shù)字模型信息的較為理想的解決方案，可以有效實(shí)現(xiàn)數(shù)字模型間的互聯(lián)互通互操作，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全生命周期管理奠定良好的基礎(chǔ)。

信號(hào)系統(tǒng)則是一個(gè)復(fù)雜的大型分布式控制系統(tǒng)。既包括機(jī)籠、板卡、繼電器、服務(wù)器、交換機(jī)等各類硬件，又包括運(yùn)行在硬件內(nèi)部的各類軟件。從功能子系統(tǒng)的角度看，信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)一步細(xì)分為列車自動(dòng)監(jiān)控、聯(lián)鎖、區(qū)控、列車自動(dòng)防護(hù)、運(yùn)維等子系統(tǒng)。跟建筑行業(yè)的物理尺度相比，信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)備大多都是小而雜的硬件設(shè)備，而且還包含了復(fù)雜的各類軟件。因此信號(hào)系統(tǒng)的BIM 建模有著自身的特點(diǎn)，主要有以下幾個(gè)原則。

1）合適的模型顆粒度。為了滿足運(yùn)維的需求，信號(hào)系統(tǒng)BIM 建模的最小顆粒度應(yīng)該達(dá)到最小可更換/可維修單元。但是并不能一味追求最小顆粒度，原因在于信號(hào)系統(tǒng)大部分核心設(shè)備屬于電子設(shè)備。電子設(shè)備內(nèi)部的板卡、磁盤、接頭等都是非常精密復(fù)雜的設(shè)備，集成度也非常高。對(duì)于運(yùn)維人員而言，并不需要掌握到板卡內(nèi)部的零部件（比如二極管、芯片、電阻和電容等）的布局和電氣特性。這類設(shè)備的維修方式一般是整體更換。因此為了節(jié)省BIM建模的成本，把模型顆粒度控制在最小可更換/可維修單元是性價(jià)比較好的方式。

2）設(shè)備模型信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)上傳。既有的一些傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)廠家，有的并沒有技術(shù)手段對(duì)所有的最小可更換/可維修單元進(jìn)行唯一標(biāo)記。在這種情況下，即使進(jìn)行BIM 建模，后續(xù)一旦人工更換了最小可更換/可維修單元，就需要人工更新BIM 數(shù)據(jù)庫信息，這樣大大增加了用戶維護(hù)BIM 模型和數(shù)據(jù)庫的成本。還有一些傳統(tǒng)信號(hào)系統(tǒng)廠家，雖然有最小可更換/可維修單元進(jìn)行了物理的唯一標(biāo)記，比如貼了二維碼，或者通過調(diào)試接口可以查看設(shè)備唯一標(biāo)記，但是仍然需要在更新最小可更換/可維修單元時(shí)，人工用掃碼器或者其他設(shè)備互聯(lián)后才能上傳。這種做法仍然不是徹底的解決方式。因此，信號(hào)廠家支持設(shè)備最小可更換/可維修單元信息的實(shí)時(shí)自動(dòng)上傳，將大大減輕用戶手工維護(hù)的工作，是解決BIM 模型和實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境信息不對(duì)等的最好方式。

3）軟件模型信息和硬件模型信息按需關(guān)聯(lián)。信號(hào)系統(tǒng)的硬件功能往往跟特定版本的軟件高度關(guān)聯(lián)，因此軟件模型信息和硬件模型信息的關(guān)聯(lián)是非常有必要的。其內(nèi)部子系統(tǒng)劃分也較多，軟件規(guī)模和復(fù)雜程度也差距很大。因此針對(duì)不同的內(nèi)部子系統(tǒng)，硬件模型和相關(guān)聯(lián)的軟件模型也需要特殊定制。比如列車自動(dòng)監(jiān)控子系統(tǒng)（ATS）的軟件規(guī)模最大，其關(guān)聯(lián)的軟件模型按照各廠家的最小可更換/可維修單元程度按需建立。如果最小可更換/可維修單元的軟件單元是模塊文件，則顆粒度精確到模塊。如果最小可更換/可維修單元的軟件單元是一個(gè)整機(jī)的文件目錄，則顆粒度精確到文件目錄即可。

2.2 BIM數(shù)據(jù)庫和信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的接口

BIM 數(shù)據(jù)庫作為承載BIM 模型信息的平臺(tái)，承擔(dān)了與信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的交互接口功能。考慮到當(dāng)前信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備特點(diǎn)，BIM 數(shù)據(jù)庫和信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的接口在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)。

1）接口協(xié)議和數(shù)據(jù)規(guī)范提前規(guī)劃。信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)狀是各廠家的硬件規(guī)格都差別較大，但是分類規(guī)則差異不大。因此與BIM 數(shù)據(jù)庫的接口協(xié)議和數(shù)據(jù)規(guī)范需要在前期進(jìn)行考慮，比如在確定了信號(hào)系統(tǒng)的制式和型號(hào)后，就可以介入討論與BIM 接口協(xié)議的規(guī)劃。雖然在設(shè)備數(shù)量、設(shè)備走線、軟件具體模型上并不能完全確定，但已經(jīng)足夠支撐開展核心硬件設(shè)備的模型屬性和參數(shù)的制定。

2）接口軟件的通用化。目前信號(hào)系統(tǒng)的智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)大多數(shù)也采用成熟的商用或者開源的數(shù)據(jù)庫，因此與BIM 數(shù)據(jù)庫的接口也需要盡量用通用的或者開源的接口訪問方式。盡量避免私有的接口軟件訪問方式，有利于后續(xù)的兼容性和擴(kuò)展性。

3）注意網(wǎng)絡(luò)安全的防護(hù)。在實(shí)際項(xiàng)目執(zhí)行過程中，BIM 數(shù)據(jù)庫往往和信號(hào)系統(tǒng)是分開建設(shè)和分開管理的，如圖1 所示。對(duì)于這種情況，要注意和信號(hào)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)，防止BIM 數(shù)據(jù)庫對(duì)信號(hào)系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)境的影響。另外，BIM 數(shù)據(jù)庫內(nèi)的信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)是比較關(guān)鍵的核心設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也要格外注意數(shù)據(jù)訪問的控制，杜絕非法的數(shù)據(jù)訪問。

3 BIM技術(shù)在智能運(yùn)維項(xiàng)目中的實(shí)施組織形式

根據(jù)BIM 在信號(hào)系統(tǒng)招標(biāo)建設(shè)的方式，BIM技術(shù)應(yīng)用在智能運(yùn)維項(xiàng)目中的實(shí)施組織形式一般有以下兩種。

1）BIM 技術(shù)應(yīng)用包含在信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)范圍內(nèi)。對(duì)于這種建設(shè)方式，信號(hào)系統(tǒng)集成商承擔(dān)BIM 技術(shù)應(yīng)用實(shí)施的主責(zé)，BIM 數(shù)據(jù)庫平臺(tái)建設(shè)和模型建設(shè)與信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)同步開展。

2）BIM 數(shù)據(jù)庫和信號(hào)系統(tǒng)分屬不同集成商建設(shè)。此時(shí)需要信號(hào)系統(tǒng)的制式和型號(hào)確定后，BIM數(shù)據(jù)庫建設(shè)方和信號(hào)系統(tǒng)密切協(xié)作，根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)招標(biāo)合同規(guī)定的BIM 技術(shù)要求開展合作建設(shè)。最后形成BIM 數(shù)據(jù)庫提供平臺(tái)、信號(hào)系統(tǒng)使用平臺(tái)的合作模式。

4 結(jié)語

隨著信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)中智能運(yùn)維的逐步推廣，BIM 技術(shù)的應(yīng)用也將在該行業(yè)內(nèi)迎來一個(gè)快速發(fā)展期。由于既有信號(hào)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)備存在較多差異，因此期待行業(yè)內(nèi)的用戶、廠家等相關(guān)利益方能共同推進(jìn)BIM 技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制定，來指導(dǎo)未來的BIM 技術(shù)在信號(hào)系統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用。