面向全生命周期的BIM技術(shù)在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

杜高科

（中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100071）

1 引言

信號(hào)系統(tǒng)是鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，該系統(tǒng)以其極具安全性而著稱(chēng)。鐵路在創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，需要大量的時(shí)間、人力、物力對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。在鐵路信號(hào)系統(tǒng)的全生命周期中，設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)間幾乎占據(jù)其生命全周期。本文首先對(duì)信號(hào)系統(tǒng)管理現(xiàn)狀進(jìn)行分析，剖析現(xiàn)狀中關(guān)鍵問(wèn)題的原因，探討其解決辦法，并結(jié)合BIM 技術(shù)，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行制定相應(yīng)解決方案，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建基于BIM 技術(shù)的信號(hào)設(shè)備全生命周期管理方案。

2 信號(hào)系統(tǒng)管理現(xiàn)狀

國(guó)鐵順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，積極開(kāi)展信息化建設(shè)，相較于國(guó)外鐵路系統(tǒng)，我國(guó)鐵路信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展迅速，其信息化程度及穩(wěn)定性已達(dá)到相對(duì)較高的階段。目前，鐵路出行可以實(shí)現(xiàn)全程無(wú)紙化[1]。

與服務(wù)信息化形成鮮明對(duì)比的是鐵路建設(shè)、運(yùn)維的作業(yè)、管理方式。管理仍采用紙質(zhì)文件請(qǐng)示待批準(zhǔn)后進(jìn)行執(zhí)行，包括大量的二維圖紙及施工過(guò)程中的變更說(shuō)明；后期的運(yùn)維作業(yè)仍沿用紙質(zhì)作業(yè)派送單，作業(yè)單采用手工錄入。信號(hào)系統(tǒng)的全生命周期過(guò)程中，參與人員極多，使得管理過(guò)程程序復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)。由于專(zhuān)項(xiàng)作業(yè)的重復(fù)性，運(yùn)維人員作業(yè)效率低下，且紙質(zhì)作業(yè)單經(jīng)作業(yè)人員及錄入人員手動(dòng)處理，存在極大的不確定性，造成中間環(huán)節(jié)管控丟失。一線工作人員作業(yè)不受管控，通常以經(jīng)驗(yàn)、常識(shí)等慣性思維進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)。造成這些狀況的原因可歸納為以下幾點(diǎn)。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)不一，應(yīng)用困難

鐵路項(xiàng)目的建設(shè)涉及建設(shè)方、設(shè)計(jì)方、施工方、咨詢(xún)方、監(jiān)理方等，各單位各司其職，且具有較強(qiáng)的行業(yè)慣性思維，對(duì)數(shù)據(jù)資料的理解程度存在偏差，各階段各單位出具的數(shù)據(jù)資料存在差異，對(duì)運(yùn)維階段的數(shù)據(jù)應(yīng)用產(chǎn)生較大阻礙。

2.2 作業(yè)獨(dú)立，信息不通

鐵路系統(tǒng)是一個(gè)多專(zhuān)業(yè)協(xié)同的龐大體系，在實(shí)際的建設(shè)、運(yùn)維管理過(guò)程中，各專(zhuān)業(yè)相對(duì)獨(dú)立。對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，各專(zhuān)業(yè)協(xié)同作業(yè)極為重要，但往往協(xié)同作業(yè)不夠。各集團(tuán)公司現(xiàn)有的作業(yè)并未完全實(shí)現(xiàn)工電供一體化，仍采用單專(zhuān)業(yè)作業(yè)，作業(yè)時(shí)間分散，安排相對(duì)獨(dú)立，人員、時(shí)間、設(shè)備的多樣性使得維修作業(yè)信息化更加困難。

2.3 技術(shù)受限，故障預(yù)警定位困難

信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初是為了對(duì)所轄范圍內(nèi)的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并留檔以供電務(wù)人員查找數(shù)據(jù)。但除部分模塊化設(shè)備具備自診斷報(bào)警功能外，其余設(shè)備均需要人工判斷數(shù)據(jù)的正確性并對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行定位查找，在此過(guò)程中不同電務(wù)人員經(jīng)驗(yàn)不同，會(huì)產(chǎn)生不同的判斷。

3 基于BIM的信號(hào)系統(tǒng)管理方法探索

BIM 技術(shù)是一種集成了可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖等技術(shù)于一體的數(shù)字化工具，為建筑行業(yè)的全生命周期管理提供了新的選擇方案，它將各模型之間的關(guān)聯(lián)信息、工程關(guān)聯(lián)信息等集成到各個(gè)模型中，構(gòu)建出仿真建筑的真實(shí)信息[2]。

BIM 技術(shù)于2002 年伴隨Revit 的引入進(jìn)入中國(guó)，目前該技術(shù)仍處于發(fā)展階段，但各行業(yè)對(duì)其關(guān)注度極高。2013 年，中國(guó)鐵路BIM 聯(lián)盟成立，致力于鐵路行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)、接口、平臺(tái)等研究并形成自己的行業(yè)體系，同時(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，為中國(guó)鐵路建設(shè)、運(yùn)維管理提供新的平臺(tái)。BIM 技術(shù)已逐漸應(yīng)用于建造施工階段，并對(duì)全生命周期中的應(yīng)用進(jìn)行試點(diǎn)。針對(duì)當(dāng)下信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)維存在的問(wèn)題，本文以BIM 技術(shù)為有效手段對(duì)解決方法進(jìn)行探索。

3.1 統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)

鑒于信號(hào)系統(tǒng)全生命周期中多方參與的特點(diǎn)，容易產(chǎn)生各行業(yè)慣性思維偏差，須以運(yùn)營(yíng)方為主、建設(shè)方為輔，其他單位協(xié)同對(duì)各個(gè)階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)劃，以滿(mǎn)足后期運(yùn)維階段的需求。制定設(shè)計(jì)、施工階段BIM 模型向運(yùn)維期模型交付的內(nèi)容、方法和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立統(tǒng)一的模型體系，集成各參與方的改動(dòng)意見(jiàn)，以便于運(yùn)維階段的數(shù)據(jù)查詢(xún)與應(yīng)用。

3.2 信息互聯(lián)互通

當(dāng)下鐵路建設(shè)中，常用的BIM 軟件不同，造成各專(zhuān)業(yè)之間信息無(wú)法交互。有效的解決辦法是增加軟件平臺(tái)上的數(shù)據(jù)接口層，對(duì)不同專(zhuān)業(yè)、不同格式、不同階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。圖1 為全生命周期信息管理架構(gòu)。在IFC 標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，兼容性較好的平臺(tái)數(shù)據(jù)可實(shí)現(xiàn)交互；在非IFC 標(biāo)準(zhǔn)體系的軟件平臺(tái)上，通過(guò)二次開(kāi)發(fā)，增加數(shù)據(jù)接口，可實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)的信息互聯(lián)互通[3]。

圖1 信號(hào)系統(tǒng)全生命周期信息管理架構(gòu)

3.3 數(shù)據(jù)可視化

以BIM 可視化引擎，實(shí)現(xiàn)道床、鋼軌、車(chē)列、信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、電纜、室內(nèi)設(shè)備等真實(shí)仿真模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的真實(shí)位置、尺寸、狀態(tài)等信息的直觀展示，通過(guò)燈光、陰影渲染，空間漫游，實(shí)現(xiàn)超真實(shí)信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的展示，為施工、維護(hù)人員提供直觀的參考，以便于運(yùn)維工作的順利進(jìn)行。在二維圖紙的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的翻模，對(duì)各專(zhuān)業(yè)的接口信息、信號(hào)工程的差、錯(cuò)、漏等問(wèn)題進(jìn)行精確檢查。圖2 為二維數(shù)據(jù)的三維可視化[4]處理過(guò)程。

圖2 二維數(shù)據(jù)—三維數(shù)據(jù)可視化過(guò)程

3.4 故障預(yù)警定位

在后期運(yùn)維的故障處理機(jī)制中，接入設(shè)備狀態(tài)信息，對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行有效參數(shù)化，結(jié)合當(dāng)前科研成果中的故障檢測(cè)等方法，將各設(shè)備的故障進(jìn)行分類(lèi)管理，制定不同設(shè)備不同故障類(lèi)型的應(yīng)急處理辦法。設(shè)備發(fā)生故障后，將故障檢測(cè)和定位結(jié)果直觀顯示在設(shè)備模型中，便于維護(hù)人員快速進(jìn)行故障判斷并趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理。

4 基于BIM的信號(hào)系統(tǒng)全生命周期管理架構(gòu)

基于BIM 的信號(hào)全生命周期包含從信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)到施工再到運(yùn)營(yíng)維護(hù)。全生命周期的管理須以全自動(dòng)化的管理平臺(tái)為基礎(chǔ)。該平臺(tái)以規(guī)范化的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，吸收市場(chǎng)現(xiàn)有/投入生產(chǎn)的軟件平臺(tái)的長(zhǎng)處，能兼容處理不同的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有平臺(tái)的全接入。搭建三維仿真系統(tǒng)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行核查，對(duì)設(shè)計(jì)沖突進(jìn)行精確查找，可視化對(duì)接施工建造過(guò)程，實(shí)時(shí)掌握建設(shè)進(jìn)度及工程質(zhì)量，對(duì)交付的項(xiàng)目進(jìn)行信號(hào)各子系統(tǒng)管理[5]。

交付后的設(shè)備運(yùn)維是設(shè)備全生命周期工作的重中之重，其在交付運(yùn)營(yíng)階段的運(yùn)維管理方案如下：以各專(zhuān)業(yè)、各子系統(tǒng)的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，滿(mǎn)足鐵路運(yùn)維的信息化管理需求，該信息化管理體現(xiàn)在不同運(yùn)維階段的臺(tái)賬信息管理、設(shè)備模型的管理、生產(chǎn)計(jì)劃的管理等，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)、已知標(biāo)準(zhǔn)和已有數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)之間的聯(lián)通。鐵路信號(hào)系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 鐵路信號(hào)系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)架構(gòu)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，對(duì)室內(nèi)外設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行同步施工，室內(nèi)外施工實(shí)施基于BIM 的施工過(guò)程管理，室內(nèi)外施工由設(shè)備承包方進(jìn)行設(shè)備安裝調(diào)試，并對(duì)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)線路安裝，運(yùn)營(yíng)方根據(jù)驗(yàn)收成果建立設(shè)備臺(tái)賬以便于后期運(yùn)維管理。

基于BIM 鐵路信號(hào)系統(tǒng)綜合管理系統(tǒng)與工務(wù)、電務(wù)、供電、房建等專(zhuān)業(yè)運(yùn)維管理系統(tǒng)通過(guò)傳輸通道(如鐵路局集團(tuán)公司網(wǎng)絡(luò)、4G 等)進(jìn)行設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)進(jìn)行拆分、整合，協(xié)同各專(zhuān)業(yè)進(jìn)行運(yùn)檢計(jì)劃任務(wù)的編制、任務(wù)調(diào)度等功能。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)是為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)階段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的信息化存儲(chǔ)，便于交付以及后期運(yùn)維工作查證，支撐運(yùn)維平臺(tái)的基礎(chǔ)構(gòu)建，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)包括設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、二維/ 三維模型數(shù)據(jù)等。

模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維階段各類(lèi)數(shù)據(jù)規(guī)范化應(yīng)用的基礎(chǔ)。為滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)單位實(shí)際需求，需對(duì)竣工、交付模型進(jìn)行滿(mǎn)足5級(jí)精度的構(gòu)建。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，模型精度達(dá)到4 級(jí)深度（信息深度、幾何深度），才可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)施設(shè)備的詳細(xì)描述。

鐵路信號(hào)系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)基于開(kāi)放的互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行各級(jí)通信，由于全生命周期中各階段參與方人員較多，存在信息安全風(fēng)險(xiǎn)，運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的安全保障體系旨在從用戶(hù)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)等各方面實(shí)際管理中挖掘風(fēng)險(xiǎn)所在，建立完備的安全風(fēng)險(xiǎn)管理辦法，從方針、政策、制度、規(guī)范等方面完善安全保障機(jī)制，以保障綜合管理平臺(tái)的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

5 總結(jié)與展望

基于BIM 的信號(hào)綜合管理繼承了傳統(tǒng)的信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)維管理方法的長(zhǎng)處并加以創(chuàng)新，BIM 技術(shù)使得鐵路信息化建設(shè)更上一層樓，將推動(dòng)行業(yè)發(fā)展并發(fā)揮更加深遠(yuǎn)的作用。

BIM 技術(shù)將促進(jìn)信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)維管理水平不斷提高。隨著B(niǎo)IM 技術(shù)在鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)中的逐步應(yīng)用，生產(chǎn)管理、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)采集管理存儲(chǔ)、多方剛性需求將促使技術(shù)、理念不斷更新迭代，形成良性循環(huán)，帶動(dòng)鐵路建設(shè)、運(yùn)維管理工作水平的不斷提高。

本文在分析信號(hào)系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)維現(xiàn)狀的基礎(chǔ)的上，對(duì)BIM技術(shù)在信號(hào)系統(tǒng)綜合管理應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行闡述，對(duì)面向全生命周期的信號(hào)系統(tǒng)綜合管理平臺(tái)建設(shè)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)占據(jù)設(shè)備全生命周期的運(yùn)維管理平臺(tái)的建設(shè)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。BIM 技術(shù)的應(yīng)用順應(yīng)鐵路信息化發(fā)展潮流，將加快鐵路信息化、數(shù)字化的建設(shè)過(guò)程，并對(duì)鐵路行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。