基于BIM技術(shù)的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法研究

摘要：傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)線纜布線方法主要依賴人工操作，不僅效率低下，且在復(fù)雜的線路布局中極易出錯(cuò)。為此研究基于BIM技術(shù)的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法。該方法依托實(shí)際工程，基于BIM技術(shù)建立一個(gè)鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型，以解決碰撞與顯示遮擋等問(wèn)題，提高鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法的效率和可靠性。在BIM模型中利用RRT算法自動(dòng)生成線纜的遠(yuǎn)距離布線路徑，實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)方法不僅可以實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線，且具有較高的布線效率。

關(guān)鍵詞：BIM技術(shù)；鐵路信號(hào)線纜；遠(yuǎn)距離布線；自動(dòng)布線

0" "引言

鐵路作為國(guó)家重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，其信號(hào)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與高效性對(duì)于列車的安全、準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行至關(guān)重要。線纜作為信號(hào)傳輸?shù)拿浇?，其布線方式直接影響到信號(hào)的傳輸質(zhì)量。當(dāng)下，我國(guó)傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)線纜布線主要依賴于人工，這種方法不僅效率低下，而且容易出錯(cuò)，增加了后期維護(hù)的難度，所以研究一種高效、準(zhǔn)確的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法顯得尤為重要。近年來(lái)，眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者紛紛投入到線纜自動(dòng)布線方法的研究中，并取得了一系列顯著的成果。孫浩等人[1]針對(duì)復(fù)雜約束下電氣線路自動(dòng)布線問(wèn)題，引入A*算法進(jìn)行線纜路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)布線的自動(dòng)化與智能化。屈力剛等人[2]采用改進(jìn)粒子群算法進(jìn)行布線路徑規(guī)劃的優(yōu)化，可以解決傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品布線效率低、可應(yīng)用性差等問(wèn)題。

雖然這些研究在線纜自動(dòng)布線中取得較好的效果，但在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中，由于設(shè)備布局復(fù)雜、線纜需求量大、環(huán)境因素多變等特點(diǎn)，常規(guī)線纜布線方法的適用性和準(zhǔn)確性大打折扣。為解決上述方法中存在的問(wèn)題，本研究致力于開(kāi)發(fā)一種基于BIM技術(shù)的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法，以期在鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法上取得創(chuàng)新性突破，為類似領(lǐng)域的線纜布線提供借鑒和參考。

1" "工程概況

本研究選取某市郊區(qū)的一段新建鐵路作為研究對(duì)象，該路段全長(zhǎng)約159km，共包含18個(gè)車站和24個(gè)中繼站。這些車站和中繼站是鐵路信號(hào)系統(tǒng)的重要組成部分，用于列車運(yùn)行的控制和調(diào)度。收集實(shí)例鐵路工程的建設(shè)數(shù)據(jù)可知，該鐵路信號(hào)系統(tǒng)主要由室內(nèi)與室外兩部分設(shè)備構(gòu)成。實(shí)例鐵路信號(hào)系統(tǒng)中設(shè)備詳情如表1所示。

由于實(shí)例工程的鐵路信號(hào)系統(tǒng)過(guò)于龐大且復(fù)雜，應(yīng)用的信號(hào)設(shè)備較多，如果采用人工布線方式，難以保障布線效果，所以本文依托該實(shí)例項(xiàng)目，提出一種基于BIM技術(shù)的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法。

2" "鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線關(guān)鍵技術(shù)

2.1" "建立鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型

2.1.1" "BIM技術(shù)原理

BIM技術(shù)是一種以三維模型為基礎(chǔ)的建筑信息模型技術(shù)，能夠?qū)⒔ㄖ?xiàng)目的所有信息集合到一個(gè)共享的數(shù)字環(huán)境中，這些信息涵蓋了項(xiàng)目的幾何形狀、功能、性能、成本以及時(shí)間等方方面面。

在建筑行業(yè)中，BIM技術(shù)展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用價(jià)值，它不僅有助于提高工作效率、減少錯(cuò)誤、降低成本和縮短工期，還可為各個(gè)階段的工作提供有力支持。

本文在研究鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法時(shí)，引入了BIM技術(shù)，充分考慮鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)際安裝情況和環(huán)境因素以及設(shè)備之間的交互關(guān)系，構(gòu)建一個(gè)鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型。以此模擬鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線環(huán)境，直觀表達(dá)設(shè)備模型與線路的關(guān)系，有效解決了碰撞與顯示遮擋等問(wèn)題，提高了鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法的效率和可靠性[3]。

2.1.2" "構(gòu)建BIM模型

首先，需要明確實(shí)例工程的鐵路信號(hào)系統(tǒng)的范圍，以此作為BIM模型的建模目標(biāo)，并收集表1所示鐵路信號(hào)設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，如尺寸、形狀、安裝位置等，以此作為BIM模型的建模信息。然后，在AutoCAD軟件中，將收集的鐵路信號(hào)設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，并設(shè)置好模型種類、精度等參數(shù)，從而生成鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的初始BIM模型。

2.1.3" "BIM模型驗(yàn)證

完成初始BIM模型的構(gòu)建之后，需要進(jìn)行模型驗(yàn)證，檢查模型是否符合實(shí)際需求和設(shè)計(jì)要求。本文主要通過(guò)對(duì)BIM模型的內(nèi)部空間進(jìn)行離散化分析，來(lái)檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途萚4]。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是根據(jù)鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型的截面和拉伸長(zhǎng)度，生成各設(shè)備模型的內(nèi)部空間包圍盒，提取出包圍盒的面，并求出各個(gè)面的法向量。假設(shè)包圍盒的每個(gè)面由兩個(gè)頂點(diǎn)（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2）組成，則法向量的具體計(jì)算公式如下：

式中：F表示鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型內(nèi)部空間包圍盒的面的法向量。

在根據(jù)式（1）求出包圍盒各面的法向量之后，將所求數(shù)據(jù)與鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型的理論設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，以此檢查BIM模型的建模尺寸是否存在偏差。如果存在較大偏差，需要進(jìn)行優(yōu)化和修改，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。

當(dāng)鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型檢驗(yàn)無(wú)誤之后，在鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的生命周期內(nèi)，需要進(jìn)行模型的維護(hù)和更新。也就是根據(jù)設(shè)備的改造升級(jí)等情況，及時(shí)更新模型信息，保持模型的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，為后續(xù)鐵路信號(hào)線纜的模擬布設(shè)提供有力支持。

2.2" "基于BIM模型遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線

利用RRT算法與模擬仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)BIM遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線的功能[5]，對(duì)于提高布線效率、降低人工成本以及優(yōu)化布線方案具有顯著意義。根據(jù)實(shí)際工程需求和鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的安裝位置，精確設(shè)定線纜布線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，可為后續(xù)的自動(dòng)布線提供明確的方向。

2.2.1" "RRT算法的功用

在鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的BIM模型中，利用RRT算法自動(dòng)生成線纜的遠(yuǎn)距離布線路徑。RRT算法是由美國(guó)Steven M.LaValle教授所提出的，一種基于采樣的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，尤其適用于高維多自由度的系統(tǒng)，能夠在多維空間中高效地規(guī)劃路徑。其核心思想是快速擴(kuò)展類似樹(shù)的路徑，以探索并填充空間的廣大區(qū)域，尋找可行的路徑。通過(guò)這種方式，RRT算法能夠有效地在多維空間中尋找可行路徑，適用于解決復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題。

2.2.2" "RRT算法規(guī)劃路徑步驟

在鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的BIM模型中，選擇某初始設(shè)備點(diǎn)作為RRT樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)，并創(chuàng)建一個(gè)空的節(jié)點(diǎn)集合用于存儲(chǔ)生成的節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，在布線路徑的可通行區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成一個(gè)新的節(jié)點(diǎn)，將其添加到RRT樹(shù)中，并選擇一個(gè)與新生成隨機(jī)節(jié)點(diǎn)不同的節(jié)點(diǎn)作為擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，根據(jù)下式評(píng)估各擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)代價(jià)值：

式中：?（b）表示擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)b的估價(jià)函數(shù)；u（b）表示擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)b的真實(shí)代價(jià)；v（b）表示擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)b的啟發(fā)式方程。

根據(jù)式（3）全面評(píng)估各擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的代價(jià)值，并選擇代價(jià)最小的節(jié)點(diǎn)作為最終確定的擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)，用于構(gòu)建布線路徑。然后，根據(jù)擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)和隨機(jī)節(jié)點(diǎn)之間的相對(duì)位置，計(jì)算出它們之間的連接路徑長(zhǎng)度：

式中：Lab表示隨機(jī)節(jié)點(diǎn)a和擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)b之間的路徑長(zhǎng)度；（xa，ya）、（xb，yb）分別表示隨機(jī)節(jié)點(diǎn)和擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)。

求出隨機(jī)節(jié)點(diǎn)和擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)之間的連接路徑之后，將此路徑添加到RRT樹(shù)中，以此更新RRT樹(shù)的結(jié)構(gòu)。不斷重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的終止條件，如達(dá)到目標(biāo)終點(diǎn)等，以此生成初始的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離敷設(shè)路徑。

2.2.3" "布線路徑評(píng)估

在得到初始布線路徑之后，需要根據(jù)障礙物規(guī)避函數(shù)來(lái)進(jìn)行路徑評(píng)估，具體評(píng)估公式如下：

式中：?1表示障礙物規(guī)避函數(shù)，即評(píng)估布線路徑避開(kāi)障礙物區(qū)域的可能性；k表示用于調(diào)整曲線陡峭程度的常數(shù)；D表示布線路徑和障礙物的最近距離；D0表示閾值，如果路徑和障礙物之間距離小于該閾值，說(shuō)明路徑穿越了障礙物。

若所求評(píng)估結(jié)果取值范圍在[0，1]之間，其值越接近0，表示RRT算法生成的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離布線路徑越安全。反之其值越接近1，則說(shuō)明生成的路徑有可能穿越障礙物，需要進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以確保生成的路徑能夠保持穩(wěn)定并滿足工程要求。

最后根據(jù)優(yōu)化后的布線路徑，自動(dòng)進(jìn)行鐵路信號(hào)線纜布線模擬[6]，以此實(shí)現(xiàn)BIM遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線功能，進(jìn)一步指導(dǎo)實(shí)際的鐵路信號(hào)線纜的遠(yuǎn)距離敷設(shè)和安裝工作。

3" "布線效果分析

根據(jù)文中上述內(nèi)容完成實(shí)例項(xiàng)目的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離布線后，為驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)布線方法的有效性，需要對(duì)具體布線結(jié)果與效果進(jìn)行詳細(xì)探討。

3.1" "實(shí)例布線數(shù)據(jù)分析

在得到實(shí)例項(xiàng)目的鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線結(jié)果之后，統(tǒng)計(jì)并整理本次布線結(jié)果的相關(guān)數(shù)據(jù)，生成表2所示的布線結(jié)果信息表。

從表2可以看出，實(shí)例項(xiàng)目中共布設(shè)了6條不同的鐵路信號(hào)電纜線路，并給出了對(duì)應(yīng)線路的布線長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。由此說(shuō)明，本文設(shè)計(jì)方法可以有效實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)線纜的遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線。

3.2" "不同布線方法的布線效率對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性，引入基于Pro/E的布線方法、基于虛擬樣機(jī)的布線方法，作為基于BIM技術(shù)的布線方法的對(duì)照組，同樣對(duì)實(shí)例項(xiàng)目進(jìn)行鐵路信號(hào)線纜的遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線，并統(tǒng)計(jì)各方法下的布線時(shí)間，以驗(yàn)證不同布線方法的實(shí)際布線效率。不同方法的布線效率對(duì)比如圖1所示。

從圖1可以看出，基于BIM技術(shù)的布線方法在6條線路的布線時(shí)間上普遍較短，該方法下整個(gè)鐵路信號(hào)線纜的布線總時(shí)間僅10.9h，較對(duì)照組方法分別縮短了1.7h、3.5h。這主要是因?yàn)榛贐IM技術(shù)的布線方法，能夠利用三維模型進(jìn)行精確的布線設(shè)計(jì)和模擬，減少了傳統(tǒng)方法的反復(fù)修正和測(cè)試，從而提高了布線效率。

此外，BIM技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各專業(yè)之間的協(xié)同設(shè)計(jì)和信息共享，避免了由于溝通不暢或數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確導(dǎo)致的設(shè)計(jì)變更和返工。綜上可知，本文研究的基于BIM技術(shù)的布線方法在鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線方法中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

4" "結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)鐵路信號(hào)線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線問(wèn)題，提出一種基于BIM技術(shù)的解決方案。通過(guò)建立精確的鐵路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備BIM模型，結(jié)合路徑規(guī)劃算法，實(shí)現(xiàn)了高效、準(zhǔn)確地線纜遠(yuǎn)距離自動(dòng)布線。然而，本研究仍有不足之處，例如未考慮線纜的動(dòng)態(tài)負(fù)載和環(huán)境變化的影響，以及模型的實(shí)際驗(yàn)證尚需加強(qiáng)。

未來(lái)研究可進(jìn)一步拓展BIM技術(shù)在鐵路信號(hào)線纜布線中的應(yīng)用，探索更加智能、自適應(yīng)的布線方法，以適應(yīng)復(fù)雜多變的鐵路信號(hào)系統(tǒng)需求。同時(shí)，要加強(qiáng)實(shí)際工程應(yīng)用與驗(yàn)證，為鐵路信號(hào)線纜布線的工程實(shí)踐提供更加可靠的依據(jù)。

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