BIM在高速鐵路信號系統聯調聯試的應用探討

徐效寧 汪 洋 王 菲 萬 林

(中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081)

信號系統作為高速鐵路的重要組成部分，對保證行車安全起著至關重要的作用。我國高速鐵路在開通運營前，均需采用試驗列車在實際運行狀態下對線路的信號系統進行動態檢測，這稱為高速鐵路信號系統聯調聯試[1]。由于信號系統高安全完整性等級(SIL)的要求，該項工作通常由獨立第三方進行，這有利于保證測試結果的客觀性，但也易造成測試與線路設計施工之間的脫節，給測試發現問題帶來一定的困難。

近年來，建筑信息模型(BIM)技術因其能為工程項目方案優化和科學決策提供依據，提高工程質量、控制建設成本、保障運營安全等諸多優勢在工程建設領域得到廣泛認可和應用[2-3]。BIM技術能將工程項目的各元素和相關信息建立為一個統一信息模型，從而實現信息共享，這個特點為解決信號系統聯調聯試與線路設計施工脫節問題提供了一種思路。但BIM技術主要面對工程建設領域，如何為高速鐵路信號這樣一個復雜控制系統進行BIM建模是一個技術難點。本文從聯調聯試的角度，利用BIM技術對高速鐵路信號系統進行建模，并研究如何將模型應用于信號系統聯調聯試的工作中。

1 高速鐵路信號系統BIM建模

1.1 BIM技術簡介

建筑信息模型是指在建設工程及設施全生命期內，對其物理和各種特性進行綜合的數字化表達。BIM將建筑工程項目中各個單一的物體或構件作為基本元素，并將描述這種基本元素的物理特性、幾何數據、施工要求等相關的信息有機地組織起來，建立一個數據化、信息化的三維建筑模型，作為整個項目的信息模型。這個信息模型可以為項目的不同階段、不同項目參與方之間搭建信息交流與共享的平臺，減少因信息交流不暢造成的損失。近年來，BIM技術已應用于高速鐵路信號系統設計及數據管理中[4-6]。

高速鐵路信號系統作為一個復雜的控制系統，很難用BIM技術對系統內部的工作原理進行建模。實際上，信號系統內部工作原理的建模對于聯調聯試的意義也并不是很大。信號系統聯調聯試的目的是驗證系統功能和設備狀態，而不是它的實現細節。例如，對于某一限速區段，聯調聯試需驗證信號系統能否保證列車在該區段不會超速，而不是關注系統中車載設備在收到地面設備的數據后，內部邏輯如何去實現。基于這個思路，本章首先分析高速鐵路信號系統聯調聯試的關注點，然后將信號系統中測試相關信息進行數字化表達，建立用于聯調聯試的信號系統BIM模型。

1.2 高速鐵路信號系統聯調聯試分析

高速鐵路信號系統聯調聯試的檢測項目包括列控系統功能，聯鎖系統、調度集中(CTC)系統的相關功能，列車自動運行系統(ATO)的相關功能，信號軌旁設施狀態等[7-8]。本文以列控系統功能檢測為例，研究BIM技術在高速鐵路信號系統聯調聯試中的應用。目前，對于新建線路，列控系統功能檢測主要是利用不同型號的車載設備作為標尺，通過設置不同的測試條件(進路、臨時限速等)，然后根據車載設備的輸出結果來驗證系統功能的正確性，因此列控系統的聯調聯試可以看作是一種黑盒測試。根據這個特性，聯調聯試只需對列控系統的輸入和輸出進行BIM建模。

從聯調聯試的角度，列控系統涉及到的數據可以分為4層，分別為線路真實列控數據、線路設計列控數據、列控地面設備輸出數據和車載設備執行結果，如圖1所示。根據聯調聯試的流程，測試方不可能實測得到真實的線路布置和信號設備數據，所以測試方是線路設計數據作為依據，其它數據(線路真實列控數據、列控地面設備輸出數據和列控車載設備執行結果)均需在試驗過程中獲取。

圖1 從聯調聯試角度列控系統數據分層

線路設計列控數據來自集成商提供的列控工程數據，內容包括：車站信息表、正線信號數據表、應答器位置表、列車進路數據表、線路坡度表、線路速度表、橋梁隧道信息表、過分相信息表、異物侵限信息表、道岔信息表、站臺側信息表等。

根據聯調聯試的經驗，并不是所有的問題都能通過車載設備的執行結果反映出來，因此必須對每一層數據都要進行驗證。圖2例示了一種不能由車載設備反應的地面數據錯誤類型。線路C點的實際限速為80 km/h，A點應答器錯誤的描述了C點限速為120 km/h，B點應答器則正確描述了該限速。在正常的走行過程中，由于列車收到B點應答器后會替換A點應答器的數據，所以在C點會執行正確的80 km/h限速。但是，一旦運營過程中B點應答器丟失，C點將錯誤的執行120 km/h限速，這就存在著一個安全隱患。由于現場測試條件的限制，不可能對每一個應答器都做丟失測試(故障試驗)，所以僅靠車載設備的執行結果不能驗證所有地面數據的正確性。而且，這個示例只是描述了一種明顯的線路限速錯誤，而同樣影響行車安全的坡度、信號機類型等信息描述錯誤則更不易發現。

圖2 一種不能由車載設備執行結果反映的地面數據錯誤類型

1.3 高速鐵路信號系統的基礎BIM模型

BIM在列控系統聯調聯試中的應用，主要是利用BIM技術中的“碰撞檢測”。碰撞檢測是利用BIM模型可視化的特點，在設計階段可以及時發現設計漏洞反饋給設計人員，提早解決實際問題。聯調聯試階段列控系統的實際設備布置不存在碰撞的問題，但可以將列控系統不同層次數據的一致性比較，看作是一種“碰撞檢測”。

按照這個思想，測試方可建立列控系統的BIM基礎模型。在測試開始前，測試方以線路設計數據(列控工程數據)作為依據，可以建立1個三維與現場完全相同的線路圖，各種列控數據都以立體的方式展示。在這里，為了簡化處理，可以將這個模型進行抽象，即將線路作為1個二維平面圖，將列控系統相關的數據放在第三維平面上，這樣就構成1個與現實不同的“三維圖形”。具體步驟如下：

(1)根據工程數據，生成1個二維的車站和區間線路平面圖。

(2)在平面布置圖的基礎上，將列控工程數據中的線路速度、軌道區段、應答器、信號點等信息作為第三維度信息，按照不同的高度分別描述在對應線路的正上方，構成三維的列控系統BIM基礎模型。

2 BIM模型在聯調聯試中的應用

2.1 基于BIM模型的直觀驗證

BIM基礎模型可用于列控系統的直觀驗證。測試方將試驗得到的車載設備記錄數據，導入到BIM基礎模型，將記錄數據中的相關信息添加到線路的正上方，就可以直觀的與列控工程數據進行比較。

車載設備記錄數據可以析出線路真實信號數據、列控地面設備輸出數據和車載設備執行結果，數據中包含的具體內容如下：

(1)線路真實列控數據：應答器的實際位置、軌道區段的長度和載頻。

(2)列控地面設備輸出數據：應答器報文描述的線路限速、線路坡度、應答器鏈接距離、軌道區段長度和載頻、分相信息、橋梁隧道位置等；無線閉塞中心(RBC)描述的線路限速、線路坡度、應答器鏈接距離、軌道區段長度和載頻、分相信息、橋梁隧道位置等。

(3)列控車載設備執行結果：車載設備計算的限速、輸出過分相命令的位置、DMI顯示的線路坡度、橋梁隧道位置等信息。

測試方將這些數據根據不同的類型，分層導入到BIM基礎模型中，可以從圖上直接進行數據比較。這種方式將車載記錄數據根據不同的數據類型分成不同的高度，然后按列車走行路徑展開，這樣與工程數據一一對應，非常直觀，便于發現問題。

2.2 基于BIM模型的軟件實現

當高速鐵路線路里程較長時，由于人工操作的不可靠性，通過BIM模型直接驗證數據可能存在一定的漏查情況。另一個不能忽略的現實問題是，目前高鐵四電系統集成階段大都沒有建立列控系統的BIM基礎模型，這種情況下，測試方需要專門開發BIM基礎模型，工作量比較大。

為此，本文基于BIM的思想，對2.1節描述的過程進行抽象，提出一種軟件設計思路。軟件流程如圖3所示，基本思路為：

圖3 基于BIM模型的軟件流程圖

(1)導入線路的列控工程數據，構建列控系統的線路數據庫。

(2)根據進路排列情況、臨時限速設置等測試條件，生成列車所走行進路的線路數據表。

(3)導入車載設備的測試記錄數據，與線路數據表進行一致性比較。

(4)待所有測試序列比較完成后，進行完整性檢查，驗證測試序列是否覆蓋所有的進路、測試特征，并生成總測試報告。

3 總結

目前，我國信號系統和列控設備日漸成熟穩定，信號系統聯調聯試主要工作就是數據的驗證，而不再是信號設備本身的測試。BIM技術的引入，可以更好的為數據驗證工作提供技術支持。

隨著越來越多的鐵路工程建設項目開始引入BIM，若四電系統集成階段建立了信號系統的BIM模型，那么測試方只需在BIM模型的基礎上導入測試數據直接進行直觀的數據驗證即可，這也是BIM模型實現信息共享的初衷。