BIM技術在鐵路信號和安全系統(tǒng)規(guī)劃中的應用

0 引言

自2017年由德國聯(lián)邦運輸和數(shù)字基礎設施部（BMVI）發(fā)起的13個試點項目啟動以來，德國鐵路股份公司（DB）就引入了建筑信息模型（BIM）技術，作為其標準化戰(zhàn)略以及未來的工作和設計方法。從那時起，BIM技術成為了DB基礎設施項目中不可或缺的工具。同時，參與DB基礎設施項目規(guī)劃、建設和運營的各行業(yè)專家也面臨著巨大的挑戰(zhàn)，即如何根據(jù)DB的BIM戰(zhàn)略制定出可行的措施。他們關心以下3個核心問題：

（1）可以通過哪些業(yè)務或規(guī)劃流程達到要求;

（2）應該使用哪些軟件系統(tǒng)來支持所需流程并生成所需的專家數(shù)據(jù)或?qū)ο?

（3）應該怎樣實現(xiàn)以及通過哪種接口格式實現(xiàn)跨專業(yè)、跨公司和跨流程的數(shù)據(jù)流。

WSP Infrastructure Engineering GmbH公司的ProSig規(guī)劃軟件研發(fā)團隊根據(jù)這些問題，為鐵路信號和安全系統(tǒng)規(guī)劃提供了多種解決方案。下面將介紹這些解決方案。

1 ProSig 軟件系統(tǒng)概述

為使讀者更好地理解ProSig方案，本文先介紹該軟件系統(tǒng)的基本結構框架。該軟件系統(tǒng)分為2部分。其中一部分作為“對象提供器”，負責提供專業(yè)對象相關的所有數(shù)據(jù)，以支持各專業(yè)的規(guī)劃工作;另一部分作為“對象收集器”，負責在3D空間中對所有專業(yè)對象進行同時且全面的描述，并成為后續(xù)系統(tǒng)（財務控制系統(tǒng)、維修系統(tǒng)和運營系統(tǒng)）的數(shù)據(jù)源。這些跨專業(yè)且通用的3D空間（如AutoDesk Navisworks）允許對基礎設施項目規(guī)劃進行結構、數(shù)量和時間方面的評估。各專業(yè)規(guī)劃人員可以在“對象收集器”中對其所做的規(guī)劃進行修改和調(diào)整。

這個基于BIM技術的全面“對象收集器”是鐵路網(wǎng)絡完整且真實圖像的“數(shù)字孿生”。從技術和組織的角度來看，這是一個雄心勃勃的大數(shù)據(jù)項目。

為實現(xiàn)將不同系統(tǒng)組件連接起來并進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康模琍roSig軟件系統(tǒng)還使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，以求在系統(tǒng)組件之間使用單一數(shù)據(jù)流。

2 從 2D 到 3D 的發(fā)展

基于上述方案，ProSig研發(fā)團隊與DB Engineering&Consulting公司合作開發(fā)了一個名為“LST2BIM”的原型應用程序，可將一些ProSig項目中的2D對象自動轉換為“對象收集器”虛擬空間中的3D對象。

（1）首先，將ProSig規(guī)劃項目中的信息分為2種具有不同格式的基本數(shù)據(jù)流：①使用DB下屬線路網(wǎng)絡子公司（DB Netz AG）PlanPro數(shù)據(jù)接口的鐵路信號和安全系統(tǒng)技術數(shù)據(jù);②具有工業(yè)基礎類（IFC）3D交換格式的對象結構數(shù)據(jù)，但內(nèi)容不一定與鐵路信號和安全技術相關。

（2）然后，對這些數(shù)據(jù)流進行組合或鏈接，以滿足各個目標系統(tǒng)的信息需求。數(shù)據(jù)從ProSig中導出后，便生成了2個數(shù)據(jù)集：包含所規(guī)劃設備（如集中裝置）全部技術和邏輯信息的PlanPro-XML數(shù)據(jù)，以及包含線路設施相關3D對象的IFC文件。IFC文件可通過唯一編號（全局唯一標識符 GUID）在PlanPro數(shù)據(jù)中被引用。

（3）最后，目標系統(tǒng)導入這些數(shù)據(jù)，并對其進行可視化和進一步處理。

由于信息需求因應用場景不同而各異，因此結構性3D對象的細節(jié)級別（LOD）也不同。目前，ProSig和LST2BIM中對象的LOD分為3級（圖2）：①占位符，非常粗略的描述，僅用于標記某物體的存在;②合格模擬品，具有標準圖的相應編號，外觀與對象近似;③標準圖，對于對象的真實描述，體現(xiàn)其細節(jié)。

在一個上文提到的BIM早期試點項目中，規(guī)劃人員使用LST2BIM軟件在美茵河畔法蘭克福（Frankfurt am Main）樞紐站Gutheuthof支線已有的3D現(xiàn)狀圖中增加了數(shù)個信號機，如圖3所示。

目前，研究人員還以LST2BIM軟件為基礎，開發(fā)出名為“LST2Unreal”的應用程序。利用該程序，可將線路設備對象傳輸?shù)経nreal Engine的交互式3D空間中，供用戶查看和瀏覽。采用這種游戲開發(fā)的方法進行專業(yè)規(guī)劃設計，可使用戶獲得3D可視化體驗，并且迅速經(jīng)濟地檢查規(guī)劃結果（圖4）。

3 以原始數(shù)據(jù)為基礎的 BIM 規(guī)劃

原始數(shù)據(jù)的可靠性問題始終是使用BIM技術進行規(guī)劃的大問題。沒有精確地形信息作為基礎，鐵路設施規(guī)劃便不能達到準確合理的效果。

對于鐵路信號和安全系統(tǒng)的規(guī)劃，精確的軌道位置及相應的線路數(shù)據(jù)（線路里程、軸線、坡度、超高）是創(chuàng)建有效現(xiàn)狀圖的前提，而線路設施規(guī)劃以有效現(xiàn)狀圖為基礎。BIM技術的應用進一步提高了對此類數(shù)據(jù)基礎的要求，因為所有3D對象必須在虛擬空間中具有準確的位置和足夠精確的范圍，以便隨后對其進行專業(yè)整合，從而實現(xiàn)結構評估（如碰撞檢測）。

因此，創(chuàng)建現(xiàn)狀圖時，除了優(yōu)化2D信息源以外，還建議使用準確的3D信息。為此，使用激光掃描儀記錄點云是一種可靠且實用的方法。由此形成的規(guī)劃過程如下。

（1）利用ProSig軟件從3D點云中創(chuàng)建線路位置圖，并在必要時確定所有存在對象的位置。

（2）根據(jù)這些信息，在ProSig項目中創(chuàng)建現(xiàn)狀圖。

（3）在所需的施工條件下規(guī)劃線路設施。

（4）使用LST2BIM將ProSig項目中的對象導出并在3D點云中顯示，以便進行規(guī)劃檢查。

4 總結和展望

將BIM技術用于鐵路基礎設施規(guī)劃還處于起步階段，但已取得不少成果。究竟BIM技術最終將發(fā)展到何種程度，是僅局限于個別解決方案，還是成為包羅萬象的行動框架，這取決于德國鐵路行業(yè)愿意且允許做出多大程度的改變。但無論如何，這種標準化舉措都帶來了創(chuàng)新的壓力，這對傳統(tǒng)工程師的工作（如鐵路信號和安全技術領域）產(chǎn)生了明顯影響。ProSig軟件系統(tǒng)在這種改變中得到了發(fā)展和完善。目前，DB已經(jīng)引入了新版本“ProSig 7 EPU”。與傳統(tǒng)的“繪圖驅(qū)動”版本相比，這種最新版本可以為有針對性的“數(shù)據(jù)驅(qū)動”流程提供更多支持。此外，基于BIM技術的鐵路設施規(guī)劃方式也得到了進一步發(fā)展，具體表現(xiàn)為：①使用2個或多個軟件系統(tǒng)進行規(guī)劃;②將這些軟件系統(tǒng)集成到綜合數(shù)據(jù)平臺（CDE）中;③直接在數(shù)字孿生上進行跨專業(yè)的協(xié)作。

參考文獻

[1] Silja Beck， TurgayTürker， Volker Uminski. Building Information Modeling in der Planung der Leit- und Sicherungstechnik[J]. Signal+Draht，2019（9）：6-11.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-01-04