中國鐵路信號系統設計手段的發展經驗

周憲寶

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

縱觀信號系統設計手段的發展歷程，信號系統設計手段在不斷探索和革新中發展。從手工描圖到計算機輔助設計，標志著信號系統設計手段進入信息時代；從利用CAD軟件輔助設計到自主知識產權軟件的提出和與CAD軟件的結合使用，標志著信號系統設計手段進入自主知識產權時代；交付成果從二維平面設計到三維立體空間設計的轉變，標志著信號系統設計手段進入智能化時代。

1 傳統設計手段介紹

1.1 傳統設計手段概述

傳統設計手段經歷了純手工設計階段和計算機輔助設計階段。在純手工設計階段，設計者利用筆、尺子和圖板等設計工具在紙上繪制，所有設計成果都是設計者一筆一畫描繪出來的。隨著信息技術的高速發展和計算機技術的推廣使用，純手工設計方式已經被時代淘汰，利用計算機輔助設計的方式開始興起。常見的計算機輔助設計軟件是Autodesk公司研發的CAD軟件。CAD軟件以其強大的繪圖功能成為設計行業主流的制圖工具。

1.2 傳統設計手段缺點

隨著CAD軟件的廣泛使用，單純依靠CAD軟件繪圖的缺陷開始凸顯，主要表現在以下幾個方面。

1）設計效率不高

傳統設計手段的設計效率完全依托于設計者的專業技術水平和對CAD軟件的熟練程度。CAD軟件只是一個通用的繪圖工具，而信號系統功能復雜，專業性強，設計工作量大。因此，單純依靠CAD軟件進行信號系統設計，針對性不強，存在很多重復設計，設計效率不高。

2）邏輯設計適用性不強

CAD軟件作為圖形設計工具，對于圖形繪制具備一定優勢，但缺乏邏輯判斷功能，對于信號系統聯鎖表、拆配線等涉及數據信息的設計適用性不強，成果瀏覽和檢查操作不方便。因此，設計過程中涉及的數據信息需要設計者手工鍵入，設計成果質量完全由設計者自身技術水平保證。

2 當前主流設計手段介紹

隨著信號系統設計任務量的增大，各單位逐步開始研究新的設計手段，研發思路集中于以CAD軟件為基礎，進行自主軟件的開發。自主軟件根據專業設計需求研發，對于邏輯性強、有一定規律、重復性強的繪圖操作，利用計算機程序邏輯算法實現自動繪制，可以有效提高工作效率。自主軟件以中國鐵路設計集團有限公司（以下簡稱“中國鐵設”）研發的“信號一體化設計平臺”作為典型代表。

2.1 信號一體化設計平臺介紹

中國鐵設自主研發的信號一體化設計平臺以鐵路信號技術自主創新為宗旨、以鐵路信號室內外圖紙設計關鍵技術難題為切入點，通過理論研究、軟件編寫、試驗驗證、工程試驗等環節，系統地研究站場圖輸入數據提取、室外圖紙輔助設計、聯鎖及電碼化圖紙輔助設計、區間閉塞圖紙輔助設計等方面的問題，攻克了信號數據庫模型、雙線電纜長度芯數自動計算、機柜設備布置圖回讀、區間軌道電路自動分割和鐵路橫向連接自動布置等關鍵技術。

信號一體化設計平臺幾乎涵蓋了信號系統全過程設計，整體框架如圖1所示。信號一體化設計平臺分為聯鎖設計子系統、列控設計子系統、閉塞設計子系統、列控數據管理平臺、專線設計助手5個模塊，每個模塊下面又包含功能豐富的子模塊。信號一體化設計平臺利用數據庫技術建立各子系統間的數據關聯，通過上序專業數據導入，子系統間數據傳遞和下序專業數據導出，實現一體化設計效果。

信號一體化設計平臺界面人性化、功能齊全、性能穩定可靠，實用性強、集成化程度高、具有較強的可擴展性，受到廣大用戶的普遍歡迎和認可。其所包含的子系統軟件適用范圍廣、針對性強、計算精度高、質量可靠，滿足信號設計精度要求。

2.2 當前設計手段優點

1）規范設計流程。傳統的設計流程是根據設計原則從零開始，所有的操作全部依靠CAD軟件通過人工操作完成。當前設計手段將絕大部分的繪圖操作轉化為編寫軟件規定格式的輸入數據，利用自主軟件的邏輯處理功能自動成圖。

2）促進信號系統圖紙標準化。傳統的信號系統圖紙在滿足設計規范要求的大前提下，設計方案多樣化，部分新的設計成果有待工程驗證。當前設計手段通過統一設計輸入、設計原則、信號系統標準版圖、輸出圖紙格式，促進信號系統圖紙標準化，有效保障信號系統設計安全。

3）減少設計返工，提高設計生產效率。信號作為站后專業，站場線路等站前專業的設計變更容易引起信號圖紙的設計返工。因此，很多繪圖操作是重復進行的，利用自主軟件自動進行重復操作，能夠有效減少變更設計引起的重復繪制工作量，減少設計返工，提高設計生產效率。

2.3 當前設計手段的缺點

1）設計成果直觀性差。現階段信號系統設計產品交付主要以CAD平面圖和相關文字說明描述為主，由于信號系統設備繁多，系統間接線復雜，交付成果包含的信息量有限，容易造成設計方和施工方、設計方和建設方、設計方和設備商之間的理解偏差，影響工程建設的順利開展。

圖1 信號一體化設計平臺整體框架Fig.1 Overall architecture of the platform of integrated design of signal systems

2）存在設計盲區。現階段的設計成果對于信號設備安裝位置僅提供簡單里程信息，是否具備足夠空間等安裝條件只能由現場施工驗證；對于信號綜合管線僅提供簡單路徑和走向示意，是否存在管線安放位置沖突只能通過現場施工驗證。

3 智能設計手段的興起

針對當前設計手段存在的問題，借鑒建筑行業設計經驗，將BIM技術引入信號系統設計，智能設計手段應運而生。

3.1 智能化設計特點

智能化設計采用基于BIM技術的三維設計理念，通過建立與實物相符的信號系統設備BIM模型，利用BIM模型的直觀性和強大的屬性信息功能，不僅能夠展示設備的空間狀態信息，還能夠體現設備配線等邏輯數據信息。智能化設計實現了從二維平面設計到三維立體空間設計的跨越式發展，能夠交付完整的靜態設計成果和模擬教學、模擬施工等動態演示成果。智能化設計整體結構如圖2所示。

3.2 智能設計手段優點

1）深化二維設計，覆蓋設計盲區

智能化設計采用基于BIM技術的三維設計理念，通過精細化的BIM模型反映現場設備的實際規格尺寸、外形特征及內部構造，具有接近實際的逼真度和可視化效果，對于設備安裝、碰撞檢查、遮擋透視具有重要指導意義。

2）設計成果多樣化

智能化設計的成果不僅包含完整的靜態設計成果，從三維角度全面反映信號系統設計內容，還包括動畫漫游、模擬教學和模擬施工等動態演示成果，豐富的設計成果對于有效指導施工具有重要幫助。

3）可視化交底，動態化模擬

智能化設計使用可視化的三維設計成果進行技術交底，更加形象直觀；對于施工過程預先進行動態模擬，能夠提前發現施工過程中的問題和缺陷，準備應對措施，提高施工效率，縮短施工周期。

圖2 智能化設計整體結構Fig.2 Overall architecture of intelligent design of signal systems

3.3 智能設計現狀和缺點

智能化設計目前還處于起步階段，設計標準的制定、交付成果的統一、設計范圍分界和設計深度要求等等都還在研究階段。現有的智能化設計僅局限于利用二維成果進行三維翻模設計，未能實現完全擺脫二維設計，從零開始的正向設計方法。

4 未來設計手段的展望

智能化設計手段僅局限于采用單一的BIM技術，設計深度和設計成果的應用范圍仍存在一定的局限性。未來的設計手段將是采用多技術融合方式的智慧設計手段，實現信號系統的全生命周期設計。

4.1 智慧設計理念

智慧設計理念將從設計、施工和運維一體化角度出發，引入全生命周期設計理念，以BIM技術為核心，以多技術融合方式為手段打破各方之間的信息斷層，有效控制工程數據的采集、加工、存儲和交流，構建信息的創造、傳輸、使用和評價的良性循環體系，實現互聯互通。支持決策者對項目進行合理的規劃、協調和控制，進而不斷提升信號系統技術創新、信息化和智能化水平，實現智慧設計、智慧施工和智慧運維。

4.2 前景展望

智慧設計將采用BIM技術、大數據技術、物聯網技術、云計算技術和人工智能技術等多技術融合方式，以BIM標準體系和故障導向安全的保障體系為支撐，以設備層、網絡傳輸層、終端感知層等基礎設施為基礎，在三維協同設計平臺、建設管理信息平臺、運營維護服務平臺的支撐下，架構信號系統智慧設計協同工作平臺，并構建面向建設單位、設計單位、施工單位、運營單位、設備供應商的智慧應用體系。

5 結論

當前國內主流鐵路設計單位的信號系統設計手段尚處于應用智能化設計手段的起步階段，需要進一步加大科研投入，培養BIM方面人才，加強智能化設計手段的工程實踐驗證，擴大智能化設計手段的使用范圍。只有智能化設計手段發展到一定階段，才能夠為下一階段的智慧設計奠定基礎，為多技術融合提供保障。未來的信號系統設計手段，必將助力中國鐵路建設往更高層面發展。