鐵路信號BIM綜合應(yīng)用探索與研究

楊 科

(通號（長沙）軌道交通控制技術(shù)有限公司,長沙 410014)

1 概述

信號系統(tǒng)首先在地鐵信號設(shè)計(jì)、施工階段引入BIM 技術(shù)。近幾年來，高鐵信號系統(tǒng)施工階段室內(nèi)設(shè)備布置、布放線等方面引入BIM 技術(shù)進(jìn)行總體規(guī)劃，在工程設(shè)計(jì)、施工指導(dǎo)、建管維護(hù)等方面起到很好應(yīng)用效果。隨著綠色、智能理念引入新時(shí)代高鐵建設(shè)中，對新時(shí)代高鐵工程技術(shù)人員在BIM 綜合應(yīng)用、施工新技術(shù)、智能化、建維一體化等方面提出了新要求和新的研究方向。

2 研究目標(biāo)和方法

充分考慮新時(shí)代高速鐵路建設(shè)需求，結(jié)合京滬、寶蘭、京沈、深茂、滬昆、杭黃等高鐵、客專建設(shè)優(yōu)秀成果，通過系統(tǒng)規(guī)劃，開展“高速鐵路信號工程施工BIM 綜合應(yīng)用軟件”開發(fā)與應(yīng)用。引入人工智能先進(jìn)技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)信號工程設(shè)計(jì)、智能化工廠加工、智能化施工安裝、智能化維護(hù)的大數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用。

依據(jù)《高速鐵路信號工程施工技術(shù)規(guī)程》、《高速鐵路信號工程細(xì)部設(shè)計(jì)工藝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》、《高速鐵路信號工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》等現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以BIM 技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、人工智能技術(shù)，CAD 應(yīng)用為技術(shù)支撐，從信號圖CAD 設(shè)計(jì)模塊入手，研究識別CAD 圖軟件和建立信號工程BIM 模型數(shù)據(jù)庫，通過對導(dǎo)入細(xì)部設(shè)計(jì)后CAD 圖，自動生成BIM 模型、材料數(shù)量表、設(shè)備需求表、列控基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表及信號各類安裝位置表。信號專業(yè)各系統(tǒng)根據(jù)BIM 模型和相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工廠化生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)信號專業(yè)室內(nèi)工程100%工廠化預(yù)配，減少現(xiàn)場施工安裝時(shí)間和人員需求。

3 探索研究內(nèi)容及方向

3.1 信號設(shè)計(jì)CAD建模

應(yīng)用CAD 模塊化技術(shù)，依據(jù)《高速鐵路信號設(shè)計(jì)規(guī)范》，建立橋梁、隧道、鋼軌線路、信號機(jī)、道岔、軌道區(qū)段、應(yīng)答器、鋼軌絕緣節(jié)、電氣絕緣節(jié)、異物監(jiān)測等高速鐵路信號工程相關(guān)建筑物、結(jié)構(gòu)物模型，模型比例1：1，并規(guī)范模型中線類型、字體型號、符號標(biāo)識，形成模型庫。

3.2 信號室內(nèi)設(shè)備布置深化設(shè)計(jì)

在現(xiàn)行信號與房屋接口標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，根據(jù)各線建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，充分考慮工程成本、運(yùn)維要求，對房建專業(yè)就管道預(yù)埋、進(jìn)出樓通道等方面提出接口需求，就空調(diào)、照明、插座、防雷等方面提出具體需求，實(shí)現(xiàn)同等規(guī)模的站場室內(nèi)設(shè)計(jì)布局一致。

3.3 信號室外設(shè)備接口深化設(shè)計(jì)

在現(xiàn)行信號專業(yè)與路基、軌道、橋梁、隧道、站場專業(yè)接口標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，根據(jù)信號設(shè)備安裝標(biāo)準(zhǔn)、位置，在電纜槽線路側(cè)預(yù)留出線口、站場綜合槽道、水泥枕木上預(yù)留信號鋼軌連接線固定螺栓連接孔等方面進(jìn)行專業(yè)間深化設(shè)計(jì)。

3.4 “高速鐵路信號工程施工BIM綜合應(yīng)用軟件”探索與研發(fā)

3.4.1 功能目標(biāo)

1）通過導(dǎo)入CAD 圖，結(jié)合BIM 信號模型數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信號室內(nèi)外BIM 模型的自動生成。

2）根據(jù)生成的BIM 模型和導(dǎo)入的CAD 圖，具備導(dǎo)出《列控基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表》（定測版）、《室外信號設(shè)備安裝位置表》、《室外箱盒數(shù)量表》、《室外材料表》、《室內(nèi)設(shè)備數(shù)量表》、《室內(nèi)材料需求表》及《輔助材料需求表》功能。

3.4.2 功能分解及說明

3.4.2.1 室內(nèi)部分

1）根據(jù)細(xì)部設(shè)計(jì)后的《室內(nèi)設(shè)備布置圖》生成室內(nèi)機(jī)柜及房屋整體BIM 模型

說明：會同建設(shè)單位、設(shè)備接管單位、監(jiān)理單位對室內(nèi)各設(shè)備布放位置及房屋間通道方式、電纜引入方式、預(yù)埋箱體管道位置、空調(diào)安裝位置、外電網(wǎng)引入方式、防火封堵方式等進(jìn)行科學(xué)化細(xì)部設(shè)計(jì)。

2）在功能1）基礎(chǔ)上，識別CAD 圖紙

識別細(xì)部設(shè)計(jì)后防雷配電箱至電源屏至各設(shè)備電源線型號、長度、外皮顏色、走向位置，自動生成《XX 站室內(nèi)電源線需求表》；識別移頻柜（ZY、QYP）、區(qū)間綜合柜（QZH）配線圖至各組合柜中“※”，自動生成《XX 站室內(nèi)屏蔽線需求表》；識別接口柜（JK）、分線柜（F）、移頻柜（ZY、QYP）、微機(jī)監(jiān)測柜（JC）、CTC、TCC 至各組合柜同層線纜數(shù)量、長度；型號RVZR23×0.15 阻燃塑料軟線；自動生成《XX 站室內(nèi)通用線纜需求表》，系統(tǒng)根據(jù)《XX 站室內(nèi)通用線纜需求表》生成《XX 站室內(nèi)配線電纜需求表》。

說明：a.根據(jù)《室內(nèi)電源環(huán)線接線圖》，進(jìn)行室內(nèi)系統(tǒng)電源系統(tǒng)細(xì)化設(shè)計(jì)，包括：外電網(wǎng)監(jiān)測箱、防雷配電箱位置，線纜走向、型號等；

b.電纜外皮顏色為橘色；

c.“※”為SBVVPZR23×0.15×2 雙芯阻燃屏蔽線，兩個(gè)連續(xù)“※”為同一根屏蔽線；綜合柜端子號單數(shù)為發(fā)送，偶數(shù)為接受，屏蔽線外皮發(fā)送黑色、接收白色；

d.各組合柜間同一位置線纜采用一根配線電纜，如：RVZR23×0.15×6（8、10、12… …）阻燃塑料軟線；組合柜至分線柜之間配線電纜芯線采用紅色；組合柜至接口柜間配線電纜芯線：列控采用黃色、聯(lián)鎖采用灰色；集中監(jiān)測采集配線電纜芯線采用紫色；組合柜至接口柜、機(jī)柜至接口柜線纜外護(hù)套采用灰色，電源線纜外護(hù)套采用橙色，其他架間線纜外套采用黑色。

3）在“功能2）基礎(chǔ)上，室內(nèi)BIM 設(shè)計(jì)

根據(jù)各線纜需求表，根據(jù)布線原則優(yōu)化布線徑路；確定系統(tǒng)機(jī)柜、走線架、固線器等規(guī)格、數(shù)量需求，生成《室內(nèi)機(jī)柜及安裝器材數(shù)量表》；具備線纜查詢與演示功能。

說明：室內(nèi)上走線BIM 策劃布線原則:

組合柜電源線靠走線架前部最下層布設(shè)；

移頻柜電源線靠走線架后部最下層布設(shè)；

信號集中監(jiān)測的線纜在電源線另一側(cè)，線纜較多時(shí)可依次布設(shè)在上方兩側(cè)；

架間線纜鄰架放中間位置，然后由近至遠(yuǎn)依次往外排列，線纜較多時(shí)近端在下層，遠(yuǎn)端在上層；

軌道電路屏蔽線纜按照左側(cè)發(fā)送、右側(cè)接收布放；

其他配線依次向上布放；

道岔靠走線架前部、信號機(jī)靠走線架后部依次布放在上方；

室內(nèi)下走線BIM 策劃布線原則；

電源屏引出至機(jī)械室機(jī)柜線纜靠近機(jī)柜側(cè)布放；

電源屏引出至聯(lián)鎖、列控、CTC、集中監(jiān)測、缺口監(jiān)測、ZPW-2000 軌道監(jiān)測電源線靠另一側(cè)布放；

聯(lián)鎖、列控驅(qū)采纜應(yīng)獨(dú)立設(shè)置走線架，并分兩側(cè)布放；

ZPW-2000 軌道電路維護(hù)及監(jiān)測柜至移頻柜線纜與信號集中監(jiān)測至組合柜獨(dú)立設(shè)置走線架。

4）室內(nèi)器材統(tǒng)計(jì)功能

根據(jù)《移頻柜設(shè)備布置圖》識別、統(tǒng)計(jì)、生成《移頻設(shè)備數(shù)量匯總表》；根據(jù)《區(qū)間組合柜設(shè)備布置圖》、《區(qū)間組合內(nèi)部配線圖》、《站內(nèi)組合排列表》、《電源環(huán)線圖》、《組合內(nèi)部配線圖》識別、統(tǒng)計(jì)、生成《繼電器、斷路器、阻容盒、隔離變數(shù)量匯總表》。

說明：a.統(tǒng)計(jì)室內(nèi)同頻發(fā)送器、接收器，衰耗冗余控制器，模擬網(wǎng)絡(luò)盤數(shù)量，室外同頻調(diào)諧單元、匹配變壓器、空心線圈、防雷單元等數(shù)量；如圖中“4DG 2300-2”含2300 發(fā)送器2 臺，接收器1 臺，衰耗冗余控制器1 臺，模擬網(wǎng)絡(luò)盤2 臺，2300 調(diào)諧單元2 臺、匹配變壓器2 臺、空心線圈1 臺、單防雷單元2 個(gè)、雙防雷單元1 個(gè)。

b.《區(qū)間組合柜設(shè)備布置圖》、《區(qū)間組合內(nèi)部配線圖》統(tǒng)計(jì)區(qū)間繼電器、隔離變、斷路器數(shù)量；《站內(nèi)組合排列表》、《電源環(huán)線圖》、《組合內(nèi)部配線圖》統(tǒng)計(jì)站內(nèi)繼電器、隔離變、斷路器數(shù)量。

3.4.2.2 車站室外部分

1）根據(jù)《車站信號設(shè)備平面布置圖》、《車站雙線軌道及電纜徑路圖》識別、統(tǒng)計(jì)、生成《室外設(shè)備數(shù)量匯總表》。

2）根據(jù)《車站雙線軌道及電纜徑路圖》識別、統(tǒng)計(jì)電纜型號、長度、數(shù)量，生成《電纜信息表》，結(jié)合站場平面圖進(jìn)行電纜徑路優(yōu)化。

3）根據(jù)《車站雙線軌道及電纜徑路圖》中站內(nèi)ZPW-2000 型軌道電路及其補(bǔ)償電容設(shè)置信息表，生成《軌道電路及補(bǔ)償電容數(shù)量匯總表》。

4）根據(jù)《軌道電路及補(bǔ)償電容數(shù)量匯總表》中軌道電路長度及電容個(gè)數(shù)，生成《補(bǔ)償電容安裝位置表》。

說明：a.統(tǒng)計(jì)各類型信號機(jī)、應(yīng)答器、箱盒數(shù)量及所在地型；統(tǒng)計(jì)各類型轉(zhuǎn)轍機(jī)、鎖閉裝置、二極管數(shù)量、點(diǎn)燈單元、軌道變壓器數(shù)量。

b.電纜型號:

標(biāo)“SL”符號為SPTYWL23 型鋁護(hù)套數(shù)字信號電纜；

標(biāo)“SA”符號為SPTYWA23 型綜合護(hù)套數(shù)字信號電纜；

標(biāo)“SPL”符號為SPTYWPL23 型內(nèi)屏蔽鋁護(hù)套數(shù)字信號電纜；

標(biāo)“SPA”符號為SPTYWPA23 型內(nèi)屏蔽綜合護(hù)套數(shù)字信號電纜；

標(biāo)“&”符號電纜采用LEU-BSL23 型鋁護(hù)套點(diǎn)式應(yīng)答器數(shù)據(jù)傳輸電纜；

標(biāo)“L”符號為PTYLH23 型綜合鋁護(hù)套防寒型信號電纜；

未標(biāo)符號的支線電纜為PTYAH23 型綜合護(hù)套防寒型信號電纜。

3.4.2.3 區(qū)間室外部分

1）導(dǎo)入《區(qū)間信號平面布置圖》識別、統(tǒng)計(jì)、生成《區(qū)間設(shè)備匯總表》。

2）導(dǎo)入《區(qū)間干線電纜徑路圖》識別、統(tǒng)計(jì)、生成《區(qū)間干線電纜統(tǒng)計(jì)表》。

3）導(dǎo)入《區(qū)間信號平面布置圖》識別、統(tǒng)計(jì)、生成《區(qū)間設(shè)備位置信息表》。

4）導(dǎo)入《區(qū)間設(shè)備位置信息表》及各設(shè)備間距要求，優(yōu)化區(qū)間設(shè)備布置點(diǎn)。

說明：a.統(tǒng)計(jì)通過信號機(jī)、應(yīng)答器、空扼流類型數(shù)量；

b.統(tǒng)計(jì)信號機(jī)、應(yīng)答器、分割點(diǎn)、橫向連接線、發(fā)送點(diǎn)、接收點(diǎn)設(shè)計(jì)里程；統(tǒng)計(jì)軌道區(qū)段長度、補(bǔ)充電容數(shù)量、補(bǔ)償電容步長，計(jì)算電容安裝位置里程；統(tǒng)計(jì)各設(shè)備所在地型；

c.空扼流距電氣絕緣節(jié)空心線圈不小于100 m、距補(bǔ)償電容不小于20 m。

3.5 室內(nèi)全工廠化預(yù)配探索

3.5.1 電源系統(tǒng)

現(xiàn)行電源系統(tǒng)供貨商僅提供電源系統(tǒng)內(nèi)部配線及現(xiàn)場配合安裝調(diào)試延伸，結(jié)合本文3.4.2.1 所述，將電源系統(tǒng)至電源需求終端線纜由電源系統(tǒng)供貨商統(tǒng)一預(yù)配、集成。

3.5.2 組合柜

現(xiàn)行組合柜在工廠完成柜體加工、組合安裝、組合內(nèi)部布線及焊線，結(jié)合BIM 布線模型，可將柜組合架本架配線、組合架零層、組合架間電源環(huán)線、同一供商架間配線、本架斷路器報(bào)警環(huán)線等統(tǒng)一預(yù)配、集成。

3.5.3 分線柜、CTC、TCC、移頻、監(jiān)測等系統(tǒng)機(jī)柜

目前各系統(tǒng)機(jī)柜僅完成本系統(tǒng)機(jī)柜內(nèi)配線，各系統(tǒng)接口線纜由施工單位按照系統(tǒng)供應(yīng)商技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分散采購、現(xiàn)場布放，各系統(tǒng)接口線纜可由系統(tǒng)供應(yīng)商集成。

3.6 室外工廠化預(yù)配探索

1）在工廠完成信號機(jī)、道岔、軌道電路預(yù)配，實(shí)現(xiàn)相關(guān)安裝配件工廠集成供應(yīng)。

2）促進(jìn)專業(yè)接口工廠集成或?qū)I(yè)互留，如信號專業(yè)鋼軌引線固定在枕木上，由枕木供應(yīng)端按照技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在工廠完成預(yù)留，站前預(yù)制電纜槽或現(xiàn)澆電纜槽預(yù)留穿線孔洞，站場綜合槽統(tǒng)一實(shí)施等。

3.7 信號工程施工安裝調(diào)試智能化及建維一體化探索

利用現(xiàn)階段人工智能技術(shù)，結(jié)合信號工程特點(diǎn)，探索智能機(jī)器人在室內(nèi)布線、焊線、導(dǎo)通等方面的應(yīng)用。

在室外施工過程，探索自動測距及打孔、纜線敷設(shè)自動化等智能應(yīng)用。

4 優(yōu)劣論述及發(fā)展前景

4.1 優(yōu)勢分析

1）各系統(tǒng)分散預(yù)配，相對于目前由施工方現(xiàn)場集中采購、現(xiàn)場施工，將極大縮短現(xiàn)場安裝、調(diào)試時(shí)間，有利于建設(shè)方、施工承包方工期控制。

2）由各系統(tǒng)分散集成，有利于技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)性能、過程質(zhì)量控制。

3）促進(jìn)系統(tǒng)集成度，推進(jìn)行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工藝標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。

4）減少施工現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)豐富人員需求，促進(jìn)信號施工企業(yè)、系統(tǒng)供應(yīng)商轉(zhuǎn)型發(fā)展。

5）促進(jìn)新興行業(yè)形成。

4.2 劣勢分析

1）效益分配比例變化，施工企業(yè)只掙取項(xiàng)目集成前期策劃及管理部分利潤。

2）現(xiàn)階段沒有相關(guān)合規(guī)性支撐文件。

5 結(jié)束語

國內(nèi)高速鐵路建設(shè)經(jīng)過十年的高速發(fā)展期，是各項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)程、工藝標(biāo)準(zhǔn)、管理制度從無到有的發(fā)展過程，是標(biāo)準(zhǔn)不斷完善適應(yīng)新時(shí)代高速鐵路建設(shè)需求的過程。建設(shè)交通強(qiáng)國，為高速鐵路信號技術(shù)發(fā)展與研究指明了方向。