BIM技術在信號智能運維中的應用研究

劉 彧

（浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江海寧 314499）

1 信號系統的運維發展現狀

隨著國家鐵路運營建設規模的穩步擴大，鐵路信號系統的運維子系統技術在近年來也得到了飛速發展，大量相關行業的新技術陸續被引入信號系統運維領域。借助于互聯網信息化技術、人工智能、大數據、數字孿生和區塊鏈等新技術，信號系統運維子系統的發展呈現平臺化發展、模型化運維的趨勢。但是目前信號系統運維行業的整體發展水平距離最終用戶所期望的智能、基于狀態維修、全生命周期覆蓋的長遠目標，仍有較大距離。

由于信號系統目前的數據治理還處于起步階段，故障預測、健康評估等較復雜的智能化功能在短期內較難提升。相比較而言，運維子系統的全生命周期信息覆蓋是技術上更容易實現的功能，這類功能主要依靠信息化技術，因此是當前信號系統智能運維的發展重點。當前傳統的信號系統運維在這方面仍然存在一些突出問題。

首先，既有信號系統運維子系統能覆蓋的設備生命周期階段有限，信號系統的運維子系統信息與信號設備的其他生命周期缺乏有效的信息交換和互通。比如在信號系統車載設備的生產制造環節，板卡和機籠的生產信息和測試信息并沒有有效的引入到用戶的運維子系統中。如果在現場運營過程中，這些設備發生了故障，用戶很難開展深度的故障建模，難以識別成批次的故障模式。

其次，既有信號系統運維子系統缺少與鐵路用戶其他信息系統的整合。傳統的信號系統的運維子系統功能比較單一，也缺少與鐵路用戶其他信息系統，比如用戶的資產管理、設備管理系統、維修工單系統、人員管理系統等。在多個信息系統需要協同的場景中，比如用戶的庫存采購場景時，需要手工統計設備故障信息去支撐備品備件采購。

另外，既有信號系統運維子系統人機界面展示方式普遍比較抽象，多數只有拓撲圖或二維圖紙，缺乏設備模型展示，對于多個廠家信號設備共存的場景，用戶的維護學習成本較高。信號系統雖然從功能上有各類國家標準、行業標準、團體標準和認證支撐，但是各廠家的實體設備差異較大，設備外形、板卡燈位、組裝結構都有很大的差異。但是運維子系統目前并未展示這類信息，需要用戶通過實際設備觀察學習。

BIM 技術為有效解決上述問題提供了較好的技術支撐。首先，設備的信息模型非常有利于軟件實現對全生命周期中各階段的數字化信息進行關聯、整合、提取，從而更容易實現全過程的信息關聯。另外，設備信息模型的標準化也有利于實現與其他信息系統的接口協議編制和傳輸，減少信息系統之間互聯互通互操作的開發成本。最后，BIM 技術的三維立體模型加上時間軸的四維信息能提供更好的可視化效果和精確的圖紙信息。

2 信號系統智能運維的BIM技術應用方案

2.1 信號系統BIM建模原則

BIM 全稱是建筑信息模型（Building Information Modeling）。該技術誕生于傳統建筑業的信息化革新浪潮，目前被認為是解決建筑領域在內的各行各業物理設備數字模型信息的較為理想的解決方案，可以有效實現數字模型間的互聯互通互操作，為進一步實現全生命周期管理奠定良好的基礎。

信號系統則是一個復雜的大型分布式控制系統。既包括機籠、板卡、繼電器、服務器、交換機等各類硬件，又包括運行在硬件內部的各類軟件。從功能子系統的角度看，信號系統進一步細分為列車自動監控、聯鎖、區控、列車自動防護、運維等子系統。跟建筑行業的物理尺度相比，信號系統的設備大多都是小而雜的硬件設備，而且還包含了復雜的各類軟件。因此信號系統的BIM 建模有著自身的特點，主要有以下幾個原則。

1）合適的模型顆粒度。為了滿足運維的需求，信號系統BIM 建模的最小顆粒度應該達到最小可更換/可維修單元。但是并不能一味追求最小顆粒度，原因在于信號系統大部分核心設備屬于電子設備。電子設備內部的板卡、磁盤、接頭等都是非常精密復雜的設備，集成度也非常高。對于運維人員而言，并不需要掌握到板卡內部的零部件（比如二極管、芯片、電阻和電容等）的布局和電氣特性。這類設備的維修方式一般是整體更換。因此為了節省BIM建模的成本，把模型顆粒度控制在最小可更換/可維修單元是性價比較好的方式。

2）設備模型信息的實時自動上傳。既有的一些傳統信號系統廠家，有的并沒有技術手段對所有的最小可更換/可維修單元進行唯一標記。在這種情況下，即使進行BIM 建模，后續一旦人工更換了最小可更換/可維修單元，就需要人工更新BIM 數據庫信息，這樣大大增加了用戶維護BIM 模型和數據庫的成本。還有一些傳統信號系統廠家，雖然有最小可更換/可維修單元進行了物理的唯一標記，比如貼了二維碼，或者通過調試接口可以查看設備唯一標記，但是仍然需要在更新最小可更換/可維修單元時，人工用掃碼器或者其他設備互聯后才能上傳。這種做法仍然不是徹底的解決方式。因此，信號廠家支持設備最小可更換/可維修單元信息的實時自動上傳，將大大減輕用戶手工維護的工作，是解決BIM 模型和實際生產環境信息不對等的最好方式。

3）軟件模型信息和硬件模型信息按需關聯。信號系統的硬件功能往往跟特定版本的軟件高度關聯，因此軟件模型信息和硬件模型信息的關聯是非常有必要的。其內部子系統劃分也較多，軟件規模和復雜程度也差距很大。因此針對不同的內部子系統，硬件模型和相關聯的軟件模型也需要特殊定制。比如列車自動監控子系統（ATS）的軟件規模最大，其關聯的軟件模型按照各廠家的最小可更換/可維修單元程度按需建立。如果最小可更換/可維修單元的軟件單元是模塊文件，則顆粒度精確到模塊。如果最小可更換/可維修單元的軟件單元是一個整機的文件目錄，則顆粒度精確到文件目錄即可。

2.2 BIM數據庫和信號系統智能運維的接口

BIM 數據庫作為承載BIM 模型信息的平臺，承擔了與信號系統智能運維的交互接口功能。考慮到當前信號系統設備特點，BIM 數據庫和信號系統智能運維的接口在設計時需要考慮以下幾點。

1）接口協議和數據規范提前規劃。信號系統設備的現狀是各廠家的硬件規格都差別較大，但是分類規則差異不大。因此與BIM 數據庫的接口協議和數據規范需要在前期進行考慮，比如在確定了信號系統的制式和型號后，就可以介入討論與BIM 接口協議的規劃。雖然在設備數量、設備走線、軟件具體模型上并不能完全確定，但已經足夠支撐開展核心硬件設備的模型屬性和參數的制定。

2）接口軟件的通用化。目前信號系統的智能運維系統架構大多數也采用成熟的商用或者開源的數據庫，因此與BIM 數據庫的接口也需要盡量用通用的或者開源的接口訪問方式。盡量避免私有的接口軟件訪問方式，有利于后續的兼容性和擴展性。

3）注意網絡安全的防護。在實際項目執行過程中，BIM 數據庫往往和信號系統是分開建設和分開管理的，如圖1 所示。對于這種情況，要注意和信號系統的網絡安全防護，防止BIM 數據庫對信號系統生產環境的影響。另外，BIM 數據庫內的信號系統數據是比較關鍵的核心設備生產數據，也要格外注意數據訪問的控制，杜絕非法的數據訪問。

3 BIM技術在智能運維項目中的實施組織形式

根據BIM 在信號系統招標建設的方式，BIM技術應用在智能運維項目中的實施組織形式一般有以下兩種。

1）BIM 技術應用包含在信號系統建設范圍內。對于這種建設方式，信號系統集成商承擔BIM 技術應用實施的主責，BIM 數據庫平臺建設和模型建設與信號系統建設同步開展。

2）BIM 數據庫和信號系統分屬不同集成商建設。此時需要信號系統的制式和型號確定后，BIM數據庫建設方和信號系統密切協作，根據信號系統招標合同規定的BIM 技術要求開展合作建設。最后形成BIM 數據庫提供平臺、信號系統使用平臺的合作模式。

4 結語

隨著信號系統行業中智能運維的逐步推廣，BIM 技術的應用也將在該行業內迎來一個快速發展期。由于既有信號系統的軟硬件設備存在較多差異，因此期待行業內的用戶、廠家等相關利益方能共同推進BIM 技術的相關標準規范的制定，來指導未來的BIM 技術在信號系統行業的應用。