面向全生命周期的BIM技術在鐵路信號系統中的應用研究

杜高科

（中鐵電氣化局集團有限公司，北京 100071）

1 引言

信號系統是鐵路系統的重要組成部分，該系統以其極具安全性而著稱。鐵路在創造經濟效益的同時，需要大量的時間、人力、物力對信號系統進行維護。在鐵路信號系統的全生命周期中，設備的運營維護時間幾乎占據其生命全周期。本文首先對信號系統管理現狀進行分析，剖析現狀中關鍵問題的原因，探討其解決辦法，并結合BIM 技術，對該問題進行制定相應解決方案，在此基礎上構建基于BIM 技術的信號設備全生命周期管理方案。

2 信號系統管理現狀

國鐵順應時代發展，積極開展信息化建設，相較于國外鐵路系統，我國鐵路信號系統發展迅速，其信息化程度及穩定性已達到相對較高的階段。目前，鐵路出行可以實現全程無紙化[1]。

與服務信息化形成鮮明對比的是鐵路建設、運維的作業、管理方式。管理仍采用紙質文件請示待批準后進行執行，包括大量的二維圖紙及施工過程中的變更說明；后期的運維作業仍沿用紙質作業派送單，作業單采用手工錄入。信號系統的全生命周期過程中，參與人員極多，使得管理過程程序復雜，耗時較長。由于專項作業的重復性，運維人員作業效率低下，且紙質作業單經作業人員及錄入人員手動處理，存在極大的不確定性，造成中間環節管控丟失。一線工作人員作業不受管控，通常以經驗、常識等慣性思維進行設備的維護。造成這些狀況的原因可歸納為以下幾點。

2.1 標準不一，應用困難

鐵路項目的建設涉及建設方、設計方、施工方、咨詢方、監理方等，各單位各司其職，且具有較強的行業慣性思維，對數據資料的理解程度存在偏差，各階段各單位出具的數據資料存在差異，對運維階段的數據應用產生較大阻礙。

2.2 作業獨立，信息不通

鐵路系統是一個多專業協同的龐大體系，在實際的建設、運維管理過程中，各專業相對獨立。對于信號系統來說，各專業協同作業極為重要，但往往協同作業不夠。各集團公司現有的作業并未完全實現工電供一體化，仍采用單專業作業，作業時間分散，安排相對獨立，人員、時間、設備的多樣性使得維修作業信息化更加困難。

2.3 技術受限，故障預警定位困難

信號集中監測系統設計之初是為了對所轄范圍內的信號設備進行狀態監測，并留檔以供電務人員查找數據。但除部分模塊化設備具備自診斷報警功能外，其余設備均需要人工判斷數據的正確性并對故障點進行定位查找，在此過程中不同電務人員經驗不同，會產生不同的判斷。

3 基于BIM的信號系統管理方法探索

BIM 技術是一種集成了可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖等技術于一體的數字化工具，為建筑行業的全生命周期管理提供了新的選擇方案，它將各模型之間的關聯信息、工程關聯信息等集成到各個模型中，構建出仿真建筑的真實信息[2]。

BIM 技術于2002 年伴隨Revit 的引入進入中國，目前該技術仍處于發展階段，但各行業對其關注度極高。2013 年，中國鐵路BIM 聯盟成立，致力于鐵路行業的標準、接口、平臺等研究并形成自己的行業體系，同時應用于實踐，為中國鐵路建設、運維管理提供新的平臺。BIM 技術已逐漸應用于建造施工階段，并對全生命周期中的應用進行試點。針對當下信號系統建設、運維存在的問題，本文以BIM 技術為有效手段對解決方法進行探索。

3.1 統一標準

鑒于信號系統全生命周期中多方參與的特點，容易產生各行業慣性思維偏差，須以運營方為主、建設方為輔，其他單位協同對各個階段的數據進行統一標準規劃，以滿足后期運維階段的需求。制定設計、施工階段BIM 模型向運維期模型交付的內容、方法和標準規范，建立統一的模型體系，集成各參與方的改動意見，以便于運維階段的數據查詢與應用。

3.2 信息互聯互通

當下鐵路建設中，常用的BIM 軟件不同，造成各專業之間信息無法交互。有效的解決辦法是增加軟件平臺上的數據接口層，對不同專業、不同格式、不同階段的數據進行關聯。圖1 為全生命周期信息管理架構。在IFC 標準的基礎上，兼容性較好的平臺數據可實現交互；在非IFC 標準體系的軟件平臺上，通過二次開發，增加數據接口，可實現跨平臺的信息互聯互通[3]。

圖1 信號系統全生命周期信息管理架構

3.3 數據可視化

以BIM 可視化引擎，實現道床、鋼軌、車列、信號機、轉轍機、電纜、室內設備等真實仿真模型，實現設備的真實位置、尺寸、狀態等信息的直觀展示，通過燈光、陰影渲染，空間漫游，實現超真實信號系統運行狀態的展示，為施工、維護人員提供直觀的參考，以便于運維工作的順利進行。在二維圖紙的基礎上實現三維數據的翻模，對各專業的接口信息、信號工程的差、錯、漏等問題進行精確檢查。圖2 為二維數據的三維可視化[4]處理過程。

圖2 二維數據—三維數據可視化過程

3.4 故障預警定位

在后期運維的故障處理機制中，接入設備狀態信息，對設備狀態信息進行有效參數化，結合當前科研成果中的故障檢測等方法，將各設備的故障進行分類管理，制定不同設備不同故障類型的應急處理辦法。設備發生故障后，將故障檢測和定位結果直觀顯示在設備模型中，便于維護人員快速進行故障判斷并趕赴現場進行處理。

4 基于BIM的信號系統全生命周期管理架構

基于BIM 的信號全生命周期包含從信號系統的設計到施工再到運營維護。全生命周期的管理須以全自動化的管理平臺為基礎。該平臺以規范化的信號系統設計結果為基礎，吸收市場現有/投入生產的軟件平臺的長處，能兼容處理不同的數據，以實現現有平臺的全接入。搭建三維仿真系統對信號系統的設計結果進行核查，對設計沖突進行精確查找，可視化對接施工建造過程，實時掌握建設進度及工程質量，對交付的項目進行信號各子系統管理[5]。

交付后的設備運維是設備全生命周期工作的重中之重，其在交付運營階段的運維管理方案如下：以各專業、各子系統的特點為基礎，滿足鐵路運維的信息化管理需求，該信息化管理體現在不同運維階段的臺賬信息管理、設備模型的管理、生產計劃的管理等，實時采集數據、已知標準和已有數據庫，實現各專業之間的聯通。鐵路信號系統綜合管理平臺架構如圖3所示。

圖3 鐵路信號系統綜合管理平臺架構

通過現場勘測，對室內外設備進行設計，并進行同步施工，室內外施工實施基于BIM 的施工過程管理，室內外施工由設備承包方進行設備安裝調試，并對關鍵設備進行監測線路安裝，運營方根據驗收成果建立設備臺賬以便于后期運維管理。

基于BIM 鐵路信號系統綜合管理系統與工務、電務、供電、房建等專業運維管理系統通過傳輸通道(如鐵路局集團公司網絡、4G 等)進行設備的數據傳輸，對生產作業任務進行拆分、整合，協同各專業進行運檢計劃任務的編制、任務調度等功能。

基礎數據庫的建設是為了實現各個階段基礎數據的信息化存儲，便于交付以及后期運維工作查證，支撐運維平臺的基礎構建，基礎數據庫包括設備監測數據、二維/ 三維模型數據等。

模型數據標準是實現運維階段各類數據規范化應用的基礎。為滿足運營單位實際需求，需對竣工、交付模型進行滿足5級精度的構建。數據標準規定，模型精度達到4 級深度（信息深度、幾何深度），才可實現對設施設備的詳細描述。

鐵路信號系統綜合管理平臺基于開放的互聯網進行各級通信，由于全生命周期中各階段參與方人員較多，存在信息安全風險，運維網絡平臺的安全保障體系旨在從用戶、網絡、數據等各方面實際管理中挖掘風險所在，建立完備的安全風險管理辦法，從方針、政策、制度、規范等方面完善安全保障機制，以保障綜合管理平臺的安全、穩定、可靠運行。

5 總結與展望

基于BIM 的信號綜合管理繼承了傳統的信號系統運維管理方法的長處并加以創新，BIM 技術使得鐵路信息化建設更上一層樓，將推動行業發展并發揮更加深遠的作用。

BIM 技術將促進信號系統建設、運維管理水平不斷提高。隨著BIM 技術在鐵路建設運營中的逐步應用，生產管理、標準化的數據采集管理存儲、多方剛性需求將促使技術、理念不斷更新迭代，形成良性循環，帶動鐵路建設、運維管理工作水平的不斷提高。

本文在分析信號系統建設、運維現狀的基礎的上，對BIM技術在信號系統綜合管理應用中的優勢進行闡述，對面向全生命周期的信號系統綜合管理平臺建設方案進行了設計，并對占據設備全生命周期的運維管理平臺的建設進行了詳細介紹。BIM 技術的應用順應鐵路信息化發展潮流，將加快鐵路信息化、數字化的建設過程，并對鐵路行業的發展產生深遠影響。