BIM技术在铁路信号工程设计中的应用研究

李茂蛟

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 概述

1.1 铁路信号工程设计概述

铁路信号系统是为了保证运输安全而诞生和发展的，其作用是保证行车安全、提高运输效率和改进服务质量；其任务是行车指挥、进路控制、间隔调整、速度控制、编组与解体，系统的第一使命是保证行车安全[1]。

铁路信号工程设计的目的是依据铁路法规、生产厂家说明书以及建设单位要求等，对铁路信号工程建设所需的技术、经济、资源、环境等条件进行综合分析和论证，编制设计文件、施工图纸和概预算，为信号工程施工提供依据[2]。

1.2 BIM应用概述

BIM技术是创建并利用数字化模型对建设项目进行设计、建造和运营全过程管理和优化的方法和工具。BIM的主要作用是使建筑项目各方面的信息在规划、设计、建造、运维、资产重组的整个过程中无损传递[3]。

近年来，BIM技术已在铁路地质[4-5]、线路[6-7]、桥梁[8-9]、隧道[10-11]、道岔[12]、接触网[13-14]等工程设计中进行了相关应用。

1.3 BIM认识误区

BIM技术常见的误区有：

①BIM就是三维模型；

②BIM就是某款建模软件；

③BIM是万能的。

美国国家建筑研究所对BIM的定义[15-17]：用数字信息来描述现实世界的实体建设项目，并建立相应的工程信息模型，以供全生命周期内各参与方使用。

BIM的核心任务是实现多源异构系统之间的信息交换，其三维可视化、协调、模拟、优化等特点均属于相关软件在“辅助设计”方面的功能。虽然“辅助设计”是BIM软件需要具备的重要特征，但其与BIM概念本身并无本质关系[18]。

针对BIM在铁路行业内应用的误区，文献[19]提出“铁路信息模型(RIM)”的概念及实施原则。不难看出，铁路信号工程与建筑行业有着迥异的特点。因此，对BIM技术的应用不能生搬硬套，应当结合其自身特点，对BIM技术的应用进行研究。

2 铁路信号工程设计特点分析

铁路信号系统是铁路的主要技术设备之一，在保证行车安全、提高运输效率等方面起着不可替代的作用。铁路信号系统是由多个子系统相互耦合、集成的复杂系统。

相较于建筑等实体设计专业，铁路信号专业具有以下几方面特征。

(1)子系统多

铁路信号工程设计涉及列车调度指挥及调度集中系统(TDCS/CTC)、列车控制系统、闭塞系统、车站联锁系统、驼峰信号及编组站自动化系统、信号集中监测系统、电源系统、道岔融雪系统、其它信号系统(如动车段/所控制集中系统、调车防护、无线调车机车信号和监控)等。各子系统功能相对独立，但系统间又具有数据接口、信息互通等相互依赖与制约的关系。

(2)设备布置离散

铁路信号基础设备主要包括信号继电器、信号机及信号表示器、轨道电路、道岔转换与锁闭设备等。其中，继电器作为关键逻辑元件，主要集中设置于信号机械室内，以构成控制电路；信号机及信号表示器用于构成信号显示，指示列车运行和调车作业，须根据需要分布于车站站场及区间线路的不同位置；轨道电路主要用于监督列车对轨道的占用和行车信息的传递，一般利用钢轨作为传输通道，其送、受电设备沿钢轨分布；道岔转换与锁闭设备主要用于道岔的转换和锁闭，其设备分布于站场各联锁道岔处。某车站站场信号设备布置如图1所示。

图1 示例站信号设备平面布置

(3)系统网络连接、信号集中控制

信号系统终端设备的控制信号主要通过控制电缆传输，由信号机械室相应的控制系统进行集中控制。室内的控制系统与室外终端设备的连接由主干电缆、支线电缆构成。图2为示例站右咽喉的电缆径路，其中，电缆网络分束如图3所示。

图2 示例站右咽喉电缆径路

图3 电缆网络分束

(4)设计表达抽象

从信号设备布放角度看，需要有全局视角，对所有设备的空间关系、显示关系及连接关系有直观的掌控，达到合理优化设备布放、精简线缆连接的目的。因此，在进行信号设备的平面设计时，宜采用示意图的方式，对相应的信号设备进行抽象，即以简单的符号替代实际设备，以直线代替铁路线路及设备连接电缆并辅以位置信息等标注。若直接采用建筑领域相关的三维辅助设计软件并以实际比例进行布放，则易产生对站前模型的依赖性。

从信号控制的角度看，电路本身具有高度抽象性的特征，不适宜三维设计(三维设计中，线缆的复杂路径、设备尺寸对于电路原理的把握都是极大的干扰)。

(5)制约关系复杂

信号设计是一个层层递进的过程，各设计环节之间存在相互依赖与约束的关系。以车站联锁设计为例，其主要设计内容及流程如图4所示。由图4可知，信号设备的平面布置是基础，后续各环节设计均以此为依据，信号设备平面布置的任何变化都会影响后续设计。这种上、下序制约关系大致可分为线性制约和非线性制约两种类型。

图4 车站联锁设计内容及流程简要示意

①线性制约关系

线性制约：上序设计的变化不引起下序设计结构性、系统性等大变化，仅需对局部细节或相关参数做出相应的修改即可。如进站信号机位置微调，仅需对相应的进站信号机应答器位置、进站坡度进行检算与微调，对后续设计中的有关电缆长度、进站外方区间闭塞长度、列车进路数据表中相关进路的区段长度、应答器链接距离、线路速度等信息进行相应修改即可。

②非线性制约关系。

非线性制约：上序设计的变化导致下序设计结构性、系统性的改变，需下序进行较大范围修改或全部重新设计。如道岔增、减，将引起下序相关电缆网络分束、电缆配线、控制电路、工程数量、列车进路及相关敌对信号的变化。

3 三维空间设计适用性分析

建筑工程设计的主要制约关系为三维空间关系，铁路信号工程设计的主要制约关系为逻辑关系，二者对三维空间设计的需求及适用性有很大差异。铁路信号系统功能、原理设计不宜采用三维设计模式，而更适合用二维图表进行表达。但在指导施工方面，形象的三维表达比抽象的二维表达更具有优势。

3.1 三维空间设计的应用场景

(1)设备布放与空间限界检查

对室外工程，可结合站前专业模型，在站场三维模型中按照实际位置布放相应的设备模型，可以有效地发现和解决专业间设备碰撞、遮挡等问题。对室内工程，可结合房建模型，对信号机械室设备机柜进行模拟布设，可有效发现和解决空间预留不足等问题。

(2)管综碰撞检查与协同优化

综合管道设计涉及到多专业协同，利用BIM软件的缆槽布放与碰撞检查功能，可有效地发现和定位专业间管槽碰撞位置，并可利用可视化优势，快速完成专业间协调优化设计。

(3)施工工艺表达与设计交底

可以让施工人员更直观地了解施工作业部位和对象。通过作业动画，可以形象地展示工艺流程、施工顺序、工艺细则、操作要点及质量标准等内容。

3.2 三维空间设计的限制条件

(1)依赖站前模型

利用三维技术进行模型布设时，需要有站前专业(如站场、路基、轨道、房建等)的参考模型，否则，本专业设备无法进行定位与布放。

(2)需要相关专业配合

空间限界检查除了需要上述参考模型外，还需要其它多专业配合(如接触网和其它综合管廊涉及到的专业模型需要准确的空间位置坐标)，才能进行协同检查。

(3)设备尺寸信息

通常情况下，设计人员不掌握各类设备的准确尺寸(仅有设备的长、宽、高信息)，故对于精度要求较高的场景，需要相应的设备厂家提供其设备的精确三维模型。

3.3 三维空间设计的应用建议

(1)明确目的和意义

对信号工程设计而言，三维设计主要用于二维图纸不便表达的相关空间位置信息和模型实体尺寸等信息，属于辅助和增值手段。不应盲目追求使用三维技术进行信号设计。

(2)选择适当的精度

信号工程设计对设备布放三维模型的要求为满足限界检查，其模型精度能准确表达其外部占位尺寸即可。高精度的模型主要用于工艺展示，但不宜在整个工程中使用(除了美观和增加内存占用，其它意义不大)。

4 铁路信号信息化空间设计

从信息交换的角度而言，铁路信号工程设计主要存在以下三个维度的信息交换。

①专业领域维度：需要实现与铁路工程各相关专业之间的信息交换。

②建设过程维度：需要实现从规划、设计到施工、运维等铁路工程全生命周期各阶段之间的信息传递。

③工程角色维度：需要实现与业主方、施工方、软硬件供应方、运营管理方等所有工程参与方之间的信息交流。

因此，在现有设计模式的基础上，应增加信号设计的信息维度，丰富设计成果的表达形式。

4.1 信息化标准建设

中国铁路BIM联盟(CRBIM)参考国际、国内主要BIM标准体系，已初步构建了由“数据存储标准”、“信息语义标准”和“信息传递标准”构成的技术标准体系框架[21]。其中，基于IFC4×1基础扩展制定的《铁路工程信息模型数据存储标准(1.0版)》尚未涵盖信号专业，而就其所涵盖与涉及到的相关铁路专业领域而言，尚未得到有关BIM软件的支持与验证。在建筑领域BIM实践中， IFC模型的输入输出过程中尚存在信息缺失的现象[22]。因此，在信息化标准建设方面，尚需铁路信号工程各参与方加强以下几方面工作：

①基于铁路行业的BIM标准框架体系，加快铁路信号专业的数据存储标准研究与制定[23]；

②研究数据存储标准验证和软件支持；

③研究数据存储标准编制与落地空窗期的信息传递方案。

4.2 专业协同平台研发

铁路信号工程设计作为铁路工程设计的重要组成部分，其信息化不能脱离其它相关铁路专业而孤立存在，需要加强与各相关专业的配合。

需要完成以下几方面工作：

①充分梳理与各专业之间的接口[20]，并与接口专业确定数据交换格式与流程；

②完善本专业的审校标准流程；

③建立与完善本专业的标准图库、构件库及模板文件；

④定义本专业的工作环境。

4.3 信息化辅助设计软件开发

BIM理念的实现主要依靠软件，针对铁路信号设计各个环节的功能要求，需要开发相应的信息化辅助设计软件，以提高设计效率，实现本专业各环节之间、本专业与接口专业间的信息传递。

在传统的铁路信号设计中，各类信息的传递完全依赖于设计人员对各类输入资料和设计图纸的读取、理解、转化。信息化辅助设计软件区别于传统辅助设计软件的主要意义在于由计算机软件代替设计人员对相关的信息进行处理。两种辅助设计软件的数据交换模式对比如图5所示。

图5 传统辅助设计模式和信息化辅助设计模式信息交换方式示意

信息化辅助设计软件开发的关键在于信息交互、处理，在目前铁路信号IFC相关标准及应用尚未成熟的状况下，可对相关信息作结构化处理，并采用接口文件、数据库等方式作为信息交换的媒介。

图4中，箭头方向既表示了设计的顺序，也表明了在整个设计过程中信息的流向，逆向而言则是下序环节对上序环节的信息内容要求，可见车站联锁设计的核心基础是信号设备平面布置。以图1中X进站信号机为例，传统辅助软件不知道该图形符号“是什么”以及“有何属性”，而这正是信息化辅助设计软件要解决的问题。例如，以XML文件定义各类设备的属性，在设计时针对具体的设备图元附加相应的属性，通过软件自动处理或者人工辅助设置等方式，完善相关属性的取值。附加了相关结构化信息的X进站信号机属性(如图6所示)，通过辅助软件可随时修改、查询、提取。

图6 示例站进站信号机属性示例

辅助设计的可视化方式不必拘泥于二维空间表达或三维空间表达，根据前文分析的适用性，辅助设计的可视化方案大致有以下几种形式(如图7所示)，可根据实际情况选择。

①纯数据处理：由软件根据数据生成相应的二维或三维模型；

②二维可视化设计：由软件根据二维模型信息自动生成三维模型；

③三维可视化设计：由软件根据三维模型信息自动生成二维模型；

④二、三维可视化设计：由软件实现二维模型与三维模型的联动。

图7 铁路信号的可视化辅助设计模式示意

5 结论与展望

铁路信号工程设计具有与建筑工程迥异的自身特点，三维建模技术在铁路信号工程设计中具有诸多限制因素，铁路信号相关BIM技术标准也尚在编制中，距离其落地实施与应用还有较长的时间。因此，对于BIM技术的应用不能盲目照搬。信息交换是BIM技术的核心任务，也是铁路信号工程设计最应借鉴的理念。