IFC铁路通信领域概念模型构建方法研究

李一凡，刘立海

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

1 概述

新一波技术革命的到来，给世界不同行业、企业带来不同程度上的冲击与影响。信息化转型已成为众多企业应对挑战的主要战略。现今高铁建设突飞猛进，高铁信息化发展是大势所趋。建筑信息模型（BIM）技术凭借在建筑领域的成熟应用及在基础设施领域存在的巨大应用潜能，成为铁路工程全生命周期应用及管理的主要技术发展方向之一。BIM标准研究作为BIM技术应用的基础和支撑也得到了越来越广泛的关注。

在该背景下，buildingSMART组织制定了BIM数据存储标准——Industrial Foundation Class（IFC）标准，最新版本为2017年6月发布的IFC 4.1[1]，已纳入国际标准组织（ISO）标准体系中。IFC标准作为一种公开、结构化、面向对象的数据描述/存储格式，具有成熟的技术架构，提供了一种不依赖于具体系统、适合描述贯穿整个建筑项目生命周期内产品数据的中性机制[2]，已成为最广为业界接受的BIM数据存储标准，在建筑领域应用广泛，正在向其他基础设施领域（公路、桥梁、隧道等）扩展[3]。IFC铁路项目应运而生，旨在将国际化的铁路BIM数据存储要求加入既有IFC标准框架中。本次扩展主要包括轨道、通信、信号、能源等领域，通信领域标准研究是IFC铁路标准研究中的重要组成部分，该标准研究完成后即将纳入IFC 5.0中。

2 IFC铁路通信系统分解及数据需求

通过对IFC 4.1中与通信相关的内容进行调研，发现目前可应用于通信领域的构件并不多，在种类和属性描述两方面并不能满足铁路通信工程信息模型全生命周期应用的需求。因此，项目前期工作重点放在IFC铁路通信系统分解及数据需求制定方面，旨在从铁路通信工程的实际需求出发，梳理铁路通信构件种类，并在此基础上进一步明确各通信构件需要携带哪些属性信息，以满足不同项目阶段、不同参与方铁路通信工程信息模型的需要。

根据IFC铁路通信标准项目主要研究基础、核心、特有的铁路通信系统的大原则，以及兼顾国际共识等因素，本次标准扩展无法包含所有广义的通信子系统，重点关注无源构件、固定传输网络、固定电话系统、移动网络、时钟同步与时间同步系统、铁路自然灾害及异物入侵监测系统、客票系统等内容[4]。

以合适的粒度对IFC铁路通信系统进行分解后，通过进一步的归纳整合，可得到所有IFC铁路通信构件的种类。在此基础上，IFC铁路通信组完成了对每一类构件进行属性描述的研究工作，即制定出各铁路通信构件的数据需求[4]。

由于以上系统分解与数据需求的内容是语义层面上对铁路通信系统的描述，在IFC世界中的表达及今后软件层面的实施仍存在巨大鸿沟，为实现现实世界与IFC世界的跨越与对接，通信领域概念模型起到重要的桥梁作用。

3 UML及类图简介

在IFC铁路标准研究中，采用统一建模语言UML建立通信领域概念模型。UML是一种通用的可视化建模语言，可以用来描述、可视化、构造和文档化软件密集型系统的各种工件[5]。UML于1997年11月由对象管理组织（Object Management Group，OMG）全体成员一致通过，如今已得到广泛的支持和应用，被ISO组织发布为国际标准[5]。

UML采用面向对象的方式对系统进行描述，适用范围广泛，除了最常用的各类软件系统，还适用于很多非软件领域的系统。其中，用例图模型适用于需求分析阶段，类图模型适用于分析和设计阶段[6]。在IFC铁路标准研究过程中，采用UML类图对铁路通信系统中的对象类以及类之间的关系进行建模。

建立类图的目的在于清晰地描述系统类各种实体的类型，以及不同类型实体间是如何关联的，显示的是系统的内部静态结构，因此适用于系统的全生命周期。类图由类和关系组成，其中类是一种对象描述符，可用作描述1组拥有相同属性和行为的对象，1个类对应着被建模系统中的1个概念[5]；关系主要包含关联关系、泛化关系、聚合关系、依赖关系等，以下对IFC铁路通信领域概念模型研究中常用的3种关系进行说明。

（1）关联关系：表达2个类之间有关联。可以为关联定义1个名称，放在关联路径旁边，用来准确描述关联关系。

（2）泛化关系：体现一种继承关系。对子类进行泛化可得到父类，而对父类进行特殊化可得到子类，子类继承父类所有的属性和方法。

（3）聚合关系：可看作一种特殊的关联关系。表示类与类之间是整体与部分的关系，即表示1个整体的模型元素可由1个或多个表示部分的模型元素聚合而成。

4 IFC铁路通信领域概念模型构建方法

目前IFC铁路通信系统构件种类（对象）已通过系统分解得以确定。因此，后续研究工作重点在于如何清晰地描述各对象之间的关联，即采用UML类图搭建IFC铁路通信领域概念模型。需要说明的是，领域概念模型的核心意义是对领域内的业务需求进行合理的抽象和描述，并不受IFC框架的具体限制。

4.1 4类元素

对IFC铁路通信系统中的对象进行建模前，可以从不同角度对所关注对象进行分析。以摄像机为例（见图1），可从空间角度、物理连接角度、功能角度（可进一步细分为：带几何信息的功能空间角度和不带几何信息的系统角度）全面梳理通信领域内关注的各业务需求。

从空间角度来看，通信设计所关注的是摄像机占据的空间位置，或者说在空间摆放在什么位置；从物理连接角度来看，关注的是与摄像机直接相关联的对象，以及它们之间的连接是如何实现的；从功能空间角度来看，关注的是摄像机监视功能，例如，它可以覆盖一个视域空间的范围，这个空间是带有几何信息的，且可以通过调整摄像机的焦距、俯仰角等参数来改变这个功能空间的属性；从系统角度来看，摄像机仅为一个庞大视频监控系统中的一个终端设备，同时组成这个系统的还有网络设备、服务器、存储设备、监控终端等对象，而这些对象通过复杂的物理连接实现了丰富的系统功能。

图1 对摄像机不同角度的分析

值得关注的是，通信领域内的很多物理实体同时又是功能实体，只取决于在设计中关注哪部分具体内容。因此，这些实体可以抽象为物理部分和功能部分的叠加。当关注该设备在机架中的具体位置以及相关线缆的具体连接时，需要用到它的物理部分；而当关注该设备在组网中实现的具体功能以及如何与其他元素相关联组成一个系统时，需要用到它的功能部分。

基于以上考虑，为了建立清晰的通信领域概念模型，需在已定义的IFC铁路通信系统构件种类基础上，补充定义与空间相关的对象定义，并详细定义需要将物理部分和逻辑部分区分开来的构件，如CAMERA对象可拆分为CAMERA-PHY和CAMERA-FUNC两部分，分别表示摄像机设备的物理部分与功能部分。CAMERAPHY对象携带属性为摄像机的外型描述信息（如长、宽、高、质量）、材质信息、设备接口信息等；CAMERA-FUNC对象携带属性为摄像机的功能要求（如焦距、视场角、光圈、分辨率、帧率）等信息。CAMERA-FUNC需以CAMERA-PHY的硬件为载体发挥功能，却又从某种意义上独立于特定的硬件，不论硬件采用什么材料或形状，摄像机的图像采集功能不变。

得到以上通信领域全部对象元素之后，可将其分为4类：

（1）空间元素。用于描述铁路通信构件所占的实际空间及在空间的摆放位置等信息。如果将铁路看作一个完整的空间，不同的领域（如轨道、通信、信号、能源等）所占用空间可看作对铁路空间的进一步细分。各领域空间尽可能独立，如TelecomZone表达的是铁路空间中为通信设施设备预留的通信领域专属空间。TelecomZone可进一步划分为OutdoorTelecomZone和IndoorTelecomZone，对室外设施设备和室内设施设备所占用的空间进行区分。空间元素继承自IfcSpatialStructureElement，所携带的属性主要是为了清楚地描述该空间的几何信息。

（2）物理元素。描述与通信构件相关的物理连接等信息，如Cable、TelecomEquipment可分别通过属于Cable的CablePort和属于TelecomEquipment的WiredCommunicationPort连接起来，这种连接关系由WiredConnectionRelation表示。大多数通信场景下的物理连接关系可看作是对现实世界的抽象表达。物理元素必须放置于某个特定的空间中，如物理元素线缆布放设施（LayingInfrastructure，沟、槽、管道等）应放置于线缆布放设施所属空间（OutdoorLayingInfrastructure（Routing）Space），即空间元素OutdoorLayingInfrastructure（Routing）Space包含了物理元素LayingInfrastructure。

（3）功能空间元素。描述通信构件的功能部分产生作用或影响的空间（带几何信息），如CameraFunctionZone与Camera相关联，可用于表达Camera的视域覆盖范围。

（4）系统元素。描述各相关通信构件的功能部分共同作用组成的系统等信息（不带几何信息），如GSMRNetwork系统元素从逻辑上可分为GSMRCoreNetwork和GSMRAccessNetwork，而GSMRCoreNetwork和GSMRAccessNetwork又分别由不同的具体功能实体组成。各功能实体共同作用，得以实现GSM-R网络的各项功能。

以上4类元素互相关联，共同用于通信领域概念模型的搭建。目前，IFC铁路通信标准研究的重点关注内容是空间元素和物理元素，而功能空间元素和系统元素可被看作是标准研究工作的进一步拓展方向。

4.2 3个模型

在构建通信领域概念模型之前，对IFC中的结构分解核心概念进行研究（见图2）。

图2 IFC中的结构分解核心概念

IFC标准关注以下几方面内容：（1）空间结构分解，关注上层（upper-level）的工程分解，如1栋建筑可被分解为不同的楼层，而每个楼层又可以被分为不同的功能用房/空间；（2）物理结构分解，关注下层（lower-level）的工程分解，如每个功能用房又可被进一步分解为墙体、门、窗等物理实体；（3）功能分解，关注各元素是如何组成一个功能系统的，该部分相较于空间结构分解和物理结构分解而言，重要性较弱。图2展示的是空间结构分解和物理结构分解的关联（蓝色节点表示空间结构元素、黄色节点表示物理实体元素），对应于通信领域，可理解为分别利用空间元素、物理元素搭建通信领域空间模型和物理模型。

在既有IFC标准中，各空间元素之间或空间元素与物理元素之间的关系可用IFC中已详细定义的参考/包含（Reference/Containment）等关系来描述；物理元素之间的关系可用IFC中定义的聚合/嵌套/接口连接（Aggregation/Nest/Ports connection）等关系来描述。与重点关注物理连接的物理模型不同，从功能视角来看，更关注的是系统元素与系统之间的关系，可用IFC中定义的分配（Assignment）关系来描述。系统元素本身也可看作是功能元素，因此可理解为功能元素搭建通信领域功能模型。

需要重点说明的是，采用UML搭建通信领域概念模型时，需要用到的类即为4类元素，类之间的关系主要采用关联关系、泛化关系和聚合关系进行描述。唯一关注的重点是如何将IFC铁路通信领域的类与类间关系表达清楚，不必考虑所定义关系具体对应IFC标准中的哪种既有关系。

综上所述，利用空间元素、物理元素和功能元素可分别构建通信领域的3个模型：

（1）空间模型。关注不同空间的划分。

（2）物理模型。关注某一个特定空间内，各物理实体的划分。

（3）功能模型。关注功能性系统的组成。

3个模型互相关联且密不可分，共同组成通信领域概念模型，构建方法见图3。

图3 通信领域概念模型构建方法

领域概念模型的重要价值在于准确描述和表达领域内的实际业务需求，不受既有IFC框架的限制，但标准的落地与实施必然需要经历现实世界至IFC世界的跨越。因此，构建领域概念模型后，IFC铁路通信标准研究重点将放在如何将该模型融入IFC的大框架中，即对通信领域模型进行IFC化，成为真正意义上的IFC铁路通信模型。

5 结束语

基于IFC铁路通信系统分解及数据需求的研究成果，研究采用UML构建IFC铁路通信领域概念模型的方法。将通信元素分为空间元素、物理元素、功能空间元素以及系统元素4类，并提取4类元素用于空间模型、物理模型及功能模型3个核心模型的搭建。3个模型关联紧密，共同组成IFC铁路通信领域概念模型。该模型从铁路通信实际需求出发，并加以抽象和提炼，是IFC铁路通信标准研究的重要内容。该研究成果可作为今后相关通信BIM设计软件开发的基础，并为其他相关领域提供参考。