基于模板的铁路信号系统BIM设计方法研究

孔令明，宋元斌，罗志刚

(1.上海交通大学 船舶海洋与建筑工程学院，上海 200240；2.中铁上海设计院集团有限公司，上海 200240)

0 引言

铁路信号系统是保证行车高效安全的基础，其设计是一个复杂的过程，受到铁路其他专业领域的约束。目前，铁路信号系统设计以二维设计为主，为了提高信号系统设计的效率，实现与其他专业的协同，需要进行三维设计。

(2)在GeoIPAS软件平台上，用原始数据统计各元素在全区及各地质单元中的平均值X、标准离差S、变化系数Cv、浓集系数K，作为分析研究区内各元素分布及分配规律的参数值。

建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)是以三维模型为载体的工程信息的集合，通过对信息进行插入、提取、修改等操作实现不同阶段、不同专业之间的协同设计，近年来，BIM在铁路工程领域得到了广泛的应用。相较于一般的建筑和机械工程，铁路信号系统设计具有以下特点：(1)包含大量可复用的标准化设备。(2)设计结果为二维逻辑原理图，并不是三维模型的投影视图。(3)信号系统设计以站场等前序专业的设计结果为基础。基于此，可以通过模板技术来提高信号系统的三维设计的效率。

模板是一组相似事物特征的抽象与泛化，具有可变异、可嵌套、可定制和可复用的特征[1-2]，广泛应用于计算机辅助设计领域。许金良[3]研究了公路设计对象模板的设计思路，建立了横断面模板并给出其数据结构；刘晓平等[4-5]对模板进行了大量的研究，提出了约束信息可视化的技术构成框架，提高了复杂系统控制及复杂约束管理的效率；建立了一种基于面向对象模板的特色建筑物建模方法，通过“基模板—结构模板—实例化模板”实现了建筑物模型的快速建模，但是没有考虑到不同专业之间的协同设计问题；许俊等[6]通过构件桁架模板库，实现了复杂空间钢管桁架的快速建模；陈友东等[7]将工程图抽象为复杂的表格，依托表格模板技术实现三维设计到二维工程图的转化，但是其通过投影生成视图的方法并不适用于逻辑原理图的生成；Kerry等[8]提出了一种描述简单钢筋混凝土结构的参数化模板，用户可以根据需求更改参数、快速建立钢筋混凝土实体模型。上述模板方法一方面与三维信息关联较差，另一方面未考虑多专业的协同设计，与BIM技术的结合需要进一步研究。

为了实现铁路信号系统快速的三维设计，本文在总结其设计流程与特点的基础上，提出了一种基于模板的三维设计方法。首先，通过建立信号设备模板实现对前序专业设计信息的提取与应用，快速完成信号系统三维设计；其次，以信号设备平面布置图模板实现二维逻辑原理图的输出。该方法弥补了目前铁路信号系统中三维设计的缺陷，同时提高了设计效率。

1 信号系统BIM设计流程

此外，还要明确自然资源确权登记依据，加大权属争议调处力度。对于无权属来源依据的自然资源的确权登记工作，建议各地政府根据本地实际情况，出台相应政策，明确自然资源确权登记流程，采取开展权籍调查等方式确定权属界线，进行确权登记。对存在权属争议的，建议成立专门的争议调处组织，集中进行争议调处，保障确权登记工作顺利完成。

爱丁堡是最能体现苏格兰风情的城市，是英国仅次于伦敦的第二大旅游城市。1995年，爱丁堡的旧城和新城一起被联合国教科文组织列为世界文化遗产。

图1 铁路信号系统BIM设计流程

上述设计流程的关键是信号设备的三维布设，这是因为铁路信号系统设计中有大量统一化、规范化的知识，以信号设备三维布设的结果——信号设备平面布置图为基础，结合知识即可快速实现后续设计。因此，本文分别建立了信号设备三维模型和信号设备平面布置图的模板，以提高车站系统的设计效率。

2 信号设备三维布设的实现方案

基于模板完成信号设备三维布设的方案中，依据用户输入数据实现模板的实例化，具体如图2所示。

图2 基于模板的信号设备三维布设方案

2.1 信号设备模板

信号设备模板[1]是从大量设备的结构组成、工程属性、布设规则中抽象出的对象和操作，可以对数据的类型与组织形式进行系统的说明。信号设备模板结构如图3所示，包括信号设备信息、设备结构信息和设备安装信息3个部分，其中结构信息通过部件模板ID实现对部件模板的引用，设备安装信息通过工程约束规则实现与其他专业的设计信息的协同。

图3 信号设备模板结构

课外活动也是微课教学最好的资源，通过深入生活不但能够激发学生写作欲望，而且能拉近写作情感。对于语文作文写作的难点在于将具体事物展开进行分析，这就需要教师通过微课教学利用课外资源逐步强化学生此方面能力。

By integrating the drain current, according to ,for the linear regime, the conductance was:

（1）先期投资及运维费用相对低廉；（2）不论是建造、还是后期的运维，操作相对简单；（3）该方案对于土质要求相对较低；（4）该方案更适合针对水污染含量不高的污水。

2.1.2 信号设备模板

信号设备模板由多个部件模板按照某种规则组合而成，其结构包含3个部分：第一部分为信号设备相关信息说明，包括设备类型、设备ID、设备功能、设备生产信息；第二部分为信号设备结构组成说明，包括部件类型、部件个数、部件模板ID、组合属性，其中组合属性依据约束规则对部件之间的位置关系进行说明，包括相对位置关系和定位点；第三部分为信号设备安装操作规则，包括参照设备类型、参照设备ID、参照设备定位点、相对位置关系。

2.2 数据设计

数据是模板表现的具体内容，模板的实例化就是通过输入数据实现的。数据设计是对数据的组织和应用方式进行定义，包括数据定义和数据组织两个方面。

铁路信号系统的设计属于站后设计，以铁路线型、站场、隧道等专业设计为基础，同时受到接触网等专业设计的影响，流程如图1所示。

信号设备三维布设需要的数据包括：描绘设备几何形状的几何信息、反映零部件相对位置和层级关系的装配信息、表述零部件的属性信息[7]以及描述信号设备布设规则的工程信息。不同数据的特点的定义方式包括以下两种：几何信息、装配信息和属性信息通过信号设备BIM模型定义；工程信息通过知识库进行定义和存储，其数据模型如图4所示。

图4 信号设备模板数据定义

信号设备平面布置图(以下简称“布置图”)是一种工程图，包含图形、文本和表格。若将图形和文本视为表格单元格中的内容，布置图则可以通过嵌套表格来定义[10]。

3 信号设备平面布置图生成方案

信号平面布置图生成方案与信号设备三维布设实现方案类似，用户引用模板并输入数据，通过模板实例化实现。

3.1 信号设备平面布置图模板

数据组织的目的包括两个方面：(1)实现不同专业数据之间的协同。(2)确定数据与模板之间的接口。其中数据协同是以知识库为纽带，对不同专业的BIM模型信息进行提取和比较等操作实现的；利用变量名称和变量值定义数据，以变量名称与模板匹配的参数文本为接口，进而输入变量值存储用户数据[9]。

表格依据内容类型可分为普通表格和列表，普通表格包含形式相同的说明性内容；列表则展示了按一定规律生成的数据。布置图主要由表格说明、设备列表以及视图组成，根据数据类型可以分为两类：第一类是图纸说明，包括表格说明及设备列表，由普通表格和列表组成；第二类为视图，仅包含列表。

2.1.1 部件模板

到了宋元时期，版画又有了进一步发展，不仅出现了上图下文的形式，而且刻本章法完善、体韵遒劲。例如《全相平话五种》为当时福建建阳书坊雕刻，是现存最早的讲史话本元刊。宋代还出现了铜板印刷，主要用于纸币和广告的制作。元代则出现了早期的连环版画“平话”刻本。此外在宗教经卷题材的版画中已经有独立的山水图。由于科学文化的发展和普及，各种历法、农技、绘画等通俗读本与图册大量雕印，并在苏州、福建等地形成了许多版刻中心。这一时期辽代的《南无释迦摩尼佛像》是目前发现最早的套色漏印版画。

3.1.1 图纸说明模板

表格说明和设备列表包括线条、普通文本和参数文本3种元素，其中参数文本指以参数名称和标识符为用户数据输入接口的文本，其模板如图5所示，其中符号“$”为参数标识符。

图5 工程图模板

3.1.2 视图模板

视图模板包括线条、图符、标注、普通文本和参数文本5种元素，对视图生成的内容和规则进行说明。图符是信号设备中的抽象符号，按照设备的类型和功能进行划分；标注指布置图中对设备名称、位置等信息进行说明的文本，其在布置图中的位置可由用户自行定义。

3.2 视图生成

布置图的视图是一种原理图，是信号设备之间关系的抽象，仅展示设备类型、名称、数量及相对位置，而不是投影视图，这与机械和建筑领域的工程图有本质区别。信号设备三维模型与视图之间通过属性关联，对应关系如图6所示。

刘雁衡看看他，想不出该说些什么。抓他进来的胖大警官喝道：“你不是要见我们上级吗？现在头儿来了，给我老老实实交代！”

图6 模型与视图的对应关系

生成视图需要解决两个问题：(1)确定视图内容，即视图中包含的元素类型、数量和表现形式。(2)确定元素之间的拓扑关系。

3.2.1 信号设备图元化

信号设备图元化是以图符的形式对现实中的信号设备进行抽象，在铁路信号系统设计中已经形成了规范的表示形式。以信号机为例，其机构及灯光配置在《铁路信号设计规范》中有相关规定，对应的图符也有相应的规定。

视图的拓扑结构主要包括信号设备的拓扑结构和线路数据拓扑结构两方面。线路数据包括轨道区段和道岔区段，依据图论将区段抽象为节点，区段之间的连接关系抽象为线，线路数据拓扑结构的本质是链接表[11]，如图7所示。两者均由数据区df和指针区pf组成，轨道区段包含两个指针区域，道岔区段包含3个指针区域，0则表示该节点无相邻节点。

B.左侧发生电极反应式:2I--2 e-==I2,生成的I2遇到迁移过来的OH-时,在左侧溶液中转化为,所以右侧溶液中绝不存在

3.2.2 建立拓扑结构

通过边研究变实践，大港油田形成了流场重构的四种新模式：针对中浅层套损套变严重的油藏，开展疑难井修复更新完善的“补流场”模式；针对长期注水开发形成优势通道开展分注调驱治理的“匀流场”模式；针对多层系井网瘫痪的油藏，开展二次开发层系井网重组的“植流场”模式；针对高孔高渗高含水高采出程度油藏，开展以聚驱、聚/表驱、空气泡沫驱为主改善驱替效果的“改流场”模式。三年来，累计治理油藏区块46 个，覆盖地质储量达到4.4 亿吨，治理区块整体自然递减率从19%下降到13%，下降了6 个百分点，相当于多增产了原油6.5 万吨。

图7 线路数据拓扑结构

信号设备依据不同的类型分别插入到线路拓扑结构中，信号机放入离其最近的区段节点所在的边，并通过选择确定信号机的方向，道岔和转辙机则包含于节点中。拓扑结构的数据来源为BIM模型，通过提取和分析其中包含的铁路区段连接关系和设备位置关系可以快速建立视图的拓扑结构，步骤如下：

部件模板是描述信号设备基本组成单元的模板。一个信号设备通常是由多个部件构成的复杂集合体，如信号机中的信号机机构、底座、基础等，这些部件在建模时可以视为不可再分的结构。部件模板由模板类型、部件模板ID、部件名称、尺寸的参数列表来描述。

(1)提取BIM模型中的图元信息，如铁路区段、信号机、转辙机。

(2)遍历所有图元，提取其ID和名称信息。

(3)遍历铁路区段，判断其是否有连接(是否有公共面)，如果有公共面，记录为一条边eij。

(4)遍历信号机，判断与其距离最短的铁路区段i，并通过BIM模型中表示信号机方向的向量判断其面向的区段j，在该区段所在的边eij中加入信号机的信息。

在进行驾驶行为评价的过程中，各个状态之间没有明确界限，具有模糊性. 选择函数性质稳定、控制平缓、分辨度高的梯形隶属度函数. 根据采集到的驾驶行为影响因素分布情况，分析其平均值、中位数、四分位数等关键数据，结合专家修正意见，建立急加速次数、急减速次数、长时怠速次数、长时加速次数的隶属度函数，如图2所示.

(5)遍历转辙机，依据ID和名称将其加入对应的道岔区段节点中。

3.2.3 视图生成

世界文明之旅活动推动了校园文化的创建和中外文化交流，并在读书主题引导、阅读兴趣培养、各国文化交流等各个方面均起到了积极作用，真正实现了全方位的图书馆与读者的双向互动与交流，并在此过程中引领了校园文化建设，得到了广大读者的积极评价与反馈。

视图生成需要确定视图的尺寸和表现形式。铁路轨道区段一般通过直线表示，道岔区段通过端头带标识的斜线表示，如图8所示，图中IIBG为铁轨区段名称，数字4表示道岔名称；铁轨长度由用户自定义。

图8 区段示意

信号设备与铁路线形的相对位置通过默认的平移向量确定，用户可以自行调节，视图中的标注包括文字标注和尺寸标注，其中文字标注对设备名称、轨道名称等进行说明；尺寸标注则体现铁轨里程、警冲标位置及设备位置等信息，通过BIM模型中的信息可以自动生成标注，其对应关系如表1所示。

表1 标注信息来源

标注体现设备与铁轨区段之间的相对位置，因此，需要计算BIM模型中图元定位点之间的相对距离。标注生成的位置默认值依据不同的对象确定，铁轨名称在铁轨图形上方1 cm处；信号机名称标注位于图符左侧1 cm处；铁轨里程及设备位置信息通过表格模板显示，用户可以对标注的内容和位置进行编辑。

4 系统实现

本文以张家庄车站信号系统为例，基于Rhinoceros软件及用户开发平台Grasshopper建立了铁路信号设备三维布设及平面布置图生成系统，该系统实现的流程如图9所示。

图9 信号设备三维布置及平面布置图生成系统流程

4.1 信号设备三维布设

对信号机三维布设的模板应用进行说明。信号机模板包括基础模板、底座模板和机构模板，三者通过信号机模板中定义的结构形式共同组成信号机模板，调车信号机的模板如图10所示。

图10 信号机模板实例

信号机模板被分解为3个模块，其中，模块一为信号机功能及信息说明模块；模块二为信号机分解结构模块，主要用于说明信号机结构组成并引用对应的部件模块；模块三为信号机的信息布设模块，对信号机布置的参考目标进行说明，3个模块均需要用户输入。

矮柱两显调车信号机包含一个混凝土基础、一个底座和两个颜色不同的透镜式色灯信号机构(分别为白色和蓝色)；该调车信号机布置参考目标为铁轨中心线，用户输入铁轨名称和ID后，依据相应铁轨的BIM模型信息和知识库中的信号机安装规范可以为设计人员推荐布置范围，设计人员可自行调整信号机位置，其过程如图11所示。

图11 信号机布设流程

张家庄车站中包含9个调车信号机、进站信号机4个、出站信号机8个。其中，调车信号机D3和D5的布置结果如图12所示，可以通过属性面板查看该信号机的ID、名称、描述、类型及用户自定义的属性，在本案例中，自定义属性为信号机距离站中心的位置，为后续平面布置图的生成提供数据。

图12 调车信号机布设结果

4.2 铁路信号设备平面布置图生成

依据数据对参数文本和视图进行添加即可生成平面布置图。参数文本通过参数标识符引用数据，其中，“$”指通过用户交互输入或进行更改的参数，“#”则是通过设备三维模型得到的数据。按照本文提出的视图生成方法生成的初始视图，用户可以对视图进行增、删、改等编辑操作。确定视图布局是添加视图的关键，通过定义的视图比例和定位点坐标确定视图的位置。

5 结语

为了实现铁路信号系统快速三维设计，提出了基于模板的三维设计方法，该方法建立了信号设备模板并使其与前序设计结果的BIM信息结合，实现信号设备的快速布设；建立铁路信号设备平面布置图模板，实现了工程图的快速生成；定义了逻辑原理图的生成规则。最后，通过工程实例验证了上述设计方法的可行性。