基于BIM技术的铁路信号系统运维信息管理应用研究

周桂强

（中国铁路南宁局集团有限公司南宁电务段 广西壮族自治区南宁市 530000）

在铁路信号系统的全生命周期中，其运营维护阶段所占用的时间花销要占到整个建筑全生命周期中的绝大部分。文献[1]从经济花销方面来考虑可知，项目全过程中一二阶段的初始投资预测分析、项目规划到设计花费仅仅占用到总体项目成本额度的0.7%，第三阶段主体的施工建设仅仅占项目总成本额度的16.3%，第四阶段运营维护阶段占到了总成本的绝大部分有83%。通过以上分析可以得到，在铁路信号系统的全部生命周期中运营维护不但花费时间最长，而且所需维修管理成本所占比重巨大。传统的铁路信号设备运行维护管理方法主要还是通过纸质的文档资料和二维CAD 图形来记录保存信息来进行设备的信息管理，这使得在实际的管理过程中存在了很多问题。例如，传统的二维图形信息普通的安装工人难以理解，

在按照图纸进行设备安装时必须由本专业的相关技术工作人员实时指导，既消耗了大量的时间也消耗了大量的人力；当需要查询设备的相关信息时，需要从各专业寻找大量的相关图纸和记录资料，且在此过程中常常出现信息收集不全、丢失或信息收集错误等现象；由于在收集资料时经常出现信息缺失、信息错误等现状，故经常设备不能及时有效的维护保养，同时由于信息的丢失大大的延长了维修时的时间周期，大大的消耗了人力资源，致使管控效率严重低下；工程各个阶段互相独立，缺乏有效的沟通渠道和协同平台，使得铁路信号工程建造的效率大大降低、铁路信号系统工程在全生命周期中的寿命大大缩减、当出现故障时相关维修成本也相应提高。所以铁路信号设备的运行维护如何进行安全高效的管理是一个非常值得我们思考的重要问题。

目前在建筑行业利用BIM 技术实现运行维护在国内外已经取得良好的成绩。Francisco 等[2]针对BIM 技术在物业管理方面的应用进行了一系列的研究分析。Yu等[3]在三维信息化模型的标准制定、三维模型信息整合与模型信息共享三个方面进行了详细研究，分析了设备管理包含的管理设备和应该具备的相关管理功能。Hassanain等[4]针对建筑工程方面的运营维护管理，对其对应的相关对象模型和过程模型进行了详细分析论证，构建了具有信息集成化特点的设备运营维护管理模型。Kazi A S,Aouad G 等[5]根据BIM 技术相关理论知识结合设备管理技术对设备管理实现了全过程的研究。张建平等参考IFC 标准建立了建筑行业管理信息化模型[6]。胡振中等[7]利用建筑信息模型并结合虚拟现实技术设计开发了机电设备管理系统。过俊等[8]研发了基于BIM 的建筑设备管理系统，对设备信息进行整合，用于设备运营维护。

本研究借鉴建筑行业在运行维护阶段在BIM技术方面的应用，提出基于BIM 的铁路信号系统运维信息管理应用研究。基于信号系统设备BIM 模型建立信号系统设备运维数据库，利用BIM 模型建立过程中集成的相关的设备属性信息和构建的相关设备运营维护数据库进行连接对信号系统设备进行综合管理，呈现出完整的信号系统设备管理过程，展示出BIM 技术与数据库相结合在信号系统的运行维护管理中的应用的相关概念。

1 基于BIM的铁路信号系统运营维护信息的基本理论介绍

1.1 BIM铁路信号系统的管理

铁路信号系统的运营维护管理本质上是对信号设备的管理，信号系统设备的管理其研究对象是信号专业相关信号设备，其目的是为了追求设备综合利用的利用率最大、最优化，使用管理相关的管理理论及其管理方法，通过相关技术的技术措施、组织措施等方法对系统中的设备的使用从初态到末态全过程综合化及其科学化的管控，而铁路信号系统中的设备管理其是指当铁路信号系统中的设备在保持其正常健康的运行态势下，合理应用管理相关的技术及其方法，相关的工程技术及其财务投资经营等手段，使得铁路系统信号相关运行设备在其全部的生命周期内的费用/效益比率尽可能达到最优化的可控程度范围之内，尽最大能力使得相应信号设备的使用价值最大化，以此来保证经济收益的最大化，尽可能的降低管理运营维护所带来的设备使用过程中的成本，最终使得铁路信号系统设备综合效益的最大化。为了实现上述所述的目标，铁路信号相关设备管控人员应该对信号系统中所有的信号设备的各种信息做到充分的了解。

根据分析铁路信号系统设备的运维管理信息主要可分为下述5类信息。

（1）信号设备的基本信息：主要包括信号设备的型号、信号设备类型、信号设备的基本参数信息(譬如：尺寸、电气特性等)、信号设备的产出厂家、信号设备的产出日期、信号设备的购买日期、价格及其保修年限，其信号设备的基本信息主要给运维管理人员提供设备的性能及其相关信息的查询；

图1：信号系统全生命周期信息管理框架

图2：数据库进行信息传递的流程图

图3：BIM 可视化模型与运维管理数据库的连接

（2）信号设备的运营维护信息：铁路信号设备的运营维护信息主要记录了相关信号设备维修保养人员对设备进行的定期维修保养及日常维修保养的情况，主要包括维修人员的编号等信息、相关的保养手册、信号设备的维修日期、信号设备的维修原因、信号设备此次维修的维修成本、信号设备当前的运行状态、信号设备内部替换部件记录等信息内容；

（3）信号设备的合同信息：信号设备的合同信息是指信号设备的合同编号、信号设备的合同类别、信号设备的签约双方单位、信号设备在此次合同中的价格、信号设备的签订日期、信号设备的付款计划、信号设备的结算金额、购买的信号设备数量、信号设备的保修期限、规定的保养方、使用方、相关的合同文件和处理纠纷状况等信息相关信息；

图4：部分信号模型展示图示

图5：部分室内设备三维虚拟显示结果

图6：ZDJ9 型转辙机的属性信息查询展示

（4）信号设备的成本信息：信号设备的成本信息主要包括信号设备的购买成本、维护保养成本、信号设备的修理成本、信号设备的维修成本警戒线、信号设备的实际保养成本、设备净值、维修成本是否超预计、保养成本是否超预计等相关信息；

（5）管理方信息：信号设备的管理方信息包括信号设备管理人员的姓名、员工编号、单位编号、单位地址、联系电话与所属部门等相关内容。

1.2 铁路信号系统运维阶段BIM信息模型的轻量化

随着工程进度不断推进，信号系统在生产、设计、施工、交付使用直到运营维护，每个阶段会产生铁路信号系统的信息。铁路信号系统在运营维护阶段之前，涉及生产厂家、建设单位、设计单位、施工单位、监理单位均会在不同的工程阶段提供铁路信号系统的相关信息。而这些信息中，一部分信息在运维阶段使用频率极低甚至不会使用。若在运维阶段对模型信息进行轻量化处理，将提高铁路信号系统在使用过程中的数据实时更新速度和减小时间成本。模型所带信息轻量化过程，主要是依据在运维阶段信息的使用频率对信息分配相应的权重，对于权重较低的信息进行删除。

为方便BIM 可视化模型的建立与展示、设备族库无插件在线浏览功能和云端存储、远程下载以及设备族库与其他应用模块之间信息交换，对铁路信号设备几何信息进行轻量化。

对于同一模型，不同顶点处的起伏程度不同，人类对起伏程度大的模型顶点连接形成的棱及轮廓较为敏感，起伏程度较大的顶点比平坦区域的顶点对模型影响较大，更为重要。因此，在实现轻量化时，考虑将某顶点的重要程度纳入是否对其进行的简化评价准则[15]。

而与顶点相关的特征中，顶点的法向量和顶点所在平面的方向向量可以很好的表示顶点及其周围顶点之间的相互位置关系。

其中，λv,p为三角形p 对于顶点v 的重要度；nv为顶点v 的单位法向量，顶点的法向量和与其相关的三角面片的法向量之和的方向一致；np为三角形p 所在平面的单位法向量。

将λv,p与二次误差测度算法中的基本误差二次型相乘作为改进算法基本误差二次型；λv,p与二次误差测度算法中的二次误差测度矩阵相乘作为改进算法的二次误差测度矩阵。计算各条边的折叠误差，从折叠误差最小的边开始，对原模型的各边按照折叠误差逐渐增大的顺序，依次进行折叠，最终可得到化简模型。

采用该算法可以充分考虑模型表面的平坦区和尖锐区的差别，对平坦区优先进行折叠，保留模型表面尖锐区顶点，保证模型简化后不失真，同时能提高模型的读取和显示速度，可以提供很好的用户体验。

2 基于BIM的铁路信号系统设备运营维护管理系统框架

本节在传统铁路信号系统信息管理的基础上，结合计算机技术及信息化技术和目前在建筑行业应用比较成熟的BIM 技术，将铁路信号系统从设计、施工及运营项目的全过程中产生的所有相关设备信息有效的、合理化的组织集成起来，其组织集成后可构建出基于BIM技术的铁路信号系统相关设备的全生命周期信息化管理框架，其具体管理框架图如图1所示[13-14]。

如1所示，铁路信号系统中信号设备的全生命周期信息分为三个主要部分：底层的数据模块、信息模块以及顶层的功能应用模块。而底层的数据模块由各个信号设备的相关数据组成的数据信息，其是一个信息集成中心，在该数据库中存储了铁路信号系统全生命过程中各个项目阶段生成的所有的数据信息，其主要提供信息存储的功能，各个项目参与单位要进行查询统计的信息都涵盖在这个数据库中；信号设备信息模块是基于数据库建立的信息模型中心，其主要向下用于存储数据层中的所有数据信息，各个参建单位可以在模型中修改更新数据信息，向上为功能模块层提供用于实现相关功能的模型基础；功能模块是BIM 技术在铁路信号系统在全生命周期中的不同功能应用的具体实现。

2.1 基于BIM的运维管理框架的数据层

BIM 技术不仅仅只是对相关设备设施对象的三维的几何尺寸信息的描述，其主要可以对设备设施的设计材料、相关报表、相关的工程实施进度、设备的能耗分析等与设备相关的信息以及不同专业领域之间的设备设施的设计连接关系这些方面全方位的项目信息进行完整的展现。使用BIM 技术可以将建筑设计阶段的各种生成的数据信息、相关的模拟过程及其相关的资源有效的连接整合成为一个较为完善的信息化的模型，其包括工程的建筑图纸、结构图纸、设备工程图纸和精装修图纸等所有的相关信息，保证了信息的高度统一。当运维管理人员应用数据库对相关的设备设施信息进行提取查询时，BIM 模型具有的多维可视化性能，故可以十分直观便捷的找到管理人员所需的信息，大大降低了管理的成本。图2 为数据库进行信息传递的流程图。

2.2 基于BIM的运维管理框架的信息层

铁路信号系统运维阶段信息模型的建立为之后在运维管理过程中数据库技术的应用提供了模型基础，比如在进行信号设备基本信息查询修改，电缆信息统计与设备安装进度的模拟提供了信息管理的载体。

运维阶段信息模型的建立是由在运维阶段之前各阶段各项目参与单位录入相关信息，运维阶段根据运维历史数据完成运维阶段的数据完成。

2.3 基于BIM的信号系统运维管理功能

在基于BIM技术的铁路信号系统运维管理整个系统里面，BIM可视化的模型与运维数据库作为运维管理系统的两个核心模块，整个运维系统的功能应用也是围绕这两个子系统进行管理的。有BIM可视化的模型提供可视化的信息的展示平台与操作载体，对铁路信号系统设备的信息进行可视化查询、统计、修改与更新等基础信息的管理，铁路信号系统运维数据库则作为一个信息全面存储和细致化全面管理的数据库。根据这个思路，明确基于BIM技术的铁路信号系统运维管理模块的具体功能，通过一个API 软件数据接口将两个模块连接起来，实现两个子系统的信息的实时传递与更新，如图3所示为BIM 三维可视化模型与运维管理数据库的连接。

虽然BIM 模型相关软件能够容纳BIM 实体模型的大量数据信息，但其由于能够容纳的数据信息格式有限，不能满足支持铁路信号系统运营维护阶段数据信息格式多样的实际需求，故仅仅用BIM模型进行设备管理是不合理的，故须建立专用的设备运行维护数据库，实现相关设备设施的全信息维护管理。

图7：设备合同管理界面展示

图8：设备订货管理界面展示

图9：历史采购管理界面展示

图10：设备采购统计界面展示

在构建设备运维数据库时应该根据相关设备BIM 模型中生成的基础数据表进行构建，在生成的基础数据表的基础上，在设备运维数据库中相关操作人员补充添加相关设备的其他格式的数据信息用于完善设备实体BIM 模型信息，健全运维数据库系统的全部设备数据。当运维数据库建立以后，要对BIM 模型数据进行更新时，只需在运维数据库中调取相关设备进行信息添加删除等操作，根据相关信息的不同类别定义不同的属性标签，将更新的数据库按属性分别导出更新数据到相对应的BIM 模型的属性中，更新BIM 模型相关数据。

3 信号运维管理系统模拟展示

根据以上研究分析，本节以银西铁路信号设备管理为例，利用本研究提出的铁路信号系统设备管理方法，进行铁路信号系统设备基于BIM 技术的运维管理系统具体应用的模拟展示。

图11：设备运维阶段维修统计信息展示

3.1 BIM可视化模型的建立与展示

利用Bentley 软件建立铁路信号专业设备模型，在本次项目设计中共建立信号设备模型128 个，其部分信号模型展示如图4所示。

将建立完成的铁路信号设备BIM 模型导入到构建的建筑物模型的相应安装位置中，呈现出具有实际情况的三维虚拟化效果，其部分室内设备三维虚拟显示结果如图5所示。

3.2 铁路信号设备运维管理模块展示

管理者进入运维管理模块以后，可以对设备设施的基本信息进项査询、修改、增加、删除。在此章节中将通过施工方的部分管理过程对各个模块进行展示。

3.2.1 设备信息查询

管理者进入管理系统后可任意查询各个信号设备的属性等信息，如图6所示为对ZDJ9 型转辙机的属性信息查询展示。

3.2.2 设备合同管理

设备合同管理功能包含自采合同和合同清单中有本单位设备的甲供合同，甲供合同只能查看合同详情，自采合同可添加、编辑、删除，如图7所示。

3.2.3 设备订货管理

设备订单管理功能管理设备订单（订货单），包含设备订单的添加、编辑、删除、查看、打印等功能，如图8所示。

3.2.4 历史采购管理

历史采购管理功能是历史订货单的留痕。包含查看、打印操作，如图9所示。

3.2.5 设备采购统计

设备采购统计功能是以图表的形式直观展现设备流转情况，如图10所示。

3.2.6 设备订货管理

在车站BIM 三维场景中，以二维图表显示设备运维阶段维修统计信息，如图11所示。

4 结论

为了解决目前传统的铁路信号系统设备运营维护管理中存在的诸多问题，本研究借鉴建筑行业在运维管理方面的改革思路提出结合BIM 技术和数据库技术实现基于BIM 的铁路信号系统设备运维管理系统的初步设计开发，为后续基于BIM 的运维管理系统开发提供了一定的技术支撑。