铁路信号运维阶段BIM模型交付及数据标准研究

刘珍珍

(中国铁道科学研究院集团有限公司通信信号研究所,北京 100081)

引言

铁路运维是行车安全的重要保障，运维期作为建设期的延伸，在铁路基础设施全生命周期中的持续时间最长[1]。我国铁路运营情况复杂且当前已进入高质量发展时期，信号专业规模不断扩大[2]，数字化转型需求迫切，然而信号运维管理在与设计、建造、施工阶段的纵向比较和与行车、通信设备的横向比较中，其平台统一程度和信息化、智能化程度都存在差距[3]。铁路信号信息系统体系繁杂，且多采用分级部署模式，数据资源标准不统一，因此，在构建一体化运维平台过程中，缺乏数据融合的统一标准和载体成为首要突出问题。BIM技术在基础设施领域应用广泛，是全生命周期管理的重要载体和技术手段[4]。

从2013年起，以BIM为核心的铁路信息化建设迅速展开，中国铁路BIM联盟先后颁布数据存储、模型精度、交付精度等系列标准，李茂蛟等[5-10]在铁路工程设计、施工阶段的信息集成和应用设计方面进行了深入研究，在国铁集团工程管理中心的推动下以铁路工程管理平台为依托的建设期应用日趋成熟，迈入2.0时代[11-13]。工程建设期的数字化转型推动运维管理方式的变革，从2017年起，BIM技术应用逐渐转向运维，解亚龙等[14]研究基础设施数据交付运维方案；王志华等[3、15-18]深入剖析现状和需求并提出基于BIM的铁路综合运维管理平台架构方案和应用方法。但由于运维管理存在体系庞大、专业性强、分工细化的特点，各专业实施和应用还处于起步阶段，BIM标准中运维阶段模型和属性信息描述也存在不全面的情况。

面对上述信息化环境和设备运维的业务特点，将BIM技术作为运维阶段设备设施管理的基础，延续其基于模型的数据交付和管理方案，在已有学者建立的运维平台体系的基础上，深入分析模型交付与命名规则、模型组织结构、模型几何精度、数据信息标准等内容，丰富和扩展当前标准体系，最后给出运维阶段模型与数据集成方案。以期利用BIM作为底层支撑技术，解决数据共享难题，推动信号大数据运维乃至一体化综合运维管理平台的建设。

1 模型交付与管理

目前，以智慧京张、数字郑万高铁为代表的铁路基础设施建设中，BIM技术贯穿始终，积累数万个模型。铁路工程信息模型的价值在于信息的自由流动和传递，设计建设期向运维期交付模型，需保障信息的完整性和模型的可用性。信号专业竣工交付工作是在设备经过联锁试验验收合格并开通使用之后进行，需将在用、应急倒换设备和修订完善的工程竣工资料移交电务段，设备开通后全天时不间断运行，因此，交付的资料和模型需准确有序的投入运营生产。为保证交付的模型更精准对接运维管理，提高模型的拆解速度，从竣工模型的交付原则、交付结构、命名规则、精度要求四个方面进行规划和明确。

1.1 模型交付原则

铁路工程点多线长，模型文件达千兆级别，传输和运用十分困难，并将产生大量冗余信息和冗余成本，因此，模型交付需以站、中继站、调度楼等为工程单元分解模型，交付工程单元的总装模型。在模型格式方面，项目参与方所使用的工具可能不同，但在铁路BIM联盟的推进下，以Bentley、Revit为主建模工具得到统一，交付的总装模型支持skp、revt、dgn等格式。ifc格式作为信息交换标准具有兼容性强和去差异化的特点，一方面，建模工具具备将模型转换为ifc格式存储的条件；另一方面，运维阶段模型不再以建模工具和模型族库的形式服务用户，而是依托GIS技术开发业务应用，现阶段较流行的Treejs、Cesuim、Unity等BIM引擎均支持加载ifc格式模型，因此，模型应按照ifc格式进行交付运维。

1.2 模型组织结构

工程单元总装模型对于设备运维是难以利用的，需拆解到设备或构件级，再与动静态信息关联并建立档案。当前《铁路工程信息模型表达标准》中涉及了模型拆分组合的规定，但缺少信号专业相关说明，参照其一般规定，根据应用经验，总结信号模型的组织结构划分原则。

信号专业模型结构与工务、电力、房建等专业相比存在特殊性，其管辖设备分布于铁路沿线，分布不均衡且系统性强，不能简单地以物理结构分解定义划分原则。信号专业在建设过程中以工点作为工程结构分解的工程单元，一般将车站或具有独立功能的信号场所作为1个工点，同时这也是运维管理的区域划分的基本单元。因此，模型组织结构以工程单元为基础，再结合信号专业以系统为单位建设维护的特点，建立专业-工程单元-信号系统(设备单元)-设备四级树结构，如图1所示，由于篇幅限制列出部分设备级树结构。将模型按照从整体到局部的原则进行拆分，直到构件层级，并根据可独立维修更换的原则划分最小单元。

图1 模型结构划分

1.3 模型命名规则

信号专业设备在室内室外均有所分布，大量模型要能够层次分明的组织，需要结构清晰编码唯一的方式命名。模型表达标准中规定了文件命名总体原则，但粒度仅划分到工程单元级，根据标准的命名规则并结合设备模型组织结构，提出信号专业设备级模型命名方法。对信号专业室内、室外设备分别命名：室内文件命名由专业、工程单元名称、设备名称、安装建筑名称、安装房间、安装位置依次组成，相邻代码之间采用“##”进行分割，例如，信号##清河站##继电器##信号楼##机械室##1P(排)2J(架)；室外文件命名由专业、中心里程、工程单元名称、设备名称、安装位置依次组成，相邻代码之间采用“##”进行分割，例如，信号##K23+575##清河站##信号机##XII。

1.4 模型交付精度

BIM模型在规划—预可研—可研—设计—施工5个阶段得到不断深入细化，模型本身及其搭载的信息越来越完善和丰富，因此，在运维阶段的有效利用才能真正体现其全生命周期跟踪的意义和价值。2017年铁路BIM联盟发布的CRBIM 1004—2017《铁路工程信息模型交付精度标准(1.0版)》中规定了LOD3.5施工图设计阶段的几何精度，但还未发布运维阶段的精度标准。因此，通过对信号专业运维模型业务应用的研究和验证，对运维阶段模型的几何精度要求进行补充，主要遵循的原则为：符合检修维修的最小设备粒度要求；满足设备数量统计的要求；满足可视化、设备状态监测的要求等。运维阶段的几何精度通用要求包括：在既有模型的基础上建立主要设备模型，体现设备的外形轮廓，添加本阶段所需的模型详细参数，模型参数完整并预留信息扩展接口，提高模型可用性，并用实际尺寸创建模型。设备的其他个性化要求如表1所示，由于篇幅限制列出部分设备几何精度要求。

表1 运维阶段信号专业设备几何精度要求

2 数据标准信息研究

信息是BIM技术区别于传统三维模型的关键，BIM以模型承载设备设施的物理特征、功能特性，能更好地支持项目决策，便于优化显示项目的价值[19]。BIM的数据库从项目规划阶段就已开始建立，数据和信息伴随工程的推进不断被完善和丰富，工程管理平台站在建设施工的角度，建立站后四电工程统一管理应用，将基础设施的参与方维度信息和生产设计施工阶段的信息统一收集管理。在既有设计施工阶段数据的基础上，通过分析运维阶段的管理流程，讨论运维阶段的数据信息内容，同时也是对CRBIM 1009—2017《铁路工程信息交换模板编制指南(试行)》的补充和完善。

2.1 业务分析

电务专业设备维护工作实行铁路局—电务段分级管理，电务段实行段—车间—工区三级管理。维护工作的基础是计划管理，以计划编制—审批—执行—反馈的闭环管理流程覆盖各个级别的维修、日常检查、故障处理工作，其维护工作流程如图2所示，主要包括以下4个方面。

图2 信号专业维修作业流程

(1)计划管理。电务段负责根据设备质量状况、年度重点工作组织编制年(月)度维修工作计划和器材入所修计划，经电务部审核下发至车间。车间根据月计划结合维修过程中的遗留问题，组织编制周计划、天窗计划、日计划，经电务段—电务部两级审核下发至工区。

(2)维修作业实施。车间组织维修天窗实施方案，获得电务段审批后组织计划派工，组织工区开展现场作业，同时把握作业进展情况，掌握设备问题和缺陷。

(3)设备技术数据。电务部门定期编制和审核信号设备技术数据，包括信号技术履历簿数据、设备入所检修数据、LKJ基础数据和STP基础数据。

(4)动态数据分析。车间和工区不间断调阅分析信号系统的运行数据，掌握设备编号情况，分析异常变化和报警，提前发现设备隐患和劣化趋势。主要涉及各类行车类信号系统和集中监测系统动态数据。

2.2 信号专业运维阶段数据信息

设备全生命周期的跟踪需涵盖生产、设计、施工和运维4个阶段。信号专业设备在设计和施工阶段归口站后四电工程统一管理，采集基本参数、生产厂家、产品合格证和检验检测资料、设计施工图、参数标准、物资清单、工点信息、安装调试等信息。

工程竣工交付过程中，这些信息依据交付精度标准移交运维。运维单位首先补充运维阶段的基本信息，录入单位信息，并按照以系统为单元维护的特点录入所属信号系统信息。通过业务分析，这一阶段会经历日常养护、集中检修、入所检验、中修、大修、故障应急处理等过程，产生的信息主要阐明在这些过程中信号设备的检修计划和检修记录。此外，密切关注设备运行过程反馈的动态参数和曲线，也是电务每天的重点工作，根据动态参数的变化判断设备运行状态，排除隐患带来的故障风险。因此，将运维阶段数据分为基本信息、检修维护信息、生产作业信息、运行动态信息四个大类，分级分类和信息内容如图3所示。

图3 运维阶段数据信息

3 模型与数据集成应用

通过上述模型与数据格式的定义和规范，构建模型与数据集成管理应用。在运维阶段，设备的数据是实时的，随着运输生产而不断产生和动态变化，以Revit等建模工具进行属性集成的方式无法满足这一阶段数据存储和展现的需要。设计以BIM模型集成到基于地理信息系统的设备管理平台软件体系结构，可以做到广度与细节兼顾，模型以轻量化和瓦片化的方式逐级加载[20]，并允许模型单元以低几何精度和高信息深度存在，满足数据集成的同时，使应用加载速度更快。

3.1 模型管理

在设备管理平台中，模型以文件的形式进行存储和读取，根据上述模型交付和组织原则，分解工程单元的总装模型，提取设备级别的模型信息进行管理。模型库管理模块如图4所示，采用四级模型组织结构，管理设备及其部件器材的模型信息，为每个设备模型分配唯一编码，作为模型与数据关联的标志。

图4 模型库管理模块

3.2 运维可视化应用

以B/S架构实现运维数据管理应用，采用Cesium作为支撑框架，结合数据库技术，构建车站三维可视化场景，管理设备全生命周期各阶段数据。以模型为出发点，建立线路结构(工程单元)、管理层级(运维单位)、设备、所在位置、归属系统、作业计划、运行动态之间的联系，达到归一化存储和可视化呈现的目的。站在运维单位的角度，根据模型结构组织原则将设备进行系统性分类，组成管理层级—线路结构—信号系统—设备四层树状结构，并统一管理设备出厂信息、安装信息、检修维护信息、动态数据等。

目前，系统通过组织整理电子化台账、提供信息采集用户界面、与其他系统接口等方式收集数据，建立设备档案。研发的库尔勒I场三维可视化场景如图5所示，三维场景还原站场布局，展示设备出厂和维修作业等静态数据。对于动态数据，系统采用BIM与二维平面图相结合的展示方式：室外设备分布面积广、设备分散且传统信号平面图的适用度高，继续沿用二维平面图的方式(二维站场综合显示应用普遍这里不再举例)；室内设备，机柜/组合架结构紧凑，布线隐蔽且复杂，采用BIM模型方式展示，室内设备运行状态如图6所示。

图5 库尔勒I场三维可视化场景

图6 室内运行状态三维可视化场景

4 结语

基于BIM的铁路运维管理平台建设已进入实际研发阶段，平台数据结构的合理性和基础数据的完备性直接影响数据利用率，进一步影响智能分析的准确率。在运维管理平台建设的课题研究基础上，立足于信号专业，提出总装模型分解的模型组织结构和设备模型命名规则，并通过分析电务运维管理过程，归纳信号专业运维阶段数据信息内容，扩充了《铁路工程信息交换模板》。基于以上论述，建立以模型为核心的数据归一化存储和展示应用，通过Cesium引擎框架及BIM与GIS融合技术，形成三维可视化场景，建立四级数据结构树，并给出模型与数据集成应用开发案例。

数据标准的统一和集成共享为运维管理平台夯实了基础，同时设备健康评估、故障预警、智能维修技术也正在开展研究，随着三维可视化技术、设备监控手段和数据分析处理技术的高速发展，相信平台将更加智能和高效，更好地为供电工一体化维修服务。