BIM技术在铁路信号工程运维中的应用研究

张 凯，宋胜林，肖彦科

（1.中国铁路北京局集团有限公司电务部，北京 100860）

（2.中国铁路北京局集团有限公司北京工电大修段，北京 100860）

（3.陕西心像信息科技有限公司，西安 710000）

随着国家经济的发展，铁路网规划与建设，铁路的运营里程在不断增多，铁路设备也在不断升级与更新。铁路信号系统作为铁路运输控制的中枢系统，是铁路高效运输及安全运行的重要保障，铁路信号设备的安全高质量运行直接关乎国计民生，如何提升信号设备的维修手段，提高电务作业维护效率，降低电务维护的作业成本，这些问题亟待解决。

1 铁路信号工程运维现状

1) 竣工及维修资料图实不符

现行的竣工图纸交付管理模式中，交付给运维单位的图纸很难达到与现场实际一致，尤其对信号设备的室内配线关系、室外电缆走向、车站暗埋隐蔽工程等信息无法准确表达。

2) 信号设备台账及资料管理混乱

信号设备维修及管理的部门涉及众多，分工各自不尽相同，又相互协调。信号设备的资料和台账管理以电子表格或独立的信息化系统管理，数据难以同步，资料修改无法及时更新，导致出现版本管理混乱，数据不一致情况时有发生。

3) 隐蔽工程难以定位，故障排查困难

当铁路信号设备显示信息异常时，维修维护人员大多通过经验来排查和判断故障位置，尤其对隐蔽工程更是无法定位，导致故障排查困难，故障处置时间延长。

4) 设备配线关系庞杂，维护检修难度大

信号设备作为铁路控制系统，设备之间的逻辑关系复杂，配线众多，日常对设备及线缆的维护检修难度大，尤其是排除单个设备控制电缆径路时需要翻越大量资料，信息检索难度大。

5) 辅助系统间信息不共享、不连通

国内铁路信号设备稳定性高，技术成熟，配备有记录监测等多种辅助设备。但是，各种记录监测辅助设备之间信息不共享，不连通，只对信号设备起到状态监督，还无法对故障进行预测、定性及定位[1]。

2 BIM技术在铁路信号工程运维中的应用研究

BIM技术是一个共享的知识资源，可以把信号工程的设计、施工到交付运维全过程的数据信息进行集中的记录和流转。在工程全生命周期阶段，项目各参建方不断的对信号模型及数据进行修改和完善，当竣工交付时，可同步交付与现场1∶1的数字工程信息模型。这些模型涵盖了设备设施的物理构造、逻辑配置关系和全生命周期过程建立的相关技术参数。本文以京广线长阳线路所信号工程为例，来介绍BIM技术在铁路信号工程运维中的具体应用方法、应用内容和应用价值。

2.1 可行性分析

结合BIM技术的特点和要求，通过对铁路信号专业要素进行分析，充分研究信号专业的维修内容，从而对涉及信号专业的BIM标准、设备构件模型、设备技术参数等进行分析并建立相应的数据支持库。同时对BIM模型、设备参数及铁路场景信息进行整合，结合设备维修的需求，搭建铁路信号工程BIM运维系统[2]。

可行性分析关系如图1所示。

图1 可行性分析关系Fig.1 Feasibility analysis relationship

2.2 信号BIM模型创建

以京广线长阳线路所信号改造工程为实际应用，进行铁路信号BIM模型创建，如图2所示。

2.2.1 标准执行

本项目建模主要参照铁路BIM标准，包括《铁路工程实体结构分解指南（1.0版）》、《铁路工程信息模型分类与编码标准（1.0版）》、《铁路四电工程信息模型数据存储标准》、《铁路工程信息模型数据存储标准（1.0版）》、《铁路工程信息模型交付精度标准（1.0 版）》[3-7]。

图2 信号BIM模型创建流程图Fig.2 Flow chart of signal BIM model creation

2.2.2 模型创建与属性添加

1）模型创建与成果展示

考虑到工程建设每阶段应用目标、研究深度及后期实际运维需求，分阶段进行长阳线路所BIM模型创建，如表1所示，最终达到LOD500水平，提升显示效果和真实反映构件细节。即构件主要组成部分在几何上表述准确，能够反映物体的实际外形，与现场布置保持一致，保证在运营维护中不会因竣工图纸或维修资料图示不符而产生错误判断。部分BIM建模成果如图3所示。

表1 信号BIM模型建模内容Tab.1 Modeling contents of signal BIM model

图3 长阳线路所设备BIM建模成果Fig.3 BIM modeling results of Changyang block post device

2）属性信息添加

模型属性信息主要有身份信息、定位信息、流转信息及运维信息，分阶段进行模型属性添加（如表2、3所示），并上传BIM运维管理平台，解决维修信息乱、少、信息不连通的情况，提高设备维修效率，降低运维成本。

2.2.3 BIM+GIS模型整合

GIS技术是用来采集、存储、管理、分析和呈现地理空间信息的系统。将BIM模型与GIS数据相整合，使宏观地理地形场景分析规划与微观设备构件布置相结合，达到提高运维工作效率、缩短工期目的。整合流程如图4所示。

2.3 BIM模型在信号运维中的应用

随着工程的建设和交付，与工程同步建立的BIM模型也1∶1的完全反映工程现场的实际构造，在竣工交付时同步将BIM竣工模型数据交付运维，为运维期的资产管理、设备维护、故障应急等提供良好的数据集成平台。

2.3.1 设备台账可视化管理

结合运维期设备台账管理的需求，开发基于BIM的设备台账管理子系统。该系统中设备的数量、属性等信息均从BIM模型中获取，设备台账中包含车站室外的信号机、道岔、轨道电路、补偿电容、设备箱盒等数据，同时也包含室内设备机柜、设备模块、设备配线等信息。在运营维护过程中只要对模型的信息及时更新，设备台账管理系统中的数据将同步更新并发布。

系统中建立了数据权限管理功能，可通过数据权限控制不同人员，对不同车站的设备，不同的应用功能进行维护，包括设备上道、设备更换进行登记管理。对登录用户管线范围内设备的履历台账，可通过车站、工区、车间、电务段或设备分类信息进行统计查询，如图5所示。

表2 施工阶段需增加或修改的模型信息Tab.2 Model information to be added or modified in the construction stage

2.3.2 线缆及隐蔽工程可视化管理

铁路信号运维管理平台通过3D可视化地下模式直观展示室外电缆的敷设走向，可清晰表达信号设备之间的连接关系，真实记录现场数据，反映隐蔽工程电缆布设实景。以电缆标记的形式展示各区段电缆型号、用途、直径、埋深、芯数、备用芯数、是否暗包等信息数据，以及电缆两端的连接设备。满足维修人员及时掌握现场电缆敷设的隐蔽工程实况，提升维修效率，实现了铁路信号工程中室外电缆信息的三维可视化，如图6所示。

表3 竣工交付、运维阶段需增加或修改的模型信息Tab.3 Model information to be added or modified in the completion delivery, operation and maintenance stage

图4 BIM+GIS模型整合流程Fig.4 Integration process of BIM+GIS model

2.3.3 设备及线缆配线关系可视化应用

系统通过室内机柜设备的BIM三维模型，满足即时定位到继电器设备及端子上，展示继电器等设备的用途、控制关系和端子之间的连接关系。利用设备端子可视化帮助运维人员迅速查找设备之间的逻辑控制关系，便于故障维修的快速处理，实现了铁路信号工程中设备端子信息的可视化，如图7所示。

2.3.4 多系统不同数据集成及协同应用

基于BIM的运维管理平台可结合信号集中监测信息，设备维修记录信息，设备检测检修信息，设备维修资料信息等集成加载和管理，同时提供资料分类、版本对比、快速查找等功能，依据BIM设备模型通过界面操作实现关联显示，达到设备参数，技术资料的精准管控，如图8所示。

图5 设备台账可视化管理Fig.5 Visual management of device ledger

图6 线缆及隐蔽工程可视化Fig.6 Visualization of cables and concealment works

图7 设备及线缆配线关系可视化Fig.7 Visualization of device and cable distribution relationship

1) 实现信号运维的可视化管理

图8 数据集成管理Fig.8 Data integration management

精细化的BIM模型，反映的是现场设备的实际规格尺寸、外形特征及内部构造，具有接近实际的逼真度和可视化效果。在指导现场施工和设备运行维护的可视化管理方面，发挥了重要作用[8]。

2) 实现信号设备信息的集成化

就传统的运维系统来看，其中涉及到的设计和建造阶段的信息与运维阶段的信息一般都是分开存储和调用，这样就造成了管理上的混乱和调控方面的不足。而采用BIM技术后，相应的情况也就得到了极大的改观，由于此类技术对不同专业和不同设计者在同一模型中的操作没有限制，因而在具体信息的添加和调取上比较自由便捷，从而真正实现了所谓的更新统一性。由此运维过程中产生的各类信息数据就可以全部保存在此类模型中[9]。同时与之有关的报表、图片、视频等资料可与模型相关联，从而实现以BIM模型为载体，设备信息集成的运维管理模式。

3) 实现运维数据的积累与分析

基于BIM技术的运维管理平台，可实现对信号设备台账、信号设备履历、信号设备故障、历史维护等数据信息的积累与分析，对铁路信号设备的维修维护工作作出判断、预警和指导。如果出现意外状况，运维大数据的分析可为信号维修人员高效应急处置提供基础保障，出具应急预案路线供管理者决策，从而避免更大的损失。

4 结论

研究表明，铁路信号设备运维实现可视化、集成化、智能化是现代铁路高速发展的必然趋势，BIM技术的最大价值就是全生命周期的信息传递与共享[10]。BIM技术应用于铁路信号设备运维工程，可对信号设备快速精准定位，对故障设备上下游连接关系追溯查源，对信号设备进行精细、高效维修维护，保障了铁路运行的安全、稳定，推动了铁路行业的高速发展。