基于BIM技术的铁路信号线缆远距离自动布线方法研究

摘要：传统的铁路信号线缆布线方法主要依赖人工操作，不仅效率低下，且在复杂的线路布局中极易出错。为此研究基于BIM技术的铁路信号线缆远距离自动布线方法。该方法依托实际工程，基于BIM技术建立一个铁路信号系统设备BIM模型，以解决碰撞与显示遮挡等问题，提高铁路信号线缆远距离自动布线方法的效率和可靠性。在BIM模型中利用RRT算法自动生成线缆的远距离布线路径，实现铁路信号线缆远距离自动布线。结果表明，设计方法不仅可以实现铁路信号线缆远距离自动布线，且具有较高的布线效率。

关键词：BIM技术；铁路信号线缆；远距离布线；自动布线

0" "引言

铁路作为国家重要的交通基础设施，其信号系统的稳定性与高效性对于列车的安全、准时运行至关重要。线缆作为信号传输的媒介，其布线方式直接影响到信号的传输质量。当下，我国传统的铁路信号线缆布线主要依赖于人工，这种方法不仅效率低下，而且容易出错，增加了后期维护的难度，所以研究一种高效、准确的铁路信号线缆远距离自动布线方法显得尤为重要。近年来，众多国内外学者纷纷投入到线缆自动布线方法的研究中，并取得了一系列显著的成果。孙浩等人[1]针对复杂约束下电气线路自动布线问题，引入A*算法进行线缆路径规划，实现布线的自动化与智能化。屈力刚等人[2]采用改进粒子群算法进行布线路径规划的优化，可以解决传统机电产品布线效率低、可应用性差等问题。

虽然这些研究在线缆自动布线中取得较好的效果，但在铁路信号系统中，由于设备布局复杂、线缆需求量大、环境因素多变等特点，常规线缆布线方法的适用性和准确性大打折扣。为解决上述方法中存在的问题，本研究致力于开发一种基于BIM技术的铁路信号线缆远距离自动布线方法，以期在铁路信号线缆远距离自动布线方法上取得创新性突破，为类似领域的线缆布线提供借鉴和参考。

1" "工程概况

本研究选取某市郊区的一段新建铁路作为研究对象，该路段全长约159km，共包含18个车站和24个中继站。这些车站和中继站是铁路信号系统的重要组成部分，用于列车运行的控制和调度。收集实例铁路工程的建设数据可知，该铁路信号系统主要由室内与室外两部分设备构成。实例铁路信号系统中设备详情如表1所示。

由于实例工程的铁路信号系统过于庞大且复杂，应用的信号设备较多，如果采用人工布线方式，难以保障布线效果，所以本文依托该实例项目，提出一种基于BIM技术的铁路信号线缆远距离自动布线方法。

2" "铁路信号线缆远距离自动布线关键技术

2.1" "建立铁路信号系统设备BIM模型

2.1.1" "BIM技术原理

BIM技术是一种以三维模型为基础的建筑信息模型技术，能够将建筑项目的所有信息集合到一个共享的数字环境中，这些信息涵盖了项目的几何形状、功能、性能、成本以及时间等方方面面。

在建筑行业中，BIM技术展现出广泛的应用价值，它不仅有助于提高工作效率、减少错误、降低成本和缩短工期，还可为各个阶段的工作提供有力支持。

本文在研究铁路信号线缆远距离自动布线方法时，引入了BIM技术，充分考虑铁路信号系统设备的实际安装情况和环境因素以及设备之间的交互关系，构建一个铁路信号系统设备BIM模型。以此模拟铁路信号线缆远距离自动布线环境，直观表达设备模型与线路的关系，有效解决了碰撞与显示遮挡等问题，提高了铁路信号线缆远距离自动布线方法的效率和可靠性[3]。

2.1.2" "构建BIM模型

首先，需要明确实例工程的铁路信号系统的范围，以此作为BIM模型的建模目标，并收集表1所示铁路信号设备的相关数据，如尺寸、形状、安装位置等，以此作为BIM模型的建模信息。然后，在AutoCAD软件中，将收集的铁路信号设备相关数据导入，并设置好模型种类、精度等参数，从而生成铁路信号系统设备的初始BIM模型。

2.1.3" "BIM模型验证

完成初始BIM模型的构建之后，需要进行模型验证，检查模型是否符合实际需求和设计要求。本文主要通过对BIM模型的内部空间进行离散化分析，来检验模型精度[4]。

简单来说，就是根据铁路信号系统设备BIM模型的截面和拉伸长度，生成各设备模型的内部空间包围盒，提取出包围盒的面，并求出各个面的法向量。假设包围盒的每个面由两个顶点（x1，y1，z1）和（x2，y2，z2）组成，则法向量的具体计算公式如下：

式中：F表示铁路信号系统设备BIM模型内部空间包围盒的面的法向量。

在根据式（1）求出包围盒各面的法向量之后，将所求数据与铁路信号系统设备BIM模型的理论设计进行对比，以此检查BIM模型的建模尺寸是否存在偏差。如果存在较大偏差，需要进行优化和修改，确保模型的准确性和可靠性。

当铁路信号系统设备BIM模型检验无误之后，在铁路信号系统设备的生命周期内，需要进行模型的维护和更新。也就是根据设备的改造升级等情况，及时更新模型信息，保持模型的实时性和准确性，为后续铁路信号线缆的模拟布设提供有力支持。

2.2" "基于BIM模型远距离自动布线

利用RRT算法与模拟仿真技术，实现BIM远距离自动布线的功能[5]，对于提高布线效率、降低人工成本以及优化布线方案具有显著意义。根据实际工程需求和铁路信号系统设备的安装位置，精确设定线缆布线的起点和终点，可为后续的自动布线提供明确的方向。

2.2.1" "RRT算法的功用

在铁路信号系统设备的BIM模型中，利用RRT算法自动生成线缆的远距离布线路径。RRT算法是由美国Steven M.LaValle教授所提出的，一种基于采样的运动规划算法，尤其适用于高维多自由度的系统，能够在多维空间中高效地规划路径。其核心思想是快速扩展类似树的路径，以探索并填充空间的广大区域，寻找可行的路径。通过这种方式，RRT算法能够有效地在多维空间中寻找可行路径，适用于解决复杂的运动规划问题。

2.2.2" "RRT算法规划路径步骤

在铁路信号系统设备的BIM模型中，选择某初始设备点作为RRT树的根节点，并创建一个空的节点集合用于存储生成的节点。同时，在布线路径的可通行区域内随机生成一个新的节点，将其添加到RRT树中，并选择一个与新生成随机节点不同的节点作为扩展节点，根据下式评估各扩展节点代价值：

式中：ƒ（b）表示扩展节点b的估价函数；u（b）表示扩展节点b的真实代价；v（b）表示扩展节点b的启发式方程。

根据式（3）全面评估各扩展节点的代价值，并选择代价最小的节点作为最终确定的扩展节点，用于构建布线路径。然后，根据扩展节点和随机节点之间的相对位置，计算出它们之间的连接路径长度：

式中：Lab表示随机节点a和扩展节点b之间的路径长度；（xa，ya）、（xb，yb）分别表示随机节点和扩展节点的坐标。

求出随机节点和扩展节点之间的连接路径之后，将此路径添加到RRT树中，以此更新RRT树的结构。不断重复上述步骤，直到达到预设的终止条件，如达到目标终点等，以此生成初始的铁路信号线缆远距离敷设路径。

2.2.3" "布线路径评估

在得到初始布线路径之后，需要根据障碍物规避函数来进行路径评估，具体评估公式如下：

式中：ƒ1表示障碍物规避函数，即评估布线路径避开障碍物区域的可能性；k表示用于调整曲线陡峭程度的常数；D表示布线路径和障碍物的最近距离；D0表示阈值，如果路径和障碍物之间距离小于该阈值，说明路径穿越了障碍物。

若所求评估结果取值范围在[0，1]之间，其值越接近0，表示RRT算法生成的铁路信号线缆远距离布线路径越安全。反之其值越接近1，则说明生成的路径有可能穿越障碍物，需要进行优化调整，以确保生成的路径能够保持稳定并满足工程要求。

最后根据优化后的布线路径，自动进行铁路信号线缆布线模拟[6]，以此实现BIM远距离自动布线功能，进一步指导实际的铁路信号线缆的远距离敷设和安装工作。

3" "布线效果分析

根据文中上述内容完成实例项目的铁路信号线缆远距离布线后，为验证本文设计的自动布线方法的有效性，需要对具体布线结果与效果进行详细探讨。

3.1" "实例布线数据分析

在得到实例项目的铁路信号线缆远距离自动布线结果之后，统计并整理本次布线结果的相关数据，生成表2所示的布线结果信息表。

从表2可以看出，实例项目中共布设了6条不同的铁路信号电缆线路，并给出了对应线路的布线长度数据。由此说明，本文设计方法可以有效实现铁路信号线缆的远距离自动布线。

3.2" "不同布线方法的布线效率对比

为进一步验证本文设计方法的优越性，引入基于Pro/E的布线方法、基于虚拟样机的布线方法，作为基于BIM技术的布线方法的对照组，同样对实例项目进行铁路信号线缆的远距离自动布线，并统计各方法下的布线时间，以验证不同布线方法的实际布线效率。不同方法的布线效率对比如图1所示。

从图1可以看出，基于BIM技术的布线方法在6条线路的布线时间上普遍较短，该方法下整个铁路信号线缆的布线总时间仅10.9h，较对照组方法分别缩短了1.7h、3.5h。这主要是因为基于BIM技术的布线方法，能够利用三维模型进行精确的布线设计和模拟，减少了传统方法的反复修正和测试，从而提高了布线效率。

此外，BIM技术能够实现各专业之间的协同设计和信息共享，避免了由于沟通不畅或数据不准确导致的设计变更和返工。综上可知，本文研究的基于BIM技术的布线方法在铁路信号线缆远距离自动布线方法中具有显著优势。

4" "结束语

本文针对铁路信号线缆远距离自动布线问题，提出一种基于BIM技术的解决方案。通过建立精确的铁路信号系统设备BIM模型，结合路径规划算法，实现了高效、准确地线缆远距离自动布线。然而，本研究仍有不足之处，例如未考虑线缆的动态负载和环境变化的影响，以及模型的实际验证尚需加强。

未来研究可进一步拓展BIM技术在铁路信号线缆布线中的应用，探索更加智能、自适应的布线方法，以适应复杂多变的铁路信号系统需求。同时，要加强实际工程应用与验证，为铁路信号线缆布线的工程实践提供更加可靠的依据。

参考文献

[1] 孙浩，原野，张琦，等.基于改进A～*算法的航空线缆路径规划方法[J].中国机械工程，2023，34（16）：1958-1966+1974.

[2] 屈力刚，蒋帅，杨野光，等.基于改进粒子群算法的线缆路径规划方法研究[J].机床与液压，2023，51（15）：173-177.

[3] 吴凯伟，裴爱华，李伟，等.基于BIM技术的铁路轨道正向设计系统研究[J].铁道标准设计，2023，67（10）：107-113+170.

[4] 杨文成，霍磊，郑玢，等.基于IFC标准和数据库技术的铁路站场自动化BIM建模方法[J].铁道标准设计，2023，67（10）：78-85.

[5] 葛海明，张维，王小龙，等.基于SfM的城市电缆隧道三维重建方法优化研究[J].图学学报，2023，44（3）：540-550.

[6] 王杰，符慧丹，孟存喜，等.既有铁路线路改建设计优化模型与方法[J].铁道科学与工程学报，2023，20（11）：4117-4127.

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