铁路信号运维阶段BIM模型交付及数据标准研究

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。

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。

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。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。

   

信号专业模型组织结构

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。

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。由于篇幅限制列出部分设备几何精度要求 。

     

模型交付精度

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。

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。

（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。

     

信号专业维修作业流程

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下图所示。

     

运维阶段数据分级分类及信息内容

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 ， 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 。

     

模型管理

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下图所示,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。

     

库尔勒I场三维可视化场景

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下图所示。

     

室内设备运行状态