李一凡，劉立海

（中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

1 概述

新一波技術(shù)革命的到來，給世界不同行業(yè)、企業(yè)帶來不同程度上的沖擊與影響。信息化轉(zhuǎn)型已成為眾多企業(yè)應(yīng)對挑戰(zhàn)的主要戰(zhàn)略?，F(xiàn)今高鐵建設(shè)突飛猛進，高鐵信息化發(fā)展是大勢所趨。建筑信息模型（BIM）技術(shù)憑借在建筑領(lǐng)域的成熟應(yīng)用及在基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域存在的巨大應(yīng)用潛能，成為鐵路工程全生命周期應(yīng)用及管理的主要技術(shù)發(fā)展方向之一。BIM標準研究作為BIM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)和支撐也得到了越來越廣泛的關(guān)注。

在該背景下，buildingSMART組織制定了BIM數(shù)據(jù)存儲標準——Industrial Foundation Class（IFC）標準，最新版本為2017年6月發(fā)布的IFC 4.1[1]，已納入國際標準組織（ISO）標準體系中。IFC標準作為一種公開、結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)描述/存儲格式，具有成熟的技術(shù)架構(gòu)，提供了一種不依賴于具體系統(tǒng)、適合描述貫穿整個建筑項目生命周期內(nèi)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的中性機制[2]，已成為最廣為業(yè)界接受的BIM數(shù)據(jù)存儲標準，在建筑領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，正在向其他基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域（公路、橋梁、隧道等）擴展[3]。IFC鐵路項目應(yīng)運而生，旨在將國際化的鐵路BIM數(shù)據(jù)存儲要求加入既有IFC標準框架中。本次擴展主要包括軌道、通信、信號、能源等領(lǐng)域，通信領(lǐng)域標準研究是IFC鐵路標準研究中的重要組成部分，該標準研究完成后即將納入IFC 5.0中。

2 IFC鐵路通信系統(tǒng)分解及數(shù)據(jù)需求

通過對IFC 4.1中與通信相關(guān)的內(nèi)容進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)目前可應(yīng)用于通信領(lǐng)域的構(gòu)件并不多，在種類和屬性描述兩方面并不能滿足鐵路通信工程信息模型全生命周期應(yīng)用的需求。因此，項目前期工作重點放在IFC鐵路通信系統(tǒng)分解及數(shù)據(jù)需求制定方面，旨在從鐵路通信工程的實際需求出發(fā)，梳理鐵路通信構(gòu)件種類，并在此基礎(chǔ)上進一步明確各通信構(gòu)件需要攜帶哪些屬性信息，以滿足不同項目階段、不同參與方鐵路通信工程信息模型的需要。

根據(jù)IFC鐵路通信標準項目主要研究基礎(chǔ)、核心、特有的鐵路通信系統(tǒng)的大原則，以及兼顧國際共識等因素，本次標準擴展無法包含所有廣義的通信子系統(tǒng)，重點關(guān)注無源構(gòu)件、固定傳輸網(wǎng)絡(luò)、固定電話系統(tǒng)、移動網(wǎng)絡(luò)、時鐘同步與時間同步系統(tǒng)、鐵路自然災(zāi)害及異物入侵監(jiān)測系統(tǒng)、客票系統(tǒng)等內(nèi)容[4]。

以合適的粒度對IFC鐵路通信系統(tǒng)進行分解后，通過進一步的歸納整合，可得到所有IFC鐵路通信構(gòu)件的種類。在此基礎(chǔ)上，IFC鐵路通信組完成了對每一類構(gòu)件進行屬性描述的研究工作，即制定出各鐵路通信構(gòu)件的數(shù)據(jù)需求[4]。

由于以上系統(tǒng)分解與數(shù)據(jù)需求的內(nèi)容是語義層面上對鐵路通信系統(tǒng)的描述，在IFC世界中的表達及今后軟件層面的實施仍存在巨大鴻溝，為實現(xiàn)現(xiàn)實世界與IFC世界的跨越與對接，通信領(lǐng)域概念模型起到重要的橋梁作用。

3 UML及類圖簡介

在IFC鐵路標準研究中，采用統(tǒng)一建模語言UML建立通信領(lǐng)域概念模型。UML是一種通用的可視化建模語言，可以用來描述、可視化、構(gòu)造和文檔化軟件密集型系統(tǒng)的各種工件[5]。UML于1997年11月由對象管理組織（Object Management Group，OMG）全體成員一致通過，如今已得到廣泛的支持和應(yīng)用，被ISO組織發(fā)布為國際標準[5]。

UML采用面向?qū)ο蟮姆绞綄ο到y(tǒng)進行描述，適用范圍廣泛，除了最常用的各類軟件系統(tǒng)，還適用于很多非軟件領(lǐng)域的系統(tǒng)。其中，用例圖模型適用于需求分析階段，類圖模型適用于分析和設(shè)計階段[6]。在IFC鐵路標準研究過程中，采用UML類圖對鐵路通信系統(tǒng)中的對象類以及類之間的關(guān)系進行建模。

建立類圖的目的在于清晰地描述系統(tǒng)類各種實體的類型，以及不同類型實體間是如何關(guān)聯(lián)的，顯示的是系統(tǒng)的內(nèi)部靜態(tài)結(jié)構(gòu)，因此適用于系統(tǒng)的全生命周期。類圖由類和關(guān)系組成，其中類是一種對象描述符，可用作描述1組擁有相同屬性和行為的對象，1個類對應(yīng)著被建模系統(tǒng)中的1個概念[5]；關(guān)系主要包含關(guān)聯(lián)關(guān)系、泛化關(guān)系、聚合關(guān)系、依賴關(guān)系等，以下對IFC鐵路通信領(lǐng)域概念模型研究中常用的3種關(guān)系進行說明。

（1）關(guān)聯(lián)關(guān)系：表達2個類之間有關(guān)聯(lián)?？梢詾殛P(guān)聯(lián)定義1個名稱，放在關(guān)聯(lián)路徑旁邊，用來準確描述關(guān)聯(lián)關(guān)系。

（2）泛化關(guān)系：體現(xiàn)一種繼承關(guān)系。對子類進行泛化可得到父類，而對父類進行特殊化可得到子類，子類繼承父類所有的屬性和方法。

（3）聚合關(guān)系：可看作一種特殊的關(guān)聯(lián)關(guān)系。表示類與類之間是整體與部分的關(guān)系，即表示1個整體的模型元素可由1個或多個表示部分的模型元素聚合而成。

4 IFC鐵路通信領(lǐng)域概念模型構(gòu)建方法

目前IFC鐵路通信系統(tǒng)構(gòu)件種類（對象）已通過系統(tǒng)分解得以確定。因此，后續(xù)研究工作重點在于如何清晰地描述各對象之間的關(guān)聯(lián)，即采用UML類圖搭建IFC鐵路通信領(lǐng)域概念模型。需要說明的是，領(lǐng)域概念模型的核心意義是對領(lǐng)域內(nèi)的業(yè)務(wù)需求進行合理的抽象和描述，并不受IFC框架的具體限制。

4.1 4類元素

對IFC鐵路通信系統(tǒng)中的對象進行建模前，可以從不同角度對所關(guān)注對象進行分析。以攝像機為例（見圖1），可從空間角度、物理連接角度、功能角度（可進一步細分為：帶幾何信息的功能空間角度和不帶幾何信息的系統(tǒng)角度）全面梳理通信領(lǐng)域內(nèi)關(guān)注的各業(yè)務(wù)需求。

從空間角度來看，通信設(shè)計所關(guān)注的是攝像機占據(jù)的空間位置，或者說在空間擺放在什么位置；從物理連接角度來看，關(guān)注的是與攝像機直接相關(guān)聯(lián)的對象，以及它們之間的連接是如何實現(xiàn)的；從功能空間角度來看，關(guān)注的是攝像機監(jiān)視功能，例如，它可以覆蓋一個視域空間的范圍，這個空間是帶有幾何信息的，且可以通過調(diào)整攝像機的焦距、俯仰角等參數(shù)來改變這個功能空間的屬性；從系統(tǒng)角度來看，攝像機僅為一個龐大視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的一個終端設(shè)備，同時組成這個系統(tǒng)的還有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、服務(wù)器、存儲設(shè)備、監(jiān)控終端等對象，而這些對象通過復(fù)雜的物理連接實現(xiàn)了豐富的系統(tǒng)功能。

圖1 對攝像機不同角度的分析

值得關(guān)注的是，通信領(lǐng)域內(nèi)的很多物理實體同時又是功能實體，只取決于在設(shè)計中關(guān)注哪部分具體內(nèi)容。因此，這些實體可以抽象為物理部分和功能部分的疊加。當關(guān)注該設(shè)備在機架中的具體位置以及相關(guān)線纜的具體連接時，需要用到它的物理部分；而當關(guān)注該設(shè)備在組網(wǎng)中實現(xiàn)的具體功能以及如何與其他元素相關(guān)聯(lián)組成一個系統(tǒng)時，需要用到它的功能部分。

基于以上考慮，為了建立清晰的通信領(lǐng)域概念模型，需在已定義的IFC鐵路通信系統(tǒng)構(gòu)件種類基礎(chǔ)上，補充定義與空間相關(guān)的對象定義，并詳細定義需要將物理部分和邏輯部分區(qū)分開來的構(gòu)件，如CAMERA對象可拆分為CAMERA-PHY和CAMERA-FUNC兩部分，分別表示攝像機設(shè)備的物理部分與功能部分。CAMERAPHY對象攜帶屬性為攝像機的外型描述信息（如長、寬、高、質(zhì)量）、材質(zhì)信息、設(shè)備接口信息等；CAMERA-FUNC對象攜帶屬性為攝像機的功能要求（如焦距、視場角、光圈、分辨率、幀率）等信息。CAMERA-FUNC需以CAMERA-PHY的硬件為載體發(fā)揮功能，卻又從某種意義上獨立于特定的硬件，不論硬件采用什么材料或形狀，攝像機的圖像采集功能不變。

得到以上通信領(lǐng)域全部對象元素之后，可將其分為4類：

（1）空間元素。用于描述鐵路通信構(gòu)件所占的實際空間及在空間的擺放位置等信息。如果將鐵路看作一個完整的空間，不同的領(lǐng)域（如軌道、通信、信號、能源等）所占用空間可看作對鐵路空間的進一步細分。各領(lǐng)域空間盡可能獨立，如TelecomZone表達的是鐵路空間中為通信設(shè)施設(shè)備預(yù)留的通信領(lǐng)域?qū)倏臻g。TelecomZone可進一步劃分為OutdoorTelecomZone和IndoorTelecomZone，對室外設(shè)施設(shè)備和室內(nèi)設(shè)施設(shè)備所占用的空間進行區(qū)分?？臻g元素繼承自IfcSpatialStructureElement，所攜帶的屬性主要是為了清楚地描述該空間的幾何信息。

（2）物理元素。描述與通信構(gòu)件相關(guān)的物理連接等信息，如Cable、TelecomEquipment可分別通過屬于Cable的CablePort和屬于TelecomEquipment的WiredCommunicationPort連接起來，這種連接關(guān)系由WiredConnectionRelation表示。大多數(shù)通信場景下的物理連接關(guān)系可看作是對現(xiàn)實世界的抽象表達。物理元素必須放置于某個特定的空間中，如物理元素線纜布放設(shè)施（LayingInfrastructure，溝、槽、管道等）應(yīng)放置于線纜布放設(shè)施所屬空間（OutdoorLayingInfrastructure（Routing）Space），即空間元素OutdoorLayingInfrastructure（Routing）Space包含了物理元素LayingInfrastructure。

（3）功能空間元素。描述通信構(gòu)件的功能部分產(chǎn)生作用或影響的空間（帶幾何信息），如CameraFunctionZone與Camera相關(guān)聯(lián)，可用于表達Camera的視域覆蓋范圍。

（4）系統(tǒng)元素。描述各相關(guān)通信構(gòu)件的功能部分共同作用組成的系統(tǒng)等信息（不帶幾何信息），如GSMRNetwork系統(tǒng)元素從邏輯上可分為GSMRCoreNetwork和GSMRAccessNetwork，而GSMRCoreNetwork和GSMRAccessNetwork又分別由不同的具體功能實體組成。各功能實體共同作用，得以實現(xiàn)GSM-R網(wǎng)絡(luò)的各項功能。

以上4類元素互相關(guān)聯(lián)，共同用于通信領(lǐng)域概念模型的搭建。目前，IFC鐵路通信標準研究的重點關(guān)注內(nèi)容是空間元素和物理元素，而功能空間元素和系統(tǒng)元素可被看作是標準研究工作的進一步拓展方向。

4.2 3個模型

在構(gòu)建通信領(lǐng)域概念模型之前，對IFC中的結(jié)構(gòu)分解核心概念進行研究（見圖2）。

圖2 IFC中的結(jié)構(gòu)分解核心概念

IFC標準關(guān)注以下幾方面內(nèi)容：（1）空間結(jié)構(gòu)分解，關(guān)注上層（upper-level）的工程分解，如1棟建筑可被分解為不同的樓層，而每個樓層又可以被分為不同的功能用房/空間；（2）物理結(jié)構(gòu)分解，關(guān)注下層（lower-level）的工程分解，如每個功能用房又可被進一步分解為墻體、門、窗等物理實體；（3）功能分解，關(guān)注各元素是如何組成一個功能系統(tǒng)的，該部分相較于空間結(jié)構(gòu)分解和物理結(jié)構(gòu)分解而言，重要性較弱。圖2展示的是空間結(jié)構(gòu)分解和物理結(jié)構(gòu)分解的關(guān)聯(lián)（藍色節(jié)點表示空間結(jié)構(gòu)元素、黃色節(jié)點表示物理實體元素），對應(yīng)于通信領(lǐng)域，可理解為分別利用空間元素、物理元素搭建通信領(lǐng)域空間模型和物理模型。

在既有IFC標準中，各空間元素之間或空間元素與物理元素之間的關(guān)系可用IFC中已詳細定義的參考/包含（Reference/Containment）等關(guān)系來描述；物理元素之間的關(guān)系可用IFC中定義的聚合/嵌套/接口連接（Aggregation/Nest/Ports connection）等關(guān)系來描述。與重點關(guān)注物理連接的物理模型不同，從功能視角來看，更關(guān)注的是系統(tǒng)元素與系統(tǒng)之間的關(guān)系，可用IFC中定義的分配（Assignment）關(guān)系來描述。系統(tǒng)元素本身也可看作是功能元素，因此可理解為功能元素搭建通信領(lǐng)域功能模型。

需要重點說明的是，采用UML搭建通信領(lǐng)域概念模型時，需要用到的類即為4類元素，類之間的關(guān)系主要采用關(guān)聯(lián)關(guān)系、泛化關(guān)系和聚合關(guān)系進行描述。唯一關(guān)注的重點是如何將IFC鐵路通信領(lǐng)域的類與類間關(guān)系表達清楚，不必考慮所定義關(guān)系具體對應(yīng)IFC標準中的哪種既有關(guān)系。

綜上所述，利用空間元素、物理元素和功能元素可分別構(gòu)建通信領(lǐng)域的3個模型：

（1）空間模型。關(guān)注不同空間的劃分。

（2）物理模型。關(guān)注某一個特定空間內(nèi)，各物理實體的劃分。

（3）功能模型。關(guān)注功能性系統(tǒng)的組成。

3個模型互相關(guān)聯(lián)且密不可分，共同組成通信領(lǐng)域概念模型，構(gòu)建方法見圖3。

圖3 通信領(lǐng)域概念模型構(gòu)建方法

領(lǐng)域概念模型的重要價值在于準確描述和表達領(lǐng)域內(nèi)的實際業(yè)務(wù)需求，不受既有IFC框架的限制，但標準的落地與實施必然需要經(jīng)歷現(xiàn)實世界至IFC世界的跨越。因此，構(gòu)建領(lǐng)域概念模型后，IFC鐵路通信標準研究重點將放在如何將該模型融入IFC的大框架中，即對通信領(lǐng)域模型進行IFC化，成為真正意義上的IFC鐵路通信模型。

5 結(jié)束語

基于IFC鐵路通信系統(tǒng)分解及數(shù)據(jù)需求的研究成果，研究采用UML構(gòu)建IFC鐵路通信領(lǐng)域概念模型的方法。將通信元素分為空間元素、物理元素、功能空間元素以及系統(tǒng)元素4類，并提取4類元素用于空間模型、物理模型及功能模型3個核心模型的搭建。3個模型關(guān)聯(lián)緊密，共同組成IFC鐵路通信領(lǐng)域概念模型。該模型從鐵路通信實際需求出發(fā)，并加以抽象和提煉，是IFC鐵路通信標準研究的重要內(nèi)容。該研究成果可作為今后相關(guān)通信BIM設(shè)計軟件開發(fā)的基礎(chǔ)，并為其他相關(guān)領(lǐng)域提供參考。