1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

2015年 — 2016年，德國(guó)鐵路股份公司（Deutsche Bahn AG）對(duì)基于建筑信息模型（BIM）的數(shù)字化規(guī)劃方法的需求大幅增加，于是其意識(shí)到BIM技術(shù)的應(yīng)用將不僅限于交通設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，而且還會(huì)延伸到鐵路電氣裝備技術(shù)領(lǐng)域。

出于相同的見(jiàn)識(shí)，南德意志集團(tuán)技術(shù)檢驗(yàn)協(xié)會(huì)（T?V S?D）下屬子公司Signon Deutschland GmbH也較早地展開(kāi)了一些較小的研究項(xiàng)目，以開(kāi)發(fā)基于BIM技術(shù)的數(shù)字化規(guī)劃流程和方法，涉及的領(lǐng)域包括以下鐵路專業(yè)系統(tǒng)：①控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng);②接觸網(wǎng)（包括架空式和接觸軌式）系統(tǒng);③供電系統(tǒng)和電氣裝備系統(tǒng);④信息（IT）/通信系統(tǒng)。主要研究?jī)?nèi)容為：加快規(guī)劃基礎(chǔ)的數(shù)字化，研究現(xiàn)有軟件工具并對(duì)其進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化以適應(yīng)未來(lái)的需求，以及借助數(shù)字化技術(shù)優(yōu)化規(guī)劃流程。

2017年初，Signon Deutschland GmbH、慕尼黑工業(yè)大學(xué)和AEC3 Deutschland GmbH 3家公司/機(jī)構(gòu)聯(lián)合從拜仁研究基金會(huì)處申請(qǐng)到了1項(xiàng)名為“RIMcomb：為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)裝備建立信息模型”的研究項(xiàng)目。RIMcomb項(xiàng)目的研究目的是為鐵路設(shè)施（尤其是裝備技術(shù)）開(kāi)發(fā)跨專業(yè)領(lǐng)域、基于模型、計(jì)算機(jī)輔助、合作式的新規(guī)劃方法，以顯著提高規(guī)劃效率和規(guī)劃質(zhì)量。該項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間為3年。項(xiàng)目的核心是：基于BIM技術(shù)創(chuàng)建非專有的數(shù)據(jù)模型，用于描述線路設(shè)施和裝備技術(shù)，以及導(dǎo)出具有不同抽象級(jí)別的視圖（從2D的線路拓?fù)鋱D到細(xì)節(jié)化程度極高的3D顯示）。研究人員將在此數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)一個(gè)平臺(tái)，該平臺(tái)可確保模型描述在所有情況下的一致性，并實(shí)現(xiàn)各專業(yè)人員在可同步的專業(yè)模型基礎(chǔ)上開(kāi)展協(xié)同規(guī)劃工作;并開(kāi)發(fā)用于傳達(dá)模型變更（“修補(bǔ)”）的新方法，以對(duì)專業(yè)模型進(jìn)行比較;此外，還要確定裝備技術(shù)規(guī)劃所適用規(guī)則的描述和檢查過(guò)程，以便對(duì)規(guī)劃進(jìn)行半自動(dòng)化檢查。該項(xiàng)目的另一個(gè)重要內(nèi)容是研究精確采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的方法，這是項(xiàng)目取得成功的基礎(chǔ)。因此，研究人員將研究從點(diǎn)云（通過(guò)激光掃描或攝影測(cè)量獲取）中生成語(yǔ)義豐富的3D模型的方法，及其成本和收益、錯(cuò)誤率、可持續(xù)性和可重復(fù)利用性。

由于其復(fù)雜性，該項(xiàng)目被劃分為7個(gè)具有時(shí)間上相繼關(guān)系的工作包（AP）：

（1） AP1分析所有裝備專業(yè)的規(guī)劃流程;

（2） AP2創(chuàng)建鐵路電氣裝備技術(shù)數(shù)據(jù)模型;

（3） AP3采集數(shù)據(jù)和生成模型;

（4） AP4自動(dòng)化合理性檢查;

（5） AP5研究確保一致性的方法;

（6） AP6創(chuàng)建RIMcore數(shù)據(jù)平臺(tái);

（7） AP7耦合現(xiàn)有系統(tǒng)。

目前，該研究項(xiàng)目已經(jīng)開(kāi)展2年，并取得了一些基礎(chǔ)性成果，這些成果引起了2018年德國(guó)柏林軌道交通技術(shù)展（Innotrans 2018）的極大關(guān)注。目前，AP1～AP3已完成，AP4、AP5和AP6正處于高級(jí)加工階段。

2 當(dāng)前項(xiàng)目狀態(tài)

2019年春季，研究項(xiàng)目組對(duì)RIMcomb項(xiàng)目的現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并將其提交給拜仁研究基金會(huì)。

2.1 AP1 分析所有裝備專業(yè)的規(guī)劃流程

目前，研究人員已經(jīng)完成了對(duì)上一章所提到的4種鐵路裝備專業(yè)規(guī)劃和維護(hù)流程的分析;創(chuàng)建了實(shí)際狀態(tài)（未使用BIM技術(shù)）和當(dāng)前可實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)狀態(tài)（使用BIM技術(shù)）的映射模板，將分析結(jié)果填充其中，并以流程圖的形式記錄下來(lái);在分析過(guò)程中，考慮了專業(yè)工作流程以及全面的交流過(guò)程，并確定了可能的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.2 AP2 創(chuàng)建鐵路電氣裝備技術(shù)數(shù)據(jù)模型

AP2的目標(biāo)是識(shí)別BIM應(yīng)用場(chǎng)景，使用軟件對(duì)其進(jìn)行映射，并建立元素、幾何和屬性的可持續(xù)結(jié)構(gòu)。為此，使用了基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)庫(kù)BIMQ（產(chǎn)品所有者：AEC3 Deutschland GmbH），并使其適應(yīng)鐵路裝備技術(shù)的一般和特殊要求。

目前，研究人員針對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景、工作階段和元素/對(duì)象，建立了基于規(guī)劃常識(shí)的完整屬性結(jié)構(gòu)。利用現(xiàn)有的屬性結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)各種程序輸出和格式。但目前，研究人員未與鐵路公司做進(jìn)一步的協(xié)調(diào)和合作研究，以便將這些對(duì)象屬性（即信息級(jí)別LoI）具體化到鐵路裝備行業(yè)。

由于裝備技術(shù)屬性與現(xiàn)有的工業(yè)基礎(chǔ)分類（IFC）標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)，因此不同程序之間的裝備技術(shù)數(shù)據(jù)可以使用IFC接口傳輸。IFC是指基于《建設(shè)和設(shè)備管理行業(yè)的數(shù)據(jù)共享用工業(yè)基礎(chǔ)類》（ISO 16739-2013）的不同軟件程序之間的BlM開(kāi)放接口標(biāo)準(zhǔn)。由此能夠得到可顯示網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和繼承結(jié)構(gòu)的統(tǒng)一建模語(yǔ)言（UML）圖。通過(guò)在線數(shù)據(jù)庫(kù)BIMQ，可以借助UML圖安全地完成各種輸出和傳輸工作，例如在獨(dú)立文檔中輸出預(yù)格式化的客戶信息請(qǐng)求（AIA）。如果需求改變（如應(yīng)用場(chǎng)景、元素、屬性等），則可以在數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行必要且清晰的結(jié)構(gòu)更改，并迅速創(chuàng)建更改后的客戶信息請(qǐng)求。根據(jù)需要，還可以在客戶信息請(qǐng)求中傳輸根據(jù)IFC4 Add2標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)庫(kù)中分配的IFC屬性，以記錄對(duì)IFC交換接口（此為不同軟件程序之間數(shù)據(jù)交換的基礎(chǔ)）的相應(yīng)要求。

此外，研究人員還將數(shù)據(jù)庫(kù)中針對(duì)各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景或工作階段預(yù)先配置的對(duì)象屬性作為共享參數(shù)傳輸至BIM軟件Autodesk Revit。在Revit中，這些共享參數(shù)用于補(bǔ)充預(yù)設(shè)的型別，并且可以分配給各個(gè)對(duì)象/模型。通過(guò)使用在線數(shù)據(jù)庫(kù)BIMQ并將預(yù)設(shè)對(duì)象屬性傳輸至Revit，可以輕松、快速地分配或修改屬性。由于Revit上的圖像和IFC4 Add2上的圖像都是在線數(shù)據(jù)庫(kù)BIMQ中定義的，因此可以為Revit生成IFC映射文件，并用于配置從Revit導(dǎo)出的IFC文件。

2.3 AP3 采集數(shù)據(jù)和生成模型

AP3的任務(wù)是研究對(duì)鐵路裝備技術(shù)相關(guān)模擬文件和真實(shí)環(huán)境進(jìn)行數(shù)字化處理的方法和技術(shù)。

規(guī)劃數(shù)據(jù)的數(shù)字化及其實(shí)時(shí)性是鐵路行業(yè)目前尚未解決的問(wèn)題。其表現(xiàn)為，在幾乎每個(gè)建筑項(xiàng)目開(kāi)始之前，都必須檢查幾十年前的相關(guān)舊文件是否仍然符合實(shí)際情況。而檢查的方式通常是實(shí)地考察、查閱照片文檔，以及使用測(cè)量輪進(jìn)行測(cè)量。為此，必須封鎖線路以確保安全。隨后還要將僅以紙質(zhì)形式存在的規(guī)劃文檔手動(dòng)傳輸?shù)揭?guī)劃軟件中。這些操作由于需要大量人工，因此有成本高、費(fèi)時(shí)且容易出錯(cuò)的缺點(diǎn)。

在鐵路裝備技術(shù)規(guī)劃時(shí)，以下數(shù)字化步驟非常重要：①紙質(zhì)模擬庫(kù)存文件的數(shù)字化;②真實(shí)環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)施元素的自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別。

2.3.1 紙質(zhì)模擬庫(kù)存文件的數(shù)字化

本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）可以識(shí)別出文檔中大小不同、有變形和旋轉(zhuǎn)的各種符號(hào)。由于研究人員對(duì)CNN進(jìn)行了優(yōu)化，因此它能檢測(cè)出大量假正例（False Positives，即預(yù)測(cè)為正，真實(shí)為負(fù)）符號(hào)，以及極少量假負(fù)例（False Negatives，即預(yù)測(cè)為負(fù)，真實(shí)為正）符號(hào)。對(duì)于本應(yīng)用場(chǎng)景，這種情況是有利的，因?yàn)橛脩艨梢院敛毁M(fèi)力地刪除False Positives符號(hào)，并保證所有符號(hào)都能被識(shí)別。當(dāng)使用CNN對(duì)未經(jīng)過(guò)學(xué)習(xí)的文檔進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，其感興趣區(qū)域（ROI）的準(zhǔn)確性始終高于95%，因此其錯(cuò)誤識(shí)別符號(hào)的概率非常低。對(duì)于ROI中的1個(gè)符號(hào)，符號(hào)坐標(biāo)精度小于3個(gè)像素;對(duì)于ROI中的2個(gè)符號(hào)，符號(hào)坐標(biāo)精度小于5個(gè)像素。如果對(duì)訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化，即使文檔質(zhì)量較差，符號(hào)高度失真，CNN也能實(shí)現(xiàn)上述精度。

2.3.2 真實(shí)環(huán)境中基礎(chǔ)設(shè)施元素的自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別

AP3的目標(biāo)之一是開(kāi)發(fā)一種可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)識(shí)別視頻中的歐洲列車控制系統(tǒng)應(yīng)答器（ETCS-Balise）、架空導(dǎo)線支架、色燈信號(hào)機(jī)、道岔和站臺(tái)邊緣等設(shè)施的軟件，為其設(shè)定的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)是識(shí)別率不低于99%，檢測(cè)精度不低于95%。為此，研究人員整理了1個(gè)包含6 722個(gè)標(biāo)記圖像文件的數(shù)據(jù)集，用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在純圖像數(shù)據(jù)上對(duì)于目標(biāo)對(duì)象類別的識(shí)別率達(dá)到了86.80%（架空導(dǎo)線支架）～93.73%（站臺(tái)前邊緣），精度達(dá)到了83.35%（站臺(tái)后邊緣）～94.01%（應(yīng)答器）。視頻播放速度通常為25幀/s。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于圖像中對(duì)象的檢測(cè)頻率是25次/s。為進(jìn)一步完善對(duì)象檢測(cè)的結(jié)果，研究人員還采取了后處理措施，使對(duì)于長(zhǎng)達(dá)15 h的視頻測(cè)試材料中應(yīng)答器和道岔的識(shí)別率提高到100%。研究人員也期待通過(guò)采取后處理措施提高對(duì)于其他對(duì)象的識(shí)別率，使之達(dá)到不低于99%的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。由于準(zhǔn)確性檢查所用的測(cè)試工具尚處于開(kāi)發(fā)的早期階段，因此無(wú)法進(jìn)行精度研究，但研究人員將在以后的獨(dú)立項(xiàng)目中對(duì)其進(jìn)行研究。

2.4 AP4 自動(dòng)化合理性檢查

本文所指的合理性檢查是檢測(cè)鐵路裝備是否符合相應(yīng)鐵路法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求的活動(dòng)。由于要遵守的鐵路法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)非常復(fù)雜，因此研究人員從2018年8月起便開(kāi)始對(duì)各種規(guī)則進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上，研究人員確定了合理性檢查的4個(gè)步驟，以便為隨后在軟件中進(jìn)行的模型測(cè)試確定對(duì)應(yīng)的規(guī)則。第1步“輸入”，指定要檢查的組件，精確選擇模型內(nèi)容;第2步“模型準(zhǔn)備”，確定為了執(zhí)行規(guī)則必須從模型中隱式加載的模型內(nèi)容;第3步“規(guī)則檢查”，確定組件是否符合測(cè)試規(guī)則要求;第4步“輸出”，列出有缺陷組件列表，并確定后續(xù)流程。

自動(dòng)化合理性檢查的實(shí)施基于IFC模型。目前，已有支持此種數(shù)據(jù)格式的軟件產(chǎn)品投入市場(chǎng)，這些軟件產(chǎn)品主要用于測(cè)試建筑施工模型，也可以用于基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)。其中，“Solibri Model Checker （SMC）”應(yīng)用程序是常用產(chǎn)品，本AP測(cè)試使用的就是這款產(chǎn)品。SMC中存儲(chǔ)著多種規(guī)則集模型，這些模型可用于各種測(cè)試流程（包括幾何碰撞檢測(cè)、須遵守的最小或最大距離檢測(cè)、屬性集及其相關(guān)屬性檢查），并且可進(jìn)行調(diào)整。研究人員分析了規(guī)則集，利用SMC進(jìn)行了模型測(cè)試。此外，對(duì)于許多規(guī)則，研究人員已經(jīng)確定并記錄了測(cè)試流程中的必要步驟，目前正出于測(cè)試目的實(shí)施這些步驟。由于IFC鐵路標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)，因此對(duì)于特定鐵路對(duì)象規(guī)則檢查的研究受到了一定限制。

3 展望

至2020年，研究人員將在現(xiàn)有項(xiàng)目研究成果的基礎(chǔ)上完成AP4～AP7的研究工作。所有項(xiàng)目參與者都認(rèn)為該項(xiàng)目已取得的成果及其在今后研究中的不斷發(fā)展完善可以帶來(lái)巨大的利益?？偠灾?，這個(gè)創(chuàng)新的研究項(xiàng)目不僅為項(xiàng)目工作帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)效益，而且積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。借此，項(xiàng)目參與者可以制定未來(lái)的戰(zhàn)略措施，勾畫未來(lái)的藍(lán)圖。

參考文獻(xiàn)

[1] Thomas Winkelbauer， Thorsten Hiebenthal. ProjektRIMcomb： EntwicklungneuerdigitalerMethodenimBereich BIM für die Ausrüstungstechnik[J]. Signal+Draht，2019（9）：12-18.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-01-17