周憲寶

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

縱觀信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的發(fā)展歷程，信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段在不斷探索和革新中發(fā)展。從手工描圖到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，標(biāo)志著信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段進(jìn)入信息時(shí)代；從利用CAD軟件輔助設(shè)計(jì)到自主知識產(chǎn)權(quán)軟件的提出和與CAD軟件的結(jié)合使用，標(biāo)志著信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段進(jìn)入自主知識產(chǎn)權(quán)時(shí)代；交付成果從二維平面設(shè)計(jì)到三維立體空間設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，標(biāo)志著信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段進(jìn)入智能化時(shí)代。

1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段介紹

1.1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段概述

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段經(jīng)歷了純手工設(shè)計(jì)階段和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)階段。在純手工設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)者利用筆、尺子和圖板等設(shè)計(jì)工具在紙上繪制，所有設(shè)計(jì)成果都是設(shè)計(jì)者一筆一畫描繪出來的。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的推廣使用，純手工設(shè)計(jì)方式已經(jīng)被時(shí)代淘汰，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的方式開始興起。常見的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件是Autodesk公司研發(fā)的CAD軟件。CAD軟件以其強(qiáng)大的繪圖功能成為設(shè)計(jì)行業(yè)主流的制圖工具。

1.2 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段缺點(diǎn)

隨著CAD軟件的廣泛使用，單純依靠CAD軟件繪圖的缺陷開始凸顯，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）設(shè)計(jì)效率不高

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的設(shè)計(jì)效率完全依托于設(shè)計(jì)者的專業(yè)技術(shù)水平和對CAD軟件的熟練程度。CAD軟件只是一個(gè)通用的繪圖工具，而信號系統(tǒng)功能復(fù)雜，專業(yè)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)工作量大。因此，單純依靠CAD軟件進(jìn)行信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對性不強(qiáng)，存在很多重復(fù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率不高。

2）邏輯設(shè)計(jì)適用性不強(qiáng)

CAD軟件作為圖形設(shè)計(jì)工具，對于圖形繪制具備一定優(yōu)勢，但缺乏邏輯判斷功能，對于信號系統(tǒng)聯(lián)鎖表、拆配線等涉及數(shù)據(jù)信息的設(shè)計(jì)適用性不強(qiáng)，成果瀏覽和檢查操作不方便。因此，設(shè)計(jì)過程中涉及的數(shù)據(jù)信息需要設(shè)計(jì)者手工鍵入，設(shè)計(jì)成果質(zhì)量完全由設(shè)計(jì)者自身技術(shù)水平保證。

2 當(dāng)前主流設(shè)計(jì)手段介紹

隨著信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)量的增大，各單位逐步開始研究新的設(shè)計(jì)手段，研發(fā)思路集中于以CAD軟件為基礎(chǔ)，進(jìn)行自主軟件的開發(fā)。自主軟件根據(jù)專業(yè)設(shè)計(jì)需求研發(fā)，對于邏輯性強(qiáng)、有一定規(guī)律、重復(fù)性強(qiáng)的繪圖操作，利用計(jì)算機(jī)程序邏輯算法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)繪制，可以有效提高工作效率。自主軟件以中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司（以下簡稱“中國鐵設(shè)”）研發(fā)的“信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)”作為典型代表。

2.1 信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)介紹

中國鐵設(shè)自主研發(fā)的信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)以鐵路信號技術(shù)自主創(chuàng)新為宗旨、以鐵路信號室內(nèi)外圖紙?jiān)O(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)難題為切入點(diǎn)，通過理論研究、軟件編寫、試驗(yàn)驗(yàn)證、工程試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，系統(tǒng)地研究站場圖輸入數(shù)據(jù)提取、室外圖紙輔助設(shè)計(jì)、聯(lián)鎖及電碼化圖紙輔助設(shè)計(jì)、區(qū)間閉塞圖紙輔助設(shè)計(jì)等方面的問題，攻克了信號數(shù)據(jù)庫模型、雙線電纜長度芯數(shù)自動(dòng)計(jì)算、機(jī)柜設(shè)備布置圖回讀、區(qū)間軌道電路自動(dòng)分割和鐵路橫向連接自動(dòng)布置等關(guān)鍵技術(shù)。

信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)幾乎涵蓋了信號系統(tǒng)全過程設(shè)計(jì)，整體框架如圖1所示。信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)分為聯(lián)鎖設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、列控設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、閉塞設(shè)計(jì)子系統(tǒng)、列控?cái)?shù)據(jù)管理平臺(tái)、專線設(shè)計(jì)助手5個(gè)模塊，每個(gè)模塊下面又包含功能豐富的子模塊。信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)建立各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過上序?qū)I(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳遞和下序?qū)I(yè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)效果。

信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)界面人性化、功能齊全、性能穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)、集成化程度高、具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性，受到廣大用戶的普遍歡迎和認(rèn)可。其所包含的子系統(tǒng)軟件適用范圍廣、針對性強(qiáng)、計(jì)算精度高、質(zhì)量可靠，滿足信號設(shè)計(jì)精度要求。

2.2 當(dāng)前設(shè)計(jì)手段優(yōu)點(diǎn)

1）規(guī)范設(shè)計(jì)流程。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程是根據(jù)設(shè)計(jì)原則從零開始，所有的操作全部依靠CAD軟件通過人工操作完成。當(dāng)前設(shè)計(jì)手段將絕大部分的繪圖操作轉(zhuǎn)化為編寫軟件規(guī)定格式的輸入數(shù)據(jù)，利用自主軟件的邏輯處理功能自動(dòng)成圖。

2）促進(jìn)信號系統(tǒng)圖紙標(biāo)準(zhǔn)化。傳統(tǒng)的信號系統(tǒng)圖紙?jiān)跐M足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的大前提下，設(shè)計(jì)方案多樣化，部分新的設(shè)計(jì)成果有待工程驗(yàn)證。當(dāng)前設(shè)計(jì)手段通過統(tǒng)一設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)原則、信號系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)版圖、輸出圖紙格式，促進(jìn)信號系統(tǒng)圖紙標(biāo)準(zhǔn)化，有效保障信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全。

3）減少設(shè)計(jì)返工，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。信號作為站后專業(yè)，站場線路等站前專業(yè)的設(shè)計(jì)變更容易引起信號圖紙的設(shè)計(jì)返工。因此，很多繪圖操作是重復(fù)進(jìn)行的，利用自主軟件自動(dòng)進(jìn)行重復(fù)操作，能夠有效減少變更設(shè)計(jì)引起的重復(fù)繪制工作量，減少設(shè)計(jì)返工，提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率。

2.3 當(dāng)前設(shè)計(jì)手段的缺點(diǎn)

1）設(shè)計(jì)成果直觀性差。現(xiàn)階段信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品交付主要以CAD平面圖和相關(guān)文字說明描述為主，由于信號系統(tǒng)設(shè)備繁多，系統(tǒng)間接線復(fù)雜，交付成果包含的信息量有限，容易造成設(shè)計(jì)方和施工方、設(shè)計(jì)方和建設(shè)方、設(shè)計(jì)方和設(shè)備商之間的理解偏差，影響工程建設(shè)的順利開展。

圖1 信號一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)整體框架Fig.1 Overall architecture of the platform of integrated design of signal systems

2）存在設(shè)計(jì)盲區(qū)?，F(xiàn)階段的設(shè)計(jì)成果對于信號設(shè)備安裝位置僅提供簡單里程信息，是否具備足夠空間等安裝條件只能由現(xiàn)場施工驗(yàn)證；對于信號綜合管線僅提供簡單路徑和走向示意，是否存在管線安放位置沖突只能通過現(xiàn)場施工驗(yàn)證。

3 智能設(shè)計(jì)手段的興起

針對當(dāng)前設(shè)計(jì)手段存在的問題，借鑒建筑行業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，將BIM技術(shù)引入信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)，智能設(shè)計(jì)手段應(yīng)運(yùn)而生。

3.1 智能化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

智能化設(shè)計(jì)采用基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)理念，通過建立與實(shí)物相符的信號系統(tǒng)設(shè)備BIM模型，利用BIM模型的直觀性和強(qiáng)大的屬性信息功能，不僅能夠展示設(shè)備的空間狀態(tài)信息，還能夠體現(xiàn)設(shè)備配線等邏輯數(shù)據(jù)信息。智能化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了從二維平面設(shè)計(jì)到三維立體空間設(shè)計(jì)的跨越式發(fā)展，能夠交付完整的靜態(tài)設(shè)計(jì)成果和模擬教學(xué)、模擬施工等動(dòng)態(tài)演示成果。智能化設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 智能設(shè)計(jì)手段優(yōu)點(diǎn)

1）深化二維設(shè)計(jì)，覆蓋設(shè)計(jì)盲區(qū)

智能化設(shè)計(jì)采用基于BIM技術(shù)的三維設(shè)計(jì)理念，通過精細(xì)化的BIM模型反映現(xiàn)場設(shè)備的實(shí)際規(guī)格尺寸、外形特征及內(nèi)部構(gòu)造，具有接近實(shí)際的逼真度和可視化效果，對于設(shè)備安裝、碰撞檢查、遮擋透視具有重要指導(dǎo)意義。

2）設(shè)計(jì)成果多樣化

智能化設(shè)計(jì)的成果不僅包含完整的靜態(tài)設(shè)計(jì)成果，從三維角度全面反映信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容，還包括動(dòng)畫漫游、模擬教學(xué)和模擬施工等動(dòng)態(tài)演示成果，豐富的設(shè)計(jì)成果對于有效指導(dǎo)施工具有重要幫助。

3）可視化交底，動(dòng)態(tài)化模擬

智能化設(shè)計(jì)使用可視化的三維設(shè)計(jì)成果進(jìn)行技術(shù)交底，更加形象直觀；對于施工過程預(yù)先進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，能夠提前發(fā)現(xiàn)施工過程中的問題和缺陷，準(zhǔn)備應(yīng)對措施，提高施工效率，縮短施工周期。

圖2 智能化設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall architecture of intelligent design of signal systems

3.3 智能設(shè)計(jì)現(xiàn)狀和缺點(diǎn)

智能化設(shè)計(jì)目前還處于起步階段，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的制定、交付成果的統(tǒng)一、設(shè)計(jì)范圍分界和設(shè)計(jì)深度要求等等都還在研究階段。現(xiàn)有的智能化設(shè)計(jì)僅局限于利用二維成果進(jìn)行三維翻模設(shè)計(jì)，未能實(shí)現(xiàn)完全擺脫二維設(shè)計(jì)，從零開始的正向設(shè)計(jì)方法。

4 未來設(shè)計(jì)手段的展望

智能化設(shè)計(jì)手段僅局限于采用單一的BIM技術(shù)，設(shè)計(jì)深度和設(shè)計(jì)成果的應(yīng)用范圍仍存在一定的局限性。未來的設(shè)計(jì)手段將是采用多技術(shù)融合方式的智慧設(shè)計(jì)手段，實(shí)現(xiàn)信號系統(tǒng)的全生命周期設(shè)計(jì)。

4.1 智慧設(shè)計(jì)理念

智慧設(shè)計(jì)理念將從設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維一體化角度出發(fā)，引入全生命周期設(shè)計(jì)理念，以BIM技術(shù)為核心，以多技術(shù)融合方式為手段打破各方之間的信息斷層，有效控制工程數(shù)據(jù)的采集、加工、存儲(chǔ)和交流，構(gòu)建信息的創(chuàng)造、傳輸、使用和評價(jià)的良性循環(huán)體系，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。支持決策者對項(xiàng)目進(jìn)行合理的規(guī)劃、協(xié)調(diào)和控制，進(jìn)而不斷提升信號系統(tǒng)技術(shù)創(chuàng)新、信息化和智能化水平，實(shí)現(xiàn)智慧設(shè)計(jì)、智慧施工和智慧運(yùn)維。

4.2 前景展望

智慧設(shè)計(jì)將采用BIM技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和人工智能技術(shù)等多技術(shù)融合方式，以BIM標(biāo)準(zhǔn)體系和故障導(dǎo)向安全的保障體系為支撐，以設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、終端感知層等基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ)，在三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、建設(shè)管理信息平臺(tái)、運(yùn)營維護(hù)服務(wù)平臺(tái)的支撐下，架構(gòu)信號系統(tǒng)智慧設(shè)計(jì)協(xié)同工作平臺(tái)，并構(gòu)建面向建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、運(yùn)營單位、設(shè)備供應(yīng)商的智慧應(yīng)用體系。

5 結(jié)論

當(dāng)前國內(nèi)主流鐵路設(shè)計(jì)單位的信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段尚處于應(yīng)用智能化設(shè)計(jì)手段的起步階段，需要進(jìn)一步加大科研投入，培養(yǎng)BIM方面人才，加強(qiáng)智能化設(shè)計(jì)手段的工程實(shí)踐驗(yàn)證，擴(kuò)大智能化設(shè)計(jì)手段的使用范圍。只有智能化設(shè)計(jì)手段發(fā)展到一定階段，才能夠?yàn)橄乱浑A段的智慧設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)，為多技術(shù)融合提供保障。未來的信號系統(tǒng)設(shè)計(jì)手段，必將助力中國鐵路建設(shè)往更高層面發(fā)展。