周桂強(qiáng)

（中國鐵路南寧局集團(tuán)有限公司南寧電務(wù)段 廣西壯族自治區(qū)南寧市 530000）

在鐵路信號系統(tǒng)的全生命周期中，其運(yùn)營維護(hù)階段所占用的時間花銷要占到整個建筑全生命周期中的絕大部分。文獻(xiàn)[1]從經(jīng)濟(jì)花銷方面來考慮可知，項(xiàng)目全過程中一二階段的初始投資預(yù)測分析、項(xiàng)目規(guī)劃到設(shè)計花費(fèi)僅僅占用到總體項(xiàng)目成本額度的0.7%，第三階段主體的施工建設(shè)僅僅占項(xiàng)目總成本額度的16.3%，第四階段運(yùn)營維護(hù)階段占到了總成本的絕大部分有83%。通過以上分析可以得到，在鐵路信號系統(tǒng)的全部生命周期中運(yùn)營維護(hù)不但花費(fèi)時間最長，而且所需維修管理成本所占比重巨大。傳統(tǒng)的鐵路信號設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理方法主要還是通過紙質(zhì)的文檔資料和二維CAD 圖形來記錄保存信息來進(jìn)行設(shè)備的信息管理，這使得在實(shí)際的管理過程中存在了很多問題。例如，傳統(tǒng)的二維圖形信息普通的安裝工人難以理解，

在按照圖紙進(jìn)行設(shè)備安裝時必須由本專業(yè)的相關(guān)技術(shù)工作人員實(shí)時指導(dǎo)，既消耗了大量的時間也消耗了大量的人力；當(dāng)需要查詢設(shè)備的相關(guān)信息時，需要從各專業(yè)尋找大量的相關(guān)圖紙和記錄資料，且在此過程中常常出現(xiàn)信息收集不全、丟失或信息收集錯誤等現(xiàn)象；由于在收集資料時經(jīng)常出現(xiàn)信息缺失、信息錯誤等現(xiàn)狀，故經(jīng)常設(shè)備不能及時有效的維護(hù)保養(yǎng)，同時由于信息的丟失大大的延長了維修時的時間周期，大大的消耗了人力資源，致使管控效率嚴(yán)重低下；工程各個階段互相獨(dú)立，缺乏有效的溝通渠道和協(xié)同平臺，使得鐵路信號工程建造的效率大大降低、鐵路信號系統(tǒng)工程在全生命周期中的壽命大大縮減、當(dāng)出現(xiàn)故障時相關(guān)維修成本也相應(yīng)提高。所以鐵路信號設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)如何進(jìn)行安全高效的管理是一個非常值得我們思考的重要問題。

目前在建筑行業(yè)利用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行維護(hù)在國內(nèi)外已經(jīng)取得良好的成績。Francisco 等[2]針對BIM 技術(shù)在物業(yè)管理方面的應(yīng)用進(jìn)行了一系列的研究分析。Yu等[3]在三維信息化模型的標(biāo)準(zhǔn)制定、三維模型信息整合與模型信息共享三個方面進(jìn)行了詳細(xì)研究，分析了設(shè)備管理包含的管理設(shè)備和應(yīng)該具備的相關(guān)管理功能。Hassanain等[4]針對建筑工程方面的運(yùn)營維護(hù)管理，對其對應(yīng)的相關(guān)對象模型和過程模型進(jìn)行了詳細(xì)分析論證，構(gòu)建了具有信息集成化特點(diǎn)的設(shè)備運(yùn)營維護(hù)管理模型。Kazi A S,Aouad G 等[5]根據(jù)BIM 技術(shù)相關(guān)理論知識結(jié)合設(shè)備管理技術(shù)對設(shè)備管理實(shí)現(xiàn)了全過程的研究。張建平等參考IFC 標(biāo)準(zhǔn)建立了建筑行業(yè)管理信息化模型[6]。胡振中等[7]利用建筑信息模型并結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計開發(fā)了機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)。過俊等[8]研發(fā)了基于BIM 的建筑設(shè)備管理系統(tǒng)，對設(shè)備信息進(jìn)行整合，用于設(shè)備運(yùn)營維護(hù)。

本研究借鑒建筑行業(yè)在運(yùn)行維護(hù)階段在BIM技術(shù)方面的應(yīng)用，提出基于BIM 的鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)維信息管理應(yīng)用研究?；谛盘栂到y(tǒng)設(shè)備BIM 模型建立信號系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)庫，利用BIM 模型建立過程中集成的相關(guān)的設(shè)備屬性信息和構(gòu)建的相關(guān)設(shè)備運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行連接對信號系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行綜合管理，呈現(xiàn)出完整的信號系統(tǒng)設(shè)備管理過程，展示出BIM 技術(shù)與數(shù)據(jù)庫相結(jié)合在信號系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)管理中的應(yīng)用的相關(guān)概念。

1 基于BIM的鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)信息的基本理論介紹

1.1 BIM鐵路信號系統(tǒng)的管理

鐵路信號系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)管理本質(zhì)上是對信號設(shè)備的管理，信號系統(tǒng)設(shè)備的管理其研究對象是信號專業(yè)相關(guān)信號設(shè)備，其目的是為了追求設(shè)備綜合利用的利用率最大、最優(yōu)化，使用管理相關(guān)的管理理論及其管理方法，通過相關(guān)技術(shù)的技術(shù)措施、組織措施等方法對系統(tǒng)中的設(shè)備的使用從初態(tài)到末態(tài)全過程綜合化及其科學(xué)化的管控，而鐵路信號系統(tǒng)中的設(shè)備管理其是指當(dāng)鐵路信號系統(tǒng)中的設(shè)備在保持其正常健康的運(yùn)行態(tài)勢下，合理應(yīng)用管理相關(guān)的技術(shù)及其方法，相關(guān)的工程技術(shù)及其財務(wù)投資經(jīng)營等手段，使得鐵路系統(tǒng)信號相關(guān)運(yùn)行設(shè)備在其全部的生命周期內(nèi)的費(fèi)用/效益比率盡可能達(dá)到最優(yōu)化的可控程度范圍之內(nèi)，盡最大能力使得相應(yīng)信號設(shè)備的使用價值最大化，以此來保證經(jīng)濟(jì)收益的最大化，盡可能的降低管理運(yùn)營維護(hù)所帶來的設(shè)備使用過程中的成本，最終使得鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備綜合效益的最大化。為了實(shí)現(xiàn)上述所述的目標(biāo)，鐵路信號相關(guān)設(shè)備管控人員應(yīng)該對信號系統(tǒng)中所有的信號設(shè)備的各種信息做到充分的了解。

根據(jù)分析鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)維管理信息主要可分為下述5類信息。

（1）信號設(shè)備的基本信息：主要包括信號設(shè)備的型號、信號設(shè)備類型、信號設(shè)備的基本參數(shù)信息(譬如：尺寸、電氣特性等)、信號設(shè)備的產(chǎn)出廠家、信號設(shè)備的產(chǎn)出日期、信號設(shè)備的購買日期、價格及其保修年限，其信號設(shè)備的基本信息主要給運(yùn)維管理人員提供設(shè)備的性能及其相關(guān)信息的查詢；

圖1：信號系統(tǒng)全生命周期信息管理框架

圖2：數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息傳遞的流程圖

圖3：BIM 可視化模型與運(yùn)維管理數(shù)據(jù)庫的連接

（2）信號設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)信息：鐵路信號設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)信息主要記錄了相關(guān)信號設(shè)備維修保養(yǎng)人員對設(shè)備進(jìn)行的定期維修保養(yǎng)及日常維修保養(yǎng)的情況，主要包括維修人員的編號等信息、相關(guān)的保養(yǎng)手冊、信號設(shè)備的維修日期、信號設(shè)備的維修原因、信號設(shè)備此次維修的維修成本、信號設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)、信號設(shè)備內(nèi)部替換部件記錄等信息內(nèi)容；

（3）信號設(shè)備的合同信息：信號設(shè)備的合同信息是指信號設(shè)備的合同編號、信號設(shè)備的合同類別、信號設(shè)備的簽約雙方單位、信號設(shè)備在此次合同中的價格、信號設(shè)備的簽訂日期、信號設(shè)備的付款計劃、信號設(shè)備的結(jié)算金額、購買的信號設(shè)備數(shù)量、信號設(shè)備的保修期限、規(guī)定的保養(yǎng)方、使用方、相關(guān)的合同文件和處理糾紛狀況等信息相關(guān)信息；

圖4：部分信號模型展示圖示

圖5：部分室內(nèi)設(shè)備三維虛擬顯示結(jié)果

圖6：ZDJ9 型轉(zhuǎn)轍機(jī)的屬性信息查詢展示

（4）信號設(shè)備的成本信息：信號設(shè)備的成本信息主要包括信號設(shè)備的購買成本、維護(hù)保養(yǎng)成本、信號設(shè)備的修理成本、信號設(shè)備的維修成本警戒線、信號設(shè)備的實(shí)際保養(yǎng)成本、設(shè)備凈值、維修成本是否超預(yù)計、保養(yǎng)成本是否超預(yù)計等相關(guān)信息；

（5）管理方信息：信號設(shè)備的管理方信息包括信號設(shè)備管理人員的姓名、員工編號、單位編號、單位地址、聯(lián)系電話與所屬部門等相關(guān)內(nèi)容。

1.2 鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)維階段BIM信息模型的輕量化

隨著工程進(jìn)度不斷推進(jìn)，信號系統(tǒng)在生產(chǎn)、設(shè)計、施工、交付使用直到運(yùn)營維護(hù)，每個階段會產(chǎn)生鐵路信號系統(tǒng)的信息。鐵路信號系統(tǒng)在運(yùn)營維護(hù)階段之前，涉及生產(chǎn)廠家、建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位均會在不同的工程階段提供鐵路信號系統(tǒng)的相關(guān)信息。而這些信息中，一部分信息在運(yùn)維階段使用頻率極低甚至不會使用。若在運(yùn)維階段對模型信息進(jìn)行輕量化處理，將提高鐵路信號系統(tǒng)在使用過程中的數(shù)據(jù)實(shí)時更新速度和減小時間成本。模型所帶信息輕量化過程，主要是依據(jù)在運(yùn)維階段信息的使用頻率對信息分配相應(yīng)的權(quán)重，對于權(quán)重較低的信息進(jìn)行刪除。

為方便BIM 可視化模型的建立與展示、設(shè)備族庫無插件在線瀏覽功能和云端存儲、遠(yuǎn)程下載以及設(shè)備族庫與其他應(yīng)用模塊之間信息交換，對鐵路信號設(shè)備幾何信息進(jìn)行輕量化。

對于同一模型，不同頂點(diǎn)處的起伏程度不同，人類對起伏程度大的模型頂點(diǎn)連接形成的棱及輪廓較為敏感，起伏程度較大的頂點(diǎn)比平坦區(qū)域的頂點(diǎn)對模型影響較大，更為重要。因此，在實(shí)現(xiàn)輕量化時，考慮將某頂點(diǎn)的重要程度納入是否對其進(jìn)行的簡化評價準(zhǔn)則[15]。

而與頂點(diǎn)相關(guān)的特征中，頂點(diǎn)的法向量和頂點(diǎn)所在平面的方向向量可以很好的表示頂點(diǎn)及其周圍頂點(diǎn)之間的相互位置關(guān)系。

其中，λv,p為三角形p 對于頂點(diǎn)v 的重要度；nv為頂點(diǎn)v 的單位法向量，頂點(diǎn)的法向量和與其相關(guān)的三角面片的法向量之和的方向一致；np為三角形p 所在平面的單位法向量。

將λv,p與二次誤差測度算法中的基本誤差二次型相乘作為改進(jìn)算法基本誤差二次型；λv,p與二次誤差測度算法中的二次誤差測度矩陣相乘作為改進(jìn)算法的二次誤差測度矩陣。計算各條邊的折疊誤差，從折疊誤差最小的邊開始，對原模型的各邊按照折疊誤差逐漸增大的順序，依次進(jìn)行折疊，最終可得到化簡模型。

采用該算法可以充分考慮模型表面的平坦區(qū)和尖銳區(qū)的差別，對平坦區(qū)優(yōu)先進(jìn)行折疊，保留模型表面尖銳區(qū)頂點(diǎn)，保證模型簡化后不失真，同時能提高模型的讀取和顯示速度，可以提供很好的用戶體驗(yàn)。

2 基于BIM的鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)營維護(hù)管理系統(tǒng)框架

本節(jié)在傳統(tǒng)鐵路信號系統(tǒng)信息管理的基礎(chǔ)上，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)及信息化技術(shù)和目前在建筑行業(yè)應(yīng)用比較成熟的BIM 技術(shù)，將鐵路信號系統(tǒng)從設(shè)計、施工及運(yùn)營項(xiàng)目的全過程中產(chǎn)生的所有相關(guān)設(shè)備信息有效的、合理化的組織集成起來，其組織集成后可構(gòu)建出基于BIM技術(shù)的鐵路信號系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的全生命周期信息化管理框架，其具體管理框架圖如圖1所示[13-14]。

如1所示，鐵路信號系統(tǒng)中信號設(shè)備的全生命周期信息分為三個主要部分：底層的數(shù)據(jù)模塊、信息模塊以及頂層的功能應(yīng)用模塊。而底層的數(shù)據(jù)模塊由各個信號設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)信息，其是一個信息集成中心，在該數(shù)據(jù)庫中存儲了鐵路信號系統(tǒng)全生命過程中各個項(xiàng)目階段生成的所有的數(shù)據(jù)信息，其主要提供信息存儲的功能，各個項(xiàng)目參與單位要進(jìn)行查詢統(tǒng)計的信息都涵蓋在這個數(shù)據(jù)庫中；信號設(shè)備信息模塊是基于數(shù)據(jù)庫建立的信息模型中心，其主要向下用于存儲數(shù)據(jù)層中的所有數(shù)據(jù)信息，各個參建單位可以在模型中修改更新數(shù)據(jù)信息，向上為功能模塊層提供用于實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的模型基礎(chǔ)；功能模塊是BIM 技術(shù)在鐵路信號系統(tǒng)在全生命周期中的不同功能應(yīng)用的具體實(shí)現(xiàn)。

2.1 基于BIM的運(yùn)維管理框架的數(shù)據(jù)層

BIM 技術(shù)不僅僅只是對相關(guān)設(shè)備設(shè)施對象的三維的幾何尺寸信息的描述，其主要可以對設(shè)備設(shè)施的設(shè)計材料、相關(guān)報表、相關(guān)的工程實(shí)施進(jìn)度、設(shè)備的能耗分析等與設(shè)備相關(guān)的信息以及不同專業(yè)領(lǐng)域之間的設(shè)備設(shè)施的設(shè)計連接關(guān)系這些方面全方位的項(xiàng)目信息進(jìn)行完整的展現(xiàn)。使用BIM 技術(shù)可以將建筑設(shè)計階段的各種生成的數(shù)據(jù)信息、相關(guān)的模擬過程及其相關(guān)的資源有效的連接整合成為一個較為完善的信息化的模型，其包括工程的建筑圖紙、結(jié)構(gòu)圖紙、設(shè)備工程圖紙和精裝修圖紙等所有的相關(guān)信息，保證了信息的高度統(tǒng)一。當(dāng)運(yùn)維管理人員應(yīng)用數(shù)據(jù)庫對相關(guān)的設(shè)備設(shè)施信息進(jìn)行提取查詢時，BIM 模型具有的多維可視化性能，故可以十分直觀便捷的找到管理人員所需的信息，大大降低了管理的成本。圖2 為數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息傳遞的流程圖。

2.2 基于BIM的運(yùn)維管理框架的信息層

鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)維階段信息模型的建立為之后在運(yùn)維管理過程中數(shù)據(jù)庫技術(shù)的應(yīng)用提供了模型基礎(chǔ)，比如在進(jìn)行信號設(shè)備基本信息查詢修改，電纜信息統(tǒng)計與設(shè)備安裝進(jìn)度的模擬提供了信息管理的載體。

運(yùn)維階段信息模型的建立是由在運(yùn)維階段之前各階段各項(xiàng)目參與單位錄入相關(guān)信息，運(yùn)維階段根據(jù)運(yùn)維歷史數(shù)據(jù)完成運(yùn)維階段的數(shù)據(jù)完成。

2.3 基于BIM的信號系統(tǒng)運(yùn)維管理功能

在基于BIM技術(shù)的鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)維管理整個系統(tǒng)里面，BIM可視化的模型與運(yùn)維數(shù)據(jù)庫作為運(yùn)維管理系統(tǒng)的兩個核心模塊，整個運(yùn)維系統(tǒng)的功能應(yīng)用也是圍繞這兩個子系統(tǒng)進(jìn)行管理的。有BIM可視化的模型提供可視化的信息的展示平臺與操作載體，對鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備的信息進(jìn)行可視化查詢、統(tǒng)計、修改與更新等基礎(chǔ)信息的管理，鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)維數(shù)據(jù)庫則作為一個信息全面存儲和細(xì)致化全面管理的數(shù)據(jù)庫。根據(jù)這個思路，明確基于BIM技術(shù)的鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)維管理模塊的具體功能，通過一個API 軟件數(shù)據(jù)接口將兩個模塊連接起來，實(shí)現(xiàn)兩個子系統(tǒng)的信息的實(shí)時傳遞與更新，如圖3所示為BIM 三維可視化模型與運(yùn)維管理數(shù)據(jù)庫的連接。

雖然BIM 模型相關(guān)軟件能夠容納BIM 實(shí)體模型的大量數(shù)據(jù)信息，但其由于能夠容納的數(shù)據(jù)信息格式有限，不能滿足支持鐵路信號系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)階段數(shù)據(jù)信息格式多樣的實(shí)際需求，故僅僅用BIM模型進(jìn)行設(shè)備管理是不合理的，故須建立專用的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備設(shè)施的全信息維護(hù)管理。

圖7：設(shè)備合同管理界面展示

圖8：設(shè)備訂貨管理界面展示

圖9：歷史采購管理界面展示

圖10：設(shè)備采購統(tǒng)計界面展示

在構(gòu)建設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)庫時應(yīng)該根據(jù)相關(guān)設(shè)備BIM 模型中生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表進(jìn)行構(gòu)建，在生成的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表的基礎(chǔ)上，在設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)庫中相關(guān)操作人員補(bǔ)充添加相關(guān)設(shè)備的其他格式的數(shù)據(jù)信息用于完善設(shè)備實(shí)體BIM 模型信息，健全運(yùn)維數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的全部設(shè)備數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)維數(shù)據(jù)庫建立以后，要對BIM 模型數(shù)據(jù)進(jìn)行更新時，只需在運(yùn)維數(shù)據(jù)庫中調(diào)取相關(guān)設(shè)備進(jìn)行信息添加刪除等操作，根據(jù)相關(guān)信息的不同類別定義不同的屬性標(biāo)簽，將更新的數(shù)據(jù)庫按屬性分別導(dǎo)出更新數(shù)據(jù)到相對應(yīng)的BIM 模型的屬性中，更新BIM 模型相關(guān)數(shù)據(jù)。

3 信號運(yùn)維管理系統(tǒng)模擬展示

根據(jù)以上研究分析，本節(jié)以銀西鐵路信號設(shè)備管理為例，利用本研究提出的鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備管理方法，進(jìn)行鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備基于BIM 技術(shù)的運(yùn)維管理系統(tǒng)具體應(yīng)用的模擬展示。

圖11：設(shè)備運(yùn)維階段維修統(tǒng)計信息展示

3.1 BIM可視化模型的建立與展示

利用Bentley 軟件建立鐵路信號專業(yè)設(shè)備模型，在本次項(xiàng)目設(shè)計中共建立信號設(shè)備模型128 個，其部分信號模型展示如圖4所示。

將建立完成的鐵路信號設(shè)備BIM 模型導(dǎo)入到構(gòu)建的建筑物模型的相應(yīng)安裝位置中，呈現(xiàn)出具有實(shí)際情況的三維虛擬化效果，其部分室內(nèi)設(shè)備三維虛擬顯示結(jié)果如圖5所示。

3.2 鐵路信號設(shè)備運(yùn)維管理模塊展示

管理者進(jìn)入運(yùn)維管理模塊以后，可以對設(shè)備設(shè)施的基本信息進(jìn)項(xiàng)査詢、修改、增加、刪除。在此章節(jié)中將通過施工方的部分管理過程對各個模塊進(jìn)行展示。

3.2.1 設(shè)備信息查詢

管理者進(jìn)入管理系統(tǒng)后可任意查詢各個信號設(shè)備的屬性等信息，如圖6所示為對ZDJ9 型轉(zhuǎn)轍機(jī)的屬性信息查詢展示。

3.2.2 設(shè)備合同管理

設(shè)備合同管理功能包含自采合同和合同清單中有本單位設(shè)備的甲供合同，甲供合同只能查看合同詳情，自采合同可添加、編輯、刪除，如圖7所示。

3.2.3 設(shè)備訂貨管理

設(shè)備訂單管理功能管理設(shè)備訂單（訂貨單），包含設(shè)備訂單的添加、編輯、刪除、查看、打印等功能，如圖8所示。

3.2.4 歷史采購管理

歷史采購管理功能是歷史訂貨單的留痕。包含查看、打印操作，如圖9所示。

3.2.5 設(shè)備采購統(tǒng)計

設(shè)備采購統(tǒng)計功能是以圖表的形式直觀展現(xiàn)設(shè)備流轉(zhuǎn)情況，如圖10所示。

3.2.6 設(shè)備訂貨管理

在車站BIM 三維場景中，以二維圖表顯示設(shè)備運(yùn)維階段維修統(tǒng)計信息，如圖11所示。

4 結(jié)論

為了解決目前傳統(tǒng)的鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)營維護(hù)管理中存在的諸多問題，本研究借鑒建筑行業(yè)在運(yùn)維管理方面的改革思路提出結(jié)合BIM 技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于BIM 的鐵路信號系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維管理系統(tǒng)的初步設(shè)計開發(fā)，為后續(xù)基于BIM 的運(yùn)維管理系統(tǒng)開發(fā)提供了一定的技術(shù)支撐。