BIM技术在铁路信号和安全系统规划中的应用

0 引言

自2017年由德國联邦运输和数字基础设施部（BMVI）发起的13个试点项目启动以来，德国铁路股份公司（DB）就引入了建筑信息模型（BIM）技术，作为其标准化战略以及未来的工作和设计方法。从那时起，BIM技术成为了DB基础设施项目中不可或缺的工具。同时，参与DB基础设施项目规划、建设和运营的各行业专家也面临着巨大的挑战，即如何根据DB的BIM战略制定出可行的措施。他们关心以下3个核心问题：

（1）可以通过哪些业务或规划流程达到要求;

（2）应该使用哪些软件系统来支持所需流程并生成所需的专家数据或对象;

（3）应该怎样实现以及通过哪种接口格式实现跨专业、跨公司和跨流程的数据流。

WSP Infrastructure Engineering GmbH公司的ProSig规划软件研发团队根据这些问题，为铁路信号和安全系统规划提供了多种解决方案。下面将介绍这些解决方案。

1 ProSig 软件系统概述

为使读者更好地理解ProSig方案，本文先介绍该软件系统的基本结构框架。该软件系统分为2部分。其中一部分作为“对象提供器”，负责提供专业对象相关的所有数据，以支持各专业的规划工作;另一部分作为“对象收集器”，负责在3D空间中对所有专业对象进行同时且全面的描述，并成为后续系统（财务控制系统、维修系统和运营系统）的数据源。这些跨专业且通用的3D空间（如AutoDesk Navisworks）允许对基础设施项目规划进行结构、数量和时间方面的评估。各专业规划人员可以在“对象收集器”中对其所做的规划进行修改和调整。

这个基于BIM技术的全面“对象收集器”是铁路网络完整且真实图像的“数字孪生”。从技术和组织的角度来看，这是一个雄心勃勃的大数据项目。

为实现将不同系统组件连接起来并进行数据传输的目的，ProSig软件系统还使用统一的数据传输格式，以求在系统组件之间使用单一数据流。

2 从 2D 到 3D 的发展

基于上述方案，ProSig研发团队与DB Engineering&Consulting公司合作开发了一个名为“LST2BIM”的原型应用程序，可将一些ProSig项目中的2D对象自动转换为“对象收集器”虚拟空间中的3D对象。

（1）首先，将ProSig规划项目中的信息分为2种具有不同格式的基本数据流：①使用DB下属线路网络子公司（DB Netz AG）PlanPro数据接口的铁路信号和安全系统技术数据;②具有工业基础类（IFC）3D交换格式的对象结构数据，但内容不一定与铁路信号和安全技术相关。

（2）然后，对这些数据流进行组合或链接，以满足各个目标系统的信息需求。数据从ProSig中导出后，便生成了2个数据集：包含所规划设备（如集中装置）全部技术和逻辑信息的PlanPro-XML数据，以及包含线路设施相关3D对象的IFC文件。IFC文件可通过唯一编号（全局唯一标识符 GUID）在PlanPro数据中被引用。

（3）最后，目标系统导入这些数据，并对其进行可视化和进一步处理。

由于信息需求因应用场景不同而各异，因此结构性3D对象的细节级别（LOD）也不同。目前，ProSig和LST2BIM中对象的LOD分为3级（图2）：①占位符，非常粗略的描述，仅用于标记某物体的存在;②合格模拟品，具有标准图的相应编号，外观与对象近似;③标准图，对于对象的真实描述，体现其细节。

在一个上文提到的BIM早期试点项目中，规划人员使用LST2BIM软件在美茵河畔法兰克福（Frankfurt am Main）枢纽站Gutheuthof支线已有的3D现状图中增加了数个信号机，如图3所示。

目前，研究人员还以LST2BIM软件为基础，开发出名为“LST2Unreal”的应用程序。利用该程序，可将线路设备对象传输到Unreal Engine的交互式3D空间中，供用户查看和浏览。采用这种游戏开发的方法进行专业规划设计，可使用户获得3D可视化体验，并且迅速经济地检查规划结果（图4）。

3 以原始数据为基础的 BIM 规划

原始数据的可靠性问题始终是使用BIM技术进行规划的大问题。没有精确地形信息作为基础，铁路设施规划便不能达到准确合理的效果。

对于铁路信号和安全系统的规划，精确的轨道位置及相应的线路数据（线路里程、轴线、坡度、超高）是创建有效现状图的前提，而线路设施规划以有效现状图为基础。BIM技术的应用进一步提高了对此类数据基础的要求，因为所有3D对象必须在虚拟空间中具有准确的位置和足够精确的范围，以便随后对其进行专业整合，从而实现结构评估（如碰撞检测）。

因此，创建现状图时，除了优化2D信息源以外，还建议使用准确的3D信息。为此，使用激光扫描仪记录点云是一种可靠且实用的方法。由此形成的规划过程如下。

（1）利用ProSig软件从3D点云中创建线路位置图，并在必要时确定所有存在对象的位置。

（2）根据这些信息，在ProSig项目中创建现状图。

（3）在所需的施工条件下规划线路设施。

（4）使用LST2BIM将ProSig项目中的对象导出并在3D点云中显示，以便进行规划检查。

4 总结和展望

将BIM技术用于铁路基础设施规划还处于起步阶段，但已取得不少成果。究竟BIM技术最终将发展到何种程度，是仅局限于个别解决方案，还是成为包罗万象的行动框架，这取决于德国铁路行业愿意且允许做出多大程度的改变。但无论如何，这种标准化举措都带来了创新的压力，这对传统工程师的工作（如铁路信号和安全技术领域）产生了明显影响。ProSig软件系统在这种改变中得到了发展和完善。目前，DB已经引入了新版本“ProSig 7 EPU”。与传统的“绘图驱动”版本相比，这种最新版本可以为有针对性的“数据驱动”流程提供更多支持。此外，基于BIM技术的铁路设施规划方式也得到了进一步发展，具体表现为：①使用2个或多个软件系统进行规划;②将这些软件系统集成到综合数据平台（CDE）中;③直接在数字孪生上进行跨专业的协作。

参考文献

[1] Silja Beck， TurgayTürker， Volker Uminski. Building Information Modeling in der Planung der Leit- und Sicherungstechnik[J]. Signal+Draht，2019（9）：6-11.

苏靖棋 编译

收稿日期 2020-01-04