徐效寧 汪 洋 王 菲 萬 林

(中國鐵道科學研究院集團有限公司， 北京 100081)

信號系統(tǒng)作為高速鐵路的重要組成部分，對保證行車安全起著至關重要的作用。我國高速鐵路在開通運營前，均需采用試驗列車在實際運行狀態(tài)下對線路的信號系統(tǒng)進行動態(tài)檢測，這稱為高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試[1]。由于信號系統(tǒng)高安全完整性等級(SIL)的要求，該項工作通常由獨立第三方進行，這有利于保證測試結果的客觀性，但也易造成測試與線路設計施工之間的脫節(jié)，給測試發(fā)現(xiàn)問題帶來一定的困難。

近年來，建筑信息模型(BIM)技術因其能為工程項目方案優(yōu)化和科學決策提供依據(jù)，提高工程質量、控制建設成本、保障運營安全等諸多優(yōu)勢在工程建設領域得到廣泛認可和應用[2-3]。BIM技術能將工程項目的各元素和相關信息建立為一個統(tǒng)一信息模型，從而實現(xiàn)信息共享，這個特點為解決信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試與線路設計施工脫節(jié)問題提供了一種思路。但BIM技術主要面對工程建設領域，如何為高速鐵路信號這樣一個復雜控制系統(tǒng)進行BIM建模是一個技術難點。本文從聯(lián)調聯(lián)試的角度，利用BIM技術對高速鐵路信號系統(tǒng)進行建模，并研究如何將模型應用于信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試的工作中。

1 高速鐵路信號系統(tǒng)BIM建模

1.1 BIM技術簡介

建筑信息模型是指在建設工程及設施全生命期內，對其物理和各種特性進行綜合的數(shù)字化表達。BIM將建筑工程項目中各個單一的物體或構件作為基本元素，并將描述這種基本元素的物理特性、幾何數(shù)據(jù)、施工要求等相關的信息有機地組織起來，建立一個數(shù)據(jù)化、信息化的三維建筑模型，作為整個項目的信息模型。這個信息模型可以為項目的不同階段、不同項目參與方之間搭建信息交流與共享的平臺，減少因信息交流不暢造成的損失。近年來，BIM技術已應用于高速鐵路信號系統(tǒng)設計及數(shù)據(jù)管理中[4-6]。

高速鐵路信號系統(tǒng)作為一個復雜的控制系統(tǒng)，很難用BIM技術對系統(tǒng)內部的工作原理進行建模。實際上，信號系統(tǒng)內部工作原理的建模對于聯(lián)調聯(lián)試的意義也并不是很大。信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試的目的是驗證系統(tǒng)功能和設備狀態(tài)，而不是它的實現(xiàn)細節(jié)。例如，對于某一限速區(qū)段，聯(lián)調聯(lián)試需驗證信號系統(tǒng)能否保證列車在該區(qū)段不會超速，而不是關注系統(tǒng)中車載設備在收到地面設備的數(shù)據(jù)后，內部邏輯如何去實現(xiàn)。基于這個思路，本章首先分析高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試的關注點，然后將信號系統(tǒng)中測試相關信息進行數(shù)字化表達，建立用于聯(lián)調聯(lián)試的信號系統(tǒng)BIM模型。

1.2 高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試分析

高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試的檢測項目包括列控系統(tǒng)功能，聯(lián)鎖系統(tǒng)、調度集中(CTC)系統(tǒng)的相關功能，列車自動運行系統(tǒng)(ATO)的相關功能，信號軌旁設施狀態(tài)等[7-8]。本文以列控系統(tǒng)功能檢測為例，研究BIM技術在高速鐵路信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試中的應用。目前，對于新建線路，列控系統(tǒng)功能檢測主要是利用不同型號的車載設備作為標尺，通過設置不同的測試條件(進路、臨時限速等)，然后根據(jù)車載設備的輸出結果來驗證系統(tǒng)功能的正確性，因此列控系統(tǒng)的聯(lián)調聯(lián)試可以看作是一種黑盒測試。根據(jù)這個特性，聯(lián)調聯(lián)試只需對列控系統(tǒng)的輸入和輸出進行BIM建模。

從聯(lián)調聯(lián)試的角度，列控系統(tǒng)涉及到的數(shù)據(jù)可以分為4層，分別為線路真實列控數(shù)據(jù)、線路設計列控數(shù)據(jù)、列控地面設備輸出數(shù)據(jù)和車載設備執(zhí)行結果，如圖1所示。根據(jù)聯(lián)調聯(lián)試的流程，測試方不可能實測得到真實的線路布置和信號設備數(shù)據(jù)，所以測試方是線路設計數(shù)據(jù)作為依據(jù)，其它數(shù)據(jù)(線路真實列控數(shù)據(jù)、列控地面設備輸出數(shù)據(jù)和列控車載設備執(zhí)行結果)均需在試驗過程中獲取。

圖1 從聯(lián)調聯(lián)試角度列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分層

線路設計列控數(shù)據(jù)來自集成商提供的列控工程數(shù)據(jù)，內容包括：車站信息表、正線信號數(shù)據(jù)表、應答器位置表、列車進路數(shù)據(jù)表、線路坡度表、線路速度表、橋梁隧道信息表、過分相信息表、異物侵限信息表、道岔信息表、站臺側信息表等。

根據(jù)聯(lián)調聯(lián)試的經(jīng)驗，并不是所有的問題都能通過車載設備的執(zhí)行結果反映出來，因此必須對每一層數(shù)據(jù)都要進行驗證。圖2例示了一種不能由車載設備反應的地面數(shù)據(jù)錯誤類型。線路C點的實際限速為80 km/h，A點應答器錯誤的描述了C點限速為120 km/h，B點應答器則正確描述了該限速。在正常的走行過程中，由于列車收到B點應答器后會替換A點應答器的數(shù)據(jù)，所以在C點會執(zhí)行正確的80 km/h限速。但是，一旦運營過程中B點應答器丟失，C點將錯誤的執(zhí)行120 km/h限速，這就存在著一個安全隱患。由于現(xiàn)場測試條件的限制，不可能對每一個應答器都做丟失測試(故障試驗)，所以僅靠車載設備的執(zhí)行結果不能驗證所有地面數(shù)據(jù)的正確性。而且，這個示例只是描述了一種明顯的線路限速錯誤，而同樣影響行車安全的坡度、信號機類型等信息描述錯誤則更不易發(fā)現(xiàn)。

圖2 一種不能由車載設備執(zhí)行結果反映的地面數(shù)據(jù)錯誤類型

1.3 高速鐵路信號系統(tǒng)的基礎BIM模型

BIM在列控系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試中的應用，主要是利用BIM技術中的“碰撞檢測”。碰撞檢測是利用BIM模型可視化的特點，在設計階段可以及時發(fā)現(xiàn)設計漏洞反饋給設計人員，提早解決實際問題。聯(lián)調聯(lián)試階段列控系統(tǒng)的實際設備布置不存在碰撞的問題，但可以將列控系統(tǒng)不同層次數(shù)據(jù)的一致性比較，看作是一種“碰撞檢測”。

按照這個思想，測試方可建立列控系統(tǒng)的BIM基礎模型。在測試開始前，測試方以線路設計數(shù)據(jù)(列控工程數(shù)據(jù))作為依據(jù)，可以建立1個三維與現(xiàn)場完全相同的線路圖，各種列控數(shù)據(jù)都以立體的方式展示。在這里，為了簡化處理，可以將這個模型進行抽象，即將線路作為1個二維平面圖，將列控系統(tǒng)相關的數(shù)據(jù)放在第三維平面上，這樣就構成1個與現(xiàn)實不同的“三維圖形”。具體步驟如下：

(1)根據(jù)工程數(shù)據(jù)，生成1個二維的車站和區(qū)間線路平面圖。

(2)在平面布置圖的基礎上，將列控工程數(shù)據(jù)中的線路速度、軌道區(qū)段、應答器、信號點等信息作為第三維度信息，按照不同的高度分別描述在對應線路的正上方，構成三維的列控系統(tǒng)BIM基礎模型。

2 BIM模型在聯(lián)調聯(lián)試中的應用

2.1 基于BIM模型的直觀驗證

BIM基礎模型可用于列控系統(tǒng)的直觀驗證。測試方將試驗得到的車載設備記錄數(shù)據(jù)，導入到BIM基礎模型，將記錄數(shù)據(jù)中的相關信息添加到線路的正上方，就可以直觀的與列控工程數(shù)據(jù)進行比較。

車載設備記錄數(shù)據(jù)可以析出線路真實信號數(shù)據(jù)、列控地面設備輸出數(shù)據(jù)和車載設備執(zhí)行結果，數(shù)據(jù)中包含的具體內容如下：

(1)線路真實列控數(shù)據(jù)：應答器的實際位置、軌道區(qū)段的長度和載頻。

(2)列控地面設備輸出數(shù)據(jù)：應答器報文描述的線路限速、線路坡度、應答器鏈接距離、軌道區(qū)段長度和載頻、分相信息、橋梁隧道位置等；無線閉塞中心(RBC)描述的線路限速、線路坡度、應答器鏈接距離、軌道區(qū)段長度和載頻、分相信息、橋梁隧道位置等。

(3)列控車載設備執(zhí)行結果：車載設備計算的限速、輸出過分相命令的位置、DMI顯示的線路坡度、橋梁隧道位置等信息。

測試方將這些數(shù)據(jù)根據(jù)不同的類型，分層導入到BIM基礎模型中，可以從圖上直接進行數(shù)據(jù)比較。這種方式將車載記錄數(shù)據(jù)根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型分成不同的高度，然后按列車走行路徑展開，這樣與工程數(shù)據(jù)一一對應，非常直觀，便于發(fā)現(xiàn)問題。

2.2 基于BIM模型的軟件實現(xiàn)

當高速鐵路線路里程較長時，由于人工操作的不可靠性，通過BIM模型直接驗證數(shù)據(jù)可能存在一定的漏查情況。另一個不能忽略的現(xiàn)實問題是，目前高鐵四電系統(tǒng)集成階段大都沒有建立列控系統(tǒng)的BIM基礎模型，這種情況下，測試方需要專門開發(fā)BIM基礎模型，工作量比較大。

為此，本文基于BIM的思想，對2.1節(jié)描述的過程進行抽象，提出一種軟件設計思路。軟件流程如圖3所示，基本思路為：

圖3 基于BIM模型的軟件流程圖

(1)導入線路的列控工程數(shù)據(jù)，構建列控系統(tǒng)的線路數(shù)據(jù)庫。

(2)根據(jù)進路排列情況、臨時限速設置等測試條件，生成列車所走行進路的線路數(shù)據(jù)表。

(3)導入車載設備的測試記錄數(shù)據(jù)，與線路數(shù)據(jù)表進行一致性比較。

(4)待所有測試序列比較完成后，進行完整性檢查，驗證測試序列是否覆蓋所有的進路、測試特征，并生成總測試報告。

3 總結

目前，我國信號系統(tǒng)和列控設備日漸成熟穩(wěn)定，信號系統(tǒng)聯(lián)調聯(lián)試主要工作就是數(shù)據(jù)的驗證，而不再是信號設備本身的測試。BIM技術的引入，可以更好的為數(shù)據(jù)驗證工作提供技術支持。

隨著越來越多的鐵路工程建設項目開始引入BIM，若四電系統(tǒng)集成階段建立了信號系統(tǒng)的BIM模型，那么測試方只需在BIM模型的基礎上導入測試數(shù)據(jù)直接進行直觀的數(shù)據(jù)驗證即可，這也是BIM模型實現(xiàn)信息共享的初衷。