BIM技術在ZPW-2000無絕緣軌道電路中的應用研究

張乃心，楊 揚，張 瑞

（西南交通大學 信息科學與技術學院，成都 611756）

ZPW-2000無絕緣軌道電路為適應國內鐵道線路而產(chǎn)生，可實現(xiàn)列車站間自動追蹤，具有安全性高、傳輸長度長、可靠性高、性價比高及工程造價低等優(yōu)點[1]。建立ZPW-2000無絕緣軌道電路的建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling），在減少人為失誤造成的安全隱患的同時，也能夠減少對ZPW-2000無絕緣軌道電路進行定期人工維護工作所消耗的大量人力物力。

BIM技術于20世紀70年代起源于美國而后迅速席卷全球[2]，于30年后傳入中國[3]，在建筑、結構和機電管道等工程方面應用較廣。鐵路工程參考建筑領域提出與BIM技術相結合的設想[4]，國內學者對鐵路工程的風險分析、橋梁、隧道、客運服務等領域的BIM應用分別做了研究[5-8]。在鐵路信號領域，探索出BIM技術在信號設備數(shù)據(jù)管理中的應用[9]，并制定出了鐵路信號的BIM標準[10]?，F(xiàn)階段鐵路信號領域中BIM技術應用較少，極少會對鐵路信號系統(tǒng)中的子系統(tǒng)全生命周期進行工程上的應用。本文將BIM技術與ZPW-2000無絕緣軌道電路的全生命周期相結合，讀取華山北站至臨潼東站區(qū)間線路數(shù)據(jù)，用實例闡述BIM技術在ZPW-2000無絕緣軌道電路設計、施工及運行維護階段的運用。

1 故障樹建立

1.1 ZPW-2000無絕緣軌道電路組成

ZPW-2000無絕緣軌道電路由室內設備和室外設備組成。室內設備由發(fā)送器、防雷電纜模擬網(wǎng)盤、衰耗冗余控制器、接收器、通信盤、機柜等設備構成。室外部分由鋼軌線路、調諧單元、匹配變壓器、空芯線圈、補償電容器、SPT電纜等設備構成[11-13]。

1.2 軌道電路故障分析

失效模式及影響分析（FMEA，F(xiàn)ailure Mode and Effect Analysis）是設計階段研究失效影響的系統(tǒng)性方法[14]。搜索文獻及相關圖書中的故障數(shù)據(jù)[15-20]，再結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)及詢問相關人員后，將故障數(shù)據(jù)進行分析整理，對 ZPW-2000無絕緣軌道電路的故障影響進行FMEA分析，結果如表1所示。

表1 失效模式及影響分析結果

1.3 ZPW-2000無絕緣軌道電路故障樹建立

設定頂層事件為ZPW-2000無絕緣軌道電路系統(tǒng)故障。根據(jù)ZPW-2000無絕緣軌道電路系統(tǒng)結構及原理，確定導致頂層事件發(fā)生的時間分別為軌道電路紅光帶故障，信號機故障及改方失敗故障。利用FMEA分析結果[21]，建立故障樹模型，如圖1所示。

圖1 ZPW-2000無絕緣軌道電路故障樹模型

X1：調諧單元損壞；X2：補償電容損壞；X3：小軌斷軌；X4：送電通道斷路；X5：匹配變壓器斷路；X6：改方繼電器接觸不良；X7：長時間下雨；X8：除銹不及時；X9：絕緣墊板不合格，道砟電阻降低；X10：繼電器長期未動作接觸不良；X11：端子配線松動；X12：信號點燈電路室內室外接頭工藝不良；X13：改方電路條件電源未送電；X14：方向繼電器勵磁電壓調整較低；X15：鄰站間通信受干擾。

1.4 故障樹分析

設頂事件結構函數(shù)用P表示，軌道電路故障結構函數(shù)用P1表示，信號機故障結構函數(shù)用P2表示，改方失敗結構函數(shù)用P3表示。得到結構函數(shù)如下。

最小割集：{X2}{X11} {X13} {X8,X9}{X5} {X1} {X3} {X4}{X6} {X7} {X10}{X12} {X14} {X15}。

最小徑集：{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X10，X11，X12，X13，X14，X15}；{X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X9，X10，X11，X12，X13，X14，X15}。

其中，一階最小割集較多，比二階最小割集更為重要。從以上故障樹分析(FTA, Fault Tree Analysis)可以看出：ZPW-2000無絕緣軌道電路不發(fā)生故障的需要控制的基本事件較多，大多數(shù)基本事件都可以直接導致ZPW-2000無絕緣軌道電路發(fā)生故障。因此對于整個系統(tǒng)而言，建立統(tǒng)一的、直觀的、過程透明的故障管理體系十分必要?！帮w車”故障不滿足故障導向安全原則，要嚴重于紅光帶故障。

2 BIM模型建立

2.1 建立二維CAD模型

ZPW-2000無絕緣軌道電路可分為室內部分和室外部分，首先繪制二維CAD圖[22]，在二維基礎上生成三維模型。如圖2所示，為室內信號設備平面布置圖，信號管理樓層分為控制臺室、信號電源室、防雷分線室、信號機械室、信號計算機房。其中，ZPW-2000無絕緣軌道電路相關的移頻柜和綜合柜放置在信號機械室，通過防雷分線室接至室外軌道電路。

圖2 室內信號設備平面布置圖

2.2 建立三維Revit模型

根據(jù)上節(jié)描述的二維CAD圖，利用Revit軟件，建立三維BIM模型，包括信號機械室、移頻柜、綜合柜和室外軌道的三維模型。

2.3 故障事件的三維表達

建立3種故障影響及X1～X15共15個故障事件的三維表達模式，以軌道電路紅光帶、發(fā)送器損壞為例，三維表達模式如圖3、圖4所示。

圖3 軌道電路紅光帶

圖4 發(fā)送器損壞

3 全生命周期應用情況

BIM技術在ZPW-2000無絕緣軌道電路全生命中期中的應用可分為3個階段。

3.1 設計階段

在設計階段，利用Revit建立ZPW-2000無絕緣軌道電路的三維模型（包括室內部分和室外部分），以.fbx文件格式導入到unity3d中，通過程序生成ZPW-2000無絕緣軌道電路的室內外場景。本文通過Unity3d自帶的Instantiate（）函數(shù)在實參中調用Resources.Load（）加載信號數(shù)據(jù)表、長短鏈表和線路坡度表等，動態(tài)加載機柜模型的方式使程序具有更強的通用性，能減輕設計者工作量。以加載信號數(shù)據(jù)表為例：（1）通過讀取信號點信息生成站內綜合柜，每讀取到一個通過信號機數(shù)據(jù)生成一個BGY2-80型點燈隔離變壓器及6條電纜線，并在室外對應公里標處生成通過信號機；（2）通過讀取軌道區(qū)段數(shù)據(jù)生成移頻柜上的發(fā)送器和接收器，其中，下行區(qū)段生成的發(fā)送器接收器位于移頻柜上層，上行區(qū)段生成的發(fā)送器接收器位于下層；（3）在生成移頻柜的同時，在室外對應公里標處生成長度如表2所示的軌道電路。值得注意的是，由于電纜線數(shù)量過多，動態(tài)加載電纜線會導致畫面顯示不流暢，所以本文采取根據(jù)用戶需求查看相關電纜線連接情況的模式。

以表2中第1行信息為例：（1）判斷華山北站是否有空閑的移頻柜綜合柜，否則就生成新的空閑機柜；（2）讀取信號點類型，得到信號點類型為通過信號機，據(jù)此在室內綜合柜上生成點燈隔離變壓器、軌道繼電器及防雷模擬網(wǎng)絡盤，同時在室外K930+872處生成通過信號機；（3）在室外K930+872處為起始點生成長度為600 m的軌道，在室內移頻柜上生成對應發(fā)送器和接收器（由于絕緣節(jié)類型為電氣絕緣節(jié)，故不需在界面上生成可視的絕緣節(jié)）。

表2 鄭西線下行線正向信號數(shù)據(jù)表

3.2 施工階段

使用 Visual Studio 集成開發(fā)環(huán)境，對Revit進行二次開發(fā)。此外，還采用Unity進行施工模擬，Unity的動畫制作功能可將Revit模型的施工過程動態(tài)展現(xiàn)出來。Unity支持多種外部文件格式，可將Revit生成的.fbx格式導入unity中。本文通過Revit建立模型，導入到Unity實現(xiàn)施工過程模擬，包括室內設備的布線及室外設備的排列。

3.3 運維階段

通過設計通信協(xié)議，實現(xiàn)三維模型與集中軌旁模擬仿真系統(tǒng)的實時通信。運用在真實現(xiàn)場中，可變?yōu)榕c集中監(jiān)測系統(tǒng)進行實時通信。故障發(fā)生后，在三維模型中展示故障位置和故障實際效果，并將故障類型、故障原因、故障位置等信息進行存儲。圖5為9475AG軌道電路故障占用。故障的三維模擬將故障直觀形象地展現(xiàn)出來，有利于維護人員分析決策，減輕運行維護人員工作量并避免出現(xiàn)低級錯誤。利用BIM進行設備運維信息存儲，有利于實現(xiàn)鐵路信號設備資料管理信息化。

圖5 軌道電路故障占用

4 結束語

本文通過故障樹分析、Revit軟件建模等手段，分析得出了ZPW-2000無絕緣軌道電路主要故障影響有軌道電路，信號機和改方故障的結論；建立了X1～X15共15個故障事件的三維表達模式；實現(xiàn)了設計、施工及運維管理全生命周期的BIM建模。

在一段時間的運維后，可將新收集的故障作為反饋進一步完善模型。在現(xiàn)有研究的基礎上，實現(xiàn)列控中心和無線閉塞中心（RBC）等鐵路信號系統(tǒng)的其它子系統(tǒng)的BIM建模；進一步完善模型功能，使其適應學生教學或員工培訓的需求。