李 純 張忠良

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 研究背景

數字孿生鐵路[1]是實現鐵路工程數字化的基礎，也是建設智能鐵路所依賴的數據環(huán)境。

數字孿生鐵路是集成多源數據而形成的動態(tài)信息模型，最終服務于工程項目全生命周期[2]。數字孿生鐵路的建設需要在設計之初就提前考慮施工和運維中各參建方、各專業(yè)對數據的要求。工程建設過程中參建方眾多、專業(yè)差異化大、需求各不相同。因此，數字孿生鐵路必須具備結構化、關聯性強的數據組織形式，易于維護、格式統(tǒng)一的數據框架，表達明確的數據語義定義。

傳統(tǒng)CAD設計成果數據相對離散，邏輯關聯性不高，信息存在大量冗余，無法滿足工程數字化的要求。

為解決工程數字化過程中對數據信息的要求，逐步發(fā)展出了各類標準來規(guī)范和統(tǒng)一數據存儲與交互[3]。其中，IFC(Industry Foundation Classes)統(tǒng)一了各專業(yè)的信息存儲，IFD(International Framework for Dictionaries)明確了各專業(yè)的表達，用IDM(Information Delivery Manual)[4]表達的MVD(Model View Definition)視圖模型定義約定了各專業(yè)、各階段的信息交互方式。按照這幾大類信息標準建設的面向對象的信息模型技術通常被稱之為BIM技術。因此，BIM技術誕生的根本目的是為了解決多源異構系統(tǒng)[5]之間的信息共享與交互，而基于BIM技術的三維協同設計體系是建設數字孿生鐵路的最佳方式，也是實現鐵路工程數字化應用的基礎。

2 協同設計體系的特點

基于BIM技術的協同設計是一種利用計算機網絡、數據庫、圖形圖像處理、數字引擎等信息化技術，結合多任務、多專業(yè)協同等設計和管理理念所形成的全新設計手段和設計方法，是從傳統(tǒng)的手工繪圖升級到計算機二維CAD輔助設計之后的又一次革新。協同設計的直接目的是為了幫助設計人員更高效地完成設計，同時又可將其價值推廣應用到建設管理一體化等更多方面。相較于傳統(tǒng)設計，協同設計具有以下幾個明顯的特征。

2.1 表現形式的三維可視化

在傳統(tǒng)設計中，受限于設計工具，設計人員所做的設計工作和構思是根據自己的空間想象理解，將設計意圖通過抽象、不完整的二維視圖進行表達。

而在BIM協同設計中，可以在真實三維空間中去表達、推敲設計意圖，以全要素BIM模型為載體去交付設計成果。

在直觀的全要素信息模型中，設計人員可以根據需要，按照一定的拓撲結構進行相應的設計工作，也可以依靠封裝的各類結構化設計資源并利用各種形式的參數化驅動來快速展現成果。

模型是信息的載體，全要素信息模型以更高的維度承載了更豐富的工程信息，表達更直觀，更加接近于真實的工程對象。

2.2 集中并行的協同工作方式

基于BIM技術的專業(yè)間協同設計，讓各專業(yè)在同一個信息模型上開展工作，使很多原本是串行的工作轉為并行，專業(yè)間的配合更多是依靠定制流程引擎去驅動全要素信息模型中數據層面的直接交互，各專業(yè)數據層面邏輯聯系更緊密，配合度更高，從而促進設計質量的提升。

同時，這種工作方式還能讓年輕的技術人員更快、更深入地了解相關專業(yè)的設計意圖和思路，掌握專業(yè)間如何配合、如何合理解決沖突等方法和技巧。

2.3 設計制造一體化集成

傳統(tǒng)二維設計下，工程建設的設計、分析、建造從數據層面來說是分離的，而三維設計軟件正逐步擁有CAE計算分析以及CAM加工制造的能力。BIM技術提供了從設計直接對接制造加工、安裝的能力，通過在項目全生命周期中的應用，大幅提升了設計成果的附加價值。例如BIM設計深化后可對接預制加工，包括合理安排場地和設備進出場路線，以及利用高精度測繪技術進行施工現場安裝管理，分析施工精度、現場工況等。

2.4 工程數字化移交

傳統(tǒng)設計交付的成果一般為二維圖紙及各種說明文件。

工程數字化移交的成果需滿足綜合展示、工程精準算量、仿真模擬分析、建管一體化等全生命周期各個方面的應用。移交成果除了包含必備的全要素信息模型、文檔、說明文件之外，還需要包含專業(yè)內及專業(yè)間各設計要素的邏輯關系、成果版本之間的關系等信息。

3 企業(yè)級協同設計標準研究

鐵路BIM標準在標準體系上繼承了國家BIM標準，對于國家BIM標準已經覆蓋的專業(yè)領域內容可直接引用，同時兼容國際標準，并包含符合中國鐵路特點的擴展。

從體系框架的角度來看，可分為數據標準和應用標準兩大部分，數據標準是面向IT工具的技術規(guī)則，應用標準是數據標準應用于特定行業(yè)的實施規(guī)則。

與協同設計體系建設有關的數據標準包括信息語義標準、數據存儲標準、信息傳遞標準。其中，信息語義標準包括鐵路工程信息模型數據字典和鐵路工程信息模型分類編碼標準[6]。

應用標準包括設計應用標準、施工應用標準、建管應用標準、運維應用標準、企業(yè)標準[7]。

在具體項目實施時，鐵路設計企業(yè)需要根據自己的設計習慣和設計特點，在繼承這些行業(yè)標準的基礎上進行重新定制和擴展。

3.1 數據存儲與交互標準的統(tǒng)一

數據交互和協同效率一直是協同工作面對的關鍵性問題[8]，BIM提供了中央集成的全要素信息模型，可以方便使用各方做信息交互。然而，各類軟件采用的數據格式并不相同，這為數據交互制造了不少困難。目前存在的多種交互方式(如數據庫、模型本地交互等)在協作過程中數據冗余較大，很難支持未來BIM面臨的大數據環(huán)境。

工業(yè)基礎類(IFC)數據標準是BSI(building SMART International)標準體系的核心，基于IFC子模型提取算法的協同是目前較好的一種解決途徑[9]。參建各方根據自身的數據要求對BIM模型進行提取，同時可以對子模型版本進行有效管理，建設針對不同子模型與全要素信息模型的數據同步、版本管理[10]、模型同步機制，使得子模型之間可達到高效的數據協同。

鐵路BIM標準是在IFC4.1標準基礎上擴展的鐵路工程內容[11]。在京張BIM項目實施過程中，對IFC標準進行了一定程度的驗證和擴展：根據需求分析將鐵路專業(yè)元素映射到IFC，理清需創(chuàng)建的信息模型和既有IFC模型的清單，采用UML(Unified Modeling Language)定義新增的鐵路工程對象模型。

最后，從概念模型生成最終擴展后的IFC標準模式文件(EXPRESS，XSD)，完成在軟件中的部署標準。IFC的擴展工作需要軟件廠商開放對應接口才能實現。

3.2 數據表達方式的統(tǒng)一

為實現各專業(yè)數據層面的協同，需要制定語義表達標準，準確描述各專業(yè)、各層級的信息及邏輯關系。

數據語義標準通過數據字典和分類編碼實現。分類編碼標準劃分方式首先采用面分法，繼而采用線分法，主要內容包括諸如鐵路工程階段表、組織角色表、產品表、信息模型分類表、信息模型編碼表、專業(yè)領域表、工藝表、工法表、材料表、屬性表、地理信息表等分類表。

這種編碼方式雖然大而全，但存在數據冗余，在工程實際應用時造成諸多不便。因此，在實際應用中，需要結合企業(yè)需求，繼承并擴展企業(yè)級全專業(yè)數據字典，并映射到鐵路BIM編碼體系(如圖1所示)。

CEC編碼項目幾何信息非幾何信息IFD編碼12-01接觸網 工點信息(車站或區(qū)間)、懸掛類型53-15 70 0012-01 01基礎及拉線 12-01 01 01基礎 53-01 00 00 12-01 01 01 01支柱基礎尺寸信息型號、材質、力學參數、項目屬性(支柱號、錨段號、側面限界、里程信息等)、參考圖53-01 40 0012-01 01 01 02拉線基礎尺寸信息型號、材質、力學參數、項目屬性(支柱號、錨段號、里程信息等)、參考圖53-01 60 0012-01 01 02拉線 53-01 50 0012-01 01 02 01單拉線 型號、材質、項目屬性(支柱號、錨段號等)、參考圖53-01 50 10 12-01 01 02 02雙拉線 型號、材質、項目屬性(支柱號、錨段號等)、參考圖53-01 50 20 12-01 01 03預埋件 類型、材質53-14 40 5012-01 01 03 01化學錨栓錨桿長度類型、型號、力學參數53-12 40 55 1012-01 01 03 02預埋槽道尺寸信息類型、型號、力學參數53-12 40 55 20

圖1 數據字典

3.3 數據交互方式的統(tǒng)一

為確保各方數據交互的高效，BIM技術提供了相應的數據交互標準。從設計院角度來說，關鍵是要對專業(yè)內及專業(yè)間數據交互全過程進行統(tǒng)籌，并實現標準化建設。

數據傳遞標準可分為兩類：一類是與特定數據交互場景相關的數據傳遞標準。另一類是與傳統(tǒng)工程建設各階段相對應，以交付滿足規(guī)定要求的成果為目的的信息模型交付精度標準。

從軟件研發(fā)角度看，MVD從數據流實現的角度定義了IFC數據信息如何在不同的應用軟件間進行數據交換，是IFC數據模型的子集，具體來說是根據不同應用場景的特點，通過定義流程圖和交換需求并將其映射到信息模型，編制相應的數據傳遞標準。

MVD通過IDM(Information delivery manual)來表達，IDM中的process map一般采用面向過程的BPMN(Business Process Modeling and Notation)建模語言來表達[12]。

BPMN的基本組成元素(如圖2)包括：泳池(Swimming Pool)、泳道(Swimming Lane)、流對象(Flow Objects)、連接對象(Connecting Objects)[13]。

圖2 BPMN基本組成元素

IDM中交換需求部分以數據結構體的形式表達。該結構體是信息的集合，包含交互目的和內容。不同類型的結構體可根據其特點，采用不同的方式進行描述。企業(yè)應結合自己的工作特點制定各專業(yè)的數據交互流程，規(guī)范各專業(yè)數據交互的節(jié)點和內容。

3.4 管理體系建設

技術的發(fā)展與制度的支撐相輔相成，三維協同設計對管理提出了更高的要求。要想完全發(fā)揮三維協同設計的優(yōu)勢，除了需要制定上述技術標準之外，還應形成對應的質量、管理體系來確保技術的順利推進。

4 協同設計體系建設

協同體系建設的根本目標是搭建一個數據生產環(huán)境，能讓各專業(yè)在統(tǒng)一的工作空間內，采用統(tǒng)一的設計標準，調用統(tǒng)一的設計資源，按照統(tǒng)一的數據流引擎，使用統(tǒng)一的數據框架來生產滿足鐵路BIM聯盟相關標準的全專業(yè)、全要素孿生數字工程[14-17]。同時，這條數字孿生工程必須具備動態(tài)、可感知的特性，才能在工程全生命周期的應用中根據需求的變化提供易于維護的數據基礎。

京張BIM協同設計體系主要包括：各專業(yè)協同設計軟件、能集成各專業(yè)軟件及進行工作環(huán)境托管的協同平臺、滿足設計數據應用需求的多源數據融合應用平臺。

4.1 協同設計平臺建設

設計協同平臺的主要功能是面向設計單位的設計過程管理和工程設計數據管理，從設計資源管理、過程協同管理、設計數據管理、設計變更管理等方面，實現基于項目的資源共享、設計文件全過程管理和協同工作。在設計協同管理的工作模式下，所有過程的相關信息都記錄在案，相關數據圖表都可以查詢統(tǒng)計。

(1)平臺建設整體架構

協同設計平臺搭建的主要工作內容包含系統(tǒng)級管理、文件級管理、構件級管理三個層次(如圖3所示)。

圖3 協同設計平臺搭建的主要工作內容

①協同設計平臺系統(tǒng)級管理

系統(tǒng)級管理是協同設計平臺的核心內容。該層級管理的目的是確定組織結構關系、權限，并建立設計文件流轉通道，規(guī)范設計操作流程，建立統(tǒng)一的設計文件模版等。

②協同設計平臺文件級管理

文件級管理是最基本的項目管理層級，主要內容包括項目結構管理、設計單元分解及編碼、模型文件編碼及裝配關系維護等。

③協同設計平臺特征級管理

特征級管理是協同設計文件級管理的延伸。特征管理的對象是各專業(yè)最基本的設計元素，通過既有設計資源封裝、參數化定制等方法，對各專業(yè)基本設計要素進行標準化管理，對設計邏輯進行梳理并在計算機中重構。

以隧道專業(yè)為例，通過提取設計特征，梳理設計中的邏輯關系來建立具有幾何約束的參數化斷面，結合影響隧道設計的外部信息(如圍巖等級等)及影響方式，利用參數化技術封裝成一個基礎斷面類，并由協同平臺統(tǒng)一分類托管。使用過程中，通過獲取其他專業(yè)的交互信息，驅動本專業(yè)模型中包括初支二襯厚度、仰拱半徑等各個參數的生成，形成實例化隧道斷面，并沿線路批量布置，最后讀取線路三維空間曲線，生成隧道實體(如圖4、圖5所示)。

圖4 二維約束隧道參數化斷面

圖5 圍巖等級參數驅動實例化斷面生成

(2)工作環(huán)境建設

工作環(huán)境的管理是BIM協同設計的核心部分，通過建立各個專業(yè)的數據集，定制不同層級的工作環(huán)境，確保各專業(yè)人員使用的都是標準統(tǒng)一的工作環(huán)境，避免了以往二維設計中可能存在的標準不一致的情況，使協同設計過程更加標準化(如圖6所示)。

圖6 工作環(huán)境六級管理

(3)工作內容管理

協同設計最主要的特征是多專業(yè)在同一個中央集中信息模型上并行開展工作。通過數據庫研發(fā)，可實現項目目錄層級劃分、各專業(yè)工作單元分解及命名、文件編碼、各級模型裝配等功能，基本可滿足平臺對工作內容的集中管理需求(如圖7、圖8所示)。

圖7 模型各專業(yè)裝配關系

圖8 設計單元、模型文件自動命名及編碼

(4)對工作流程的統(tǒng)一管理

工作流控制引擎采用數據驅動方式實現[18]，系統(tǒng)邏輯模型如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)數據庫邏輯模型

該模型描述了預定義的過程模型和運行過程中實例之間的對應關系。當對系統(tǒng)流程進行初始化時，系統(tǒng)會在數據庫中讀出流程所有的節(jié)點及弧，并根據它們的關系生成各類實例和記錄。

通過對數據庫的定制化研發(fā)，可創(chuàng)建用戶的工作流程和流程中的各個狀態(tài)，賦予用戶在各個狀態(tài)下的訪問權限，并且可以隨之生成相應的校審單。其中包括流程中各步驟的審批意見、歷史記錄和錯誤率、工作量的統(tǒng)計等。

(5)對設計軟件的集成管理

專業(yè)設計人員在工作中會使用到例如結構計算、受力分析、設計工具、辦公類等各類軟件，這就需要平臺有能夠高度集成工作中所使用軟件的能力。

4.2 設計軟件研發(fā)

基于BIM技術的協同設計本質上是將各專業(yè)內及各專業(yè)間的內在邏輯關系抽象出來，然后利用相關的計算機技術對其進行表述，得到參數化模型[19]。在參數模型中，各個組件之間的聯系是動態(tài)的，任意輸入條件的改變，都會影響到與其相關聯的組件，進而影響到整個復雜的系統(tǒng)，這也正是數字孿生鐵路具備動態(tài)、可感知特性的原因。

BIM設計軟件的研發(fā)其實就是設計過程中各種邏輯關系的外化，也就是計算機語言化過程。 因此，基于BIM技術的協同設計軟件研發(fā)是一個集合管理、專業(yè)設計、計算機IT技術、數學的綜合工作。

(1)基本功能研發(fā)

各專業(yè)BIM軟件的研發(fā)目標并非只是建設包含幾何外觀與各類業(yè)務信息的模型表達，而是包含核心設計邏輯，內嵌專業(yè)規(guī)范要求、設計流程、工作習慣，滿足各專業(yè)差異化需求的數據結構、計算分析工具、管理接口等。其中，BIM設計軟件基本功能的研發(fā)主要針對全專業(yè)整體需求開展。例如結構化非幾何屬性附加、提供基于模型表達精度標準的非幾何屬性管理模塊等(如圖10、圖11所示)。

圖10 模型非幾何屬性附加

圖11 基于專業(yè)語義分類編碼的模型精細化管理

(2)專業(yè)設計工具研發(fā)

協同設計是一個動態(tài)、關聯的過程。邏輯關系是協同設計的核心和本質。一個參數化模型的建立過程實際上就是對設計中各種邏輯進行梳理并在計算機中重構的過程。例如：路基專業(yè)通過對特征元素進行約束形成斷面，再利用坡腳、塹頂等關鍵點與地形信息創(chuàng)建關系，利用參數驅動實現路基隨地形的變化。因此，BIM軟件的研發(fā)工作主要由數據結構封裝及算法實現兩部分組成，這也符合BIM面向對象的技術特點。

具體研發(fā)過程中還要考慮各專業(yè)差異化的需求，選擇合適的研發(fā)路線。

數據需求的差異化：如測繪和地質專業(yè)需要大體量數據的承載能力，信號專業(yè)需要邏輯表達、分析能力，軌道專業(yè)需要對冗余數據的優(yōu)化存儲能力等。具體研發(fā)時就需要通過合適的圖形圖像處理技術、數據封裝方法及算法來實現。

交付需求的差異化：相較于二維成果交付，很多專業(yè)在三維交付時需考慮以往在二維設計中不需考慮的問題。例如接觸網專業(yè)，原二維設計成果中交付的接觸網平面布置圖、腕臂裝配、設備安裝圖等僅以標準圖形式提供，再附帶裝配原則即可。三維設計完全不同，需要全面考慮現場實際情況，逐個計算接觸網裝配體的幾何尺寸及相對位置關系，并沿線路布置完成整體裝配。最后還要完成接觸網導線、承力索、整體吊弦等計算及完整三維模型的生成(如圖12、圖13所示)。

圖12 接觸網BIM軟件(腕臂裝配)

圖13 接觸網BIM軟件(整體布置)

傳統(tǒng)設計過程中，設計師通過重復性的繪圖工作來實現設計中各因素之間不變的邏輯關系。協同設計使設計工作由注重結果轉變?yōu)閺娬{過程，使動態(tài)性、交互性重新回歸設計本質之中。

4.3 多源數據融合應用

數字孿生工程不僅包含各專業(yè)的BIM信息模型，同時還包括周邊環(huán)境信息。要真正實現工程數字化應用，就必須解決多源數據融合的問題，多源數據以BIM和GIS兩大類為主。GIS提供專業(yè)空間查詢分析能力及宏觀地理環(huán)境基礎，可深度挖掘 BIM 的應用價值[20]。同時，BIM 彌補了三維 GIS缺乏精準工程信息模型的空白，兩者的融合能夠讓數字孿生工程從宏觀走向微觀，從室外進入室內[21]。然而，BIM和GIS數據的存儲格式和表達方式都有很大區(qū)別，兩者的融合和應用已成為學術界和產業(yè)界研究的熱點。目前，主要有兩種解決方案：一是利用工業(yè)基礎類和城市地理標記語言為兩者數據集成提供基礎[22-23]。二是通過中間數據格式進行轉換集成。這兩種方式都需要在鐵路BIM標準框架內做大量有關投影變換、數據組織、標準集成、模型轉換渲染等方面的研發(fā)工作(如圖14所示)。

圖14 基于鐵路BIM標準的多源數據融合分析平臺

5 結束語

鐵路勘察設計工作涉及區(qū)域廣、參與專業(yè)多，且各專業(yè)都有其獨特的設計需求和方法，也都有各自獨特的數據特點，專業(yè)間業(yè)務接口復雜、數據交互頻繁、協調難度大。

針對鐵路協同設計工作開展的難點，主要研究了如何在BIM標準體系框架內，充分考慮鐵路各專業(yè)的差異性，通過建設協同設計平臺，研發(fā)各專業(yè)協同設計軟件及多源數據融合分析平臺來建設鐵路協同設計體系，為工程數字化建設提供數據結構組織有序、易于維護、動態(tài)可感知的數字孿生工程，同時也為勘察設計企業(yè)拓展工程全生命周期業(yè)務提供可靠的技術基礎。