多尺度需求下的鐵路一張圖“宏-微”觀設計技術

韓元利

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司 線路與站場設計研究院，湖北武漢 430063）

0 引言

鐵路是一個大區域的線性工程，傳統鐵路設計主要是基于CAD的計算機輔助設計，將球面空間以近似的方式投影到平面上開展參照性設計，誤差不可避免。同時，鐵路工程數字化基本停留在可視化水平，缺乏貫穿工程全生命周期的數據組織、模型表達、工程管理與運營等核心資產建模，無法構成脈絡清晰的應用體系，限制了勘察設計行業的發展空間。究其原因，當前CAD/BIM單尺度勘察設計技術存在面向資產富集難以逾越的根本缺陷：（1）面向工程局部平面，空間零散，數據基礎無法統一；（2）缺乏空間布局設計，BIM設計沒有完全的空間自由度；（3）空間與尺度的分割，導致無法構建統一有機的一張圖數字生命體資產；（4）沒有數字鐵路資產這個核心紐帶，設計智能化與信息集成化缺乏依存的主體，協同與全生命周期應用體系難以建立。

在歷經10余年利用3D GIS開發三維選線設計系統[1]的基礎上，從空間尺度的認知出發，基于數字孿生鐵路大空間下大數據高效表達的技術需要，圍繞鐵路工程GIS+BIM多尺度建模、生產與表達的需要，提出一種面向未來鐵路一張圖的新型“宏-微”觀綜合設計技術手段。

1 尺度概念及海量大數據表達演變趨勢

尺度在很多行業中都是一個重要概念，通俗地理解是指準繩、分寸，是衡量事物的一種標準，最典型的情況是工程制圖中常用的比例尺與圖像存儲中的分辨率概念。以不同的尺度看事物，體現事物存在過程中一個視野狀態量，它并不代表事物的全部，尺度不同則描述事務的細膩豐度完全不同。鐵路工程設計中不同階段采用不同比例尺的勘察設計作業，就是基于構建鐵路事務的細膩豐度需要而逐步求精的。

在CAD/BIM這種設計系統中，制圖表達是基于數據文件的靜態表達，尺度的轉換主要取決于設計人員提供什么比例尺的設計圖。然而在GIS中，為了提供連續的多尺度高效表達機制，通過層次細節模型（LoD）動態表達技術來實現海量數據的按需表達，同時為這種表達機制匹配地提供多種尺度構成的金字塔數據來滿足按需表達的需要。例如，地圖導航中放大地圖與縮小地圖會呈現不同的地貌細節，實質上是不同尺度的多層數據的動態切換表達。概括起來，在CAD/BIM體系中，數據與表達是一一對應的單尺度約束關系，而在GIS系統中表達是動態的、數據是多尺度的，并沒有簡單的對應關系。

多尺度動態表達對海量數據的高效表達能力，是靜態表達難以企及的性能優勢，然而它對數據的多尺度構建要求卻難以適應實時的工程設計需要。以網絡地圖瓦片服務（WMTS）的四叉樹表達機制為例，需要針對不同尺度的地圖表達構建L0-Ln多層金字塔式冗余數據（見圖1）。

圖1 地理數據的多尺度金字塔結構示意圖

從各尺度數據生產來看，粗略數據基于精細數據圖層聚類演繹[2]生成：

式中：Li表示第i尺度層對應的數據；f表示它們之間的生產關系，基于遞歸法則，存在如下的衍生生產關系f'，其中Ln稱之為本體模型，也就是對象的完整形態實體：

由式2可知原始本體模型Ln決定了各個尺度的數據生產。對數字城市、實景模型以及BIM模型的動態表達也是如此，有了精細化的模型，就能通過預處理的方式得到其他尺度的數據（見圖2）[3]。

圖2 實體模型的多尺度生產與表達[3]

多尺度數據的生產衍生關系f'是預處理開展，還是在設計中實時生成，需要分不同的應用情形來科學選擇。

（1）以空間換時間。對于狀態穩定的本體（如人類生存的地球）模型Ln，如果主要發布目的限于提供表達效果時，以空間換時間是一種滿足大眾高頻訪問查詢的科學途徑。對高頻次服務訪問，更適宜以預處理的模式提前生產Li，從而避免服務超荷，代價是需要為Li的存放提供存儲空間，其驅動模型見圖3。

圖3 穩定性產品（如地理數據或實體模型）的多尺度驅動模型

（2）以效率換能力。如果是以設計、改造為主的對象加工，就不能通過預處理f'得到穩定狀態的Li，需要針對每一次變更操作執行f'，如數字地球上的三維選線建模、地理設計[4]就是這種應用情形，雖然表達性能受影響，但提高了表達數據的實時性更新能力。以F代表設計行為與表達效果之間的關聯關系，其驅動模型見圖4。

圖4 兼顧設計過程的動態產品多尺度驅動模型

在這個驅動鏈路中，實時響應變更的本體模型Ln是單尺度的，只有經過f'變換后，才形成多尺度的數據Li。因為設計與表達的實時關聯性，無法將f'過程剝離出來，從動作-效果看就是單一設計衍生出多尺度表達，實質構建了一種V=F(P)關系。F與f'的轉換關系實質是一致的，只是面向對象不同。

2 面向“宏-微”觀表達的鐵路工程設計手段

面向數字孿生[5]的未來鐵路設計技術手段，追求的目標是GIS+BIM數字資產在勘察、設計、建造、運維一張圖一體化作業體系。模型的設計來源并非單一，大區域地理環境只能來源于GIS，同時GIS上的地理設計與符號化表達機制承擔了對BIM模型的方位與姿態表達，而BIM設計建模確立了模型的具體結構形態。鐵路工程模型資產的多尺度生產與表達驅動模型及其優化見圖5。

圖5 鐵路工程模型資產的多尺度生產與表達驅動模型及其優化

在這個鏈路中，地理設計P1確立每個構件的位置與姿態，是一個分布模型而不是實體模型，對模型表達起定位定姿作用但對模型的形態與存儲不構成影響。因而完全可以用1條獨立的路徑直接面向表達進行傳導，沒有必要參與模型的構建與多尺度數據的生產存儲，從而形成優化的驅動路徑。實際上當前BIM的設計思想正是基源于此：以相對原點構建模型、可以自由定義的正北方向都體現了與方位、姿態脫離的設計思維。但鐵路工程不是建筑單體，是一系列單體構件模型在空間上的有序組合，因此對于一個完整的鐵路工程設計，更需要地理設計手段來統一協調構件集的關系與方位，以決定鐵路工程中地理設計與BIM設計相互依存的關系。了解地理設計的理念與必要性后，面向實時設計建模的GIS+BIM多尺度表達生成關系F的確立如下：

式中：P1的設計結果為模型的姿態量，獨立實現對表達的支持，不能也不必參與多尺度衍生；P2的設計結果為BIM模型實體，是多尺度衍生的主要對象，因此該表達式可進一步描述為：

F關系的確立可以通過模型化簡技術[2-3]構建，要求設計成果越精細、越豐富越好。鐵路工程模型的多尺度金字塔結構見圖6。在該金字塔結構的頂層，宏觀上的地理設計確立了下層每個BIM構件的方位與姿態，其是連續分布的矢量，可以面向各個尺度的模型表達輸送精確的位置姿態。而根據選線方案的設計依賴來看，研究空間越廣泛，研究方案則越全面，因此宏觀上會呈現向更宏觀區域拓展的趨勢，更需要跳出工程設計的空間限制[6]，依靠地理設計更新設計手段。

圖6 鐵路工程模型的多尺度金字塔結構

在金字塔結構的底層，BIM設計面向更精細化的尺度發展，也會導致另一個問題衍生，即存儲體量越來越大。多尺度設計表達體系的優點就是當體量增大時，可以通過提升尺度級別輕松化解，如原來面向部件級的建模，可能需要更深入一步面向構件級、甚至零件級推進，這也更符合當前越來越細化的社會化、工廠化分工協作模式演變。

當確立好“宏-微”觀2個尺度的模型后，中間層級的任何尺度模型都可通過成熟的空間分析手段自動實現生產進而表達，即：

對模型的化簡而言，衍生關系F可采用參考文獻[4]的技術來生成各尺度模型。而對許多中間尺度的設計圖、施工圖等不同類型的成果生成，衍生關系F也可通過兩極成果插值、聚類、演繹、散列、泛化、衍生等空間推理手段自動生成[7-8]。只要把握了宏-微觀2個極點狀態，事實上就把握住了數字資產的完整形態，中間產品都可通過計算機動態生成來滿足各方面的需要，包括人員審圖、存檔等需要。相反，如果把握不住2個極點層面，成果設計就難以形成一個閉合的方案集，方案自然也不穩定，任何推導、輸出都沒有依據與意義。因此，這個體系的尺度深度會像不斷膨脹的宇宙一樣向兩極深化，宏觀的更宏觀、微觀的更微觀，無論怎樣去拓展這個體系深度，多尺度的機制都能很好地拓展容納并保持勘察設計體系的穩定。

按照上述思想，L0層級來自另一種設計手段與產品，帶來的疑問是：與BIM的衍生產品處于一個金字塔體系是否恰當。實際上，當每個模型無限簡化后，也就可以簡化成1條細小的線段或是有方向的向量點，這正好與地理設計的成果完全吻合。從這個角度理解，“宏-微”觀結合設計也是一脈相通的科學結合有機體。

3 中間尺度CAD設計的尷尬地位與工程空間的褪化趨勢

（1）中間尺度CAD設計產品難以用于構建大數據多尺度數字鐵路資產。如前所述，現行鐵路工程設計模型是在中間比例尺開展的不同尺度設計，記Ls為不同比例尺下的設計成果，其中S表示1∶S的設計成果。前后設計成果可能有：

這些散列的尺度層，只是本體模型Ln的1個層面，很難綜合起來形成最終的本體模型并為多尺度表達提供支持能力，原因如下：（1）缺乏三維的支持能力；（2）碎片化的分帶空間讓它們很難構成一個統一的有機體；（3）沒有空間約束的BIM設計，即使鐵路針對BIM建模的LoD100、LoD200、……、LoD500實施標準[9]，也無法建立起Ln的完整實體，這是因為當前BIM建模還沒有建立起地理坐標系與用戶坐標系之間嚴密的約束關系。不同尺度下的空間過渡流程見圖7。

圖7 不同尺度下的空間過渡流程

由于傳統勘察設計完全基于人的設計思維與技術路線構建，各個層級的空間觀沒有建立自動轉換與映射機制，從地理空間下測量取得的各種空間數據通過人的參與轉換成為工程數據，導致很多設計成果在丟失轉換參數后成為游離的、失去空間參照的沒有地理依附的成果，但好在傳統工程設計分帶區域較長，一般至少有幾十公里的區域，依據工程人員的地理感知能力，將游離的工程設計成果納入正確的度帶范圍是比較容易判斷把握的。

當前BIM建模延續了工程設計空間，但頂點不再有統一的工程坐標約束，而只能依賴用戶坐標原點進行定位，這是BIM的基本特性。首先各個構件的原點坐標如何統一定義本身缺乏約束，其次每個構件事實上構成了1個獨立的用戶坐標空間，也就是空間更加碎片化，構建出來的大量BIM模型很難再依靠工程人員的地理感知力歸集到正確的地理空間從而還原本體的鐵路模型Ln。

雖然BIM建模人員琢磨出利用自定義基點來指定BIM模型的位置，但其實這不符合BIM工廠化設計與加工的思路，BIM設計平臺的主旨是脫離環境的盲盒生產方式。首先，如果基點是一個被看重的定義參數，Re?vit等BIM建模平臺就不會通過人的自定義去設置它，相反應該成為常規參數存在；其次，這種自定義基點難以向非BIM模型傳導，也難以在多尺度生產中進行位置傳承，額外的定義配備也增加了設計人員的工作量，而且也不會被任何平臺自動感知方位基點，因此沒有生命力可言。

（2）方位設計與結構設計獨立開展大空間工程設計是構建大數據資產的必然要求。理想的解決方案是，鐵路各個構件模型的設計與方位、姿態完全獨立，基于一定的建模規則直接在BIM用戶坐標空間中構建，如三維選線設計系統中統一以構件中心基線軌面點為原點，以前進方向為X正軸，Z軸垂直向上，以右手坐標系構建BIM建模用戶坐標系。BIM模型本身無須附帶定位定姿參數，更無須向外傳導，同時還能夠實現標件模型的大規模復用，這也正是開展BIM構件化生產的重要意義。

達成這種理想的設計方式其實很簡單，剝離中間尺度的CAD輔助設計技術體系，讓地理設計直接與BIM設計進行關聯并為每個BIM部件、構件、零件提供坐標與姿態表達支持。參考文獻[9]對剝離工程空間后的空間定位精度保障提供了有力的推理論證，事實也證明這種模式組織起的碎片化模型比BIM拼湊起來的模型精度要高。脫離工程空間設計的地理空間+BIM用戶空間配準建模效果見圖8。

圖8 脫離工程空間設計的地理空間+BIM用戶空間配準建模效果

在圖8的三維選線設計系統線路建模中，所有構件的姿態直接來源于地理設計形成的軌面線，構件長度為1～300 m，由大量碎片化構件實現了全線的連續表達，均采用用戶坐標構建與表達，由圖中A處的新線與既有線的門式墩穿插效果，以及軌道板（<7 m的碎片化構件）平順鏈接的效果，都可以驗證該體系的科學性與精確性。

剔除工程空間束縛下的CAD輔助設計技術體系，不僅讓BIM徹底地面向工廠化開啟了方便之門，讓構件設計更靈活便利，釋放BIM作為構件級設計產品的潛能，也簡化了勘察設計作業流程，讓結構設計與空間布局設計分工更明晰、更單純，更有利于實現協同作業體系建立以及挖掘自動化、智能化技術手段。

4 結論

構建“宏-微”觀兩級演化的勘察設計體系，實際上是將復雜的空間工程與結構工程有機地結合起來，讓做空間布局設計的專注于做空間布局設計，讓做結構設計的專注于做結構設計，空間布局直接作用于表達，不參與結構化設計，不對結構設計造成羈絆，分工更明晰、更單純，更有利于構建“機-機”協同作業體系，更有利于在各個層面充分挖掘自動化、智能化設計手段。對發展“宏-微”觀勘察設計的優勢總結如下：

（1）宏觀上發展地理設計，可以充分利用豐富的地理信息及強大的空間分析手段實現智能化方案的決策，如基于地理設計的三維選線設計系統，能提供包括自動拉坡、自動橋隧命名、自動梳流等大量智能自動化能力，可為宏觀上發展智能化設計提供參照。

（2）微觀上發展以參數化驅動的BIM設計，非常有益于對設計樣板、標準等進行算法實現，讓設計更簡單，質量更有保證，設計效率比面向點、線、面的CAD設計方式顯著提高，按默認參數或智能化配備的參數化，也為BIM的自動化建模提供了更高的效率途徑。實現設計的實體信息化、結構化，也有利于面向工廠化生產、加工，實現構件的規模化、標準化生產與全周期信息化管理。空間布局設計與結構設計實現松耦合，在不同層面都能基于各自平臺優勢提供自動化設計能力，通過智能化、參數化強化人的決策能力而減少人的輔助設計事務。

（3）2種設計手段的融合，不是一種復雜化，而是空間工程與結構工程的優化組合，可簡化勘察設計建造及全生命周期應用邏輯與流程，具備工程全階段全面數字資產化應用的技術基礎[10]，為構建勘察、設計、建造、運維一張圖一體化作業平臺理清了架構、剝離了束縛。技術體系上的創新迫切需要設計者解放思想，不拘泥于輔助設計的泥潭，轉換思路，循序漸進，開創新一輪的勘察設計技術革命。