鐵路信號設計成果數(shù)字化交付應用研究

王懷松，白俊，楊朝華，刮岱文

隨著全球數(shù)字技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)都開始大力推進數(shù)字化技術的應用，鐵路行業(yè)也不例外。在鐵路建設中，數(shù)字化轉型是大勢所趨，也是必經(jīng)之路。數(shù)字化交付是實現(xiàn)數(shù)字化轉型的重要內(nèi)容和關鍵技術，也是衡量企業(yè)核心競爭力的重要指標之一。鑒于數(shù)字化交付的重要性和關鍵性，由14家歐洲鐵路基礎設施管理機構組成的鐵路信號系統(tǒng)接口標準化聯(lián)盟（European Imitative to Linking Interlocking Systems，EULYNX），自2014年起開始了鐵路信號領域的標準化和數(shù)字化研究工作，并于2021年12月完成EULYNX標準的編制，同時發(fā)布了歐洲鐵路信號數(shù)據(jù)模型1.0版［1］。該模型詳細定義了基礎設施項目管理方、設計方、施工方、運營方之間關于鐵路信號系統(tǒng)的標椎化內(nèi)容。目前，EULYNX正在基于已建立的數(shù)據(jù)標準開展采用XML進行數(shù)字化交付的相關研究工作［2］。在國際上，buildingSMART International（簡稱“bSI”）正在開展基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的全生命周期數(shù)據(jù)傳遞標準研究，即工業(yè)基礎類標準（Industry Foundation Classes，IFC）。中國鐵路BIM聯(lián)盟（CRBIM）作為IFC鐵路信號領域的牽頭方，在IFC Rail項目中負責鐵路信號系統(tǒng)的標準編制工作［3-4］。隨著IFC標準的不斷完善，將為鐵路數(shù)字化交付的實現(xiàn)提供重要支撐。為推進我國鐵路數(shù)字化交付的落地應用，CRBIM自2019年起開始啟動鐵路元數(shù)據(jù)的編制工作，旨在為鐵路數(shù)字化交付提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和交付格式。此外，為進一步規(guī)范施工圖電子文件的交付和管理工作，中國國家鐵路集團有限公司發(fā)布了《鐵路建設項目施工圖電子文件交付管理辦法》（鐵建設〔2020〕123號），該辦法對鐵路數(shù)字化交付工作進行了前期規(guī)劃。近年來，為推進鐵路建設項目的無紙化交付，鐵路BIM聯(lián)盟牽頭開展基于元數(shù)據(jù)的設計成果數(shù)字化交付研究工作，進一步驗證了鐵路建設項目全生命周期數(shù)字化交付的可行性。

1 數(shù)字化交付的內(nèi)涵

目前工程交付中大量的信息交付主要出現(xiàn)在“設計-施工”和“施工-運維”2個階段，傳統(tǒng)交付均采用紙質(zhì)藍圖為主的交付方式，并配套交付紙質(zhì)藍圖相關的電子版文件。從圖1所示的數(shù)字化交付與傳統(tǒng)交付過程的信息量對比可以看出，傳統(tǒng)交付過程中可能產(chǎn)生較大的信息衰減和數(shù)據(jù)斷層，原因在于前階段的信息量可能遠大于交付物所能承載的信息量。例如，在設計階段向施工階段交付時，交付成果不包含交付物以外的設計過程信息，導致交付后施工單位獲取的信息出現(xiàn)斷層。施工階段向運維階段交付時同樣會出現(xiàn)類似的信息斷層問題。

圖1 數(shù)字化交付與傳統(tǒng)交付過程的信息量對比

此外，傳統(tǒng)交付的電子文件包括文檔、圖紙、表格等，缺乏嚴格的格式規(guī)范和結構關系［5］，屬于非結構化的數(shù)據(jù)，無法直接通過計算機進行辨識和解析，給后期的數(shù)據(jù)提取和信息管理帶來極大困難，不能有效發(fā)揮數(shù)據(jù)的真正價值。同時，由于交付成果缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和交付格式，也導致交付的數(shù)據(jù)難以在全生命周期進行傳遞和共享。另外，傳統(tǒng)交付的紙質(zhì)介質(zhì)容易造成文件遺失和數(shù)據(jù)泄密等問題，給企業(yè)和國家造成不必要的損失。因此，越來越多的企業(yè)開始采用數(shù)字化的方式進行文件管理和交付，以提高交付質(zhì)量、效率，以及信息安全性。

數(shù)字化交付是以工程項目為核心，在工程全生命周期通過數(shù)字技術將設計、施工、運維等信息轉變?yōu)榻Y構化數(shù)據(jù)和非結構化數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)組織模型，并運用計算機進行表達、傳輸、處理、移交的過程［6］。數(shù)字化交付和傳統(tǒng)交付最大的區(qū)別是數(shù)據(jù)的傳遞方式不同，根本在于交付載體的不同。數(shù)字化交付的特征是成果數(shù)據(jù)的結構化交付，通過對數(shù)據(jù)的語義、格式、結構等方面進行規(guī)范和約束，建立全行業(yè)統(tǒng)一的語義字典和數(shù)據(jù)結構，使各參與方以統(tǒng)一的格式創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)，從而使數(shù)據(jù)能夠在全生命周期進行高效、無損傳遞，最終實現(xiàn)各階段成果的無紙化交付［7］。

數(shù)字化交付不是單純地將紙質(zhì)文件改為電子文件進行移交，不是形式上的數(shù)字化，而是從文件產(chǎn)生的源頭開始控制，并以全生命周期信息管理為理念，在全過程實施數(shù)字化移交和管理，形成全生命周期高質(zhì)量的數(shù)字資產(chǎn)［8］。

2 關鍵技術問題

為實現(xiàn)設計成果的數(shù)字化交付，需要考慮以下關鍵技術問題：基于元數(shù)據(jù)的設計成果交付、傳統(tǒng)設計系統(tǒng)的適應性改造、數(shù)字化交付審批流程，以及數(shù)據(jù)安全防護等。

2.1 基于元數(shù)據(jù)的設計成果交付

2.1.1 元數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和管理

數(shù)字化交付需要不同階段、不同參與方的數(shù)據(jù)在各個環(huán)節(jié)之間流轉，但不同參與方輸出的數(shù)據(jù)格式很可能不一致［9］，因此必須對各階段、各參與方的交付過程和交付成果進行規(guī)范，令其按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和交付格式進行設計成果的數(shù)字交付。為解決此問題，自2019年起，鐵路BIM聯(lián)盟啟動了設計成果電子文件統(tǒng)一格式交付的研究工作，確立了基于元數(shù)據(jù)（Metadata）的設計成果數(shù)據(jù)創(chuàng)建和提交方式，并提出以設計單元作為劃分的文件組織方式［10］。以鐵路信號專業(yè)為例，基于鐵路統(tǒng)一的元數(shù)據(jù)編制模板（Excel格式）完成了元數(shù)據(jù)的編制，編制內(nèi)容包含項目類、人員類、文檔類、組織機構類、工程數(shù)量類等信息，并從基本信息、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)約束、取值范圍、數(shù)據(jù)關聯(lián)性、數(shù)據(jù)附加信息［11］等方面對關鍵業(yè)務元數(shù)據(jù)進行梳理。鐵路信號元數(shù)據(jù)示例見表1。

表1 鐵路信號元數(shù)據(jù)示例

圖2 列控系統(tǒng)等級的JSON表達

需要說明的是，針對上述過程，也可以先將元數(shù)據(jù)Excel文件轉換為JSON或XML格式再進行自動校驗。具體采用哪種方式，視情況而定，2種方式均可行。

轉換形成的JSON或XML文件又稱為Schema數(shù)據(jù)表單［8］。Schema具有很強的結構性，清晰地定義了交付內(nèi)容的結構、格式、約束、取值范圍、關聯(lián)關系等信息，并且能夠被計算機直接識別。利用元數(shù)據(jù)Schema不僅可以對設計成果數(shù)據(jù)進行校驗，而且可以直接生成設計成果數(shù)據(jù)模型和數(shù)據(jù)的錄入界面，設計成果數(shù)據(jù)可通過元數(shù)據(jù)Schema生成的數(shù)據(jù)模型創(chuàng)建。

2.1.2 基于元數(shù)據(jù)的交付方式

元數(shù)據(jù)Schema作為設計成果交付的主要媒介和載體，為各專業(yè)的數(shù)據(jù)交互提供便利。基于元數(shù)據(jù)Schema的設計成果交付流程見圖3。

圖3 基于元數(shù)據(jù)Schema的設計成果交付流程

Step 1創(chuàng)建專業(yè)元數(shù)據(jù)Schema，并導出1套數(shù)據(jù)表單Schema文件和1個交付文件結構樹Schema文件。

Step 2對這2個Schema文件分別進行實例化，生成數(shù)據(jù)填報界面和交付文件結構樹。其中交付文件結構樹是一個結構化的文件交付模板，定義了項目名稱、設計階段、專業(yè)名稱、各專業(yè)的各個設計單元名稱等基本信息。文件結構樹的各個節(jié)點包含交付文件名稱、文件路徑、文件類型、歷史版本等信息。

第二，新媒體提供了交流互動的平臺。互動性是新媒體區(qū)別于傳統(tǒng)媒體的根本特征，也是新媒體寫作區(qū)別于傳統(tǒng)寫作的根本特征。借助博客、微博、微信等，平民非虛構作品作者與讀者、讀者與讀者共聚在一個自由的平臺，迅速反饋，平等交流，實現(xiàn)了良性互動。部分平民非虛構作品在新媒體平臺傳播并產(chǎn)生一定影響后，進入圖書市場。內(nèi)蒙古農(nóng)民秦秀英念過一年半小學，六十多歲以后跟著兒媳芮東莉做自然筆記，在網(wǎng)易開設了自己的博客“臨河而居”，有了自己的粉絲，而且秀英奶奶的《胡麻的天空》出版后，引起了廣泛反響。

Step 3根據(jù)《鐵路建設項目預可行性研究、可行性研究和設計文件編制辦法》（國鐵科法〔2018〕93號）進行文件掛接和數(shù)據(jù)填報。

Step 4進行數(shù)據(jù)校驗，校驗通過后生成交付文件壓縮包及文件目錄，作為本階段交付成果整體進行移交。

2.2 傳統(tǒng)設計系統(tǒng)的適應性改造

目前，Schema是最佳的設計成果數(shù)字化交付載體。為實現(xiàn)基于Schema的設計成果結構化交付，需要對傳統(tǒng)設計系統(tǒng)進行適應性改造［8］。具體來說，需要在現(xiàn)有的傳統(tǒng)設計系統(tǒng)基礎上內(nèi)置元數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)元數(shù)據(jù)的接收、校驗、管理和維護，并支持自動生成JSON/XML Schema數(shù)據(jù)文件。系統(tǒng)應采用鐵路BIM聯(lián)盟正式發(fā)布的元數(shù)據(jù)版本，并支持與鐵路BIM聯(lián)盟最新發(fā)布的元數(shù)據(jù)版本進行定期同步更新。

2.3 數(shù)字化交付審批流程

采用數(shù)字化交付后，設計成果的審核、分發(fā)、存檔等一系列流程將改為線上進行，審批流程也將發(fā)生根本性的變化［12］。在傳統(tǒng)的交付過程中，責任認定主要依靠各級審查簽字和蓋章。然而，數(shù)字化交付將使審核認定變得更加便捷，如采用電子簽名、電子簽章等數(shù)字化方式對各種交付成果進行審核認定。此外，審圖方式也將發(fā)生根本變化，從傳統(tǒng)的紙質(zhì)藍圖審查轉變?yōu)殡娮訄D紙審查。在審圖前，設計者需要將施工圖電子文件和BIM模型上傳至數(shù)字化審圖云平臺；在審圖過程中，審核人員可以對施工圖電子文件和BIM模型進行在線批注和在線回復；審核后的批注和意見將存儲在數(shù)字化審圖系統(tǒng)中，所有參與方都可以在平臺上實時查看審圖情況和修改情況，便于各參與方在同一個平臺上進行溝通和交流，實現(xiàn)審批監(jiān)督在線化和設計交付透明化［13］。

2.4 數(shù)據(jù)安全防護

為保障數(shù)字化交付過程中數(shù)據(jù)的安全性，交付成果的上傳、審核、流轉應在與互聯(lián)網(wǎng)隔離的專網(wǎng)環(huán)境中進行；同時采取身份認證、權限控制、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)備份等主動安全防御機制，并輔之以安全漏洞掃描、網(wǎng)絡攻防測試等手段，從多維度保障和提升數(shù)字化交付平臺的數(shù)據(jù)安全性，確保數(shù)據(jù)在傳遞過程中不丟失、不泄露、不被惡意訪問或篡改。

3 實施路徑

數(shù)字化交付的實施應首先明確交付需求、交付內(nèi)容、交付流程，以元數(shù)據(jù)為基礎，對各專業(yè)的交付內(nèi)容進行結構化梳理，同時對傳統(tǒng)設計系統(tǒng)進行適應性改造，然后在統(tǒng)一的數(shù)字化交付平臺完成全生命周期各階段成果的數(shù)字化交付。

3.1 設計單元劃分

鐵路數(shù)字化交付的文件組織結構一般按“項目名稱—線路（線別）—專業(yè)—設計單元”的層級方式。設計單元是專業(yè)內(nèi)部一個相對獨立完整的工程單元，如一個車站的聯(lián)鎖系統(tǒng)、一個區(qū)間的閉塞系統(tǒng)［14］。各個專業(yè)數(shù)字化交付按設計單元進行劃分，各個專業(yè)設計單元的劃分依據(jù)和劃分方式可能不同。以鐵路信號專業(yè)為例，設計單元劃分的主要依據(jù)為國家鐵路局頒發(fā)的《鐵路建設項目預可行性研究、可行性研究和設計文件編制辦法》（國鐵科法〔2018〕93號）、國鐵集團發(fā)布的《鐵路建設項目施工圖電子文件交付管理辦法》（鐵建設〔2020〕123號）以及鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的系列標準。根據(jù)以上辦法和標準，結合鐵路信號專業(yè)具體情況，鐵路信號設計單元主要按子系統(tǒng)進行劃分［15］，包括：列車調(diào)度指揮及調(diào)度集中、列車運行控制、區(qū)間閉塞、聯(lián)鎖、駝峰信號及編組站自動化、信號集中監(jiān)測、道岔融雪、其他信號系統(tǒng)。以上設計單元下一級可按具體工點劃分為鐵路局調(diào)度中心、電務段監(jiān)測中心、車站、中繼站、場/段/所，線路及區(qū)間信號工程，綜合維修機構等［16］。此外，當同一個設計單元分屬不同概算段落時，還應進一步拆分。

3.2 交付內(nèi)容及格式

鐵路信號設計成果交付內(nèi)容包括與設計相關的全套文件，以及供圖內(nèi)容說明和供圖清單電子版［17］，如圖4所示，主要有4類交付物：說明、附件、附圖和附模。其中，說明類文件多為文檔文件，附件類文件包含表格文件和文檔文件，附圖類文件是各設計單元的二維設計圖紙，附模類文件是各設計單元的三維BIM模型及模型說明。說明、附件、附圖的交付內(nèi)容與傳統(tǒng)交付保持一致，而附模是在數(shù)字化交付中新增的交付內(nèi)容，主要包括室內(nèi)外設備三維布置模型（含線纜敷設）［18］。目前，鐵路信號專業(yè)圖紙交付以二維交付為主，兼顧BIM交付，并逐步向BIM交付過渡。需要注意的是，鐵路信號專業(yè)并非所有附圖都適合三維交付，如電路圖、聯(lián)鎖表、系統(tǒng)圖等，這類附圖即使在今后以BIM為主導的交付中，仍建議采用二維交付方式。

圖4 鐵路信號設計成果交付內(nèi)容

圖4所示的設計成果交付內(nèi)容又可歸類為結構化的數(shù)據(jù)文件和非結構化的數(shù)據(jù)文件。其中，結構化的數(shù)據(jù)文件是指可以用二維表結構進行邏輯表達和實現(xiàn)的數(shù)據(jù)，包括說明書中可結構化的部分以及各類附表［19］；非結構化的數(shù)據(jù)文件包括圖紙、文檔、BIM模型等。針對可以結構化的交付主體數(shù)據(jù)，如說明書（可結構化的部分）、工程數(shù)量表、設備及主要材料數(shù)量、甲供物資設備一覽表、采用標準圖通用圖一覽表等，采用基于文本的結構化數(shù)據(jù)交換格式（如JSON或XML）進行交付，其內(nèi)容、格式、結構、約束等要求參照鐵路BIM 聯(lián)盟發(fā)布的元數(shù)據(jù)設計交付表單Schema執(zhí)行。

如圖5所示，針對與交付主體Schema關聯(lián)的各類非結構化數(shù)據(jù)（附件、附圖、附模），采用以下格式進行交付：①圖紙及文檔原則上以PDF格式交付；②BIM模型原則上以IFC格式交付［20］，也可采用第三方輕量化格式進行交付；③其他未要求結構化的表格可通過Excel格式交付。

圖5 鐵路信號設計成果交付格式

3.3 交付流程

數(shù)字化交付主要包括“設計—施工”的設計交付和“施工—運維”的竣工交付。其中，設計交付分為“預可研、可研、初步設計、施工圖”4個階段，交付的主體是Schema文件及其關聯(lián)的各類附件、附圖和附模。數(shù)字化交付流程見圖6，其中，建設單位負責制定數(shù)字化交付管理實施細則，勘察設計單位按照建設單位要求完成各階段設計成果的全套電子文件，經(jīng)審核合格后，設計成果提交至數(shù)字化交付平臺，平臺管理單位在接收到電子文件后，出具帶電子簽章的接收確認單。接收確認單一式3份，分別由數(shù)字化交付平臺管理單位、勘察設計單位、建設單位保存?zhèn)洳椋?6］。之后由建設單位組織對設計單位提交的設計文件進行施工圖咨詢、施工圖審核、文件核查等；施工單位在設計成果基礎上進行施工圖深化。如有設計變更，變更批復后需將變更信息反饋至設計單位，由設計單位進行施工圖變更修改。施工完成后，由施工單位將竣工交付成果全套電子文件上傳至數(shù)字化交付平臺。最后，由建設單位組織對竣工交付資料進行數(shù)字化驗收，驗收通過后，將數(shù)字資產(chǎn)移交至運維單位并進行歸檔備案。數(shù)據(jù)安全保護措施貫徹整個數(shù)字交付流程。

圖6 數(shù)字化交付流程

4 交付平臺

數(shù)字化交付平臺是用于承載和管理全生命周期各階段交付信息的平臺。該平臺可與多種工程軟件集成并兼容多種文件格式，通過整合數(shù)據(jù)、信息、人員和流程，提高交付質(zhì)量和效率［21］。

4.1 平臺目標

數(shù)字化交付平臺以工程交付業(yè)務為主線，以全生命周期信息管理和共享為理念，以形成各階段高質(zhì)量的數(shù)字資產(chǎn)為目標，服務建設單位、設計單位、施工單位、運維單位等各參與方，規(guī)范各參與方數(shù)字化交付的行為和成果，防止交付過程中的信息衰減和數(shù)據(jù)斷層，實現(xiàn)工程全生命周期的信息傳遞和數(shù)據(jù)共享［22］。主要體現(xiàn)在以下2個方面。

1）一次填報，全程應用。平臺上完成一次數(shù)據(jù)填報后，填報的數(shù)據(jù)將存儲在工程數(shù)據(jù)庫中，這些數(shù)據(jù)將在之后的整個交付過程中進行傳遞和共享，相同的數(shù)據(jù)信息無需二次填報。如果有數(shù)據(jù)修改，相關聯(lián)的數(shù)據(jù)將同步更新。填報的數(shù)據(jù)在工程全生命周期均可在線使用，從而使數(shù)據(jù)能夠高效、無損傳遞，真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用。

2）一個平臺，多方協(xié)同。平臺突破了現(xiàn)有的交付方式，項目各參與方圍繞一個平臺進行協(xié)同工作，全過程實施無紙化交付，有效加強文件的協(xié)同共享和數(shù)據(jù)的高效利用。平臺提供公開透明的查詢管理和留痕管理，真正實現(xiàn)成果交付和過程監(jiān)督的在線化，對精確把控交付過程起到積極作用，并且大大減少交付工作量和企業(yè)運營成本。

4.2 平臺架構和功能

數(shù)字化交付平臺從數(shù)據(jù)流角度可以分為3層［23-24］，即數(shù)據(jù)源層、數(shù)字化交付平臺層和業(yè)務應用層。數(shù)據(jù)源層為數(shù)字化交付平臺提供基礎數(shù)據(jù)，包括設計、施工、運維等項目數(shù)據(jù)，以及鐵路基礎元數(shù)據(jù)。平臺層再分為工程數(shù)據(jù)匯集層、工程數(shù)據(jù)處理層和數(shù)據(jù)安全層。工程數(shù)據(jù)匯集層負責接收數(shù)據(jù)源層的各類數(shù)據(jù)并進行整合；工程數(shù)據(jù)處理層是平臺層最核心的部分，負責實現(xiàn)各類交付數(shù)據(jù)的管理、查看、分析、校審、簽章、流轉等功能；數(shù)據(jù)安全層為平臺提供身份驗證、權限管理和數(shù)據(jù)加密等安全防護功能。業(yè)務應用層負責實現(xiàn)數(shù)字化交付過程中的各類業(yè)務應用，包括設計成果交付、竣工成果交付，以及數(shù)字化歸檔。數(shù)字化交付平臺總體架構見圖7。

圖7 數(shù)字化交付平臺總體架構

4.3 應用情況

目前，貴南高鐵四電BIM技術與應用項目以新建貴陽至南寧高速鐵路為基礎，基于國產(chǎn)化軟件Railworks搭建四電建設運維一體化交付平臺，實現(xiàn)四電工程中“設計—施工—運維”全過程三維模型、數(shù)據(jù)及相關文檔的數(shù)字化交付，可有效保證鐵路信息的數(shù)據(jù)安全性，降低數(shù)據(jù)在交付過程中的丟失。在項目施工過程中，減少施工變更約7次，節(jié)約200萬元，減少工期20天，減少100余次隱蔽工程破壞。同時平臺可滿足鐵路運維管理系統(tǒng)的接入需求，在運維管理階段提供準確的空間位置和設備信息，支持運維決策和維護工作，提高運維管理的效率和可靠性。貴南高鐵四電BIM建維一體化交付系統(tǒng)平臺見圖8。

圖8 貴南高鐵四電BIM建維一體化交付系統(tǒng)平臺

5 結束語

本文分析了鐵路設計成果傳統(tǒng)交付的特點，針對傳統(tǒng)交付中存在的問題，提出數(shù)字化交付方案，并重點分析了數(shù)字交付過程中的關鍵技術問題。基于元數(shù)據(jù)Schema實現(xiàn)設計成果數(shù)字化交付的方案解決了數(shù)字化交付中“交付什么”“如何交付”兩大問題，為未來鐵路領域其他行業(yè)數(shù)字化交付提供思路和方法。需要進一步指出的是，目前鐵路數(shù)字化交付體系還不夠完善，后續(xù)還需要進一步加強對交付標準、交付平臺、交付流程的研究，并逐步向以BIM為主導的交付方式過渡，充分利用數(shù)字化優(yōu)勢實現(xiàn)工程全生命周期的信息傳遞和數(shù)據(jù)共享。