铁路信号设计成果数字化交付应用研究

数字化交付需要不同阶段、不同参与方的数据在各个环节之间流转，但不同参与方输出的数据格式很可能不一致。因此，必须对各阶段、各参与方的交付过程和交付成果进行规范，令其按照统一的数据标准和交付格式进行设计成果的数字交付。为解决此问题，自2019年起，铁路BIM联盟启动了设计成果电子文件统一格式交付的研究工作，确立了基于元数据(Metadata)的设计成果数据的创建和提交方式，并提出以设计单元作为划分的文件组织方式。以铁路信号专业为例，基于铁路统一的元数据编制模板(Excel格式)完成了元数据的编制，编制内容包含项目类、人员类、文档类、组织机构类及工程数量类等信息，并从以下方面对关键业务元数据进行梳理：基本信息、数据类型、数据约束、取值范围、数据关联性、数据附加信息。铁路信号元数据示例如表1所示。

下一步是对元数据Excel文件进行数据校验，该过程一般通过软件自动完成，目的是检查各项元数据的内容、格式、结构和取值范围是否符合规则。一旦校验通过，元数据就可以转换为基于文本的结构化交换格式，如json或XML。考虑到json具有更轻量、更简洁等优势，铁路较多采用json格式。例如，铁路信号系统列控等级元数据对应的json Schema如图2所示。          

图2  列控系统等级的json表达

需要说明的是，针对上述过程，也可以先将元数据Excel文件转换为json或XML格式再进行自动校验。具体采用哪种方式，视情况而定，两种方式均可行。        

转换形成的json或XML文件又称为Schema数据表单，Schema具有很强的结构性，清晰地定义了交付内容的结构、格式、约束、取值范围、关联关系等信息，并且能够被计算机直接识别。利用元数据Schema不仅可以对设计成果数据进行校验，而且可以直接生成设计成果数据模型和数据的录入界面，设计成果数据可通过元数据Schema生成的数据模型进行创建。

2.1.2 基于元数据的交付方式

元数据Schema作为设计成果交付的主要媒介和载体，为各专业的数据交互提供便利。基于元数据Schema的设计成果交付流程如图3所示。

Step1 创建专业元数据并导出成Schema文件，导出1套数据表单Schema文件和1个交付文件结构树后Schema文件；

Step2 对这两个Schema文件分别进行实例化，生成数据填报界面和交付文件结构树。其中，交付文件结构树是一个结构化的文件交付模板，定义了项目名称、设计阶段、专业名称、各专业的各个设计单元名称等基本信息。文件结构树的各个节点包含交付文件名称、文件路径、文件类型、历史版本等信息；

Step3 根据《铁路建设项目预可行性研究、可行性研究和设计文件编制办法》（国铁科法[2018]93号）进行文件的挂接和数据的填报；

Step4 进行数据校验，校验通过后生成交付文件压缩包及文件目录，作为本阶段交付成果整体进行移交。          

       图3  基于元数据Schema的设计成果交付流程

2.2 设计系统的适应性改造

目前，Schema是最佳的设计成果数字化交付载体。为了实现基于Schema的设计成果结构化交付，需要对传统设计系统进行适应性改造。具体来说，需要在现有的传统设计系统基础上内置元数据模块，实现元数据的接收、校验、管理和维护，并支持自动生成json/XML Schema数据文件。系统应采用铁路BIM联盟正式发布的元数据版本，并支持与铁路BIM联盟最新发布的元数据版本进行定期同步更新。

2.3 数字化审批

2.4 数据安全防护

为保障数字化交付过程中数据的安全性，交付成果的上传、审核、流转应在与互联网隔离的专网环境中进行，同时采取身份认证、权限控制、数据加密、数据备份等主动安全防御机制，并辅之以安全漏洞扫描及网络攻防测试等手段，从多维度保障和提升数字化交付平台的数据安全性，确保数据在传递过程中不丢失、不泄露、不被恶意访问或篡改。        

数字化交付的实施应首先明确交付需求、交付内容、交付流程，以元数据为基础，对各专业的交付内容进行结构化梳理，同时对传统设计系统进行适应性改造，然后在统一的数字化交付平台完成全生命周期各阶段成果的数字化交付。

3.1 设计单元划分

铁路数字化交付的文件组织结构一般按“项目名称-线路（线别）-专业-设计单元”的层级方式。设计单元是专业内部一个相对独立完整的工程单元，如一个车站的联锁系统、一个区间的闭塞系统[]。各个专业数字化交付按设计单元进行划分，各个专业设计单元的划分依据和划分方式可能不同。以铁路信号专业为例，设计单元的划分主要依据为国家铁路局颁发的《铁路建设项目预可行性研究、可行性研究和设计文件编制办法》（国铁科法〔2018〕93号）、国铁集团发布的《铁路建设项目施工图电子文件交付管理办法》（铁建设〔2020〕123 号）以及铁路BIM联盟发布的系列标准。根据以上办法和标准，结合铁路信号专业具体情况，铁路信号设计单元主要按子系统进行划分，包括：列车调度指挥及调度集中、列车运行控制、区间闭塞、联锁、驼峰信号及编组站自动化、信号集中监测、道岔融雪、其他信号，如图4所示。以上设计单元下一级可按具体工点划分为铁路局调度中心、电务段监测中心、车站、中继站、场/段/所，线路及区间信号工程，工务或综合维修机构等，如图5所示。此外，当同一个设计单元分属不同概算段落时，还应进一步拆分。

图4  铁路信号设计单元划分

图5  铁路信号设计单元下一级工点划分

3.2交付内容及格式

铁 路信号设计成果交 付内容包括与设计相关的全套文件，以及供图内容说明和供图清单电子版。 如图6所示，铁路信号主要包括4类交付物： 说明、附件、附图和附模。 其中，“说明”类文件多为文档文件，“附件”类文件包含表格文件和文档文件，“附图”是各设计单元的二维设计图纸，“附模”是各设计单元的三维BIM模型及模型说明。 “说明、附件、附图”的交付内容与传统交付保持一致，而“附模”是在数字化交付中新增的交付内容，主要包括室内外设备三维布置模型（含线缆敷设）。 目前，铁路信号专业图纸交付以二维交付为主，兼顾BIM交付，并逐步向BIM交付过渡。 需要注意的是，铁路信号专业并非所有附图都适合三维交付（例如电路图、联锁表、系统图等），这类附图即使在今后以BIM为主导的交付中，仍建议采用二维交付方式。

图6  铁路信号设计成果交付内容

图6所示的设计成果交付内容又可归类为结构化的数据文件和非结构化的数据文件。其中，结构化的数据文件是指可以用二维表结构进行逻辑表达和实现的数据，包括说明书中可结构化的部分以及各类附表。非结构化的数据文件包括图纸、文档、BIM模型等。针对可以结构化的交付主体数据，如说明书（可结构化的部分）、工程数量表、设备及主要材料数量、甲供物资设备一览表、采用标准图通用图一览表等，采用基于文本的结构化数据交换格式（例如: json或XML）进行交付，其内容、格式、结构、约束等要求参照铁路BIM 联盟发布的元数据设计交付表单Schema执行。        

如图7所示，针对与交付主体Schema关联的各类非结构化数据（附件、附图、附模），采用以下格式进行交付：①图纸及文档原则上以PDF格式交付；②BIM模型原则上以IFC格式交付，也可采用第三方轻量化格式进行交付；③其他未要求结构化的表格可通过Excel格式交付。

图7  铁路信号设计成果交付格式

3.3 交付流程

数字化交付主要包括“设计-施工”的设计交付和“施工-运维”的竣工交付。其中，设计交付分为“预可研、可研、初步设计、施工图”4个阶段，交付的主体是Schema文件及Schema文件关联的各类附件、附图和附模。交付过程如图8所示，建设单位负责制定数字化交付管理实施细则，勘察设计单位按照建设单位要求完成各阶段设计成果的全套电子文件，经审核合格后，设计成果提交至数字化交付平台，平台管理单位在接收到电子文件后，出具带电子签章的接收确认单。接收确认单一式三份，分别由数字化交付平台管理单位、勘察设计单位、建设单位保存备查；然后由建设单位组织对设计单位提交的设计文件进行施工图咨询、施工图审核、文件核查等；施工单位在设计成果基础上进行施工图深化。如有设计变更，变更批复后需将变更信息反馈至设计单位，由设计单位进行施工图变更修改。施工完成后，由施工单位将竣工交付成果全套电子文件上传至数字化交付平台。最后，由建设单位组织对竣工交付资料进行数字化验收，验收通过后，将数字资产移交至运维单位并进行归档备案。整个交付过程按“2.4节”所述做好数据安全保护措施。

图8  数字化交付流程

数字化交付平台是用于承载和管理全生命周期各阶段交付信息的平台， 该平台可与多种工程软件集成并兼容多种文件格式 ，通过整合数据、信息、人员和流程，提高交付质量和效率。

4.1平台目标

1）一次填报，全程应用        

平台上完成一次数据填报后，填报的数据将存储在工程数据库中，这些数据将在之后的整个交付过程中进行传递和共享，相同的数据信息无需二次填报。如果有数据修改，则相关联的数据将同步更新。填报的数据在工程全生命周期均可在线使用，从而使数据能够高效、无损传递，真正实现数据的高效利用。        

2）一个平台，多方协同        

平台突破了现有的交付方式，项目各参与方围绕一个平台进行协同工作，全过程实施无纸化交付，有效加强文件的协同共享和数据的高效利用。平台提供公开透明的查询管理和留痕管理，真正实现成果交付和过程监督的在线化，对精确把控交付过程起到积极作用，并且大大减少交付工作量和企业运行成本。

4.2 平台架构和功能

数字化交付平台从数据流角度可以分为三层，即数据源层、数字化交付平台层和业务应用层。数据源层为数字化交付平台提供基础数据，包括设计、施工、运维等项目数据以及铁路基础元数据。平台层再分为数据汇集层、数据处理层和数据安全层。数据汇集层负责接收数据源层的各类数据并进行整合；数据处理层是平台层最核心的部分，负责实现各类交付数据的管理、查看、分析、校审、签章、流转等功能；数据安全层为平台提供身份验证、权限管理和数据加密等安全防护功能。业务应用层负责实现数字化交付过程中的各类业务应用，包括设计成果交付、竣工成果交付以及数字化归档。数字化交付平台架构如图9所示。        

图9  数字化交付平台总体架构

4.3应用情况

目前，贵南高铁铁路四电BIM技术与应用项目以新建贵阳至南宁高速铁路为基础，基于国产化软件Railworks搭建四电建设运维一体化交付平台，实现四电工程中设计-施工-运维全过程三维模型、数据及相关文档的数字化交付，可有效保证铁路信息的数据安全性，降低数据在交付过程中的丢失。在项目施工过程中，减少施工变更约7次，节约200万，减少工期20天，减少100余次隐蔽工程破坏。同时平台可满足铁路运维管理系统的接入，在运维管理阶段提供准确的空间位置和设备信息，支持运维决策和维护工作，提高运维管理的效率和可靠性。贵南高铁四电BIM交付平台如下图10、图11所示。        

图10 贵南高铁四电BIM建维一体化交付系统平台主界面

图11 贵南高铁四电BIM建维交付系统平台部分线上交付成果—首件站模型

本文分析了铁路设计成果传统交付的特点，针对传统交付中存在的问题，提出数字化交付的重要手段，并重点分析了数字交付过程中的关键技术。 基于元数据Schema实现设计成果数字化交付的方案解决了数字化交付中“交付什么“”如果交付”两大问题，为以后铁路领域其他行业数字化交付方案提供思路和方法。 需要进一步指出的是，目前铁路数字化交付体系还不够完善，后续还需要进一步加强对交付标准、交付平台、交付流程的研究，并逐步向以BIM为主导的交付方式过渡，充分利用数字化优势实现工程全生命周期的信息传递和数据共享。