基于新型數(shù)字技術(shù)的軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)

趙文祥

（中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州 311122）

1 引言

在國家政策大力扶持及新基建快速發(fā)展的背景下，我國的軌道交通迅猛發(fā)展，在建和運營里程均居于全球第一。在如此大規(guī)模的建設(shè)浪潮中，軌道交通工程由于其自身的復雜性，存在投資大、建設(shè)周期長、工程技術(shù)難度大、風險源多、設(shè)計參建單位多且溝通協(xié)同困難等痛難點。為解決上述痛難點，需要在設(shè)計、建設(shè)、運營各階段對軌道交通工程進行有效且科學的管理。設(shè)計作為其中的關(guān)鍵和基礎(chǔ)，是一種高智能的技術(shù)服務工作，其效果將會對軌道交通工程質(zhì)量產(chǎn)生直接影響。

如今，以建筑信息模型（BIM）、地理信息系統(tǒng)（GIS）、人工智能（AI）、云計算等為代表的新型數(shù)字技術(shù)方興未艾，其發(fā)展及應用為推動軌道交通設(shè)計方式變革、有效提升其設(shè)計管理效率和質(zhì)量提供了新契機。在此背景下，利用新型數(shù)字技術(shù)搭建軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)，以便對軌道交通工程設(shè)計進行數(shù)字化管理，進而在行業(yè)內(nèi)培育數(shù)字化應用生態(tài)，保障相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)的安全、高效應用，成為大勢所趨。

2 軌道交通工程數(shù)字化管理現(xiàn)狀及問題

目前，我國軌道交通工程的數(shù)字化管理主要體現(xiàn)在利用以BIM為主的新型數(shù)字技術(shù)串聯(lián)設(shè)計、建設(shè)、運營階段，而對于相關(guān)技術(shù)的整合考慮較少。軌道交通業(yè)主及各參建方、科研機構(gòu)等對于各類新型數(shù)字技術(shù)的探究仍處于試點應用階段，主要依托小型科研項目研究單一性的技術(shù)應用，應用落地案例均以片段式應用場景為導向，而且存在底層技術(shù)割裂、相關(guān)標準體系缺失、平臺偽協(xié)同、人才隊伍不足等問題。

具體而言，我國軌道交通工程數(shù)字化管理目前存在以下4方面問題。

（1）技術(shù)體系方面。我國軌道交通工程數(shù)字化管理技術(shù)體系未實現(xiàn)對AI、BIM+GIS、增強現(xiàn)實（AR）等最新關(guān)鍵技術(shù)的融合，技術(shù)架構(gòu)落后且缺少自主創(chuàng)新能力，與行業(yè)生態(tài)聯(lián)系不夠緊密。

（2）標準化方面。我國軌道交通工程數(shù)字化管理無法兼顧行業(yè)內(nèi)的適用性以及跨行業(yè)的通用性，缺少針對工程各階段業(yè)務場景的插拔式設(shè)計，無法實現(xiàn)核心業(yè)務功能的固化和復用，技術(shù)、數(shù)據(jù)、業(yè)務的標準化進程緩慢。

（3）業(yè)務方面。軌道交通工程數(shù)字化管理相關(guān)系統(tǒng)缺乏頂層設(shè)計和統(tǒng)一底座，行業(yè)上下游各掃門前雪”，片面協(xié)同，各方系統(tǒng)業(yè)務割裂，數(shù)據(jù)不通，普遍存在信息孤島問題。

（4）數(shù)據(jù)體系方面。軌道交通工程數(shù)字化管理無法實現(xiàn)跨行業(yè)、跨部門、跨階段的異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，無法深度挖掘軌道交通產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)的價值（例如，實現(xiàn)與城市信息模型（CIM）平臺的數(shù)據(jù)對接，從而使軌道交通產(chǎn)業(yè)數(shù)據(jù)與城市數(shù)據(jù)融合），阻礙軌道交通業(yè)務數(shù)據(jù)的沉淀增值。

3 軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)架構(gòu)

為了為軌道交通工程建設(shè)及設(shè)計單位提供工程建設(shè)全過程數(shù)字化設(shè)計管理解決方案，本研究以BIM、GIS、云計算等新型數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，以設(shè)計環(huán)境配置、模型數(shù)據(jù)校驗、圖模二三維聯(lián)動以及電子簽名、數(shù)字檔案等為核心，以高效、便捷、友好的用戶體驗為根本出發(fā)點，立足多源數(shù)據(jù)融合+多方線上協(xié)同+多場景集成應用，打造軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)，實現(xiàn)web端和移動端同步應用。該系統(tǒng)具備設(shè)計計劃管理、設(shè)計成果管理、設(shè)計變更管理、提受資管理、施工配合管理、報批報建管理和檔案管理功能，有助于實現(xiàn)軌道交通工程設(shè)計管理的提質(zhì)增效。

3.1 總體架構(gòu)

該系統(tǒng)總體架構(gòu)包括交互層、應用層、支撐層3層，如圖1所示。

圖1 軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

支撐層是整個系統(tǒng)的技術(shù)核心，為應用層的業(yè)務流程運行、數(shù)據(jù)的處理及展示提供強有力的技術(shù)保障，分為底層平臺和關(guān)鍵技術(shù)2部分。底層平臺包括基于微服務框架的底層技術(shù)平臺和基于云架構(gòu)的工程數(shù)據(jù)驅(qū)動圖形引擎，關(guān)鍵技術(shù)包括設(shè)計管理標準化、電子簽章、BIM屬性校驗、二三維聯(lián)動。

應用層以用戶為中心，對多條線路統(tǒng)一進行用戶管理、角色管理、權(quán)限控制等基礎(chǔ)信息管理，并對設(shè)計報審、設(shè)計提受資和報建等業(yè)務模塊進行詳盡的功能與交互設(shè)計。用戶可以協(xié)調(diào)統(tǒng)一地進行高效、有序的管理工作。

交互層包括電腦（PC）端、移動端、大屏展示、平板電腦等，為用戶提供了高效便捷的協(xié)同工作環(huán)境。用戶可通過交互層查看和使用應用層中的各項功能，以實現(xiàn)對工程項目的高效、高整合度、智能化、信息化管理，達到提高其管理效率和經(jīng)濟效益的目的。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)是基于微服務框架打造的，具有快速、完善、靈活、便捷等技術(shù)特點，契合軌道交通企業(yè)整合多源數(shù)據(jù)、實施多端協(xié)同、支持多線網(wǎng)級應用的長期需求。其技術(shù)架構(gòu)從下往上依次為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、應用支撐層、應用層、訪問層，如圖2所示。

圖2 軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層，即基礎(chǔ)設(shè)施即服務（IaaS）層。以虛擬化、云計算、容器平臺等技術(shù)，提供按需獲取、按需調(diào)度的計算資源、存儲資源及網(wǎng)絡(luò)資源。

（2）數(shù)據(jù)資源層，即數(shù)據(jù)即服務（DaaS）層。負責對軌道交通工程BIM模型、GIS模型、業(yè)務數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等進行存儲。根據(jù)存儲數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，其可分為關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、分布式存儲、對象存儲等類型。

（3）應用支撐層，即平臺即服務（PaaS）層。負責實現(xiàn)應用服務的微服務化。根據(jù)職責不同，其可分為開發(fā)框架和基礎(chǔ)支撐平臺。其中，開發(fā)框架是業(yè)務系統(tǒng)基礎(chǔ)功能（如認證授權(quán)、流程引擎等）的封裝，基礎(chǔ)支撐平臺負責核心功能和組件復用。

（4）應用層，即軟件即服務（SaaS）層。包含軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)的各項業(yè)務功能模塊，分為設(shè)計管理模塊和基礎(chǔ)應用模塊2部分。

（5）訪問層。包含如大屏、PC端、移動端等多端接入。系統(tǒng)為不同的設(shè)備和使用場景設(shè)計了專有的用戶界面（UI）、交互和功能模塊，以方便用戶在不同端上的使用。

3.3 功能架構(gòu)

軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)將傳統(tǒng)軌道交通的設(shè)計總包管理模式與新型數(shù)字技術(shù)相結(jié)合，采用總體設(shè)計、工點設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計全參與的分布式協(xié)同設(shè)計管理模式，實現(xiàn)了對參與方及流程的全覆蓋，具備報建管理、設(shè)計資料管理、設(shè)計進度管理、設(shè)計質(zhì)量管理、設(shè)計變更管理、施工配合、檔案管理等功能，實現(xiàn)軌道交通工程設(shè)計提資、會簽、報審、交底、移交等全過程的數(shù)字化。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.4 數(shù)據(jù)架構(gòu)

軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)來源。軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源包括設(shè)計圖紙、設(shè)計模型、設(shè)計標準、進度填報單、互提資料單、報審表單、施工配合數(shù)據(jù)、報建項目數(shù)據(jù)、設(shè)計資料歸檔等。所有數(shù)據(jù)均通過數(shù)據(jù)傳輸接口匯聚到軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)層。

（2）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層負責以數(shù)據(jù)庫形式存儲模型數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)、項目數(shù)據(jù)等，其對數(shù)據(jù)標準進行了統(tǒng)一，以保障數(shù)據(jù)在系統(tǒng)各功能模塊之間的順暢流轉(zhuǎn)。

（3）數(shù)據(jù)處理。其內(nèi)容包括：對各數(shù)據(jù)源匯入的數(shù)據(jù)進行校驗、整合、關(guān)系構(gòu)建等入庫預處理操作，并存入元數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫、對象存儲空間、模型數(shù)據(jù)庫、項目數(shù)據(jù)庫、服務數(shù)據(jù)庫及文件存儲空間；對BIM模型、GIS數(shù)據(jù)等進行模型格式轉(zhuǎn)換、坐標轉(zhuǎn)換及模型發(fā)布處理；對工程業(yè)務數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換、基于主數(shù)據(jù)模型的模型解析、統(tǒng)計分析等處理；對需要進行工程管理智能化處理的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)挖掘之后形成價值數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)服務。數(shù)據(jù)服務是數(shù)據(jù)處理過程的最終成果，包括工程管理智能化服務、工程數(shù)據(jù)管理服務、BIM+GIS可視化服務及基礎(chǔ)服務。

（5）數(shù)據(jù)應用。數(shù)據(jù)應用是利用數(shù)據(jù)服務功能，對所有經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)進行業(yè)務展示，包括設(shè)計成果查詢、提資管理、受資管理、設(shè)計進度管理、圖紙報審、模型報審、施工配合、報建項管理、檔案管理等業(yè)務模塊。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 圖模二三維聯(lián)動與校審技術(shù)

圖模二三維聯(lián)動與校審技術(shù)可同時實現(xiàn)三維模型與二維圖紙的數(shù)據(jù)聯(lián)動與交互聯(lián)動，采用BIM圖形引擎進行模型數(shù)據(jù)解析-映射-聯(lián)動三級處理，解決了圖模一致性無法判斷、多視圖切換觀察不便、圖模兩層皮修改等問題，實現(xiàn)了三維模型與二維圖紙的相互調(diào)用、校審同步，如圖5、圖6所示。這既可以發(fā)揮三維模型可視化的優(yōu)勢，又可以充分利用二維圖紙詳盡的設(shè)計說明和標注，使各方能夠快速理解設(shè)計意圖。

圖5 圖模二三維聯(lián)動示意圖

圖6 校審意見示意圖

4.2 基于程式化 BIM 構(gòu)件庫的模型數(shù)據(jù)自動校驗技術(shù)

模型數(shù)據(jù)自動校驗技術(shù)基于微服務架構(gòu)，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)一體化管理，提供統(tǒng)一平臺化支撐服務。該技術(shù)旨在提高軌道交通行業(yè)BIM模型質(zhì)量，解決當前行業(yè)內(nèi)BIM數(shù)據(jù)標準無法落地及BIM模型屬性缺失、錯誤等問題。系統(tǒng)開發(fā)人員基于已有的BIM模型數(shù)據(jù)標準，構(gòu)建以BIM模型數(shù)據(jù)工程域、構(gòu)件分類樹、屬性池為核心的程式化BIM構(gòu)件庫，實現(xiàn)了對線上移交BIM模型數(shù)據(jù)的自動校驗。該系統(tǒng)可提供基于BIM標準的模型一鍵式自動化校驗，生成模型預覽、文字報告等不同形式的模型屬性校驗報告，生成的校驗報告可通過在線或?qū)С龇绞竭M行瀏覽，如圖7、圖8所示。

圖7 BIM模型屬性校驗結(jié)果可視化示意圖

圖8 BIM模型屬性校驗結(jié)果報告

4.3 集成電子簽章的數(shù)字檔案技術(shù)

集成電子簽章的數(shù)字檔案技術(shù)依照電子檔案整理的要求，涉及文件標準化→填寫標準化→編號標準化→流轉(zhuǎn)標準化→數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化→匯總自動化→分析智能化全過程，如圖9所示。該技術(shù)解決了電子文件法律效力保障、長期保存和在線歸檔問題，可基本保障數(shù)字檔案的真實性、完整性、可用性、安全性，并對各類檔案進行有效的日常跟蹤和全程管控，將紙堆變?yōu)樾畔①Y源，從而提高檔案移交的質(zhì)量和及時性，提升檔案利用率。

圖9 電子簽章與數(shù)字檔案技術(shù)路線圖

4.4 基于云平臺的協(xié)同設(shè)計管理標準化技術(shù)

基于云平臺的協(xié)同設(shè)計管理標準化技術(shù)采用總體設(shè)計、工點設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計全參與的分布式協(xié)同設(shè)計管理模式，可實現(xiàn)軌道交通工程設(shè)計提資、會簽、報審、交底、移交等全過程的數(shù)字化，如圖10所示。該技術(shù)通過一系列的管理配置功能，滿足設(shè)計管理分級管控程序標準化、圖檔自動分發(fā)、會簽自動匹配、管理協(xié)作自動提醒、資料自動歸檔及授權(quán)共享等需求。

圖10 協(xié)同設(shè)計流程圖

5 結(jié)語

軌道交通工程設(shè)計管理系統(tǒng)基于對傳統(tǒng)設(shè)計管理模式數(shù)字化改造需求的挖掘與研究，利用BIM、GIS、AI、云計算等新型數(shù)字技術(shù)，以數(shù)據(jù)為核心價值，驅(qū)動工程設(shè)計創(chuàng)新應用，實現(xiàn)基于BIM技術(shù)的跨企業(yè)跨專業(yè)設(shè)計管理協(xié)同，支撐各方高效保質(zhì)地開展BIM數(shù)字化設(shè)計、審查與管理活動。該系統(tǒng)已經(jīng)分別在紹興地鐵、成都地鐵、杭紹城際鐵路等項目中得到應用，應用效果良好，有效解決了項目管理過程中管控難、標準難統(tǒng)一等問題，強化了企業(yè)設(shè)計管理監(jiān)控力度，提高其設(shè)計效率。