基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的鐵路電力數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)規(guī)劃與實(shí)施

高 鑫

（中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，陜西 西安）

引言

2018 年，習(xí)近平總書(shū)記在全國(guó)網(wǎng)絡(luò)安全和信息化工作會(huì)議上指出[1]，必須敏銳抓住信息化發(fā)展的歷史機(jī)遇，推動(dòng)信息領(lǐng)域核心技術(shù)突破，發(fā)揮信息化對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的引領(lǐng)作用。鐵路作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈，在促進(jìn)社會(huì)發(fā)展、服務(wù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，擁有核心科技的高速鐵路更是作為我國(guó)的“國(guó)家名片”，向世界各國(guó)展示著中國(guó)改革開(kāi)放和社會(huì)發(fā)展的成果。鐵路是我國(guó)綜合交通運(yùn)輸體系中的骨干，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，《交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》等國(guó)家政策文件的出臺(tái)為鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型注入了強(qiáng)大動(dòng)力[2]。以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等為特征的鐵路數(shù)字化成為了明確的發(fā)展趨勢(shì)。

鐵路工程建設(shè)包含“規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)”多個(gè)環(huán)節(jié)，鐵路設(shè)計(jì)是其中重要的一環(huán)，近年來(lái)，鐵路設(shè)計(jì)領(lǐng)域在BIM設(shè)計(jì)、二三維協(xié)同等方面已作出嘗試并取得進(jìn)展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已邁出第一步。隨著技術(shù)攻關(guān)與努力研發(fā)，鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)必將牢牢把握數(shù)字化轉(zhuǎn)型蘊(yùn)含的戰(zhàn)略機(jī)遇，為推進(jìn)中國(guó)式現(xiàn)代化注入強(qiáng)勁動(dòng)力[3]。

1 現(xiàn)狀

數(shù)字化設(shè)計(jì)的前提是數(shù)字化的設(shè)計(jì)協(xié)同。在鐵路建設(shè)行業(yè)，各設(shè)計(jì)院以勘測(cè)設(shè)計(jì)一體化為目標(biāo)進(jìn)行了大量研究，實(shí)現(xiàn)了基于專業(yè)互提資料的信息共享和進(jìn)度管控[4]。但從國(guó)內(nèi)外各協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的運(yùn)行機(jī)制看，多以項(xiàng)目管理為主線，以各種各樣的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為中心，實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的信息共享、計(jì)劃管控和流程管理等，非結(jié)構(gòu)的文件級(jí)協(xié)同，難以滿足鐵路工程全流程全業(yè)務(wù)多層級(jí)協(xié)同設(shè)計(jì)的需要。

鐵路電力專業(yè)作為站后重要的配套專業(yè)，設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)覆蓋范圍廣，內(nèi)容多[5]，按照設(shè)計(jì)對(duì)象的不同，電力設(shè)計(jì)內(nèi)容可分為建筑電氣、供配電系統(tǒng)兩大部分，建筑電氣包含：房屋動(dòng)力照明、建筑物防雷接地、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等，供配電系統(tǒng)包含：變配電系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、配電線路等，各個(gè)工作內(nèi)容自成系統(tǒng)，龐大而繁雜。傳統(tǒng)鐵路設(shè)計(jì)手段工作量大，需要對(duì)接的站前站后專業(yè)眾多，需要處理的信息量大。隨著計(jì)算機(jī)的普及，鐵路工程設(shè)計(jì)行業(yè)實(shí)現(xiàn)了甩掉圖板的目標(biāo)，目前電力專業(yè)設(shè)計(jì)手段多數(shù)采用CAD 及相關(guān)二次開(kāi)發(fā)軟件，人工繪制圖紙的方式，設(shè)計(jì)效率較低；例如房建是電力專業(yè)重要的前端專業(yè)，工點(diǎn)動(dòng)力照明配電設(shè)計(jì)在房建專業(yè)提資的基礎(chǔ)上開(kāi)展，傳統(tǒng)的房建文件級(jí)提資為DWG 格式文件，房屋裝修、結(jié)構(gòu)、尺寸信息在DWG文件中以圖紙、文字等形式呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)人員需要處理大量的信息方能開(kāi)展設(shè)計(jì)，且因各專業(yè)資料變動(dòng)頻繁導(dǎo)致的設(shè)計(jì)返工多，嚴(yán)重制約設(shè)計(jì)周期，甚至制約鐵路建設(shè)周期。

綜上，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，亟需提升鐵路電力專業(yè)設(shè)計(jì)手段的數(shù)字化、智能化水平，梳理電力專業(yè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，融合專家設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，合理規(guī)劃專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，科學(xué)調(diào)整設(shè)計(jì)模式，規(guī)范專業(yè)接口、設(shè)計(jì)流程，將設(shè)計(jì)元素?cái)?shù)據(jù)化，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)為主線，研究數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)算法、開(kāi)發(fā)電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)顯得尤為重要。

2 問(wèn)題

鐵路電力專業(yè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)多，制約因素多，對(duì)接專業(yè)眾多，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過(guò)程必定充滿挑戰(zhàn)。電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件體系的開(kāi)發(fā)面臨以下幾個(gè)問(wèn)題。

2.1 打通數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同接口難度大

現(xiàn)狀下的提資結(jié)構(gòu)顯然難以滿足數(shù)字化設(shè)計(jì)下的數(shù)據(jù)要求，確定各專業(yè)提資數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)顆粒度難度大，且受制于其它專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)度。

2.2 規(guī)則集成難度較大

電力專業(yè)設(shè)計(jì)電壓等級(jí)涵蓋高中低壓，涉及建筑電氣與供配電系統(tǒng)，鐵路領(lǐng)域、民建領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范眾多，如何將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中各項(xiàng)要求數(shù)字化為軟件操作邏輯需要進(jìn)一步研究軟件架構(gòu)。

2.3 開(kāi)發(fā)系統(tǒng)化軟件難度較大

商用電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)輔助軟件眾多，自研開(kāi)發(fā)適用于鐵路電力專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件部分功能與商用軟件重復(fù)，且自研軟件與商用軟件接口難以統(tǒng)一，開(kāi)完的數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件難以成系統(tǒng)規(guī)模，各設(shè)計(jì)子系統(tǒng)軟件易產(chǎn)生數(shù)據(jù)壁壘，影響規(guī)模化應(yīng)用。

3 規(guī)劃與實(shí)施策略

3.1 電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)規(guī)劃

電力專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)遵從“標(biāo)準(zhǔn)化”-“數(shù)字化”-“智能化”的發(fā)展路線，基于自研、商業(yè)軟件的二次開(kāi)發(fā)、直接引進(jìn)商業(yè)軟件等開(kāi)發(fā)手段，采用B/S 模式或C/S 的系統(tǒng)架構(gòu)，采用二三維一體開(kāi)發(fā)，獨(dú)立功能模塊的模式，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化，最終根據(jù)需求分別以二維圖形、三維模型或數(shù)據(jù)的形式交付成果。

根據(jù)電力專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的不同，電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)可細(xì)分為室內(nèi)動(dòng)力照明設(shè)計(jì)模塊、建筑物防雷接地設(shè)計(jì)模塊、低壓變電所電氣設(shè)計(jì)模塊、高壓變電站電氣設(shè)計(jì)模塊、配電所電氣設(shè)計(jì)模塊等11 個(gè)設(shè)計(jì)子模塊，如圖1 所示。

電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的運(yùn)行需與前后序?qū)I(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)、項(xiàng)目管理平臺(tái)等形成合作，形成數(shù)據(jù)級(jí)的數(shù)據(jù)流動(dòng)、項(xiàng)目管理、后臺(tái)維護(hù)等，最終實(shí)現(xiàn)專業(yè)正向數(shù)字化設(shè)計(jì)。電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)與項(xiàng)目管理平臺(tái)、專業(yè)協(xié)同平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)的關(guān)系如圖2 所示。

圖2 電力專業(yè)數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái)與其它平臺(tái)關(guān)系示意

3.2 實(shí)施策略

數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的研發(fā)是非常復(fù)雜的系統(tǒng)工作，鐵路電力專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋面廣，數(shù)字化設(shè)計(jì)體系軟件的開(kāi)發(fā)需要研發(fā)人員集思廣益，頂層設(shè)計(jì)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，采用正確的實(shí)施策略。

（1） 梳理業(yè)務(wù)內(nèi)容，確定底層業(yè)務(wù)邏輯，可編寫(xiě)業(yè)務(wù)UML 類圖，并在軟件研發(fā)過(guò)程中不斷迭代；（2） 梳理設(shè)計(jì)元素，根據(jù)業(yè)務(wù)流程，采用計(jì)算機(jī)編程思想定義電力專業(yè)設(shè)計(jì)元素，確定各設(shè)計(jì)元素屬性、數(shù)據(jù)輸入以及數(shù)據(jù)產(chǎn)出；（3） 結(jié)合業(yè)務(wù)有業(yè)務(wù)內(nèi)容與設(shè)計(jì)元素，確定電力專業(yè)設(shè)計(jì)平臺(tái)輸入輸出，與各配合專業(yè)確定數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同接口，并不斷優(yōu)化更新接口；（4） 多維度吸收有價(jià)值的智慧成果，例如鐵路電力專業(yè)BIM設(shè)計(jì)軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中自動(dòng)化、數(shù)字化的相關(guān)成熟經(jīng)驗(yàn)，智能電網(wǎng)領(lǐng)域智能化的相關(guān)開(kāi)發(fā)思路。

4 實(shí)施內(nèi)容

4.1 數(shù)據(jù)級(jí)設(shè)計(jì)接口

工程設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，需要多領(lǐng)域的工程技術(shù)團(tuán)隊(duì)、在多時(shí)空的環(huán)境下共同密切協(xié)作來(lái)完成，即協(xié)同設(shè)計(jì)。對(duì)于鐵路工程，設(shè)計(jì)院內(nèi)部專業(yè)之間的接口多達(dá)600 多類且相互交織。電力專業(yè)負(fù)責(zé)為車站、區(qū)間各專業(yè)用電負(fù)荷供電[6]，且多數(shù)設(shè)計(jì)要在房建專業(yè)資料的基礎(chǔ)上完成，設(shè)計(jì)接口眾多，非結(jié)構(gòu)化的提資資料導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員信息整理難度大、易出錯(cuò)，且設(shè)計(jì)成果在設(shè)計(jì)資料變化時(shí)，無(wú)法聯(lián)動(dòng)修改，重復(fù)工作量大，影響成果質(zhì)量。

為達(dá)到數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標(biāo)，提資數(shù)據(jù)化、結(jié)構(gòu)化將更有利于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化[7]，設(shè)計(jì)文件管理，達(dá)到聯(lián)動(dòng)級(jí)的文件修改。為實(shí)現(xiàn)電力專業(yè)的數(shù)字化設(shè)計(jì)，電力專業(yè)需和各配合專業(yè)明確數(shù)字化設(shè)計(jì)流程下的設(shè)計(jì)接口，提供資料的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)深度，并在數(shù)字化軟件開(kāi)發(fā)過(guò)程中進(jìn)一步迭代更新。數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同提資文件將以數(shù)據(jù)為中心，例如房屋尺寸、結(jié)構(gòu)梁尺寸及位置，房屋附屬參數(shù)如裝修、頂棚、屋面等參數(shù)應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定義，電力數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件可以直接從共用數(shù)據(jù)池中進(jìn)行調(diào)取，動(dòng)力照明設(shè)計(jì)依存于數(shù)據(jù)級(jí)資料，當(dāng)房屋變化時(shí)，動(dòng)力照明設(shè)計(jì)文件可根據(jù)數(shù)據(jù)資料的變化進(jìn)行調(diào)整，大大減少設(shè)計(jì)的返工。圖3 為電力專業(yè)部分設(shè)計(jì)模塊與配合專業(yè)協(xié)同的泳道示意，對(duì)專業(yè)內(nèi)外流程及提資進(jìn)行了定義，可指導(dǎo)梳理電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的外部接口。

圖3 數(shù)字化設(shè)計(jì)協(xié)同泳道示意

4.2 數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)對(duì)象

軟件層面，UML類圖可清晰地定義各設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)的流程及操作對(duì)象[8]，電力專業(yè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)較多，設(shè)備、材料型號(hào)規(guī)格繁雜，科學(xué)的梳理每個(gè)設(shè)計(jì)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)象，合理地利用父類、子類的結(jié)構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建合理層級(jí)結(jié)構(gòu)，能有效地降低數(shù)據(jù)庫(kù)的冗余度，提高數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的運(yùn)行效率。本文以鐵路配電所為例，展示了電力專業(yè)配電所一次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的UML 類圖，如圖4 所示，從圖中可看出，根據(jù)接地型式不同，將配電所一次系統(tǒng)分為了中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)以及銷弧線圈接地系統(tǒng)，并將所有的設(shè)計(jì)對(duì)象歸類為4 個(gè)基類，分別為土建基類、材料基類、配電所回路基類以及配電所設(shè)備基類。

圖4 10kV配電所一次系統(tǒng)UML類圖

對(duì)于不同的設(shè)計(jì)元素，可采用枚舉定義或數(shù)據(jù)類定義的方式，對(duì)設(shè)計(jì)元素進(jìn)行定義。例如配電所設(shè)備基類的子類高壓柜可采用數(shù)據(jù)類定義的方式進(jìn)行定義，見(jiàn)表1，從表中可以看出，高壓柜的屬性表中額定電壓、額定電流等在工程領(lǐng)域確定的選型的數(shù)據(jù)類型為枚舉類，其值域可采用枚舉的方式進(jìn)行定義。

表1 高壓柜屬性

4.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與規(guī)則集成

在數(shù)據(jù)級(jí)的提資基礎(chǔ)上，整合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等文件要求，挖掘電力專業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與規(guī)則集成服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)對(duì)象的二三維聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)電力專業(yè)各設(shè)計(jì)內(nèi)容的數(shù)字化表達(dá)工具。圖5 為電力數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)施思路示意。

圖5 電力數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)施思路示意

結(jié)束語(yǔ)

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時(shí)代背景下，鐵路工程設(shè)計(jì)行業(yè)也要把握時(shí)代機(jī)遇，電力專業(yè)系統(tǒng)性強(qiáng)，內(nèi)容繁雜，設(shè)計(jì)過(guò)程人力消耗較大，亟需開(kāi)發(fā)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)。本文根據(jù)電力專業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容的不同，規(guī)劃了包含11 個(gè)設(shè)計(jì)子模塊的電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，并針對(duì)鐵路電力專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，提出了確定底層業(yè)務(wù)邏輯、確定設(shè)計(jì)元素屬性、數(shù)據(jù)輸入以及數(shù)據(jù)產(chǎn)出、確定數(shù)據(jù)級(jí)協(xié)同接口、多維度吸收有價(jià)值的智慧成果的實(shí)施策略。最后，本文從數(shù)據(jù)級(jí)設(shè)計(jì)接口、數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)對(duì)象、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與規(guī)則集成三個(gè)方面討論了鐵路電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的實(shí)施內(nèi)容，構(gòu)建了電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)接口泳道圖，并以鐵路10 kV 配電所為例，討論了UML類圖及設(shè)計(jì)元素的數(shù)據(jù)化定義方法，然后基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與規(guī)則集成思想，提出了電力專業(yè)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)的實(shí)施思路。