基于BIM技术的铁路通信工程数字化设计系统科研

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随着全世界各行业信息化、数字化技术的高速发展 ,铁路行业亦紧跟时代发展，海量信息化、数字化技术和 手段越来越多的投入铁路工程建设全生命周期中。铁路通信设计是铁路建设中至关重要的一环，在传统CAD设计工作中，设计人员需经过人工识别，加工和处理关联资料信息，依据通信设计规范和原则，起始关联设计工作。经过运用BIM技术、数字新技术，提炼、分析工程设计需要及信息表达，创建设计信息模型体系，创立数字化设计系统，从而实现数字化设计取代传统设计模式，推动铁路数字化转型良性发展。

1、铁路通信设计状况

传统铁路通信设计是基于CAD制图软件，由设计人员海量参与的手工设计工作。站前接口专业及站后关联专业的互提资料均为Excel表或其他文档形式提交并汇总给通信设计人员。设计人员需经过人工识别，加工和处理关联资料信息，依据通信设计规范和原则，起始关联设计工作。这种传统设计工作效率低下，海量人为参与容易出错，设计信息所有图纸化，无数字化处理和存储，有害于后期设计工作的信息化、数字化转型。

日前通信设计已然具备有些关键的、可提有效率的辅助设计软件。但从数字化的方向思虑,零散的辅助设计软件没法满足信息共享与信息流通,软件与软件之间信息不流畅,手工与程序自动化工作并存。因此呢，结合设计企业的技术状况与实质需要，针对区别设计内容间协同性差、资源共享不足、设计文件质量良莠不齐以及设计工作量化困难等问题,着眼于整体设计流程信息化，数字一体化的顶层设计与BIM技术、数据库技术相融合，科研通信工程数字化设计关联技术，实现数据共享,自动化办公，智能设计的有效集成，加强设计工作的质量和效率，从设计源头实现真正的数字化转型。

2、设计流程梳理及系统业务分析

铁路通信工程做为站后四电工程的重要构成部分，重点由建筑工程、安装工程，系统及接口工程三部分构成。从设计交付维度看,重点包括通信总图（设计原则）、站场平面图、房屋建筑图、站场光电缆图、室内设备平面部署图、配线计划图（ODF/DDF/RJ45）等系统图。在传统设计基本上，经过工程设计需要分析及信息表达，提炼设计要素，结合BIM技术，创建设计信息模型体系和底层数据架构，实现通信工程数字化设计系统。

1设计流程梳理

从铁路通信设计专业本身入手，对通信行业工程设计的行径及结果进行归纳、分析、总结，形成现有工程设计模式下通信设计功能需要及信息表达。通信设计各成果之间存在各类相关关系以及信息的继承与传递。其中通信总图继承各个子系统的重点设备，设备规律连接关系和下挂通道信息，从而生成中间站网图（草图），在平面部署图和光电缆径路图上完成通信设备安置，连接关系确定（沟槽管洞及电缆），下挂通道确定及房屋房间信息获取，从而完善草图信息生成中间站详图，在电源及接地系统图上完成电源线及地线的楼内部署，在以上设计图纸完成后，按照其供给的关联数据完成通信设备配线计划图，最后完成端子分配表（盘面部署图）。其通信设计信息流转图如图1所示。

图１ 通信设计信息流转图

2系统业务分析

（1）生产流程

铁路通信工程设计生产流程重点包括接收项目，知道项目名叫作，由设计专册将项目中各任务梳理并下发至项目组各设计人员，而后开展互提资料整理及设计工作，在设计图纸完成后由各级审核人员对设计成果审核审定，最后设计文件交付并归档。

（2）业务分析

铁路通信工程设计做为站后四电工程的重要构成部分，其设计前期及设计中均与铁路其他各专业存在接口信息交互。其中线路专业要提交铁路线路里程、中心线等信息；房建专业要提交车站站房建筑图及室内房间信息等。铁路通信专业设计是依据通信系统总图（设计原则）、站场平面图、房屋建筑图及专业互提资料，开展通信光电缆径路图、区间干缆图、站房通信机械室设备平面部署图、通信机械室通信设备配线计划图（ODF/DDF/RJ45）及盘面部署图等关联设计工作。

（3）设计功能

经过设计成果类别、空间上应用场景、系统形成、设计行径四个维度归类，将通信专业工程设计抽象、归纳、总结为与接口专业关联的设计功能和通信本专业设计功能两部分。前部分是通信专业工程设计的前期准备工作，包括互提资料Excel表格形式转化，线路、车站、站场及房屋房间信息录入及存储。

通信本专业设计功能重点是在房建、站场、区间（线路、桥、隧、路基）专业提入的构造物（平面图纸或信息模型）上，依据通信专业设计原则，开展通信机柜部署、柜内设备及板卡板件部署、站场室内外线缆桥架及线缆布放等。基于项目设计信息，结合设计原则、工程预算定额等统计关联工程量（工程数量、工程材料）及绘制系统图。

（4）技术支撑

传统铁路通信工程设计是在CAD平台开展的，数字化设计系统核心是BIM技术与工程数字化的结合，重点涵盖数据库系统、知识库系统、BIM工程信息模型创建平台、模型空间位置算法、轻量化技术及WebGL(Web 图形库)等。

整体系统业务分析框架见图2所示。

图2 整体系统业务分析框架图

经过设计成果类别、空间上应用场景、系统形成、设计行径四个维度归类，将通信专业工程设计抽象、归纳、总结为:

在房建、站场、区间（线路、桥、隧、路基）专业提入的构造物（平面图纸或信息模型）上，依据通信专业设计原则，部署设备、设备、线缆径路，并统计关联工程量（工程数量、工程材料）。按照通信专业的设计原则，绘制各类系统图、形成图，重点描述各设备、设备之间的连接关系。按照以上连接关系，并结合设备、设备、线缆路径的布放状况，计算连接所用的线缆长度。

3、数字化设计系统组建

1架构构成

经过对铁路通信设计流程梳理，结合仔细的系统业务分析，从基本服务、技术服务和数据存储三个核心层面创立整体数字化设计系统架构，系统架构图如图3。

图3 数字化设计系统架构

2网关服务

整体设计系统安排在公网云服务上，便于通信专业与站前、站后各关联专业实现数据共享和协同设计。采用公网NAT网关，构建VPC公网出入口。运用CFW（云防火墙技术）供给云上互联网边界和VPC边界防护，实现系统的全局统一拜访掌控，全流量分析可视化等功能，加强数字化设计信息的安全性和有效共享性。

3基本服务

经过对业务整理及分析后，重点划分三大功能区,别是生产流程掌控、数字化设计平台（含系统图）及标准知识库系统。

生产流程掌控是从生产管理方向出发的项目管理任务系统，重点打通管理者对生产任务的接收及下发、设计人员开展设计、审核人员审图、设计文件交付环节，对各环节统一流程化管理，引入流程掌控机制，保证各任务环节的顺利衔接，同期兼顾站前、站后各专业及通信本专业内的协同设计需求。

数字化设计平台是以设计信息模型数据体系为支撑的数字化设计系统，亦是建设现代化协同系统的基本和前提。数字化设计系统利用BIM技术、数据库技术，处理信息标准创立、设计数据及标准结构化、数据标准创立与守护、专业内标准化协同作业模式等关键技术，实现设计信息的数字化交互、二维转三维的新设计模式、设计信息的数字化存储及系统图、工程量的自动生成。

标准知识库系统以数字化信息管理系统为核心，存储设计资料、规范、标准（含铁路通信BIM标准）以及设计项目信息、交付的数字化设计文件信息等。存储模式为文档+BIM信息模型+SQL数据库三重方式，文档检索支持文件关键字检索快速查找，设计信息由图纸化转为基于BIM技术的信息模型+SQL数据库相关存储双模式。基于B/S架构的网页查找系统，支持设计人员对信息的远程在线查找。标准知识库系统如图4所示。

图4 标准知识库系统

4技术服务

其数字化设计系统核心技术支撑重点有三部分：数字化信息服务、基于MicroStation底层二次研发和Three.js轻量化技术。

数字化信息服务重点实现BIM模型的相关属性信息绑定、存储及数据交换。经过信息与BIM模型的强相关策略，达到设计的参数化、数字化快速设计和模块化自动设计。

经过基于MicroStation的底层二次研发来实现铁路通信数字工程设计从基于CAD技术的二维转向基于BIM技术的三维。研发语言运用C#语言,重点运用Dot-Net.Bentley和DotNet.Bentley两个核心类库，核心类库重点是对BIM模型空间中的点、线、面的基本操作。整体代码框架重点分UI层、命令层、功能实现层三个层次，在工程项目中需要引入UI层的

Bentley.MicroStation.Ribbon和命令层的

Bentley.Interop.MicroStationDGN命名空间。功能实现层重点实现功能的核心算法，需要调用Bentley.DgnPlatformNET、Bentley.DgnCommonGeometry、

Bentley.Interop.MicroStationDGN的底层类库，完成功能实现。以下代码是MicroStation二次研发的入口函数，起步MicroStationCE时，自动执行该函数，并实现软件环境的自动加载。

Three.js轻量化技术应用重点是经过二次研发对包括通信工程的模型进行分别的轻量化处理，将模型处理成面片化数据,轻量化后的数据以SIM文件格式保留。同期基于Three.js技术进行Web端轻量化平台搭建，读取轻量化SIM数据文件，在Web上进行铁路通信工程模型的展示及应用功能研发。其流程图如下：

图5 轻量化流程图

重点用到以下两个方面的技术:

1.SIM轻量化文件格式存储方式。轻量化一般以面片化格式数据保留，即将模型数据以海量三角网面构成，SIM文件格式数据结构如下：

V开头暗示模型面片数据端点集合,后面数据为端点ID、X坐标、Y坐标、Z坐标；f开头暗示模型面片数据三角面集合，后面数据为三角网ID、端点1ID、端点2ID、端点3ID；m开头暗示颜色和材质特征，后面数据为颜色RGB、材质ID；i开头暗示设备模型的变换矩阵和属性数据，后面数据为4∗4变换矩阵、属性数据。

2.Three.js研发平台技术。Three.js是基于原生WebGL封装运行的三维引擎，经过Three.js三维引擎读取SIM轻量化文件，可实此刻Web上进行铁路通信工程模型的展示及其他应用功能研发。经过采用Three.js中Instance实例轻量化技术，只存储相同单元模型的轻量化数据，而其他同类单元模型只取旋转矩阵参数的方式，加强了数字工程存储和读取效率。

5数据存储

数据层是数字化设计系统的底层数字源，重点由两部分构成：文件数据库和SQL数据库+Bentley DGN数据存储。

文件数据库重点涵盖设计关联标准、规范、规定、典型设计及案例分析，其存储格式由多元化构成，包括Word、Excel、Pdf及照片等。

SQL数据库+Bentley DGN数据存储是一种创新型组合式数据存储方式。目的是处理模型及关联的信息数字化存储问题。Bentley DGN有成熟的数据存储架构，但针对铁路通信工程数字化设计仍有许多不足，尤其对站前接口专业的相关信息数据未做良好的支持。采用SQL数据库做为数字化存储的弥补模式，可量身定制符合铁路通信工程数字化设计的数据架构。数据架构重点由三层构成，分别是基本数据库、字典数据库和项目设计信息数据库。

4、应用案例

在某条铁路通信设计中应用数字化设计系统开展试点工作，首要经过生产流程掌控模块，实现了专册的任务接收及下发,与站前各专业的互提资料数字化整合及提取，多人协同基于BIM技术开展数字化三维设计工作，大大加强设计效率与质量。同期便于设计人员在Mircostation平台上快速布放、调节、替换设备等。利用轻量化技术，经过加载大体量信息模型，在Web端研发关联应用功能，实现通信机械室内柜间自动布线、柜内设备板卡部件级及端口级展示及应用，线缆布设达到端口实体精度，为施工期的协同建造和深化施工；运维期的智能化运维供给数据及模型支撑。生成的通信室内数字工程数字化模型见图6所示。

图6 通信室内数字工程数字化模型实例

5、总 结

经过对传统铁路通信设计需要、规范、标准以及流程的梳理和再造，创立设计信息的规律、组织及表达关系，结合日前主流软件开发模式及数据库技术，创立了适用于数据库表达的结构化数据表达办法，实现协同设计、数字化设计及设计数据的提炼、存储和有效流转。将设计期的与通信专业关联的接口专业间互提资料计要素，设计规范，设计图纸都信息化、数字化，融入，设到统一的数据架构中，经过算法及功能模块开发，实现智能化、数字化设计，简化海量人工设计工作，保证了设计效率和设计质量，同期亦拓展了设计数据的后期应用，亦保证了工程建设全生命周期中设计期源头数据的数字化、可流转性及可应用性。

内容：

铁路BIM联盟成员单位——轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院）.

马强.基于BIM技术的铁路通信工程数字化设计系统科研[J].自动化与仪器仪表.

源自/作者：铁路BIM联盟