基于铁路工程元数据的设计成果标准化管理与应用.pdf

2023年第4期专业应用专业应用基于铁路工程元数据的设计成果标准化管理与应用刘北胜，李慧，张敬涵，吕向茹（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）摘要：针对铁路工程设计阶段与建设运营阶段数据语义不一致、数据格式不统一、数据质量难以保证、难以充分发挥设计成果价值等问题，构建铁路工程元数据管理与设计交付平台，对元数据管理、设计协同、设计交付管理、模型构件库、模型渲染服务和BIM应用服务等模块开展功能设计，实现管理模式、研发实践和成果应用三大创新，并在多个铁路建设项目开展应用研究。该平台在可管可控、证书管理、数据管理、数据校验等方面具有较大优势，对于加快铁路BIM联盟标准固化及落地应用，加强设计文件的协同共享，保证电子文件的完整性、一致性和有效性，推动铁路工程项目设计、施工、运营全生命周期信息化管理和应用具有重要意义。关键词：铁路工程；元数据；设计成果；设计交付；BIM服务中图分类号：U212；TP392 文献标识码：A 文章编号：1672-061X（2023）04-0054-09DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2023.02.13.0011 概述传统铁路工程设计成果交付多采用二维图纸，而数据传递多采用表格，面对庞大复杂的系统工程会出现设计意图表达与理解不明确、数据传递不顺畅等问题，从而对工程质量产生不良影响。自2017年以来，铁路行业开展了大量设计成果电子文件统一格式交付的研究工作1。郭歌等2结合铁路行业数据资源特点和信息共享需求，提出铁路基础设施元数据管理方案。2020年铁路BIM联盟发布了铁路基础设施元数据标准（1.0版）3。解亚龙等4提出基于元数据的设计成果数据创建和提交方式。中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）发布了铁路建设项目施工图电子文件交付管理办法，同时开展了与管理办法相适应的铁路工程设计交付系统研发工作，并进行全路推广应用。郭敏5针对轨道交通工程设计元数据开展应用研究，实现设计元数据便捷填报、格式转换、维护、交付和利用。随着铁路工程设计成果的不断积累，迫切需要构基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB2600405）第一作者：刘北胜（1984），男，副研究员，博士。E-mail：542023年第4期专业应用专业应用建统一的铁路工程元数据管理与设计交付平台，为实现铁路工程建设项目跨阶段数据共享、提升设计管理能力和工程质量奠定坚实基础。在业务层面，通过统一的管理和交付平台实现结构化和非结构化设计数据的线上管理，规范铁路工程设计电子文件交付流程，实现多方价值需求链接；在标准层面，基于铁路工程元数据标准、BIM标准和交付管理办法，统一数据管理规范，提高对数据资源的开发与利用效率；在信息化层面，打造基于元数据的成果管理BIM服务，建立互联网理念的服务产品，打通各环节、各阶段、各参与方数据价值交互，实现信息共享。2 铁路工程元数据管理与设计交付平台设计与实现构建铁路工程元数据管理与设计交付平台，制定铁路工程元数据标准及交换标准体系和BIM应用服务标准体系，践行标准先行，创新设计成果管理模式，实现设计成果从设计阶段向施工阶段的无损传递6。在此基础上，打造基于元数据的成果管理BIM服务，贯穿铁路工程建设全生命周期，实现各专业人员集中并行的协同工作模式以及信息协同共享机制。平台主要功能模块包括元数据管理、设计协同、设计交付管理、模型构件库、模型渲染服务和BIM应用服务（见图1）。2.1元数据管理元数据管理模块主要包括元数据的查看、著录、审核、导出、发布和同步等功能，支持表单Schema生成、数据填报模板生成、具体数据JSON文件生成等应用，为实现设计成果数据统一格式创建奠定了坚实基础7-8。元数据管理模块见图2。2.2设计协同设计协同模块主要包括基础应用、协同办公、综合展示、智能服务等功能，能够实现基于设计内容的创建、存储、管理、流转、使用和归档，满足设计过程中计表管理、资料互提、文件签审、归档等业务需求，以及设计多样化管理需求，可以提高设计质量和企业内容管理水平。设计协同模块见图3。2.3设计交付管理设计交付管理模块主要对设计成果交付流程和交付机制进行规范，包括元数据元素管理、元数据Schema管理、设计项目管理、组织管理和权限管理等功能。通过元数据元素管理，从源头对相关设计数据进行把控；通过元数据Schema管理，生成元数据表单模板，并与设计项目结构树节点进行绑定，使设计单位用户使用更加便捷；通过设计项目管理，为用户提供设计文件创建、存储、共享、利用服务；通过组织管理，实现设计单位相关用户管理；通过权限管理，细化各级用户数据权限，增强数据的安全性和保密性。设计交付模块图见图4。铁路工程元数据管理与设计交付平台查看著录审核导出发布同步元数据管理设计协同基础应用协同办公综合展示智能服务设计交付管理设计项目管理元数据元素管理元数据Schema管理组织和权限管理模型构件库构件管理信息管理系统管理综合展示模型渲染服务图形引擎WebGL渲染服务端渲染图形轻量化BIM应用服务虚拟建造施组优化质量监控安全管理图形轻量化图形引擎元数据标准交付管理办法BIM模型标准设计文件编制办法设计单位施工单位建设单位监理单位供应商专业数据协同数据现场数据分析数据管理要求统计数据管理要求统计数据供货信息管理数据图1铁路工程元数据管理与设计交付平台功能架构552023年第4期专业应用专业应用2.4模型构件库模型构件库模块主要是为了提高构件资源共享和重复利用，包括新增构件、修改构件、删除构件、提交构件、分配审核构件人、审核构件、分配发布构件人、发布构件、撤回构件、查看构件历史版本和查看构件状态等构件管理功能，构件属性信息、插件信息、构件类型信息、轮播图信息和字典信息的查看和操作，以及系统管理和综合展示9-10。模型构建库模块见图5。2.5模型渲染服务模型渲染服务通过图形引擎和BIM模型轻量化技术解决了模型动态更新的难题，主要包括图形引擎、WebGL渲染、服务端渲染和图形轻量化，实现模型数据融合展示、授权认证、接口服务、信息动态更新、三维数据轻量化动态加载及实时渲染，支持线形工程大场景展图2元数据管理模块图3设计协同模块562023年第4期专业应用专业应用示和应用。模型渲染服务通过BIM模型绑定安全、质量、进度和成本等信息，为提高工程计划可行性、实施成果预见性和业务信息可追溯性奠定了坚实技术基础。模型渲染服务模块见图6。2.6BIM应用服务BIM应用服务从大数据的角度解析投资建设者数据需求，对施工过程数据进行梳理和统计，从线路基本信息、投资进度、建设进程、安全、质量等多个维度对铁路施工的整体建设进行把控，主要包括虚拟建造、施组优化、质量监控和安全管理等功能。BIM应用服务贯穿铁路建设项目前期规划、勘察设计、施工阶段和运维阶段全生命周期，通过建立不同阶段统一的交付标准，各项目参与方形成完整的工作流程、协作机制，使BIM模型可以顺利对接各类软件、各个阶段，实现铁路工程结图4设计交付管理图5模型构件库模块572023年第4期专业应用专业应用构“数字孪生”，切实将信息化、智能化贯穿于铁路建设管理全生命周期，实现多源数据融合，有效优化施工方案、缩短工期、降低成本、提高工程质量。BIM应用服务模块见图7。图6模型渲染服务模块图7BIM应用服务模块582023年第4期专业应用专业应用3 平台创新3.1管理模式创新（1）构建基于元数据的铁路基础设施数据管理的创新信息化模式，实现全生命周期内铁路基础设施元数据规范性描述，以及铁路工程元数据体系及交付标准化管理，为数字化信息资源建立一种机器可理解的逻辑架构和基础模型。通过对铁路基础设施信息资源的描述，便于信息资源的识别、评价及使用过程中变化的追踪，实现大量网络化数据的简单高效管理，以及信息资源的有效发现、查找、一体化组织和对使用资源的有效管理。（2）构建铁路基础设施元数据著录及更新机制，实现铁路基础设施元数据的著录、审核和发布等。铁路基础设施元数据管理流程分为3个主要步骤：元数据著录、元数据审核与元数据发布。铁路BIM联盟各成员单位负责元数据的著录和审核，铁路BIM联盟负责元数据的发布。铁路基础设施元数据的标准化管理和应用流程使元数据的管理和维护工作规范化、合理化、科学化。（3）提出铁路施工图电子文件交付新方式，进一步规范施工图电子文件交付管理工作。确立了基于元数据的设计成果数据的创建和交付方式，并提出以设计单元为交付文件划分单元的文件组织方式，进一步规范设计成果电子文件的交付内容、文件格式、交付流程等，保证了电子文件的完整性、一致性和有效性。3.2研发实践创新（1）打造铁路工程元数据管理与设计交付平台，创新性研究并提出铁路工程设计元数据的定义、维护和利用方法。研究并提出元数据的应用方法，通过组合若干个元数据元素自动生成JSON形式的元数据表单Schema，实现基于元数据的设计成果数据统一格式创建。铁路设计元数据应用流程见图8。（2）研究并突破设计协同管控关键技术和方法，实现多专业设计数据统一标准化管理。创新性研究设计业务的计划、进度、流程、成果等全过程管理，通过所需功能的精细化控制规划、技术途径，实现设计过程中计表管理、资料互提、文件签审等多样化业务需求，提升设计计表科学化、规范化管理水平，缩短各专业间提资接收和设计文件签审周期，全面提升专业协同能力、设计效率和设计质量。通过设计成果归档、数据分析挖掘等关键技术的研究，实现设计单位内部知识管理。（3）研究并突破设计成果的无纸化交付、分发和使用的关键技术和方法，开创铁路行业工程建设无纸元数据表单Schema填报界面Excel模板数据库表结构结构化数据文件组合生成图8铁路设计元数据应用流程592023年第4期专业应用专业应用化交付先河。创新性研究设计交付数据的安全性、完整性和真实性保障机制，通过数据传输加密、数据存储加密以及数据访问控制，保障数据不被非法窃取或篡改。基于元数据实现数据自动校验，实现数据的完整性和准确性校验。通过电子签章等用户身份认证技术保证数据的真实性及不可抵赖性。研究设计成果的无纸化交付、分发和使用等关键技术，为铁路行业工程建设无纸化交付奠定了技术基础。3.3成果应用创新（1）打造铁路工程设计成果库及模型统一管理服务，实现贯穿全生命周期的信息模型转换、信息提取及信息模型共享管理。对铁路工程信息模型标准构件的分类方法和命名规则进行了系统分析和研究，形成了构件分类及命名标准，并将该标准应用于铁路工程信息模型构件的构建，提高构件管理的标准化水平及构件检索效率。搭建铁路工程信息模型构件统一管理服务，对标准构件进行统一收集、管理和分发。将全要素、全过程虚实映像进行融合，建立超高模拟度的产品、资源、数据和建造工序流程等虚拟仿真模型。模型构件库示例见图9。（2）打造铁路工程设计成果图形引擎服务，采用双渲染模式数据动态更新技术，实现全面、高效、精准获取海量数据信息。通过模型挂接安全、质量、进度和成本等业务数据，解决模型动态更新难题，实现既能删除局部旧模型替换新模型，又能保证新模型继承旧模型全部历史业务数据。双渲染模式极大地提高了系统效率和使用体验；WebGL渲染模式能够实现便捷快速响应，为3D模型提供服务；服务器端渲染模式由服务器上的图形处理器（GPU）执行，能够辅助实现所有3D模型和海量数据的综合展示。图9模型构件库示例602023年第4期专业应用专业应用（3）通过轻量化服务打造设计成果多源数据融合，实现多源异构数据统一化和大体量模型的快速加载。采用全方位设计成果多源数据融合应用模式，极大地提升可视化动态更新的效率，降低铁路建设项目应用成本。在此基础上开展施工作业推演、施工组织优化、质量安全管控、隐蔽工程管理等功能应用，实现铁路建设项目全生命周期精细化、智能化管理。4 平台优势及先进性（1）实现了铁路工程设计数据从生产到交付全流程管理。结合流程引擎、文档总线、电子签章、传输加密等关键技术，完成设计数据生产、一体化管理及向项目建造阶段规范化交付的完整技术探索和验证。为铁路建设项目设计成果的集中管理和建设阶段深化利用奠定了坚实基础。（2）搭建了设计到建造的数据标准化传递桥梁。制定铁路工程元数据标准，并首次建立设计阶段到建造阶段的数据传递模型，打通设计阶段到建造阶段的工程数据断层，创建了设计到建造的数据传递标准化桥梁。（3）实现设计阶段全域数据标准化管理。通过元数据、Schema、权限模型等实现设计数据格式、语义、结构规范化管理，并从流程优化、过程管控、制度完善等方面进一步规范设计文件的创建、流转、管理和交付，形成开放式、组件化的设计协同基础服务能力，实现设计数据交付的无损传递，保证了设计数据时效性和准确性，加快了铁路 BIM 联盟标准固化及落地应用。与其他同类型系统相比，该平台具有明显优势（见表1）。5 结论铁路工程元数据管理与设计交付平台在京张高铁、京雄高铁、雄忻高铁等项目推广应用，极大提高了工程管理和设计交付效率。通过构建铁路行业设计阶段关键业务数据的定义词库，规范设计成果数据的语义、格式、结构等，使数据的使用者（建设、监理、施工单位等）能够通过信息化系统直接读取并利用设计数据，避免出现数据理解上的偏差，极大提高了数据使用效率。通过构建全路设计资料库，实现全路设计资产的统一规范化管理。通过规范铁路工程设计电子文件的交付流程，使用信息化交付平台使设计交付过程更加准确、高效，同时保证了设计资料的完整性、一致性和有效性，为实现铁路基础设施全生命周期数据共享奠定基础。通过对铁路工程施工过程优化和文档管理技术，基于设计交付成果的BIM应用服务提高了工程建设管理效率。通过对铁路工程建造期所用的电子沙盘进行实时更新，展示最新的施组计划、施工进度、设计工程量等信息，实现对铁路工程的仿真模拟。在此基础表1铁路工程元数据管理与设计交付平台和其他系统的对比产品特性权威可信可管可控证书管理结构化数据管理非结构化数据管理流程管理数据交换模式定义数据校验账户管理数据安全铁路工程元数据管理和设计交付平台通过国铁集团认证支持多组织多层级授权支持国内主流证书签发机构的数字证书（CFCA）支持基于铁路工程元数据的结构化设计数据管理支持文件签审、资料互提等协同设计方式提供流程服务，可自定义流程支持自定义数据交换模式（Schema）支持基于Schema的数据自动校验身份认证、账户注册、信息修改、权限控制支持基于国密算法的数据传输和存储加密其他铁路设计成果交付系统通过国铁集团认证不支持一般无一般一般不支持不支持账户注册、信息修改、权限控制不支持612023年第4期专业应用专业应用上，从空间结构、功能需求等方面开展研究分析，提出施工单元优化方案。基于BIM的可模拟性，根据既有工艺工法，模拟重点单元的施工过程，研究优化施工流程，并提出改进方案，评估其可行性，最终实现管理策略优化。通过文档资料关键属性及编码筛选技术，实现文档动态分类、多维度目录生成等功能，保证竣工资料的顺利移交，同时提高数据集成性能。参考文献1 王同军.智能高速铁路基础设施全生命周期管理框架研究 J.铁道学报，2021，43（11）：1-7.2 郭歌，刘北胜.铁路基础设施元数据管理研究与应用 C/中国智能交通协会.第十四届中国智能交通年会论文集.北京：中国工信出版集团，2019.3 铁路 BIM 联盟.铁路基础设施元数据标准（1.0版）J.铁路技术创新，2020（3）：9-17.4 解亚龙，刘北胜，王万齐，等.基于元数据的铁路设计成果数字化交付方案研究 J.铁路计算机应用，2020，29（7）：36-39，44.5 郭敏.轨道交通工程设计元数据应用研究 J.铁道标准设计，2023（7）：51-56.6 吴艳华，郑金子，李平，等.铁路大数据标准体系研究 J.中国铁路，2019（8）：42-49.7 解亚龙，尹逊霄，刘延宏，等.基于本体的铁路工程主数据管理关键技术研究 J.铁道工程学报，2022，39（1）：92-100.8 刘庆猛，武威，刘敏，等.铁路数据服务平台开放共享关键技术 J.中国铁路，2022（1）：104-111.9 刘北胜，尹逊霄，郭歌，等.铁路工程BIM协同设计与构件共享研究 J.铁路计算机应用，2020，29（12）：25-28.10 唐雪芹，曾昊，董凤翔，等.铁路工程BIM构件库建设管理关键技术 J.铁路技术创新，2022（1）：60-65.责任编辑 卢敏收稿日期 2023-02-13Standardized Management and Application of Design Results Based on Railway Engineering MetadataLIU Beisheng,LI Hui,ZHANG Jinghan,LYU Xiangru(Institute of Computing Technology,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China)Abstract:In view of the problems such as inconsistency of data semantics and data formats between the railway engineering design period and the construction and operation period,difficulty in ensuring data quality and difficulty in giving full play to the value of design results,a railway engineering metadata management and design delivery platform is built.This paper aims to analyze the functional design for modules such as metadata management,design collaboration,design delivery management,model component library,model rendering service and BIM application service,so as to innovate in management mode,R&D practice and result application and carry out application research in a number of railway construction projects.The platform has great advantages in manageability and controllability,certificate management,data management,data verification,etc.It is of great significance for accelerating the solidification and implementation of railway BIM alliance standards,strengthening the collaborative sharing of design documents,ensuring the integrity,consistency and effectiveness of electronic documents,and promoting the information management and application of the full life cycle of railway engineering design,construction and operation.Keywords:railway engineering;metadata;design results;design delivery;BIM services62