基于BIM技术的铁路通信工程数字化设计系统研究

随着全球各行业信息化、数字化技术的高速发展 ,铁路行业也紧跟时代发展，大量信息化、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，设计人员需通过人工识别，加工和处理相关资料信息，依据通信设计规范和原则，开始相关设计工作。通过运用BIM技术、数字新技术，提炼、分析工程设计需求及信息表达，创建设计信息模型体系，建立数字化设计系统，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。

传统铁路通信设计是基于CAD制图软件，由设计人员大量参与的手工设计工作。站前接口专业及站后相关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。设计人员需通过人工识别，加工和处理相关资料信息，依据通信设计规范和原则，开始相关设计工作。这种传统设计工作效率低下，大量人为参与容易出错，设计信息全部图纸化，没有数字化处理和存储，不利于后期设计工作的信息化、数字化转型。

目前通信设计已经具备一些关键的、可提高效率的辅助设计软件。但从数字化的角度考虑,零散的辅助设计软件无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，结合设计企业的技术现状与实际需求，针对不同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，研究通信工程数字化设计相关技术，实现数据共享,自动化办公，智能设计的高效集成，提高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。

铁路通信工程作为站后四电工程的重要组成部分，主要由建筑工程、安装工程，系统及接口工程三部分组成。从设计交付维度看,主要包含通信总图（设计原则）、站场平面图、房屋建筑图、站场光电缆图、室内设备平面布置图、配线计划图（ODF/DDF/RJ45）等系统图。在传统设计基础上，通过工程设计需求分析及信息表达，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。

从铁路通信设计专业本身入手，对通信领域工程设计的行为及结果进行归纳、分析、总结，形成现有工程设计模式下通信设计功能需求及信息表达。通信设计各成果之间存在各类关联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主要设备，设备逻辑连接关系和下挂通道信息，从而生成中间站网图（草图），在平面布置图和光电缆径路图上完成通信设备放置，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布置，在上述设计图纸完成后，根据其提供的相关数据完成通信设备配线计划图，最后完成端子分配表（盘面布置图）。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

1）生产流程

铁路通信工程设计生产流程主要包含接收项目，明确项目名称，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，然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，最终设计文件交付并归档。

2）业务分析

铁路通信工程设计作为站后四电工程的重要组成部分，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布置图、通信机械室通信设备配线计划图（ODF/DDF/RJ45）及盘面布置图等相关设计工作。

3）设计功能

经过设计成果类别、空间上应用场景、系统构成、设计行为四个维度分类，将通信专业工程设计抽象、归纳、总结为与接口专业相关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，包含互提资料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主要是在房建、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，开展通信机柜布置、柜内设备及板卡板件布置、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相关工程量（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，主要涵盖数据库系统、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、系统构成、设计行为四个维度分类，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，布置设备、设施、线缆径路，并统计相关工程量（工程数量、工程材料）。根据通信专业的设计原则，绘制各类系统图、构成图，重点描述各设备、设施之间的连接关系。根据上述连接关系，并结合设备、设施、线缆路径的布放情况，计算连接所用的线缆长度。

通过对铁路通信设计流程梳理，结合详细的系统业务分析，从基础服务、技术服务和数据存储三个核心层面建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

整体设计系统部署在公网云服务上，便于通信专业与站前、站后各相关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）提供云上互联网边界和VPC边界防护，实现系统的全局统一访问控制，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高效共享性。

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

生产流程控制是从生产管理角度出发的项目管理任务系统，主要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，引入流程控制机制，保障各任务环节的顺利衔接，同时兼顾站前、站后各专业及通信本专业内的协同设计要求。

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，也是建设现代化协同系统的基础和前提。数字化设计系统利用BIM技术、数据库技术，解决信息标准建立、设计数据及标准结构化、数据标准建立与维护、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询，设计信息由图纸化转为基于BIM技术的信息模型+SQL数据库关联存储双模式。基于B/S架构的网页查询系统，支持设计人员对信息的远程在线查询。标准知识库系统如图4所示。

图4 标准知识库系统

其数字化设计系统核心技术支撑主要有三部分：数字化信息服务、基于MicroStation底层二次开发和Three.js轻量化技术。

数字化信息服务主要实现BIM模型的关联属性信息绑定、存储及数据交换。通过信息与BIM模型的强关联策略，达到设计的参数化、数字化快速设计和模块化自动设计。

通过基于MicroStation的底层二次开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。开发语言使用C#语言,主要使用Dot-Net.Bentley和DotNet.Bentley两个核心类库，核心类库主要是对BIM模型空间中的点、线、面的基本操作。

整体代码框架主要分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。功能实现层主要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二次开发的入口函数，启动MicroStationCE时，自动执行该函数，并实现软件环境的自动加载。

Three.js轻量化技术应用主要是通过二次开发对包含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文件格式保存。同时基于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开发。其流程图如下：

图5 轻量化流程图

主要用到以下两个方面的技术:

1.SIM轻量化文件格式存储方式。轻量化通常以面片化格式数据保存，即将模型数据以大量三角网面组成，SIM文件格式数据结构如下：

V开头表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开头表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开头表示颜色和材质特征，后面数据为颜色RGB、材质ID；i开头表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开发平台技术。Three.js是基于原生WebGL封装运行的三维引擎，通过Three.js三维引擎读取SIM轻量化文件，可实现在Web上进行铁路通信工程模型的展示及其他应用功能开发。通过采用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，提高了数字工程存储和读取效率。

数据层是数字化设计系统的底层数字源，主要由两部分组成：文件数据库和SQL数据库+Bentley DGN数据存储。

文件数据库主要涵盖设计相关标准、规范、规定、典型设计及案例分析，其存储格式由多元化组成，包含Word、Excel、Pdf及图片等。

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。目的是解决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，但对于铁路通信工程数字化设计仍有诸多不足，尤其对站前接口专业的关联信息数据未做良好的支持。采用SQL数据库作为数字化存储的补充模式，可量身定制符合铁路通信工程数字化设计的数据架构。数据架构主要由三层组成，分别是基础数据库、字典数据库和项目设计信息数据库。

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，首先通过生产流程控制模块，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，大大提高设计效率与质量。同时便于设计人员在Mircostation平台上快速布放、调整、替换设备等。利用轻量化技术，通过加载大体量信息模型，在Web端开发相关应用功能，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提供数据及模型支撑。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

通过对传统铁路通信设计需求、规范、标准以及流程的梳理和再造，建立设计信息的逻辑、组织及表达关系，结合目前主流软件研发模式及数据库技术，建立了适用于数据库表达的结构化数据表达方法，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相关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，通过算法及功能模块研发，实现智能化、数字化设计，简化大量人工设计工作，保障了设计效率和设计质量，同时也拓展了设计数据的后期应用，也保障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。