铁路IFC国际标准研究和编制

索宁

（中国国家铁路集团有限公司 工程管理中心，北京 100844）

0 引言

近年来，我国铁路行业掀起以BIM为核心的新一轮铁路工程信息化建设热潮，加快了铁路工程建设数字化进程。铁路BIM联盟自2013年成立以来，以BIM标准建设为引领，研究分析IFC国际标准关键技术路线和方法，并在此基础上，通过扩展方法建立了以IFC 4×1国际标准为基础的中国铁路工程信息模型数据存储标准。

IFC 4×1国际标准基本局限于建筑行业，未涵盖铁路工程领域的线路、桥梁、隧道、轨道、路基、站场、通信、信号、电气化等特有专业；同时，铁路工程具有“线路工程、区域范围广、与地形结合紧密”等有别于建筑工程的特点。因此，为实现铁路工程信息模型在国际范围内的一致性、完整性及共性定义，亟需在IFC 4×1国际标准中补充铁路工程信息模型元素，通过软件服务商标准实施，进而实现国际化应用。

根据中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）总体部署，铁路BIM联盟已陆续编制16项铁路BIM团体标准，形成了完整的铁路BIM标准体系。鉴于国际BIM标准组织buildingSMART International（简称bSI）在BIM国际标准编制中的地位，以及其中立化、国际性、独立服务于BIM全生命周期的组织特点，自2015年以来，铁路BIM联盟积极与bSI开展技术交流，进行了铁路BIM标准国际化探索。2016年，铁路BIM联盟在bSI正式发布《铁路工程信息模型数据存储标准》为公开可用规范（Publicly Available Specifications，SPEC），推动了IFC国际标准进一步拓展到铁路、公路、桥梁、隧道等专业领域，进一步引领和深入参与国际BIM技术研究和发展，成为铁路标准积极“走出去”的重要形式。

在前期工作经验基础上，系统梳理国际BIM标准组织的管理模式，研究分析bSI标准制定方法和主要流程，进一步指导未来我国专家承担bSI国际标准编制工作，提升我国制定国际标准的质量和效率。

1 IFC标准扩展

IFC标准的体系结构包含4个层次，从下到上依次为：资源层、核心层、互用层和领域层。每个层次都包含一些特定领域信息描述模块。IFC通过实体对建筑对象、属性及关系进行描述。在IFC4标准中，定义的实体类型数据已增至812个，但仍无法满足铁路工程领域对信息数据描述的需求。《铁路工程信息模型数据存储标准》通过实体与属性表达工程建设项目中的信息，通过静态与动态扩展的方式增加对铁路工程领域概念的表达能力。IFC标准扩展方案示意见图1［1］。

图1 IFC标准扩展方案示意图

静态扩展指在IFC4模式基础上，遵循面向对象思想的继承原则，层级化定义铁路工程中各专业领域的实体。静态扩展的结果为EXPRESS模式文件，软件开发通过解析EXPRESS文件完成对铁路IFC对象的识别。实体类的扩展又分为语义模型扩展和几何模型扩展：（1）语义模型扩展。除一些特殊专业（如线路专业）外，一般按照空间结构单元、构件、组合件和零件4个部分进行扩展；（2）几何模型扩展。主要针对目前铁路设计中用到，而IFC又无法表达的几何实体（如线路专业的中心线采用平面和纵断面的描述方式）进行扩展，需要新增对应的几何实体。

动态扩展指在现有IFC实体基础上，不更改IFC模式，通过将现有IFC实体的ObjectType属性设置为实体类型在《铁路工程信息模型分类与编码标准》中对应的编码，同时将实体的Predefined Type属性值设为“User Defined”，从而标识实体的具体类型。

对于属性集，通过对IFC标准中的属性集（Ifc Property Set）进行扩展来定义铁路工程领域实体的属性。Ifc Property Set通过Ifc Rel Defined By Properties关联至1个或多个实例。属性集包含3部分信息：（1）属性集名称；（2）属性集可应用的实例与类型；（3）属性集中属性的定义。目前，在《铁路工程信息模型数据存储标准》中，已基本涵盖铁路工程所需专业领域的属性集及公用属性集［2］。铁路工程信息模型体系结构示意见图2。

图2 铁路工程信息模型体系结构示意图

随着《铁路工程信息模型数据存储标准》作为公开可用规范正式发布，越来越多的国家铁路公司认识到铁路行业面向数字化转型需要应用BIM技术的重要性，以及结合铁路行业需求修订IFC国际标准的紧迫性，欧洲多个国家铁路公司，如德国、法国、瑞士、奥地利等国家铁路公司，分别发布了BIM技术规划，以进一步提升铁路运营管理水平。

2 bSI标准编制组织与管理

2.1 管理模式

bSI通过管理办公室（PMO）、标准委员会、技术等各分室（ROOM）对组织进行管理。目前包括铁路、基础设施、机场、施工、产品、监管、建筑等分室，分别负责不同行业领域提交的相关标准申请，并组织相关研究工作。

2.2 标准制修订流程

bSI标准制修订工作主要通过项目管理方式进行，可分为以下3个阶段：

（1）需求提出。由行业提出具有一定代表性的标准制修订项目需求建议，相应分室成立工作组，形成完整的项目建议书，最终由标准委员会审核批准。

（2）解决方案创建。按项目建议书研究内容、目标、计划等，由各分部成立项目组，确定项目负责人，建立项目组织架构、建立工作机制，按要求完成标准建议草稿，报请标准委员会批准。批准后的标准为bSI候选标准。该阶段与软件商同步开展标准验证工作，验证结果再次提交标准委员会，通过后形成生产标准，作为下一阶段工作开展依据。

（3）生产标准部署。各软件商参与生产标准部署，开发相关产品，服务行业用户使用。同时，生产标准作为成果物提交ISO标准委员会。本阶段工作完成后，修订成果将作为ISO、bSI的正式标准予以发布（见图3）。

图3 bSI标准发布流程示意图

2.3 IFC 5标准扩展体系架构

为进一步适应各行业在基础设施行业应用BIM技术的需求，bSI提出了IFC 5标准扩展工作路线图，包括铁路、公路、桥梁、隧道、水运（港口）、线路中心线、通用定义标准项目等，同步开展标准研究工作。IFC 5标准扩展体系架构示意见图4。

图4 IFC 5标准扩展体系架构示意图

2.4 IFC Rail项目组织架构与分工

在铁路BIM联盟发布《铁路工程数据存储标准》公开可用规范（Publicly Available Specifications）的前期工作基础上，铁路BIM联盟，法国、瑞士、奥地利、意大利铁路公司，芬兰、瑞典交通局，以及法国国家MINND项目组，在2017年“英国伦敦buildingSMART标准峰会”上，正式通过IFC Rail标准编制项目建议书，共同研发铁路IFC国际标准，并签署《IFC Rail项目联合体协议》，进一步明确约定了各方在资源、人力、资金、项目管理等方面的权利和义务，为项目顺利完成奠定了坚实基础。IFC Rail项目组织架构（第一阶段）示意见图5。

图5 IFC Rail项目组织架构（第一阶段）示意图

IFC Rail项目组织架构分工如下：

（1）铁路项目指导委员会。由项目参与方代表参加，负责审查项目阶段工作进展，对项目工作进展提出意见和建议。

（2）项目负责人。由中方和欧方各派一名管理者，牵头组织、协调项目日常研发工作，整理周、月报，与bSI进行协调，提出标准峰会计划安排。

（3）项目管理办公室。负责日常沟通协调。

（4）技术服务组。负责具体技术方法辅助。

（5）领域专家组。分为轨道领域组（Track）、信号领域组（Signalling）、能源领域组（Energy）、通信领域组（Telecom）、通用及共享元素组（Shared and Common Elements）等5个专业组。5个领域专家组分别由中方和欧方一名专业技术人员牵头，负责各专业领域组的标准研究工作。

3 标准编制

3.1 研究范围

由于铁路行业专业众多，在认真分析bSI各标准研究项目的基础上，铁路BIM联盟采取分工合作的方式，在牵头IFC Rail项目的同时，分别参与其他标准项目研究工作。IFC Rail项目主要研究轨道、通信、信号、能源、共享元素等5个专业领域（见图6）；IFC Road、IFC Common项目主要研究路基专业领域；IFC Bridge、IFC Alignment项目分别研究桥梁、线路专业领域。

图6 IFC Rail项目研究范围示意图

3.2 编制方法

基于多参与方和项目多专业特性，通过《项目工作导则》将工作分解为数据需求、概念模型、IFC文件、模型视图定义等关键任务。标准编制流程示意见图7。

图7 标准编制流程示意图

3.2.1 数据需求（Data Requirement）

数据需求是标准编制专业工作的首要任务，也是将基础设施实体与IFC抽象定义关联的工作基础。通过工程实体分解，将铁路工程基础设施各专业领域分解为能够用IFC表示的最小单元，进一步梳理各行业领域的各类实体构件、定义相应属性集。由于需要表达定义的构件与构件（或类与类）之间的关系，需要用一种没有歧义、数字化的数据结构进行体现。因此，在本标准制定过程中，采用了一种面向对象的UML类图方式，描述各个类以及类与类之间的关系，从而将语义层面的数据需求转换成UML概念模型。与Excel格式的数据需求相比，UML概念模型具有以下优点：

（1）计算机可读（Machine-readable）；

（2）可在一个类图上整合类、属性、关系等所有信息；

（3）更加标准化、规范化，能够直接生成高级语言代码；

（4）软件能够重复、灵活地提取和处理模型中的数据；

（5）可方便地转换为HTML等格式便于用户网页浏览。

在标准编制方法中，需要通过以下3步完成数据需求阶段工作：

（1）工程实体结构分解。通过各专业领域进行工程实体分解，其在分解过程中会进一步抽象，如通信专业，我国通信系统一般按子系统组成划分为传输系统、接入网系统、数据通信网系统、电话交换系统、调度通信系统、移动通信系统、综合视频监控系统、应急通信系统、时钟同步系统、客票系统、旅服系统、自然灾害及异物侵限监测系统等。但经过调研，在某些欧洲铁路公司运营应用中没有单独的客票系统、旅服系统、自然灾害及异物侵限监测系统定义，经过项目组分析各系统特性和研讨，将客票系统、旅服系统、自然灾害及异物侵限监测系统等纳入了广义的通信系统研究范围中［3-4］。

（2）用户用例（Usecase）。基于ISO 19650标准，通过各专业分析，共得到用户用例38项，其中6项为最高优先级用例。包括：已运营铁路建模、铁路设计建模（铁路和铁路中间设计建模的可行性研究）、碰撞检查（物理接口、3D协调和冲突检测、信号显示检查）、3D可视化、工程量统计，以及从建造者到维护者的交付。

（3）数据交换需求与IDM信息交换流程图。IDM信息交换流程见图8。通过业务流程图（BPMN），将工程建设各阶段（设计、施工、运维），各角色（运营商、设计企业、施工企业、业主）分别作为横纵坐标上的关键元素，按项目建设过程中数据流转和信息交互的情况分析，共得到工程实体类677个，其中高优先级453个；属性定义2 534个（包含预定义类型）。

图8 IDM信息交换流程图

3.2.2 概念模型

通过UML概念模型表达，共得到673个类。其中，新实体类17个、预定义类型属性118个。以信号专业领域为例，对建立实体构件和空间结构的UML概念模型进行说明：

（1）实体构件UML建模。主要针对铁路信号实体设备，以及设备之间关系建立概念模型。铁路信号实体构件建模的第一优先级为室外轨旁设备（Trackside Objects），第二优先级为室内设备。在铁路信号实体构件UML概念模型中，对各个构件类和类的属性，用UML类图的方式进行定义，并利用UML各类关系（如继承、聚合、关联等）表达铁路信号实体构件之间的关系。转辙设备UML概念模型见图9。如图所示，首先，用继承关系定义父类“道岔转辙设备”与子类“转辙机、安装装置、外锁闭装置”等之间的关系；其次，用聚合关系定义“转辙机”与“安装转辙、外锁闭装置”之间的关系，并用“多重性”描述了2个类之间的数量对应关系；最后，用关联关系定义“转辙设备”与“道岔”之间“is mounted on”的依附关系。此外，用注释、图例的方式，对类图进一步注释或说明。

图9 转辙设备UML概念模型

（2）空间结构UML建模。空间结构是一种总体、宏观的空间分解，可指示设备所在位置、空间或区域。如1个机柜相对于1个机房的位置、1架信号机相对于1个道岔的位置等。空间结构在概念上区别于线性定位（Linear Positioning），线性定位在铁路领域通常是根据线性位置进行校准，而空间结构是基于严格的空间层次分解。铁路信号空间结构UML概念模型见图10。如图所示，铁路信号系统在空间结构上大致可分为室外和室内。室外空间可进一步分解为车站和区间；室内空间可进一步分解为站内机房和远程控制中心等。对于铁路信号室外空间，由于大多数轨旁信号设备位置依附于轨道的空间结构，因此室外还可利用轨道空间结构［5］。

图10 铁路信号空间结构UML概念模型

3.2.3 铁路IFC标准模型定义文件（IFC Rail Standard Specification）

经过与IFC既有类定义进一步梳理，与IFC中的定义合并或者扩展IFC属性定义后，给出IFC Rail EXPRESS Schema架构建议［6］。

3.2.4 模型视图定义（MVD）

模型视图定义（MVD）是IFC数据模型的子集，大多数软件供应商通常选择合适的MVD，而不是整个IFC来实现。bSI为标准化MVD提供认证服务，以确保实施质量。高优先级MVD包括：轨道参考视图（RV）、基于对齐的轨道参考视图（ARV）、轨道设计传输视图（DTV），以及铁路资产管理视图等。

4 总结与体会

铁路IFC国际标准项目于2019年10月通过bSI标准委员会审查，正式发布在官方网站，成为bSI候选标准。该项目的顺利完成，填补了IFC国际标准铁路专业领域的空白。铁路BIM联盟参与完成的IFC通用定义（公路）项目、IFC Bridge项目等，也通过bSI标准委员会审查，填补了铁路行业路基、桥梁专业领域空白。bSI将铁路BIM联盟在IFC中心线项目提出的缓和曲线、里程系统、断链等建议，纳入IFC 4×2国际标准。本次铁路IFC国际标准项目的重要意义体现在：

（1）国际标准编制过程中，进一步丰富了我国专家对IFC基本概念、方法论的理解，以及标准编制相关软件工具的使用；进一步在国际上验证了公开可用规范《铁路工程信息模型数据存储标准》提出的可行性，培养了一批专业技术团队。

（2）建立了国际标准编制组织模式，通过协议、合同等方式，约定项目参与方权利和义务，形成了项目负责人、管理办公室、技术服务组及各专业领域组“共同负责、分工明确”的工作形式。

（3）强化项目管理，将中国标准编制的管理经验与国际标准编制的需求相结合，有效地组织推进。通过专业小组周会、项目指导委员会月度会、阶段成果审查会等形式，进一步固化工作流程、工作方法，明确工作范围、阶段成果目标，在进度、财务、协调、工作质量等方面整体推进项目。遇到重难点问题及时协调bSI标准委员会相关专家予以指导，通过多方共同确认成果，保证了项目按计划推进。

（4）铁路IFC国际标准是首个由中国牵头编制的铁路行业BIM标准，为中国铁路BIM标准的国际化争取了话语权。