数字工程推进铁路工程建设数字化转型研究

梁庆福

（中国铁路兰州局集团有限公司 建设部，甘肃 兰州 730000）

0 引言

当今世界，新一轮科技革命带动数字技术强势崛起，产业数字化、数字产业化已成为第4次工业革命的重要驱动要素。习近平总书记指出，“世界经济数字化转型是大势所趋”，国家“十四五”规划也明确提出“加快数字化发展”的具体目标，数字经济已经成为继农业经济、工业经济之后的主要经济形态。数据作为除土地、劳动力、资本、技术之外的新型生产要素之一被写入中央文件，成为实现生产权力与产权分配的关键生产要素［1］。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035 年远景目标纲要》提出，“以数字化转型整体驱动生产方式、生活方式和治理方式的变革，到2025 年，我国数字经济核心产业增加值将占到GDP比重的10%”［2］。国家政府层面对于数字化转型的倡导，将数字化转型推向当前整个社会发展建设的重要位置。

在数字经济时代，云计算、BIM、大数据、人工智能、物联网、机器人、区块链等数字技术，正逐步颠覆和改变全球的产业模式。面对数字化浪潮冲击，英国发布“数字宪章”、日本推进“超智能社会”、新加坡提出“智慧国计划”，通过数字化转型推动各行业发展成为全世界大势所趋。建筑行业的“数字化转型”，也将为智能建筑行业带来全新发展理念，这也是建造产业未来科技的发展趋势［3］。

作为国民支柱产业的建筑工程行业，因其本身的碎片化、复杂性等特点，长期存在能耗高、污染大、发展方式粗放等问题，难以满足新时期高质量可持续发展需求，而建筑数字化将迎来时代发展契机，成为驱动建筑业转型升级的重要力量。铁路作为建筑工程行业的主要组成部分，也需要通过数字化打通建设管理、设计、制造、施工、运维全产业链，通过新材料、新技术、新工艺、新流程的研发和应用，带动整个产业链升级，实现高效生产和协同，提升铁路建设项目的质量、品质和生产效率。

1 概述

1.1 BIM应用现状

目前，铁路BIM 相关的标准、技术及应用已经形成一定规模，使铁路BIM 技术发展到一个新的阶段，各方正在越来越多地投入人力、物力开展此项工作，均取得了一定的效益。BIM作为现代铁路发展不可缺失的一项重要技术，已经越来越多得到各方的认同。

同时，BIM标准落地应用难度大、工程各阶段应用需求模糊及缺乏、支持铁路行业的BIM 软件功能缺失等问题一直未能得到彻底解决，导致BIM 模型品质不能得到有效保证，BIM技术的应用能力特别是运维阶段应用长期处于较低水平，而解决这些问题是铁路数字工程认证的根本宗旨。

1.2 数字工程认证内涵

数字工程是指利用BIM、云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等信息技术，结合先进的精益建造理论方法，继承人员、流程、数据、技术和业务系统，实现建筑工程的全过程、全要素、全参与方的数字化、在线化、智能化。现阶段，数字工程主要以BIM技术为核心，并在发展中逐步增加其他技术元素。

数字工程认证是对数字工程提供者的服务水平和成果是否达到相关标准要求的第三方认证，通过标准、认证、检验检测等手段，以达到客观评价数字工程及交付水平、提升工程各相关方协作效率、提高工程质量的目的［4］。

现阶段，数字工程认证主要检测认证将实际工程映射在虚拟环境中的数字工程是否符合相关要求。未来，可向实现设计、施工正确性及合规性检测方面发展。

1.3 数字工程与BIM的区别

相对于一般意义的BIM 模型，数字工程主要有以下区别：

（1）数字工程的建立与BIM 标准互为依托，在应用中通过优化BIM标准，最终全面符合BIM标准。

（2）以满足工程全生命周期需求为准则，且在工程全生命周期可应用。

（3）数字工程模型以符合工程特征及BIM 软件技术规范的工程数据体系为基础。

1.4 检测认证切入点

数字工程检测认证的关键及主要切入点为：

（1）通过检测认证数字工程对铁路BIM 标准的应用及扩充，以解决标准难以落地的问题。

（2）通过检测认证数字工程是否满足应用需求、是否可构建应用场景，以解决难以支撑业务应用的问题。

（3）通过检测数字工程是否符合具有工程及BIM特征的铁路工程数据体系，以解决BIM 软件功能缺失的问题。

1.5 数字工程创建、检测认证、应用的关系

在研究数字工程检测认证技术的同时，同步研究开发数字工程创建的方法和技术，为创建数字工程的各方提供按要求创建的基本条件和技术手段。

在研发数字工程创建及检测认证技术的同时，研发数字工程应用平台，使所检测认证的数字工程能够应用于实际工程项目。数字工程不满足应用时，应进一步优化创建、检测认证的方法及技术。

2 数字化转型条件

铁路数字工程是在应用和优化铁路BIM 标准、满足铁路数字工程认证体系要求、实现数字工程在工程各阶段应用的原则上建立的，它充分表达了铁路工程的工程实体结构、设施设备组成、工程和任务接口关系，涵盖了工程全生命周期规划及管理、设计及建造、运维及改造等环节数字化应用的基本要素［5］。

在设备制造及材料加工阶段创建和应用的数字工程，包含了设施、设备，以及材料在工程设计、生产制造、施工、运维等各阶段数字化应用的基本信息，以支持数字化时代的铁路智能建造和运维［6-10］。同时，数字工程创建与铁路装备生产制造企业的数字化转型是相伴而生的。

设计期数字工程的应用已成为一些铁路设计单位数字化转型工作的引擎，围绕设计企业数字化转型和数字工程自身的作用，将优化设计产品及服务过程的要素融入设计期数字工程，从而在方案编制、优化设计、技术交底、施工配合等设计工作的全过程建立和应用数字工程，并与设计企业及工程建设的数字化转型保持相同的内涵。

近2年来，结合中国国家铁路集团有限公司（简称国铁集团）的试点项目，施工期数字工程在施工工艺优化、协同建造、技术力量配置优化等方面已起到一定作用，一些施工企业通过数字工程解决了传统施工模式下难以完成的工程内容，并在生产流程、组织模式等方面进行了有效改革，为工程建设及施工企业的数字化转型进行了非常有意义的探索。

在现代铁路建设中，运营维护机构从规划设计、工程施工阶段就深度切入了工程建设项目。因此，无论设计、施工期数字工程，还是运维期数字工程，都融合了运营运维工作的应用需求。目前，运维期对数字工程的应用除了解决传统方式下协同困难等问题外，在工程标准化、数字资产交付、数字化运维管理等方面已取得一定应用成效，为铁路运营维护的数字化转型积累了经验。

铁路建设管理对数字工程的应用需求主要是通过对工程对象、工作任务、生产人员等要素合理、有效的组织管理，以提升工程质量、进度、投资等方面管理效率，有效降低安全和成本的风险。参加工程建设的设备材料生产制造、设计、施工、运维等单位对数字工程的应用以及自身数字化转型效能在工程建设中的体现，为建设管理单位对数字工程的应用及在工程建设管理方面的数字化转型奠定了必要的基础。

综上所述，以数字工程认证体系为标志的铁路数字工程是目前铁路工程建设数字化转型的最适宜的引领者。同时，数字化转型也将为数字工程的推广应用以及数字工程内涵的丰富起到更大的提升作用。

铁路工程建设数字化转型和铁路工程建设应用数字工程具有同等的必要性，且其涉及的范围更广、力度更深，是数字经济、交通强国等国家发展战略的需要，也是解决铁路快速发展中一系列问题的不二选择。

3 数字工程应用于铁路数字化转型

3.1 数字工程在数字化转型中主要价值

铁路行业数字化转型内容多种多样，无论是铁路工程建设项目还是参建单位在建设过程相应的数字化转型，只有实现工程全过程中由数字化转型带来的一些业务模式的突破和效能的有效提升，才是真正意义上数字化转型。数字工程的功能来源于应用需求的凝练，其解决的问题就是传统模式下一些制约工程品质提升的难点，在铁路工程建设数字化转型的探索中，首先可从以下2个方面起到引领作用：

（1）赋能工程建设全生命周期，促进产业效率升级。

数字工程包含铁路工程建设项目进度、质量、成本3大目标所需的主要要素，从数字工程模型能够获得量化建造过程的生产、管理要素，这些数据信息及分析结果，可作为工程建设决策、管理、生产的依据。如前所述，数字工程的创建及应用深入建设项目全生命周期各个环节，涵盖管理、设计、制造、施工、运维等过程的各个参与方，通过数字工程可打通铁路工程建设产业链的上下游，进而实现信息协同和产业效率升级。

（2）增强信息透明度，提升工程建设监管机制效能。

铁路工程内容庞杂、投资巨大、参建单位多、产业链长，各类审批、审查、监管环节复杂，传统模式下，工作效率和质量一直受到很大挑战，低效率、高风险情况屡见不鲜。数字工程对铁路构配件、材料、设施设备、单项工程等的结构、组成、特性进行了全面、可视的表达，数字化对追溯参建各方的资信及生产过程的记录提供了有效手段，在方案评审、工程变更、工程验收等环节，数字工程可有效增强工程信息透明度，鉴别工程和参建单位的品质，为推进品牌工程和企业的脱颖而出，遏制劣质工程和不良资信企业的延伸提供了极其有效的手段。

3.2 全生命周期数字工程带动工程建设数字化转型

（1）铁路工程建设的特征。

铁路工程建设需要在建设管理单位牵头下，由多个单位完成设计、施工、设备材料制造、工程的交付及运维等，其间要完成大量专业之间、机构之间、任务之间的协同，合理配置技术资源、内外部系统以及工程投资等生产要素。显然，只有具备并达到全面完整、协同匹配和先进科学的组织管理水平，才能完成工程建设的各项指标。

铁路工程结构复杂、技术标准高带来了专业间集成耦合因素众多，且精细、工程信息量巨大而多变的特征，也带来制约工程品质及产业效能的重要因素。分析铁路工程及数字工程技术的特征，研究并应用与之适宜的数字化技术，解决传统方式下难以逾越的难题，是数字工程驱动铁路工程建设数字化转型的根本目的。在数字化转型过程中，结合实际工程建设的需求，重新构建建设管理、设计等多方在编制方案、制定流程、应用标准等环节控制其品质的关键性及制约性要素，建立数字化转型过程有效执行上述体系的运行机制，在实践中探索数字工程引领数字化转型的方法，对于铁路工程建设乃至铁路行业的数字化转型有着极其重要的意义。

（2）建立适宜优化传统业务的数字工程。

以施工图审核、集成方案及施工组织流程编制、施工过程管理、工程验收等流程应用数字工程为例，随着工程的进展，数字工程的建模（Modeling）和信息（Information）的数据信息范围及层次呈现为递增，且具备继承性的特征，不同阶段、不同角色对工程的结构层次、组成单元、EBS（WBS）、工料机、检验批次、逻辑信息等数据信息的应用也呈现出显著差异化。众所周知，在工程建设过程，实际工程信息数量的变化呈现为橄榄核状，即在工程开始和结尾阶段，数据信息量变化较小，相应数字工程的创建及应用要素比较明确，中间阶段工程的数据信息量非常庞大，必须遴选出数字化转型中最核心的业务需求来创建及应用相应的数字工程。因此，必须建立能够动态表达工程对象、工作任务、岗位角色关系的数字工程模型，并将上述3 种要素有机融合在数字工程中。以该方式创建的数字工程，与参建工程建设各方的业务是紧密关联的，无论是传统的进度、质量、投资管理，还是精确化设计、标准化施工、智能化运维，对业务进行优化的数字化信息均包含于数字工程中。

（3）“数字协同”引领工程建设的数字化转型。

铁路工程建设涵盖大量需协同的内容，如不同专业间的设计协同、不同部门及人员之间的工作任务协同、对标准、设计意图不同认知的协同等，自始至终贯穿于工程建设全过程。传统模式下，由于信息孤岛、人员水平参差不齐等原因造成的工程问题屡见不鲜，给铁路工程建设造成了极大的损失和风险。

数字工程模型类似于医护工作者拿到了病人的影像图片，不同地域、不同认知的专家、医生，通过可视的方式，对问题本质进行充分分析与研讨，从而在短时间内达成共识，并找到问题的最优解决方案。该机理在工程建设中具有同等效能，具备可视化、协同性特征的数字工程能为工程产业链中的不同人员赋予“数字协同”机制，通过可视化数字工程模型，对工程的空间结构及组成、接口的细部关系、设备的机械及电气特性、工作任务依据的标准等进行一定或深度的认知、分析、研讨，从根本上阻断信息割裂及认知障碍的问题。

综上所述，通过“数字协同”率先打通工程建造产业链中不同单位、部门、岗位应用数字工程进行数字化转型化工作的流程，在数字工程应用平台上，通过基于数字工程的工程空间形态可视化显示、工程建造关键环节预演、协同工作信息仿真等技术手段，使各方对一般性工作任务的目标或瓶颈性问题的解决方案进行彻底剖析和深度沟通，快速找到解决问题的方法和执行路径，起到真正的事前指导及策划。显然，通过“数字协同”引导铁路工程建设的数字化转型，在方法、技术、流程等方面具有不可替代的优势。

4 结束语

近年来，国铁集团以及参建铁路建设的各单位，在铁路工程建设信息化、BIM应用、数字工程认证等方面开展了大量工作，取得了一定成效，也积累了一定经验。然而，从全球数字化发展和国家战略层面而言，铁路行业包括铁路工程建设的数字化转型，仍然处于起步和探索阶段。数字工程作为铁路行业最新推进的创新性体系，凝聚了铁路信息化发展进程中的众多优势元素，自身又具备了数字化最核心的内容，是铁路数字化转型过程中的强劲“引擎”。

研究提出的铁路工程建设数字化转型同步参建单位企业数字化转型，数字工程融合工程建设核心数字化业务要素，“数字协同”打通全产业链数字化应用流程的方法，在我国铁路工程建设实现数字化转型中，具有其显著的先进性、合理性和可行性。结合铁路工程建设项目，由建设管理机构牵引的建设工程数字化转型，利用铁路数字工程贯穿制造、设计、施工、运维等环节的条件，能够以比较小的成本开展数字化业务转型的实践，也避免了数字化转型对传统业务和正常工作的影响和过度冲击。