基于新型数字技术的轨道交通工程设计管理系统

赵文祥

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 311122）

1 引言

在国家政策大力扶持及新基建快速发展的背景下，我国的轨道交通迅猛发展，在建和运营里程均居于全球第一。在如此大规模的建设浪潮中，轨道交通工程由于其自身的复杂性，存在投资大、建设周期长、工程技术难度大、风险源多、设计参建单位多且沟通协同困难等痛难点。为解决上述痛难点，需要在设计、建设、运营各阶段对轨道交通工程进行有效且科学的管理。设计作为其中的关键和基础，是一种高智能的技术服务工作，其效果将会对轨道交通工程质量产生直接影响。

如今，以建筑信息模型（BIM）、地理信息系统（GIS）、人工智能（AI）、云计算等为代表的新型数字技术方兴未艾，其发展及应用为推动轨道交通设计方式变革、有效提升其设计管理效率和质量提供了新契机。在此背景下，利用新型数字技术搭建轨道交通工程设计管理系统，以便对轨道交通工程设计进行数字化管理，进而在行业内培育数字化应用生态，保障相关业务系统的安全、高效应用，成为大势所趋。

2 轨道交通工程数字化管理现状及问题

目前，我国轨道交通工程的数字化管理主要体现在利用以BIM为主的新型数字技术串联设计、建设、运营阶段，而对于相关技术的整合考虑较少。轨道交通业主及各参建方、科研机构等对于各类新型数字技术的探究仍处于试点应用阶段，主要依托小型科研项目研究单一性的技术应用，应用落地案例均以片段式应用场景为导向，而且存在底层技术割裂、相关标准体系缺失、平台伪协同、人才队伍不足等问题。

具体而言，我国轨道交通工程数字化管理目前存在以下4方面问题。

（1）技术体系方面。我国轨道交通工程数字化管理技术体系未实现对AI、BIM+GIS、增强现实（AR）等最新关键技术的融合，技术架构落后且缺少自主创新能力，与行业生态联系不够紧密。

（2）标准化方面。我国轨道交通工程数字化管理无法兼顾行业内的适用性以及跨行业的通用性，缺少针对工程各阶段业务场景的插拔式设计，无法实现核心业务功能的固化和复用，技术、数据、业务的标准化进程缓慢。

（3）业务方面。轨道交通工程数字化管理相关系统缺乏顶层设计和统一底座，行业上下游各扫门前雪”，片面协同，各方系统业务割裂，数据不通，普遍存在信息孤岛问题。

（4）数据体系方面。轨道交通工程数字化管理无法实现跨行业、跨部门、跨阶段的异构数据融合，无法深度挖掘轨道交通产业数据的价值（例如，实现与城市信息模型（CIM）平台的数据对接，从而使轨道交通产业数据与城市数据融合），阻碍轨道交通业务数据的沉淀增值。

3 轨道交通工程设计管理系统架构

为了为轨道交通工程建设及设计单位提供工程建设全过程数字化设计管理解决方案，本研究以BIM、GIS、云计算等新型数字技术为基础，以设计环境配置、模型数据校验、图模二三维联动以及电子签名、数字档案等为核心，以高效、便捷、友好的用户体验为根本出发点，立足多源数据融合+多方线上协同+多场景集成应用，打造轨道交通工程设计管理系统，实现web端和移动端同步应用。该系统具备设计计划管理、设计成果管理、设计变更管理、提受资管理、施工配合管理、报批报建管理和档案管理功能，有助于实现轨道交通工程设计管理的提质增效。

3.1 总体架构

该系统总体架构包括交互层、应用层、支撑层3层，如图1所示。

图1 轨道交通工程设计管理系统总体架构

支撑层是整个系统的技术核心，为应用层的业务流程运行、数据的处理及展示提供强有力的技术保障，分为底层平台和关键技术2部分。底层平台包括基于微服务框架的底层技术平台和基于云架构的工程数据驱动图形引擎，关键技术包括设计管理标准化、电子签章、BIM属性校验、二三维联动。

应用层以用户为中心，对多条线路统一进行用户管理、角色管理、权限控制等基础信息管理，并对设计报审、设计提受资和报建等业务模块进行详尽的功能与交互设计。用户可以协调统一地进行高效、有序的管理工作。

交互层包括电脑（PC）端、移动端、大屏展示、平板电脑等，为用户提供了高效便捷的协同工作环境。用户可通过交互层查看和使用应用层中的各项功能，以实现对工程项目的高效、高整合度、智能化、信息化管理，达到提高其管理效率和经济效益的目的。

3.2 技术架构

轨道交通工程设计管理系统是基于微服务框架打造的，具有快速、完善、灵活、便捷等技术特点，契合轨道交通企业整合多源数据、实施多端协同、支持多线网级应用的长期需求。其技术架构从下往上依次为基础设施层、数据资源层、应用支撑层、应用层、访问层，如图2所示。

图2 轨道交通工程设计管理系统技术架构

（1）基础设施层，即基础设施即服务（IaaS）层。以虚拟化、云计算、容器平台等技术，提供按需获取、按需调度的计算资源、存储资源及网络资源。

（2）数据资源层，即数据即服务（DaaS）层。负责对轨道交通工程BIM模型、GIS模型、业务数据、视频数据等进行存储。根据存储数据结构的不同，其可分为关系型数据库、非关系型数据库、分布式存储、对象存储等类型。

（3）应用支撑层，即平台即服务（PaaS）层。负责实现应用服务的微服务化。根据职责不同，其可分为开发框架和基础支撑平台。其中，开发框架是业务系统基础功能（如认证授权、流程引擎等）的封装，基础支撑平台负责核心功能和组件复用。

（4）应用层，即软件即服务（SaaS）层。包含轨道交通工程设计管理系统的各项业务功能模块，分为设计管理模块和基础应用模块2部分。

（5）访问层。包含如大屏、PC端、移动端等多端接入。系统为不同的设备和使用场景设计了专有的用户界面（UI）、交互和功能模块，以方便用户在不同端上的使用。

3.3 功能架构

轨道交通工程设计管理系统将传统轨道交通的设计总包管理模式与新型数字技术相结合，采用总体设计、工点设计、系统设计全参与的分布式协同设计管理模式，实现了对参与方及流程的全覆盖，具备报建管理、设计资料管理、设计进度管理、设计质量管理、设计变更管理、施工配合、档案管理等功能，实现轨道交通工程设计提资、会签、报审、交底、移交等全过程的数字化。系统功能架构如图3所示。

图3 轨道交通工程设计管理系统功能架构

3.4 数据架构

轨道交通工程设计管理系统的数据架构如图4所示。

图4 轨道交通工程设计管理系统数据架构

（1）数据来源。轨道交通工程设计管理系统的数据来源包括设计图纸、设计模型、设计标准、进度填报单、互提资料单、报审表单、施工配合数据、报建项目数据、设计资料归档等。所有数据均通过数据传输接口汇聚到轨道交通工程设计管理系统数据层。

（2）数据层。数据层负责以数据库形式存储模型数据、元数据、项目数据等，其对数据标准进行了统一，以保障数据在系统各功能模块之间的顺畅流转。

（3）数据处理。其内容包括：对各数据源汇入的数据进行校验、整合、关系构建等入库预处理操作，并存入元数据库、系统数据库、对象存储空间、模型数据库、项目数据库、服务数据库及文件存储空间；对BIM模型、GIS数据等进行模型格式转换、坐标转换及模型发布处理；对工程业务数据进行数据模型转换、基于主数据模型的模型解析、统计分析等处理；对需要进行工程管理智能化处理的数据，经过数据清洗、数据建模、数据挖掘之后形成价值数据。

（4）数据服务。数据服务是数据处理过程的最终成果，包括工程管理智能化服务、工程数据管理服务、BIM+GIS可视化服务及基础服务。

（5）数据应用。数据应用是利用数据服务功能，对所有经过处理的数据进行业务展示，包括设计成果查询、提资管理、受资管理、设计进度管理、图纸报审、模型报审、施工配合、报建项管理、档案管理等业务模块。

4 关键技术

4.1 图模二三维联动与校审技术

图模二三维联动与校审技术可同时实现三维模型与二维图纸的数据联动与交互联动，采用BIM图形引擎进行模型数据解析-映射-联动三级处理，解决了图模一致性无法判断、多视图切换观察不便、图模两层皮修改等问题，实现了三维模型与二维图纸的相互调用、校审同步，如图5、图6所示。这既可以发挥三维模型可视化的优势，又可以充分利用二维图纸详尽的设计说明和标注，使各方能够快速理解设计意图。

图5 图模二三维联动示意图

图6 校审意见示意图

4.2 基于程式化 BIM 构件库的模型数据自动校验技术

模型数据自动校验技术基于微服务架构，实现BIM数据一体化管理，提供统一平台化支撑服务。该技术旨在提高轨道交通行业BIM模型质量，解决当前行业内BIM数据标准无法落地及BIM模型属性缺失、错误等问题。系统开发人员基于已有的BIM模型数据标准，构建以BIM模型数据工程域、构件分类树、属性池为核心的程式化BIM构件库，实现了对线上移交BIM模型数据的自动校验。该系统可提供基于BIM标准的模型一键式自动化校验，生成模型预览、文字报告等不同形式的模型属性校验报告，生成的校验报告可通过在线或导出方式进行浏览，如图7、图8所示。

图7 BIM模型属性校验结果可视化示意图

图8 BIM模型属性校验结果报告

4.3 集成电子签章的数字档案技术

集成电子签章的数字档案技术依照电子档案整理的要求，涉及文件标准化→填写标准化→编号标准化→流转标准化→数据结构化→汇总自动化→分析智能化全过程，如图9所示。该技术解决了电子文件法律效力保障、长期保存和在线归档问题，可基本保障数字档案的真实性、完整性、可用性、安全性，并对各类档案进行有效的日常跟踪和全程管控，将纸堆变为信息资源，从而提高档案移交的质量和及时性，提升档案利用率。

图9 电子签章与数字档案技术路线图

4.4 基于云平台的协同设计管理标准化技术

基于云平台的协同设计管理标准化技术采用总体设计、工点设计、系统设计全参与的分布式协同设计管理模式，可实现轨道交通工程设计提资、会签、报审、交底、移交等全过程的数字化，如图10所示。该技术通过一系列的管理配置功能，满足设计管理分级管控程序标准化、图档自动分发、会签自动匹配、管理协作自动提醒、资料自动归档及授权共享等需求。

图10 协同设计流程图

5 结语

轨道交通工程设计管理系统基于对传统设计管理模式数字化改造需求的挖掘与研究，利用BIM、GIS、AI、云计算等新型数字技术，以数据为核心价值，驱动工程设计创新应用，实现基于BIM技术的跨企业跨专业设计管理协同，支撑各方高效保质地开展BIM数字化设计、审查与管理活动。该系统已经分别在绍兴地铁、成都地铁、杭绍城际铁路等项目中得到应用，应用效果良好，有效解决了项目管理过程中管控难、标准难统一等问题，强化了企业设计管理监控力度，提高其设计效率。