多尺度需求下的铁路一张图“宏-微”观设计技术

韩元利

（中铁第四勘察设计院集团有限公司 线路与站场设计研究院，湖北武汉 430063）

0 引言

铁路是一个大区域的线性工程，传统铁路设计主要是基于CAD的计算机辅助设计，将球面空间以近似的方式投影到平面上开展参照性设计，误差不可避免。同时，铁路工程数字化基本停留在可视化水平，缺乏贯穿工程全生命周期的数据组织、模型表达、工程管理与运营等核心资产建模，无法构成脉络清晰的应用体系，限制了勘察设计行业的发展空间。究其原因，当前CAD/BIM单尺度勘察设计技术存在面向资产富集难以逾越的根本缺陷：（1）面向工程局部平面，空间零散，数据基础无法统一；（2）缺乏空间布局设计，BIM设计没有完全的空间自由度；（3）空间与尺度的分割，导致无法构建统一有机的一张图数字生命体资产；（4）没有数字铁路资产这个核心纽带，设计智能化与信息集成化缺乏依存的主体，协同与全生命周期应用体系难以建立。

在历经10余年利用3D GIS开发三维选线设计系统[1]的基础上，从空间尺度的认知出发，基于数字孪生铁路大空间下大数据高效表达的技术需要，围绕铁路工程GIS+BIM多尺度建模、生产与表达的需要，提出一种面向未来铁路一张图的新型“宏-微”观综合设计技术手段。

1 尺度概念及海量大数据表达演变趋势

尺度在很多行业中都是一个重要概念，通俗地理解是指准绳、分寸，是衡量事物的一种标准，最典型的情况是工程制图中常用的比例尺与图像存储中的分辨率概念。以不同的尺度看事物，体现事物存在过程中一个视野状态量，它并不代表事物的全部，尺度不同则描述事务的细腻丰度完全不同。铁路工程设计中不同阶段采用不同比例尺的勘察设计作业，就是基于构建铁路事务的细腻丰度需要而逐步求精的。

在CAD/BIM这种设计系统中，制图表达是基于数据文件的静态表达，尺度的转换主要取决于设计人员提供什么比例尺的设计图。然而在GIS中，为了提供连续的多尺度高效表达机制，通过层次细节模型（LoD）动态表达技术来实现海量数据的按需表达，同时为这种表达机制匹配地提供多种尺度构成的金字塔数据来满足按需表达的需要。例如，地图导航中放大地图与缩小地图会呈现不同的地貌细节，实质上是不同尺度的多层数据的动态切换表达。概括起来，在CAD/BIM体系中，数据与表达是一一对应的单尺度约束关系，而在GIS系统中表达是动态的、数据是多尺度的，并没有简单的对应关系。

多尺度动态表达对海量数据的高效表达能力，是静态表达难以企及的性能优势，然而它对数据的多尺度构建要求却难以适应实时的工程设计需要。以网络地图瓦片服务（WMTS）的四叉树表达机制为例，需要针对不同尺度的地图表达构建L0-Ln多层金字塔式冗余数据（见图1）。

图1 地理数据的多尺度金字塔结构示意图

从各尺度数据生产来看，粗略数据基于精细数据图层聚类演绎[2]生成：

式中：Li表示第i尺度层对应的数据；f表示它们之间的生产关系，基于递归法则，存在如下的衍生生产关系f'，其中Ln称之为本体模型，也就是对象的完整形态实体：

由式2可知原始本体模型Ln决定了各个尺度的数据生产。对数字城市、实景模型以及BIM模型的动态表达也是如此，有了精细化的模型，就能通过预处理的方式得到其他尺度的数据（见图2）[3]。

图2 实体模型的多尺度生产与表达[3]

多尺度数据的生产衍生关系f'是预处理开展，还是在设计中实时生成，需要分不同的应用情形来科学选择。

（1）以空间换时间。对于状态稳定的本体（如人类生存的地球）模型Ln，如果主要发布目的限于提供表达效果时，以空间换时间是一种满足大众高频访问查询的科学途径。对高频次服务访问，更适宜以预处理的模式提前生产Li，从而避免服务超荷，代价是需要为Li的存放提供存储空间，其驱动模型见图3。

图3 稳定性产品（如地理数据或实体模型）的多尺度驱动模型

（2）以效率换能力。如果是以设计、改造为主的对象加工，就不能通过预处理f'得到稳定状态的Li，需要针对每一次变更操作执行f'，如数字地球上的三维选线建模、地理设计[4]就是这种应用情形，虽然表达性能受影响，但提高了表达数据的实时性更新能力。以F代表设计行为与表达效果之间的关联关系，其驱动模型见图4。

图4 兼顾设计过程的动态产品多尺度驱动模型

在这个驱动链路中，实时响应变更的本体模型Ln是单尺度的，只有经过f'变换后，才形成多尺度的数据Li。因为设计与表达的实时关联性，无法将f'过程剥离出来，从动作-效果看就是单一设计衍生出多尺度表达，实质构建了一种V=F(P)关系。F与f'的转换关系实质是一致的，只是面向对象不同。

2 面向“宏-微”观表达的铁路工程设计手段

面向数字孪生[5]的未来铁路设计技术手段，追求的目标是GIS+BIM数字资产在勘察、设计、建造、运维一张图一体化作业体系。模型的设计来源并非单一，大区域地理环境只能来源于GIS，同时GIS上的地理设计与符号化表达机制承担了对BIM模型的方位与姿态表达，而BIM设计建模确立了模型的具体结构形态。铁路工程模型资产的多尺度生产与表达驱动模型及其优化见图5。

图5 铁路工程模型资产的多尺度生产与表达驱动模型及其优化

在这个链路中，地理设计P1确立每个构件的位置与姿态，是一个分布模型而不是实体模型，对模型表达起定位定姿作用但对模型的形态与存储不构成影响。因而完全可以用1条独立的路径直接面向表达进行传导，没有必要参与模型的构建与多尺度数据的生产存储，从而形成优化的驱动路径。实际上当前BIM的设计思想正是基源于此：以相对原点构建模型、可以自由定义的正北方向都体现了与方位、姿态脱离的设计思维。但铁路工程不是建筑单体，是一系列单体构件模型在空间上的有序组合，因此对于一个完整的铁路工程设计，更需要地理设计手段来统一协调构件集的关系与方位，以决定铁路工程中地理设计与BIM设计相互依存的关系。了解地理设计的理念与必要性后，面向实时设计建模的GIS+BIM多尺度表达生成关系F的确立如下：

式中：P1的设计结果为模型的姿态量，独立实现对表达的支持，不能也不必参与多尺度衍生；P2的设计结果为BIM模型实体，是多尺度衍生的主要对象，因此该表达式可进一步描述为：

F关系的确立可以通过模型化简技术[2-3]构建，要求设计成果越精细、越丰富越好。铁路工程模型的多尺度金字塔结构见图6。在该金字塔结构的顶层，宏观上的地理设计确立了下层每个BIM构件的方位与姿态，其是连续分布的矢量，可以面向各个尺度的模型表达输送精确的位置姿态。而根据选线方案的设计依赖来看，研究空间越广泛，研究方案则越全面，因此宏观上会呈现向更宏观区域拓展的趋势，更需要跳出工程设计的空间限制[6]，依靠地理设计更新设计手段。

图6 铁路工程模型的多尺度金字塔结构

在金字塔结构的底层，BIM设计面向更精细化的尺度发展，也会导致另一个问题衍生，即存储体量越来越大。多尺度设计表达体系的优点就是当体量增大时，可以通过提升尺度级别轻松化解，如原来面向部件级的建模，可能需要更深入一步面向构件级、甚至零件级推进，这也更符合当前越来越细化的社会化、工厂化分工协作模式演变。

当确立好“宏-微”观2个尺度的模型后，中间层级的任何尺度模型都可通过成熟的空间分析手段自动实现生产进而表达，即：

对模型的化简而言，衍生关系F可采用参考文献[4]的技术来生成各尺度模型。而对许多中间尺度的设计图、施工图等不同类型的成果生成，衍生关系F也可通过两极成果插值、聚类、演绎、散列、泛化、衍生等空间推理手段自动生成[7-8]。只要把握了宏-微观2个极点状态，事实上就把握住了数字资产的完整形态，中间产品都可通过计算机动态生成来满足各方面的需要，包括人员审图、存档等需要。相反，如果把握不住2个极点层面，成果设计就难以形成一个闭合的方案集，方案自然也不稳定，任何推导、输出都没有依据与意义。因此，这个体系的尺度深度会像不断膨胀的宇宙一样向两极深化，宏观的更宏观、微观的更微观，无论怎样去拓展这个体系深度，多尺度的机制都能很好地拓展容纳并保持勘察设计体系的稳定。

按照上述思想，L0层级来自另一种设计手段与产品，带来的疑问是：与BIM的衍生产品处于一个金字塔体系是否恰当。实际上，当每个模型无限简化后，也就可以简化成1条细小的线段或是有方向的向量点，这正好与地理设计的成果完全吻合。从这个角度理解，“宏-微”观结合设计也是一脉相通的科学结合有机体。

3 中间尺度CAD设计的尴尬地位与工程空间的褪化趋势

（1）中间尺度CAD设计产品难以用于构建大数据多尺度数字铁路资产。如前所述，现行铁路工程设计模型是在中间比例尺开展的不同尺度设计，记Ls为不同比例尺下的设计成果，其中S表示1∶S的设计成果。前后设计成果可能有：

这些散列的尺度层，只是本体模型Ln的1个层面，很难综合起来形成最终的本体模型并为多尺度表达提供支持能力，原因如下：（1）缺乏三维的支持能力；（2）碎片化的分带空间让它们很难构成一个统一的有机体；（3）没有空间约束的BIM设计，即使铁路针对BIM建模的LoD100、LoD200、……、LoD500实施标准[9]，也无法建立起Ln的完整实体，这是因为当前BIM建模还没有建立起地理坐标系与用户坐标系之间严密的约束关系。不同尺度下的空间过渡流程见图7。

图7 不同尺度下的空间过渡流程

由于传统勘察设计完全基于人的设计思维与技术路线构建，各个层级的空间观没有建立自动转换与映射机制，从地理空间下测量取得的各种空间数据通过人的参与转换成为工程数据，导致很多设计成果在丢失转换参数后成为游离的、失去空间参照的没有地理依附的成果，但好在传统工程设计分带区域较长，一般至少有几十公里的区域，依据工程人员的地理感知能力，将游离的工程设计成果纳入正确的度带范围是比较容易判断把握的。

当前BIM建模延续了工程设计空间，但顶点不再有统一的工程坐标约束，而只能依赖用户坐标原点进行定位，这是BIM的基本特性。首先各个构件的原点坐标如何统一定义本身缺乏约束，其次每个构件事实上构成了1个独立的用户坐标空间，也就是空间更加碎片化，构建出来的大量BIM模型很难再依靠工程人员的地理感知力归集到正确的地理空间从而还原本体的铁路模型Ln。

虽然BIM建模人员琢磨出利用自定义基点来指定BIM模型的位置，但其实这不符合BIM工厂化设计与加工的思路，BIM设计平台的主旨是脱离环境的盲盒生产方式。首先，如果基点是一个被看重的定义参数，Re⁃vit等BIM建模平台就不会通过人的自定义去设置它，相反应该成为常规参数存在；其次，这种自定义基点难以向非BIM模型传导，也难以在多尺度生产中进行位置传承，额外的定义配备也增加了设计人员的工作量，而且也不会被任何平台自动感知方位基点，因此没有生命力可言。

（2）方位设计与结构设计独立开展大空间工程设计是构建大数据资产的必然要求。理想的解决方案是，铁路各个构件模型的设计与方位、姿态完全独立，基于一定的建模规则直接在BIM用户坐标空间中构建，如三维选线设计系统中统一以构件中心基线轨面点为原点，以前进方向为X正轴，Z轴垂直向上，以右手坐标系构建BIM建模用户坐标系。BIM模型本身无须附带定位定姿参数，更无须向外传导，同时还能够实现标件模型的大规模复用，这也正是开展BIM构件化生产的重要意义。

达成这种理想的设计方式其实很简单，剥离中间尺度的CAD辅助设计技术体系，让地理设计直接与BIM设计进行关联并为每个BIM部件、构件、零件提供坐标与姿态表达支持。参考文献[9]对剥离工程空间后的空间定位精度保障提供了有力的推理论证，事实也证明这种模式组织起的碎片化模型比BIM拼凑起来的模型精度要高。脱离工程空间设计的地理空间+BIM用户空间配准建模效果见图8。

图8 脱离工程空间设计的地理空间+BIM用户空间配准建模效果

在图8的三维选线设计系统线路建模中，所有构件的姿态直接来源于地理设计形成的轨面线，构件长度为1～300 m，由大量碎片化构件实现了全线的连续表达，均采用用户坐标构建与表达，由图中A处的新线与既有线的门式墩穿插效果，以及轨道板（<7 m的碎片化构件）平顺链接的效果，都可以验证该体系的科学性与精确性。

剔除工程空间束缚下的CAD辅助设计技术体系，不仅让BIM彻底地面向工厂化开启了方便之门，让构件设计更灵活便利，释放BIM作为构件级设计产品的潜能，也简化了勘察设计作业流程，让结构设计与空间布局设计分工更明晰、更单纯，更有利于实现协同作业体系建立以及挖掘自动化、智能化技术手段。

4 结论

构建“宏-微”观两级演化的勘察设计体系，实际上是将复杂的空间工程与结构工程有机地结合起来，让做空间布局设计的专注于做空间布局设计，让做结构设计的专注于做结构设计，空间布局直接作用于表达，不参与结构化设计，不对结构设计造成羁绊，分工更明晰、更单纯，更有利于构建“机-机”协同作业体系，更有利于在各个层面充分挖掘自动化、智能化设计手段。对发展“宏-微”观勘察设计的优势总结如下：

（1）宏观上发展地理设计，可以充分利用丰富的地理信息及强大的空间分析手段实现智能化方案的决策，如基于地理设计的三维选线设计系统，能提供包括自动拉坡、自动桥隧命名、自动梳流等大量智能自动化能力，可为宏观上发展智能化设计提供参照。

（2）微观上发展以参数化驱动的BIM设计，非常有益于对设计样板、标准等进行算法实现，让设计更简单，质量更有保证，设计效率比面向点、线、面的CAD设计方式显著提高，按默认参数或智能化配备的参数化，也为BIM的自动化建模提供了更高的效率途径。实现设计的实体信息化、结构化，也有利于面向工厂化生产、加工，实现构件的规模化、标准化生产与全周期信息化管理。空间布局设计与结构设计实现松耦合，在不同层面都能基于各自平台优势提供自动化设计能力，通过智能化、参数化强化人的决策能力而减少人的辅助设计事务。

（3）2种设计手段的融合，不是一种复杂化，而是空间工程与结构工程的优化组合，可简化勘察设计建造及全生命周期应用逻辑与流程，具备工程全阶段全面数字资产化应用的技术基础[10]，为构建勘察、设计、建造、运维一张图一体化作业平台理清了架构、剥离了束缚。技术体系上的创新迫切需要设计者解放思想，不拘泥于辅助设计的泥潭，转换思路，循序渐进，开创新一轮的勘察设计技术革命。