基于插件式架构的铁路工程协同设计管理系统设计与开发

贾兴斌

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院),西安 710043)

近年来，信息技术的飞速发展带动了勘察设计行业的现代化发展，勘察手段日新月异，工程设计技术也随之不断进步。协同设计是勘察设计行业发展的一个重要方向，但目前针对大型复杂铁路建设项目，面临的问题是如何利用信息技术跨越时间和空间的限制，让不同地域、不同专业的项目设计人员在同一个协同设计管理平台上，将贯穿于项目各个设计阶段的所有信息进行集中、有效的管理。使用该协同设计管理平台后，设计人员能够在一个集中统一的环境下工作，随时获取所需的项目信息，减少因沟通不畅而造成的失误。当某一处修改时，其他地方会自动修改，以此达到提高工作效率、保证设计质量的目的[1]。这个问题是勘察设计企业必须面对和解决的问题，并且随着BIM技术的不断深入应用，协同设计作为BIM技术的重要组成部分，其地位与重要性越发凸显。

协同设计是指，在信息系统的支持下，各部门、各专业人员围绕同一个设计项目，承担各自的设计任务，分工协作地进行设计工作，最终得到符合要求的设计结果的设计方法[2-4]。协同设计中包括项目组人员、共同的网络环境和操作系统、共同的设计标准、信息共享、数据互用、不同软件的集成等要素[5]，并利用相互参考、并行工作、数据互用、远程异地访问这些技术去实现协同[6]。协同设计管理系统是利用计算机软件，配合多专业完成设计工作，并提高设计成果交互效率，提高设计人员沟通效率，从而提高设计效率与设计质量[7-8]。

在铁路建设项目设计过程中，会用到各种设计软件，如AutoCAD、Revit、NavisWorks、Microstation、Civil3D等。为能够及时且动态地收集项目设计过程中的数据，保证数据的完整性，达到数据集中管理的目的，就要求将设计软件与协同设计管理进行无缝衔接。据此，通过对核心业务需求进行分析，对系统进行总体设计和关键模块设计，研究与专业设计软件嵌入集成的关键技术，开发应用插件式架构技术研发协同设计管理系统。

1 系统业务需求分析

在一个铁路建设项目中，勘察设计单位主要参与预可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图设计等设计阶段[9]，总共涉及土建、机车车辆、通信信号、建筑、工经等几十个专业。项目的设计总体流程主要包括：项目设计策划、项目计划、专业设计、电子文件交付与归档[10]。其中，在项目设计策划阶段，项目管理人员需在协同设计管理系统中创建设计项目信息(含项目批复文件)；在项目计划阶段，项目计划管理员需创建勘察资料目录、创建综合进度计划、规定各专业互提资料的时间，而各生产单位计划管理员需创建本生产单位专业设计计划，规定各设计任务的完成时间、考核流程、计划工天；在专业设计阶段，设计人员需上传勘察设计文件，并进行文件审核与资料互提。

1.1 专业间与专业内的协同要求

在各设计阶段进行协同设计的核心是数据和文档在专业内部和专业之间的传递和共享，传递和共享的效率直接影响协同的效果与设计团队的整体效率。

以施工图阶段的隧道专业为例，完成一项设计工作任务，专业内部需完成的主要工作包括：设计原则拟定与审核、成立设计组并分配工作任务、设计原则交底、工点事前指导书、工点设计、文件校审及质量评定、设计进度控制。专业内协同设计流程如图1所示。

图1 专业内协同的设计流程

专业间协同设计主要体现为专业互提资料与完成时间管理。与隧道专业相关的专业(部门)有经营计划调度、线路、站场、地质、桥涵、路基、轨道、通信、信号、电力、接触网、工经等专业。以隧道专业为中心，可将上述相关专业划分为上游设计专业、并行设计专业和后续设计专业。上游设计专业的设计工作是隧道专业做工点设计的前提条件，需要给隧道专业提供基本设计素材。并行设计专业基本与隧道专业同期开放设计，互提资料主要以缺口里程为主。后续设计专业以隧道设计成果为依据进行本专业设计，主要是站后“四电”各专业。

1.2 多源数据的集中管理要求

为能够及时且动态地收集项目进行过程中的数据，保证数据的完整性，并达到数据集中管理的目的，协同设计管理系统需考虑与已有管理系统和设计系统的关系(图2)，并且为用户使用方便，需提供多种应用模式，包括协同设计平台主客户端、插件式客户端、移动应用客户端。具体内容见表1。

图2 协同设计管理系统与其他系统的关系

表1 不同客户端使用对象与具体要求

2 协同设计管理系统的设计与实现

2.1 系统开发目标

根据铁路项目设计管理工作的特点，协同设计管理系统需对传统二维设计项目和BIM设计项目进行统一管理，系统开发目标如下。

(1)实现以文件级协同为协同模式，覆盖勘察设计全过程管理，支持二维设计协同和BIM设计协同。

(2)实现项目管理、计划管理、设计文件审核过程管理、互提资料交互过程管理。

(3)实现与Autodesk核心软件的深入集成，支持多端应用模式，方便用户操作和数据的集中管理。

2.2 系统整体架构设计

协同设计管理系统采用分层架构设计，其体系结构由硬件支撑层、软件支撑层、业务管理层和表示层组成，如图3所示。

图3 协同设计管理系统体系结构

(1)硬件支撑层：以企业网络和数据中心为基础，主要包含服务器设备、存储设备以及与硬件设备相配套的服务器管理等。

(2)软件支撑层：主要包括数据库系统、文件存储与数据的加密传输服务、工作流中间件、消息服务等，是支撑应用系统平台正常、可靠运行的重要保障。例如，可采用SQL Server作为数据库系统，存储本系统的信息[11]。

(3)业务管理层：主要包含计划管理、勘察过程管理、设计过程管理、技术标准管理、质量管理等子系统，是协同设计平台的核心业务功能模块。

(4)表示层：包括PC客户端、插件式客户端和移动客户端。不同的系统角色，可选择不同的应用模式，这样可以方便高效地使用系统。

(5)信息安全保障体系与运行保障体系：从安全制度、安全管理和安全技术3个方面构建信息安全保障体系，以此降低系统安全风险。运行保障体系是保障系统正常运行和顺利推进的关键条件，包括国家标准、行业标准、企业标准、系统上线管理办法、设计工作奖惩办法和系统维护保障制度[12]。此外，任何管理系统在初始推广过程中，都会遭遇巨大的阻碍，需在管理制度等运行保障体系的支持下，才能保证系统的顺利推广。

2.3 系统模块设计

铁路工程协同设计管理系统组成如图4所示。

图4 铁路工程协同设计管理系统组成

系统的主要功能如下。

(1)项目管理：实现项目基本信息、设计阶段信息、项目总体组配置管理等。

(2)计划进度管理：实现调度令管理、综合进度计划管理、审核流程管理、BIM专业计划、计划进度监控和计划进度统计管理。

(3)勘察过程管理：主要包括勘察资料的收集、审核和勘察过程的检查等，实现勘察任务书管理、勘察技术交底管理、勘察资料的管理。

(4)设计过程管理：实现二维与BIM设计过程管理，主要包括设计文件审核流程管理和设计资料互提流程管理。

(5)质量管理：实现审核意见表单生成、审核意见确认、审核意见汇总、资料审核过程抽查、资料审核过程统计的管理。

(6)技术管理：实现专业管理、专业分工管理、专业设计文件管理、互提资料规定的管理、勘察设计文件审核规定管理、数据接口管理、资料控制属性管理等。

(7)系统管理：实现用户信息、系统更新、角色与权限管理等。

2.4 多插件客户端实现的关键技术

为实现基于Autodesk核心设计软件的协同插件，需对AutoCAD、Civil 3D、Revit、NavisWorks 4个专业设计软件的二次开发方式、API、体系结构、插件接口、协同设计过程管理功能集成的方式与方法进行研究[13-14]。4个专业设计软件的二次开发技术见表2[15-17]。

表2 AutoCAD、Civil 3D、Revit、NavisWorks开发技术

其中，NavisWorks软件是一款用于分析、仿真和项目信息交流的先进工具，具有强大的文件格式兼容性，借助NavisWorks二次开发，可以使得NavisWorks在模型聚合、模型查看、全方位项目审阅、施工管理、碰撞检测、算量等方面的功能更加高效。NavisWorks二次开发的关键技术包括模型数据管理、插件管理和控件。其中，NavisWorks的模型数据管理是将原始模型数据转换成逻辑数据和全局数据两种类型，逻辑数据是将原始的逻辑结构转换到NavisWorks场景中，它呈现出一种继承(树状)结构；全局数据是为实现模型的快速优化显示。插件管理是将程序集成到NavisWorks里，大多表现为一个Navisworks的自定义菜单，主要包括9种类型的插件(图5直观描述了9种插件的类层级结构关系)。AddInPlugin主要为GUI、应用程序、自动化所调用使用的插件。CommandHandlerPlugin主要用于向系统中添加多个命令处理程序和RIBBON按钮，处理程序可以由API用户直接调用，也可以通过命令按钮来调用。DockPanePlugin用于向GUI添加停靠面板的插件。EventWatcherPlugin用于处理NavisWorks API中的事件，该插件初始化被加载和激活，并且在会话期间保持活动[18-20]。控件技术主要是把NavisWorks集成到应用程序中，包括ApplicationControl、DocumentControl、ViewControl三种形式的控件。

图5 插件的类层级结构关系

.NET是微软面向XML Web服务的平台，使用.NET开发的应用程序具有统一的面向对象开发平台、内存自动管理、一致的异常处理、支持多种开发语言等优点。为此，铁路工程协同设计管理系统基于.NET开发方式，采用C#语言开发，数据库采用SQL Server 2012。

3 系统优势与特点

铁路工程协同设计管理系统根据铁路行业工程设计要求，以文件级协同为协同模式，覆盖铁路勘察设计全过程管理，通过服务器虚拟化平台，实现基于企业私有云的协同设计管理系统。该系统具有以下优势与特点。

(1)根据铁路项目设计管理工作的特点，覆盖铁路勘察设计全过程管理，支持二维设计协同和三维BIM设计协同，实现了项目管理、计划进度管理、设计流程管理、设计文件审核过程、互提资料交互过程管理、质量控制管理等。

(2)采用插件式架构技术，在日常使用的AutoCAD、Civil3D、Revit、NavisWorks等工作环境中集成协同设计过程管理功能，贴近了设计人员，减少了操作步骤，提高了工作效率。

4 系统应用情况

铁路工程协同设计管理系统(Project on Line)于2017年5月正式上线，先后应用在银川至西安客运专线、西宁至成都铁路、西安至十堰高铁、兰州至张掖三四线、南宁至玉林铁路、济南至滨州城际等多个项目设计管理中，系统功能实用，流程清晰，满足了勘察设计企业的管理要求，整体运行效果良好，未出现任何系统故障。目前为止，该系统已经覆盖全院生产人员共计3300余人，累计管理项目上百个。该系统作为铁路设计院基础生产管理平台，实现了设计项目的统一管理，并可根据铁路设计院协同设计工作需要，不断进行扩展，从而不断提高我院生产工作效率，具有较好的经济效益。

5 结语

基于插件式架构的铁路工程协同设计管理系统，采用“桌面客户端+插件式客户端”的开发方式，与Autodesk核心软件进行深度集成，以文件级协同为协同模式，覆盖铁路项目勘察设计的全过程，全面支持二维设计协同和三维BIM设计协同工作，实现了项目管理、计划进度管理、设计流程管理、设计文件审核过程、互提资料交互过程管理、质量控制管理等。经过在银川至西安客运专线、西宁至成都铁路、西安至十堰高铁等项目中的实际应用，满足了勘察设计企业的管理需求，显著提高了铁路项目设计管理的工作效率与工作质量。