铁路信号设计成果数字化交付应用研究

王怀松，白俊，杨朝华，刮岱文

随着全球数字技术的不断发展，各行各业都开始大力推进数字化技术的应用，铁路行业也不例外。在铁路建设中，数字化转型是大势所趋，也是必经之路。数字化交付是实现数字化转型的重要内容和关键技术，也是衡量企业核心竞争力的重要指标之一。鉴于数字化交付的重要性和关键性，由14家欧洲铁路基础设施管理机构组成的铁路信号系统接口标准化联盟（European Imitative to Linking Interlocking Systems，EULYNX），自2014年起开始了铁路信号领域的标准化和数字化研究工作，并于2021年12月完成EULYNX标准的编制，同时发布了欧洲铁路信号数据模型1.0版［1］。该模型详细定义了基础设施项目管理方、设计方、施工方、运营方之间关于铁路信号系统的标椎化内容。目前，EULYNX正在基于已建立的数据标准开展采用XML进行数字化交付的相关研究工作［2］。在国际上，buildingSMART International（简称“bSI”）正在开展基于建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）的全生命周期数据传递标准研究，即工业基础类标准（Industry Foundation Classes，IFC）。中国铁路BIM联盟（CRBIM）作为IFC铁路信号领域的牵头方，在IFC Rail项目中负责铁路信号系统的标准编制工作［3-4］。随着IFC标准的不断完善，将为铁路数字化交付的实现提供重要支撑。为推进我国铁路数字化交付的落地应用，CRBIM自2019年起开始启动铁路元数据的编制工作，旨在为铁路数字化交付提供统一的数据标准和交付格式。此外，为进一步规范施工图电子文件的交付和管理工作，中国国家铁路集团有限公司发布了《铁路建设项目施工图电子文件交付管理办法》（铁建设〔2020〕123号），该办法对铁路数字化交付工作进行了前期规划。近年来，为推进铁路建设项目的无纸化交付，铁路BIM联盟牵头开展基于元数据的设计成果数字化交付研究工作，进一步验证了铁路建设项目全生命周期数字化交付的可行性。

1 数字化交付的内涵

目前工程交付中大量的信息交付主要出现在“设计-施工”和“施工-运维”2个阶段，传统交付均采用纸质蓝图为主的交付方式，并配套交付纸质蓝图相关的电子版文件。从图1所示的数字化交付与传统交付过程的信息量对比可以看出，传统交付过程中可能产生较大的信息衰减和数据断层，原因在于前阶段的信息量可能远大于交付物所能承载的信息量。例如，在设计阶段向施工阶段交付时，交付成果不包含交付物以外的设计过程信息，导致交付后施工单位获取的信息出现断层。施工阶段向运维阶段交付时同样会出现类似的信息断层问题。

图1 数字化交付与传统交付过程的信息量对比

此外，传统交付的电子文件包括文档、图纸、表格等，缺乏严格的格式规范和结构关系［5］，属于非结构化的数据，无法直接通过计算机进行辨识和解析，给后期的数据提取和信息管理带来极大困难，不能有效发挥数据的真正价值。同时，由于交付成果缺乏统一的数据标准和交付格式，也导致交付的数据难以在全生命周期进行传递和共享。另外，传统交付的纸质介质容易造成文件遗失和数据泄密等问题，给企业和国家造成不必要的损失。因此，越来越多的企业开始采用数字化的方式进行文件管理和交付，以提高交付质量、效率，以及信息安全性。

数字化交付是以工程项目为核心，在工程全生命周期通过数字技术将设计、施工、运维等信息转变为结构化数据和非结构化数据，建立数据组织模型，并运用计算机进行表达、传输、处理、移交的过程［6］。数字化交付和传统交付最大的区别是数据的传递方式不同，根本在于交付载体的不同。数字化交付的特征是成果数据的结构化交付，通过对数据的语义、格式、结构等方面进行规范和约束，建立全行业统一的语义字典和数据结构，使各参与方以统一的格式创建和管理数据，从而使数据能够在全生命周期进行高效、无损传递，最终实现各阶段成果的无纸化交付［7］。

数字化交付不是单纯地将纸质文件改为电子文件进行移交，不是形式上的数字化，而是从文件产生的源头开始控制，并以全生命周期信息管理为理念，在全过程实施数字化移交和管理，形成全生命周期高质量的数字资产［8］。

2 关键技术问题

为实现设计成果的数字化交付，需要考虑以下关键技术问题：基于元数据的设计成果交付、传统设计系统的适应性改造、数字化交付审批流程，以及数据安全防护等。

2.1 基于元数据的设计成果交付

2.1.1 元数据的创建和管理

数字化交付需要不同阶段、不同参与方的数据在各个环节之间流转，但不同参与方输出的数据格式很可能不一致［9］，因此必须对各阶段、各参与方的交付过程和交付成果进行规范，令其按照统一的数据标准和交付格式进行设计成果的数字交付。为解决此问题，自2019年起，铁路BIM联盟启动了设计成果电子文件统一格式交付的研究工作，确立了基于元数据（Metadata）的设计成果数据创建和提交方式，并提出以设计单元作为划分的文件组织方式［10］。以铁路信号专业为例，基于铁路统一的元数据编制模板（Excel格式）完成了元数据的编制，编制内容包含项目类、人员类、文档类、组织机构类、工程数量类等信息，并从基本信息、数据类型、数据约束、取值范围、数据关联性、数据附加信息［11］等方面对关键业务元数据进行梳理。铁路信号元数据示例见表1。

表1 铁路信号元数据示例

图2 列控系统等级的JSON表达

需要说明的是，针对上述过程，也可以先将元数据Excel文件转换为JSON或XML格式再进行自动校验。具体采用哪种方式，视情况而定，2种方式均可行。

转换形成的JSON或XML文件又称为Schema数据表单［8］。Schema具有很强的结构性，清晰地定义了交付内容的结构、格式、约束、取值范围、关联关系等信息，并且能够被计算机直接识别。利用元数据Schema不仅可以对设计成果数据进行校验，而且可以直接生成设计成果数据模型和数据的录入界面，设计成果数据可通过元数据Schema生成的数据模型创建。

2.1.2 基于元数据的交付方式

元数据Schema作为设计成果交付的主要媒介和载体，为各专业的数据交互提供便利。基于元数据Schema的设计成果交付流程见图3。

图3 基于元数据Schema的设计成果交付流程

Step 1创建专业元数据Schema，并导出1套数据表单Schema文件和1个交付文件结构树Schema文件。

Step 2对这2个Schema文件分别进行实例化，生成数据填报界面和交付文件结构树。其中交付文件结构树是一个结构化的文件交付模板，定义了项目名称、设计阶段、专业名称、各专业的各个设计单元名称等基本信息。文件结构树的各个节点包含交付文件名称、文件路径、文件类型、历史版本等信息。

第二，新媒体提供了交流互动的平台。互动性是新媒体区别于传统媒体的根本特征，也是新媒体写作区别于传统写作的根本特征。借助博客、微博、微信等，平民非虚构作品作者与读者、读者与读者共聚在一个自由的平台，迅速反馈，平等交流，实现了良性互动。部分平民非虚构作品在新媒体平台传播并产生一定影响后，进入图书市场。内蒙古农民秦秀英念过一年半小学，六十多岁以后跟着儿媳芮东莉做自然笔记，在网易开设了自己的博客“临河而居”，有了自己的粉丝，而且秀英奶奶的《胡麻的天空》出版后，引起了广泛反响。

Step 3根据《铁路建设项目预可行性研究、可行性研究和设计文件编制办法》（国铁科法〔2018〕93号）进行文件挂接和数据填报。

Step 4进行数据校验，校验通过后生成交付文件压缩包及文件目录，作为本阶段交付成果整体进行移交。

2.2 传统设计系统的适应性改造

目前，Schema是最佳的设计成果数字化交付载体。为实现基于Schema的设计成果结构化交付，需要对传统设计系统进行适应性改造［8］。具体来说，需要在现有的传统设计系统基础上内置元数据模块，实现元数据的接收、校验、管理和维护，并支持自动生成JSON/XML Schema数据文件。系统应采用铁路BIM联盟正式发布的元数据版本，并支持与铁路BIM联盟最新发布的元数据版本进行定期同步更新。

2.3 数字化交付审批流程

采用数字化交付后，设计成果的审核、分发、存档等一系列流程将改为线上进行，审批流程也将发生根本性的变化［12］。在传统的交付过程中，责任认定主要依靠各级审查签字和盖章。然而，数字化交付将使审核认定变得更加便捷，如采用电子签名、电子签章等数字化方式对各种交付成果进行审核认定。此外，审图方式也将发生根本变化，从传统的纸质蓝图审查转变为电子图纸审查。在审图前，设计者需要将施工图电子文件和BIM模型上传至数字化审图云平台；在审图过程中，审核人员可以对施工图电子文件和BIM模型进行在线批注和在线回复；审核后的批注和意见将存储在数字化审图系统中，所有参与方都可以在平台上实时查看审图情况和修改情况，便于各参与方在同一个平台上进行沟通和交流，实现审批监督在线化和设计交付透明化［13］。

2.4 数据安全防护

为保障数字化交付过程中数据的安全性，交付成果的上传、审核、流转应在与互联网隔离的专网环境中进行；同时采取身份认证、权限控制、数据加密、数据备份等主动安全防御机制，并辅之以安全漏洞扫描、网络攻防测试等手段，从多维度保障和提升数字化交付平台的数据安全性，确保数据在传递过程中不丢失、不泄露、不被恶意访问或篡改。

3 实施路径

数字化交付的实施应首先明确交付需求、交付内容、交付流程，以元数据为基础，对各专业的交付内容进行结构化梳理，同时对传统设计系统进行适应性改造，然后在统一的数字化交付平台完成全生命周期各阶段成果的数字化交付。

3.1 设计单元划分

铁路数字化交付的文件组织结构一般按“项目名称—线路（线别）—专业—设计单元”的层级方式。设计单元是专业内部一个相对独立完整的工程单元，如一个车站的联锁系统、一个区间的闭塞系统［14］。各个专业数字化交付按设计单元进行划分，各个专业设计单元的划分依据和划分方式可能不同。以铁路信号专业为例，设计单元划分的主要依据为国家铁路局颁发的《铁路建设项目预可行性研究、可行性研究和设计文件编制办法》（国铁科法〔2018〕93号）、国铁集团发布的《铁路建设项目施工图电子文件交付管理办法》（铁建设〔2020〕123号）以及铁路BIM联盟发布的系列标准。根据以上办法和标准，结合铁路信号专业具体情况，铁路信号设计单元主要按子系统进行划分［15］，包括：列车调度指挥及调度集中、列车运行控制、区间闭塞、联锁、驼峰信号及编组站自动化、信号集中监测、道岔融雪、其他信号系统。以上设计单元下一级可按具体工点划分为铁路局调度中心、电务段监测中心、车站、中继站、场/段/所，线路及区间信号工程，综合维修机构等［16］。此外，当同一个设计单元分属不同概算段落时，还应进一步拆分。

3.2 交付内容及格式

铁路信号设计成果交付内容包括与设计相关的全套文件，以及供图内容说明和供图清单电子版［17］，如图4所示，主要有4类交付物：说明、附件、附图和附模。其中，说明类文件多为文档文件，附件类文件包含表格文件和文档文件，附图类文件是各设计单元的二维设计图纸，附模类文件是各设计单元的三维BIM模型及模型说明。说明、附件、附图的交付内容与传统交付保持一致，而附模是在数字化交付中新增的交付内容，主要包括室内外设备三维布置模型（含线缆敷设）［18］。目前，铁路信号专业图纸交付以二维交付为主，兼顾BIM交付，并逐步向BIM交付过渡。需要注意的是，铁路信号专业并非所有附图都适合三维交付，如电路图、联锁表、系统图等，这类附图即使在今后以BIM为主导的交付中，仍建议采用二维交付方式。

图4 铁路信号设计成果交付内容

图4所示的设计成果交付内容又可归类为结构化的数据文件和非结构化的数据文件。其中，结构化的数据文件是指可以用二维表结构进行逻辑表达和实现的数据，包括说明书中可结构化的部分以及各类附表［19］；非结构化的数据文件包括图纸、文档、BIM模型等。针对可以结构化的交付主体数据，如说明书（可结构化的部分）、工程数量表、设备及主要材料数量、甲供物资设备一览表、采用标准图通用图一览表等，采用基于文本的结构化数据交换格式（如JSON或XML）进行交付，其内容、格式、结构、约束等要求参照铁路BIM 联盟发布的元数据设计交付表单Schema执行。

如图5所示，针对与交付主体Schema关联的各类非结构化数据（附件、附图、附模），采用以下格式进行交付：①图纸及文档原则上以PDF格式交付；②BIM模型原则上以IFC格式交付［20］，也可采用第三方轻量化格式进行交付；③其他未要求结构化的表格可通过Excel格式交付。

图5 铁路信号设计成果交付格式

3.3 交付流程

数字化交付主要包括“设计—施工”的设计交付和“施工—运维”的竣工交付。其中，设计交付分为“预可研、可研、初步设计、施工图”4个阶段，交付的主体是Schema文件及其关联的各类附件、附图和附模。数字化交付流程见图6，其中，建设单位负责制定数字化交付管理实施细则，勘察设计单位按照建设单位要求完成各阶段设计成果的全套电子文件，经审核合格后，设计成果提交至数字化交付平台，平台管理单位在接收到电子文件后，出具带电子签章的接收确认单。接收确认单一式3份，分别由数字化交付平台管理单位、勘察设计单位、建设单位保存备查［16］。之后由建设单位组织对设计单位提交的设计文件进行施工图咨询、施工图审核、文件核查等；施工单位在设计成果基础上进行施工图深化。如有设计变更，变更批复后需将变更信息反馈至设计单位，由设计单位进行施工图变更修改。施工完成后，由施工单位将竣工交付成果全套电子文件上传至数字化交付平台。最后，由建设单位组织对竣工交付资料进行数字化验收，验收通过后，将数字资产移交至运维单位并进行归档备案。数据安全保护措施贯彻整个数字交付流程。

图6 数字化交付流程

4 交付平台

数字化交付平台是用于承载和管理全生命周期各阶段交付信息的平台。该平台可与多种工程软件集成并兼容多种文件格式，通过整合数据、信息、人员和流程，提高交付质量和效率［21］。

4.1 平台目标

数字化交付平台以工程交付业务为主线，以全生命周期信息管理和共享为理念，以形成各阶段高质量的数字资产为目标，服务建设单位、设计单位、施工单位、运维单位等各参与方，规范各参与方数字化交付的行为和成果，防止交付过程中的信息衰减和数据断层，实现工程全生命周期的信息传递和数据共享［22］。主要体现在以下2个方面。

1）一次填报，全程应用。平台上完成一次数据填报后，填报的数据将存储在工程数据库中，这些数据将在之后的整个交付过程中进行传递和共享，相同的数据信息无需二次填报。如果有数据修改，相关联的数据将同步更新。填报的数据在工程全生命周期均可在线使用，从而使数据能够高效、无损传递，真正实现数据的高效利用。

2）一个平台，多方协同。平台突破了现有的交付方式，项目各参与方围绕一个平台进行协同工作，全过程实施无纸化交付，有效加强文件的协同共享和数据的高效利用。平台提供公开透明的查询管理和留痕管理，真正实现成果交付和过程监督的在线化，对精确把控交付过程起到积极作用，并且大大减少交付工作量和企业运营成本。

4.2 平台架构和功能

数字化交付平台从数据流角度可以分为3层［23-24］，即数据源层、数字化交付平台层和业务应用层。数据源层为数字化交付平台提供基础数据，包括设计、施工、运维等项目数据，以及铁路基础元数据。平台层再分为工程数据汇集层、工程数据处理层和数据安全层。工程数据汇集层负责接收数据源层的各类数据并进行整合；工程数据处理层是平台层最核心的部分，负责实现各类交付数据的管理、查看、分析、校审、签章、流转等功能；数据安全层为平台提供身份验证、权限管理和数据加密等安全防护功能。业务应用层负责实现数字化交付过程中的各类业务应用，包括设计成果交付、竣工成果交付，以及数字化归档。数字化交付平台总体架构见图7。

图7 数字化交付平台总体架构

4.3 应用情况

目前，贵南高铁四电BIM技术与应用项目以新建贵阳至南宁高速铁路为基础，基于国产化软件Railworks搭建四电建设运维一体化交付平台，实现四电工程中“设计—施工—运维”全过程三维模型、数据及相关文档的数字化交付，可有效保证铁路信息的数据安全性，降低数据在交付过程中的丢失。在项目施工过程中，减少施工变更约7次，节约200万元，减少工期20天，减少100余次隐蔽工程破坏。同时平台可满足铁路运维管理系统的接入需求，在运维管理阶段提供准确的空间位置和设备信息，支持运维决策和维护工作，提高运维管理的效率和可靠性。贵南高铁四电BIM建维一体化交付系统平台见图8。

图8 贵南高铁四电BIM建维一体化交付系统平台

5 结束语

本文分析了铁路设计成果传统交付的特点，针对传统交付中存在的问题，提出数字化交付方案，并重点分析了数字交付过程中的关键技术问题。基于元数据Schema实现设计成果数字化交付的方案解决了数字化交付中“交付什么”“如何交付”两大问题，为未来铁路领域其他行业数字化交付提供思路和方法。需要进一步指出的是，目前铁路数字化交付体系还不够完善，后续还需要进一步加强对交付标准、交付平台、交付流程的研究，并逐步向以BIM为主导的交付方式过渡，充分利用数字化优势实现工程全生命周期的信息传递和数据共享。