铁路基础设施全生命周期数据传递关键技术研究

来源: 铁路BIM联盟

铁路基础设施全生命周期数据传递关键技术研究-BIMBANK

纸质交付在“2个交付”中可能产生巨大的信息和知识衰减,而开展数字化交付以及基于BIM技术的三维交付,是解决全生命周期管理信息无损传递的必由之路。

重点分析铁路基础设施全生命周期数据传递面临的主要挑战,提出设计交付数字化和竣工交付数字化是解决全生命周期信息无损传递的必由之路。针对数字化交付涉及的数据标准、流程再造、责任认定、数据安全、档案数字化、运维移交等关键问题进行逐一分析和研究,结合我国铁路特点给出详细的设计思路和实现方法,为铁路基础设施全生命周期数据传递奠定技术基础。

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数字交付与纸质交付的对比

设计交付数字化

主要挑战

设计交付即设计单位向建设单位交付设计成果。设计单位一般具有良好的信息化基础,具有设计协同平台、图文档系统等工作平台,基本实现了设计工作的协同管理;但是,建设单位还没有成熟、专业的设计成果管理系统用于承接设计成果。因此,解决设计交付数字化的关键在于规范数字化交付标准,为建设单位提供数字化交付工具和系统,同时对设计单位既有系统进行适应性调整。

关键技术与实施路径

数字化交付是贯通工程项目全生命周期信息管理与共享的关键,设计是工程建设的先导,也是工程图纸等建设文件形成的源头,设计交付数字化有助于实现数字化审图、数字化施工、数字化竣工验收、数字化竣工归档等一体化贯通。设计交付数字化要从标准、工具、流程3个方面开展:

(1) 标准。在中国国家铁路集团有限公司(简称国铁集团) 原有管理文件基础上,发布基于数字化、结构化交付的管理文件,主要包括设计文件的组织方式和命名规则,格式化文件各要素的约束定义,图纸、附件、附图的关联关系定义等。该文件作为TB 10504—2018《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》的数字化交付细则,为软件实现提供了标准依据。

(2) 工具。由国铁集团提供统一的交付成果管理系统和相关交付工具集。由于json相比XML是一种更轻量级的数据交互格式,具有简洁、易懂、可读性好、自描述等特点,几乎垄断了互联网时代的系统调用,因此采用json文件作为设计交付成果的媒介和载体,利用json schema实现交付成果的形式化校验,在json中定义所有交付内容及交付过程中的约束和规则,包括文件组织结构树、BIM模型、图纸、格式文件、附图、附件等。

(3) 流程。将纸质蓝图交付、审图等活动改为数字化、结构化交付和数字化审图等线上活动,必然带来交付流程的变革,需要通过交付系统和交付工具解决新流程下责任认定、数据安全等问题,同时提升原有交付、审图、存储和分发等工作的效率。通过梳理以上3方面工作发现,设计交付的数字化过程还需解决以下5个关键问题:

(1) 铁路基础设施元数据管理。元数据是确保设计的源头信息在铁路全生命周期管理不同阶段、不同主体、不同系统之间语义等效和数据共享传递的关键。通过构建统一的铁路基础设施元数据管理系统,实现元数据的著录、维护和利用,建立元数据的管理、维护机制,发布元数据的服务接口供设计、建设、运维等业务系统统一语义,是实现“2个交付”信息无损传递的前提之一。

铁路基础设施元数据分为项目、组织机构、人员、文档、工程数量5 大类:①项目类元数据。描述项目的相关信息,可细分为项目相关元数据、线路相关元数据、各专业(路基、轨道、桥涵、隧道、站场、房建、四电、车辆、机务、环水保等) 相关元数据以及专业下设计单元相关元数据。②组织机构类元数据。描述铁路行业人员所在单位信息,可细分为机构类元数据和部门类元数据。③人员类元数据。描述人员的相关信息。④文档类元数据。描述各类文档、文件或资料信息,可细分为基本类、公文、格式文档、法规、规范、设计文件等。⑤工程数量类元数据。描述工程数量相关信息。共享元数据抽取出各类元数据中的共用信息作为共享元数据。

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铁路基础设施元数据组成

结合铁路行业基础设施管理需求,提出铁路基础设施业务元数据的描述方法,通过基本信息、类型信息、约束信息、取值范围、关联关系、附加信息、管理信息等方面描述。

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铁路基础设施元数据的描述方法

(2) 设计协同系统适应性改造。json/json schema是当前最佳的交付成果数字化载体,json schema定义了交付结构树、各节点关联文件以及各类参数化表格的规则和约束条件。设计协同系统能自动生成符合json schema规则的json文件,是设计协同系统适应性改造目标之一。同时,由于json文件所有数据元素要全部引用元数据管理系统发布的数据项,因此,设计协同系统需内置元数据管理功能,并定期同步国铁集团统一发布的元数据定义。

(3) 交付过程责任认定。由于交付活动涉及不同单位主体,原有的蓝图交付需要签字、盖章等法律责任认定。采用数字化交付后,将通过电子签名、电子签章等技术手段实现对各种电子文档的签名/印章、有效身份认证、防篡改、操作审计、日志记录及操作可追溯等功能。

数字化交付主要载体是json文件及json文件关联的各类附件,包括BIM模型、电子图纸、格式文件、附件、附图等,这些文件将以“电子文档+电子签章”形式交付。其中,电子图纸、Office类文件具有成熟的电子签名解决方案,BIM模型通过插件方式解决电子签章加盖和验证问题。json文件作为主要交付媒介,需要在json schema中预留签名(signature) 字段,确保json文件内容和签章信息的真实性、完整性和不可抵赖性。

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json 电子签名的语法格式

(4) 电子文件安全防护。铁路工程设计文件内容丰富、种类繁多,包括json文本、BIM模型文件、CAD文件、格式化表格文件、附件、附图等,文件真实反映了铁路重大基础设施相关信息,不仅是企业机密,也关系国家利益,其特殊性需要采取有效办法防止文件流失。

由于各建设单位缺乏信息化建设专业技术人员,由国铁集团统一建设设计文件管理系统,提供专业的安全防护方案。各建设单位申请相关账号,按要求统一安装相应终端安全防护软件,通过终端设备准入管理、安全沙箱、虚拟桌面、水印等机制构建电子图纸统一的安全防护环境,确保文件安全。数字化成果交付体系网络安全方案在互联网条件下为设计人员、施工图审核人员、建设单位、施工单位建立了安全可控的、统一的电子文件交付、接收、咨询、审核、分发的工作环境,为后续的竣工交付预留了条件。

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数字化成果交付体系网络安全方案

(5) 数字化审图等流程数字化。建立完善的数字化成果交付体系,必然涉及设计成果交付、审查、存档、分发等一系列流程的在线办理,其中施工图审查是最复杂和关键的业务流程,应由国铁集团统一建设数字化审图云平台,平台具备施工图上传、图纸目录自动生成、图纸在线标注、图纸修改和复印保护、授权打印、知识产权保护、CA认证电子签章、多图纸关联、图纸智能比对等功能,审查全过程数据均保存在国铁集团大数据中心,并建立全面的网络安全防护手段。

通过数字化审图云平台,审查模式由纸质蓝图审查转变为电子图纸审查、回复,从而加快审查信息的流转和处理,真正实现无纸化审图。在审图过程中,施工图审查单位、设计单位等各方主体对图纸进行的上传、批注等工作都会在数字化审图系统中留下痕迹,并存储于施工图审核云平台,管理部门随时查看审图情况及设计单位整改情况,变事后监管为事中监管,及时发现和处理问题,督促提高设计质量;同时,充分利用审图信息数据,定期汇总分析勘察设计、审图过程中存在的质量通病或突出问题,指导后续施工图审查,使施工图审查监管真正到位,切实从源头保障工程建设质量。

铁路设计交付总体上分为蓝图交付、数字化交付、BIM交付3个步骤。目前,建筑行业积极推进“白图替代蓝图”的数字化交付,结合我国铁路信息化推进进程,可以采取并行推进、融合发展的技术路线,同步推进数字化交付和BIM交付进程。

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数字化交付实施路径竣工交付数字化

主要挑战

竣工交付的最终目的不仅是形成工程档案记录,更重要的是将建造过程信息无损交接给运维单位。在纸质交付时代,信息传递不可避免发生巨大损失和衰减,并且检索、利用效率低下。在数字化、结构化交付中,如何确保信息完整传递,主要面临2方面挑战:

(1) 设计、施工过程中形成的数字化工程档案,需向档案管理部门交付。目前,我国铁路行业尚未全面启动数字化工程档案建设工作,还面临政策和技术上的挑战。

(2) 随着铁路信息化快速推进,我国铁路基础设施运维信息化取得初步成效,基本建成“国铁集团—铁路局集团公司”两级或“国铁集团—铁路局集团公司—站段”三级信息系统运维体系。将设计、施工过程中的各类信息转入运维单位的基础设施运维信息系统中,方便运维单位检索、掌握,是数字化竣工交付面临的更大挑战。

我国铁路基础设施运维信息化虽取得一定进展,在各部门、各领域发挥了相应作用,但依然存在运维管理系统种类繁多,不同系统数据编码、存储和管理方式不统一,导致“信息孤岛”,各级管理部门间的数据资料无法高效共享。

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我国铁路基础设施运维领域系统建设情况汇总

关键技术与实施路径

竣工交付数字化有2个关键工作:一是适时开展工程档案数字化工作,为竣工交付数字化提供接收条件;二是建立全路统一的基础设施运维数据服务平台和保障机制,打造铁路基础设施全生命周期管理的权威平台。

(1) 工程档案数字化。竣工交付数字化是工程档案数字化建设的核心内容,主要包括各种电子文件及其元数据(PDF、TIFF、JPEG、WORD、EXCEL、DWG、XML、TXT、MPEG、AVI、WAV、MP3、MP4等),并根据工程竣工档案的业务要求,建立一整套接收机制,保证接收过程责权明确,从源头上保证数字档案的真实、完整、可用,并且系统满足在线接收要求,能够批量导入、导出数据。

档案信息化最理想的方式是将文书档案全部转化为数字形式,以电子文本形式存储于计算机(如印刷体形式的档案,通过OCR识别技术转化为电子文本)。

但由于工程档案文书版面的复杂性,并且大量档案文本不是印刷体,难以实现转化。目前,一般通过图像获取设备将档案转化为数字图形,然后将处理后的图像存储,一方面,充分利用了现有档案,另一方面,可待技术成熟时将存储图像转化为电子文本。

另外,传统载体档案数字化是现阶段数字档案资源建设的重要途径,档案数字化工作是一项系统工程,涉及档案保管、保护、整理、鉴定、转换、存储、利用等多个环节,应统筹规划、分步实施。通过数字化工作,对馆藏档案进行全面梳理,要高度重视档案整理、鉴定、保护等基础工作,为数字化工作提供高质量来源。如果对馆藏档案无法一次性全面数字化,可按照重要优先、利用优先等原则分步实施。

(2) 建立统一的基础设施运维数据服务平台。从铁路工程基础数据分类目录 和铁路基础设施运维基础数据分类目录对比可明显看出,工程管理和运维管理的角度不同,对铁路基础设施的划分、分类和表征也不同。工程管理关注建造方法和过程,运维管理更加关注功能状态和技术状态。2 个阶段虽然都采用线分法进行层级树状结构分类,采用面分法表征属性信息,但关注角度不同必然导致基础数据分类、分级、粒度、属性信息都存在较大差异,需要建立相应的映射关系,并提供数据转换工具进行数据转换处理,因此,需要建立统一的基础设施运维数据服务平台和专门的数据服务团队开展该项工作。

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铁路工程基础数据分类目录

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铁路基础设施运维基础数据分类目录

基础设施运维数据服务平台至少应具备数据转换处理、数据服务目录、数据共享接口等功能。

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基础设施运维数据服务平台功能

数据转换处理应支持转换规则编辑、人工校核转换等功能;数据服务目录应根据需求按照不同专业、不同设施、不同设备组织成运用、维护所需要的服务目录,方便运维单位检索查询,并且能够将运维阶段的最新状态数据、维修数据接入,形成基础设施全生命周期的统一数据视图,形成综合服务能力,为运维单位服务;数据共享接口提供与各运维应用系统的数据服务接口,实现与建设管理系统、各运维应用系统的数据共享和互通。

设计交付数字化和竣工交付数字化可实现全生命周期信息无损传递。面对数字化交付中的数据标准、流程再造、责任认定、数据安全等问题,应适时开展工程档案数字化,建立基础设施运维数据服务平台。

未来,基于BIM技术交付将成为全生命周期信息传递的有效手段,需要进一步研究,从BIM 标准、BIM交付工具和BIM管理办法上提出基于BIM技术的数据无损传递方案。

主要内容来源:

中国铁道科学研究院集团有限公司 (铁路BIM联盟理事单位)电子计算技术研究所

解亚龙,王万齐.

铁路基础设施全生命周期数据传递关键技术研究.

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