索寧
(中國國家鐵路集團(tuán)有限公司 工程管理中心,北京 100844)
近年來,我國鐵路行業(yè)掀起以BIM為核心的新一輪鐵路工程信息化建設(shè)熱潮,加快了鐵路工程建設(shè)數(shù)字化進(jìn)程。鐵路BIM聯(lián)盟自2013年成立以來,以BIM標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)為引領(lǐng),研究分析IFC國際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵技術(shù)路線和方法,并在此基礎(chǔ)上,通過擴(kuò)展方法建立了以IFC 4×1國際標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的中國鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)。
IFC 4×1國際標(biāo)準(zhǔn)基本局限于建筑行業(yè),未涵蓋鐵路工程領(lǐng)域的線路、橋梁、隧道、軌道、路基、站場、通信、信號、電氣化等特有專業(yè);同時,鐵路工程具有“線路工程、區(qū)域范圍廣、與地形結(jié)合緊密”等有別于建筑工程的特點(diǎn)。因此,為實現(xiàn)鐵路工程信息模型在國際范圍內(nèi)的一致性、完整性及共性定義,亟需在IFC 4×1國際標(biāo)準(zhǔn)中補(bǔ)充鐵路工程信息模型元素,通過軟件服務(wù)商標(biāo)準(zhǔn)實施,進(jìn)而實現(xiàn)國際化應(yīng)用。
根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司(簡稱國鐵集團(tuán))總體部署,鐵路BIM聯(lián)盟已陸續(xù)編制16項鐵路BIM團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),形成了完整的鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)體系。鑒于國際BIM標(biāo)準(zhǔn)組織buildingSMART International(簡稱bSI)在BIM國際標(biāo)準(zhǔn)編制中的地位,以及其中立化、國際性、獨(dú)立服務(wù)于BIM全生命周期的組織特點(diǎn),自2015年以來,鐵路BIM聯(lián)盟積極與bSI開展技術(shù)交流,進(jìn)行了鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)國際化探索。2016年,鐵路BIM聯(lián)盟在bSI正式發(fā)布《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》為公開可用規(guī)范(Publicly Available Specifications,SPEC),推動了IFC國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步拓展到鐵路、公路、橋梁、隧道等專業(yè)領(lǐng)域,進(jìn)一步引領(lǐng)和深入?yún)⑴c國際BIM技術(shù)研究和發(fā)展,成為鐵路標(biāo)準(zhǔn)積極“走出去”的重要形式。
在前期工作經(jīng)驗基礎(chǔ)上,系統(tǒng)梳理國際BIM標(biāo)準(zhǔn)組織的管理模式,研究分析bSI標(biāo)準(zhǔn)制定方法和主要流程,進(jìn)一步指導(dǎo)未來我國專家承擔(dān)bSI國際標(biāo)準(zhǔn)編制工作,提升我國制定國際標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量和效率。
IFC標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)包含4個層次,從下到上依次為:資源層、核心層、互用層和領(lǐng)域?qū)?。每個層次都包含一些特定領(lǐng)域信息描述模塊。IFC通過實體對建筑對象、屬性及關(guān)系進(jìn)行描述。在IFC4標(biāo)準(zhǔn)中,定義的實體類型數(shù)據(jù)已增至812個,但仍無法滿足鐵路工程領(lǐng)域?qū)π畔?shù)據(jù)描述的需求。《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》通過實體與屬性表達(dá)工程建設(shè)項目中的信息,通過靜態(tài)與動態(tài)擴(kuò)展的方式增加對鐵路工程領(lǐng)域概念的表達(dá)能力。IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展方案示意見圖1[1]。
圖1 IFC標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展方案示意圖
靜態(tài)擴(kuò)展指在IFC4模式基礎(chǔ)上,遵循面向?qū)ο笏枷氲睦^承原則,層級化定義鐵路工程中各專業(yè)領(lǐng)域的實體。靜態(tài)擴(kuò)展的結(jié)果為EXPRESS模式文件,軟件開發(fā)通過解析EXPRESS文件完成對鐵路IFC對象的識別。實體類的擴(kuò)展又分為語義模型擴(kuò)展和幾何模型擴(kuò)展:(1)語義模型擴(kuò)展。除一些特殊專業(yè)(如線路專業(yè))外,一般按照空間結(jié)構(gòu)單元、構(gòu)件、組合件和零件4個部分進(jìn)行擴(kuò)展;(2)幾何模型擴(kuò)展。主要針對目前鐵路設(shè)計中用到,而IFC又無法表達(dá)的幾何實體(如線路專業(yè)的中心線采用平面和縱斷面的描述方式)進(jìn)行擴(kuò)展,需要新增對應(yīng)的幾何實體。
動態(tài)擴(kuò)展指在現(xiàn)有IFC實體基礎(chǔ)上,不更改IFC模式,通過將現(xiàn)有IFC實體的ObjectType屬性設(shè)置為實體類型在《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》中對應(yīng)的編碼,同時將實體的Predefined Type屬性值設(shè)為“User Defined”,從而標(biāo)識實體的具體類型。
對于屬性集,通過對IFC標(biāo)準(zhǔn)中的屬性集(Ifc Property Set)進(jìn)行擴(kuò)展來定義鐵路工程領(lǐng)域?qū)嶓w的屬性。Ifc Property Set通過Ifc Rel Defined By Properties關(guān)聯(lián)至1個或多個實例。屬性集包含3部分信息:(1)屬性集名稱;(2)屬性集可應(yīng)用的實例與類型;(3)屬性集中屬性的定義。目前,在《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》中,已基本涵蓋鐵路工程所需專業(yè)領(lǐng)域的屬性集及公用屬性集[2]。鐵路工程信息模型體系結(jié)構(gòu)示意見圖2。
圖2 鐵路工程信息模型體系結(jié)構(gòu)示意圖
隨著《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》作為公開可用規(guī)范正式發(fā)布,越來越多的國家鐵路公司認(rèn)識到鐵路行業(yè)面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要應(yīng)用BIM技術(shù)的重要性,以及結(jié)合鐵路行業(yè)需求修訂IFC國際標(biāo)準(zhǔn)的緊迫性,歐洲多個國家鐵路公司,如德國、法國、瑞士、奧地利等國家鐵路公司,分別發(fā)布了BIM技術(shù)規(guī)劃,以進(jìn)一步提升鐵路運(yùn)營管理水平。
bSI通過管理辦公室(PMO)、標(biāo)準(zhǔn)委員會、技術(shù)等各分室(ROOM)對組織進(jìn)行管理。目前包括鐵路、基礎(chǔ)設(shè)施、機(jī)場、施工、產(chǎn)品、監(jiān)管、建筑等分室,分別負(fù)責(zé)不同行業(yè)領(lǐng)域提交的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)申請,并組織相關(guān)研究工作。
bSI標(biāo)準(zhǔn)制修訂工作主要通過項目管理方式進(jìn)行,可分為以下3個階段:
(1)需求提出。由行業(yè)提出具有一定代表性的標(biāo)準(zhǔn)制修訂項目需求建議,相應(yīng)分室成立工作組,形成完整的項目建議書,最終由標(biāo)準(zhǔn)委員會審核批準(zhǔn)。
(2)解決方案創(chuàng)建。按項目建議書研究內(nèi)容、目標(biāo)、計劃等,由各分部成立項目組,確定項目負(fù)責(zé)人,建立項目組織架構(gòu)、建立工作機(jī)制,按要求完成標(biāo)準(zhǔn)建議草稿,報請標(biāo)準(zhǔn)委員會批準(zhǔn)。批準(zhǔn)后的標(biāo)準(zhǔn)為bSI候選標(biāo)準(zhǔn)。該階段與軟件商同步開展標(biāo)準(zhǔn)驗證工作,驗證結(jié)果再次提交標(biāo)準(zhǔn)委員會,通過后形成生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn),作為下一階段工作開展依據(jù)。
(3)生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)部署。各軟件商參與生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)部署,開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,服務(wù)行業(yè)用戶使用。同時,生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)作為成果物提交ISO標(biāo)準(zhǔn)委員會。本階段工作完成后,修訂成果將作為ISO、bSI的正式標(biāo)準(zhǔn)予以發(fā)布(見圖3)。
圖3 bSI標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布流程示意圖
為進(jìn)一步適應(yīng)各行業(yè)在基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)應(yīng)用BIM技術(shù)的需求,bSI提出了IFC 5標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展工作路線圖,包括鐵路、公路、橋梁、隧道、水運(yùn)(港口)、線路中心線、通用定義標(biāo)準(zhǔn)項目等,同步開展標(biāo)準(zhǔn)研究工作。IFC 5標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展體系架構(gòu)示意見圖4。
圖4 IFC 5標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展體系架構(gòu)示意圖
在鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布《鐵路工程數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》公開可用規(guī)范(Publicly Available Specifications)的前期工作基礎(chǔ)上,鐵路BIM聯(lián)盟,法國、瑞士、奧地利、意大利鐵路公司,芬蘭、瑞典交通局,以及法國國家MINND項目組,在2017年“英國倫敦buildingSMART標(biāo)準(zhǔn)峰會”上,正式通過IFC Rail標(biāo)準(zhǔn)編制項目建議書,共同研發(fā)鐵路IFC國際標(biāo)準(zhǔn),并簽署《IFC Rail項目聯(lián)合體協(xié)議》,進(jìn)一步明確約定了各方在資源、人力、資金、項目管理等方面的權(quán)利和義務(wù),為項目順利完成奠定了堅實基礎(chǔ)。IFC Rail項目組織架構(gòu)(第一階段)示意見圖5。
圖5 IFC Rail項目組織架構(gòu)(第一階段)示意圖
IFC Rail項目組織架構(gòu)分工如下:
(1)鐵路項目指導(dǎo)委員會。由項目參與方代表參加,負(fù)責(zé)審查項目階段工作進(jìn)展,對項目工作進(jìn)展提出意見和建議。
(2)項目負(fù)責(zé)人。由中方和歐方各派一名管理者,牽頭組織、協(xié)調(diào)項目日常研發(fā)工作,整理周、月報,與bSI進(jìn)行協(xié)調(diào),提出標(biāo)準(zhǔn)峰會計劃安排。
(3)項目管理辦公室。負(fù)責(zé)日常溝通協(xié)調(diào)。
(4)技術(shù)服務(wù)組。負(fù)責(zé)具體技術(shù)方法輔助。
(5)領(lǐng)域?qū)<医M。分為軌道領(lǐng)域組(Track)、信號領(lǐng)域組(Signalling)、能源領(lǐng)域組(Energy)、通信領(lǐng)域組(Telecom)、通用及共享元素組(Shared and Common Elements)等5個專業(yè)組。5個領(lǐng)域?qū)<医M分別由中方和歐方一名專業(yè)技術(shù)人員牽頭,負(fù)責(zé)各專業(yè)領(lǐng)域組的標(biāo)準(zhǔn)研究工作。
由于鐵路行業(yè)專業(yè)眾多,在認(rèn)真分析bSI各標(biāo)準(zhǔn)研究項目的基礎(chǔ)上,鐵路BIM聯(lián)盟采取分工合作的方式,在牽頭IFC Rail項目的同時,分別參與其他標(biāo)準(zhǔn)項目研究工作。IFC Rail項目主要研究軌道、通信、信號、能源、共享元素等5個專業(yè)領(lǐng)域(見圖6);IFC Road、IFC Common項目主要研究路基專業(yè)領(lǐng)域;IFC Bridge、IFC Alignment項目分別研究橋梁、線路專業(yè)領(lǐng)域。
圖6 IFC Rail項目研究范圍示意圖
基于多參與方和項目多專業(yè)特性,通過《項目工作導(dǎo)則》將工作分解為數(shù)據(jù)需求、概念模型、IFC文件、模型視圖定義等關(guān)鍵任務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)編制流程示意見圖7。
圖7 標(biāo)準(zhǔn)編制流程示意圖
3.2.1 數(shù)據(jù)需求(Data Requirement)
數(shù)據(jù)需求是標(biāo)準(zhǔn)編制專業(yè)工作的首要任務(wù),也是將基礎(chǔ)設(shè)施實體與IFC抽象定義關(guān)聯(lián)的工作基礎(chǔ)。通過工程實體分解,將鐵路工程基礎(chǔ)設(shè)施各專業(yè)領(lǐng)域分解為能夠用IFC表示的最小單元,進(jìn)一步梳理各行業(yè)領(lǐng)域的各類實體構(gòu)件、定義相應(yīng)屬性集。由于需要表達(dá)定義的構(gòu)件與構(gòu)件(或類與類)之間的關(guān)系,需要用一種沒有歧義、數(shù)字化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行體現(xiàn)。因此,在本標(biāo)準(zhǔn)制定過程中,采用了一種面向?qū)ο蟮腢ML類圖方式,描述各個類以及類與類之間的關(guān)系,從而將語義層面的數(shù)據(jù)需求轉(zhuǎn)換成UML概念模型。與Excel格式的數(shù)據(jù)需求相比,UML概念模型具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)計算機(jī)可讀(Machine-readable);
(2)可在一個類圖上整合類、屬性、關(guān)系等所有信息;
(3)更加標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化,能夠直接生成高級語言代碼;
(4)軟件能夠重復(fù)、靈活地提取和處理模型中的數(shù)據(jù);
(5)可方便地轉(zhuǎn)換為HTML等格式便于用戶網(wǎng)頁瀏覽。
在標(biāo)準(zhǔn)編制方法中,需要通過以下3步完成數(shù)據(jù)需求階段工作:
(1)工程實體結(jié)構(gòu)分解。通過各專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行工程實體分解,其在分解過程中會進(jìn)一步抽象,如通信專業(yè),我國通信系統(tǒng)一般按子系統(tǒng)組成劃分為傳輸系統(tǒng)、接入網(wǎng)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)系統(tǒng)、電話交換系統(tǒng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、移動通信系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、應(yīng)急通信系統(tǒng)、時鐘同步系統(tǒng)、客票系統(tǒng)、旅服系統(tǒng)、自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)等。但經(jīng)過調(diào)研,在某些歐洲鐵路公司運(yùn)營應(yīng)用中沒有單獨(dú)的客票系統(tǒng)、旅服系統(tǒng)、自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)定義,經(jīng)過項目組分析各系統(tǒng)特性和研討,將客票系統(tǒng)、旅服系統(tǒng)、自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)等納入了廣義的通信系統(tǒng)研究范圍中[3-4]。
(2)用戶用例(Usecase)?;贗SO 19650標(biāo)準(zhǔn),通過各專業(yè)分析,共得到用戶用例38項,其中6項為最高優(yōu)先級用例。包括:已運(yùn)營鐵路建模、鐵路設(shè)計建模(鐵路和鐵路中間設(shè)計建模的可行性研究)、碰撞檢查(物理接口、3D協(xié)調(diào)和沖突檢測、信號顯示檢查)、3D可視化、工程量統(tǒng)計,以及從建造者到維護(hù)者的交付。
(3)數(shù)據(jù)交換需求與IDM信息交換流程圖。IDM信息交換流程見圖8。通過業(yè)務(wù)流程圖(BPMN),將工程建設(shè)各階段(設(shè)計、施工、運(yùn)維),各角色(運(yùn)營商、設(shè)計企業(yè)、施工企業(yè)、業(yè)主)分別作為橫縱坐標(biāo)上的關(guān)鍵元素,按項目建設(shè)過程中數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)和信息交互的情況分析,共得到工程實體類677個,其中高優(yōu)先級453個;屬性定義2 534個(包含預(yù)定義類型)。
圖8 IDM信息交換流程圖
3.2.2 概念模型
通過UML概念模型表達(dá),共得到673個類。其中,新實體類17個、預(yù)定義類型屬性118個。以信號專業(yè)領(lǐng)域為例,對建立實體構(gòu)件和空間結(jié)構(gòu)的UML概念模型進(jìn)行說明:
(1)實體構(gòu)件UML建模。主要針對鐵路信號實體設(shè)備,以及設(shè)備之間關(guān)系建立概念模型。鐵路信號實體構(gòu)件建模的第一優(yōu)先級為室外軌旁設(shè)備(Trackside Objects),第二優(yōu)先級為室內(nèi)設(shè)備。在鐵路信號實體構(gòu)件UML概念模型中,對各個構(gòu)件類和類的屬性,用UML類圖的方式進(jìn)行定義,并利用UML各類關(guān)系(如繼承、聚合、關(guān)聯(lián)等)表達(dá)鐵路信號實體構(gòu)件之間的關(guān)系。轉(zhuǎn)轍設(shè)備UML概念模型見圖9。如圖所示,首先,用繼承關(guān)系定義父類“道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備”與子類“轉(zhuǎn)轍機(jī)、安裝裝置、外鎖閉裝置”等之間的關(guān)系;其次,用聚合關(guān)系定義“轉(zhuǎn)轍機(jī)”與“安裝轉(zhuǎn)轍、外鎖閉裝置”之間的關(guān)系,并用“多重性”描述了2個類之間的數(shù)量對應(yīng)關(guān)系;最后,用關(guān)聯(lián)關(guān)系定義“轉(zhuǎn)轍設(shè)備”與“道岔”之間“is mounted on”的依附關(guān)系。此外,用注釋、圖例的方式,對類圖進(jìn)一步注釋或說明。
圖9 轉(zhuǎn)轍設(shè)備UML概念模型
(2)空間結(jié)構(gòu)UML建模。空間結(jié)構(gòu)是一種總體、宏觀的空間分解,可指示設(shè)備所在位置、空間或區(qū)域。如1個機(jī)柜相對于1個機(jī)房的位置、1架信號機(jī)相對于1個道岔的位置等??臻g結(jié)構(gòu)在概念上區(qū)別于線性定位(Linear Positioning),線性定位在鐵路領(lǐng)域通常是根據(jù)線性位置進(jìn)行校準(zhǔn),而空間結(jié)構(gòu)是基于嚴(yán)格的空間層次分解。鐵路信號空間結(jié)構(gòu)UML概念模型見圖10。如圖所示,鐵路信號系統(tǒng)在空間結(jié)構(gòu)上大致可分為室外和室內(nèi)。室外空間可進(jìn)一步分解為車站和區(qū)間;室內(nèi)空間可進(jìn)一步分解為站內(nèi)機(jī)房和遠(yuǎn)程控制中心等。對于鐵路信號室外空間,由于大多數(shù)軌旁信號設(shè)備位置依附于軌道的空間結(jié)構(gòu),因此室外還可利用軌道空間結(jié)構(gòu)[5]。
圖10 鐵路信號空間結(jié)構(gòu)UML概念模型
3.2.3 鐵路IFC標(biāo)準(zhǔn)模型定義文件(IFC Rail Standard Specification)
經(jīng)過與IFC既有類定義進(jìn)一步梳理,與IFC中的定義合并或者擴(kuò)展IFC屬性定義后,給出IFC Rail EXPRESS Schema架構(gòu)建議[6]。
3.2.4 模型視圖定義(MVD)
模型視圖定義(MVD)是IFC數(shù)據(jù)模型的子集,大多數(shù)軟件供應(yīng)商通常選擇合適的MVD,而不是整個IFC來實現(xiàn)。bSI為標(biāo)準(zhǔn)化MVD提供認(rèn)證服務(wù),以確保實施質(zhì)量。高優(yōu)先級MVD包括:軌道參考視圖(RV)、基于對齊的軌道參考視圖(ARV)、軌道設(shè)計傳輸視圖(DTV),以及鐵路資產(chǎn)管理視圖等。
鐵路IFC國際標(biāo)準(zhǔn)項目于2019年10月通過bSI標(biāo)準(zhǔn)委員會審查,正式發(fā)布在官方網(wǎng)站,成為bSI候選標(biāo)準(zhǔn)。該項目的順利完成,填補(bǔ)了IFC國際標(biāo)準(zhǔn)鐵路專業(yè)領(lǐng)域的空白。鐵路BIM聯(lián)盟參與完成的IFC通用定義(公路)項目、IFC Bridge項目等,也通過bSI標(biāo)準(zhǔn)委員會審查,填補(bǔ)了鐵路行業(yè)路基、橋梁專業(yè)領(lǐng)域空白。bSI將鐵路BIM聯(lián)盟在IFC中心線項目提出的緩和曲線、里程系統(tǒng)、斷鏈等建議,納入IFC 4×2國際標(biāo)準(zhǔn)。本次鐵路IFC國際標(biāo)準(zhǔn)項目的重要意義體現(xiàn)在:
(1)國際標(biāo)準(zhǔn)編制過程中,進(jìn)一步豐富了我國專家對IFC基本概念、方法論的理解,以及標(biāo)準(zhǔn)編制相關(guān)軟件工具的使用;進(jìn)一步在國際上驗證了公開可用規(guī)范《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》提出的可行性,培養(yǎng)了一批專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊。
(2)建立了國際標(biāo)準(zhǔn)編制組織模式,通過協(xié)議、合同等方式,約定項目參與方權(quán)利和義務(wù),形成了項目負(fù)責(zé)人、管理辦公室、技術(shù)服務(wù)組及各專業(yè)領(lǐng)域組“共同負(fù)責(zé)、分工明確”的工作形式。
(3)強(qiáng)化項目管理,將中國標(biāo)準(zhǔn)編制的管理經(jīng)驗與國際標(biāo)準(zhǔn)編制的需求相結(jié)合,有效地組織推進(jìn)。通過專業(yè)小組周會、項目指導(dǎo)委員會月度會、階段成果審查會等形式,進(jìn)一步固化工作流程、工作方法,明確工作范圍、階段成果目標(biāo),在進(jìn)度、財務(wù)、協(xié)調(diào)、工作質(zhì)量等方面整體推進(jìn)項目。遇到重難點(diǎn)問題及時協(xié)調(diào)bSI標(biāo)準(zhǔn)委員會相關(guān)專家予以指導(dǎo),通過多方共同確認(rèn)成果,保證了項目按計劃推進(jìn)。
(4)鐵路IFC國際標(biāo)準(zhǔn)是首個由中國牽頭編制的鐵路行業(yè)BIM標(biāo)準(zhǔn),為中國鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)的國際化爭取了話語權(quán)。