高 鑫

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安）

引言

2018 年，習近平總書記在全國網(wǎng)絡安全和信息化工作會議上指出[1]，必須敏銳抓住信息化發(fā)展的歷史機遇，推動信息領域核心技術突破，發(fā)揮信息化對經(jīng)濟社會發(fā)展的引領作用。鐵路作為國民經(jīng)濟大動脈，在促進社會發(fā)展、服務經(jīng)濟建設中發(fā)揮著重要作用，擁有核心科技的高速鐵路更是作為我國的“國家名片”，向世界各國展示著中國改革開放和社會發(fā)展的成果。鐵路是我國綜合交通運輸體系中的骨干，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時代背景下，《交通強國建設綱要》《數(shù)字交通發(fā)展規(guī)劃綱要》等國家政策文件的出臺為鐵路工程建設領域數(shù)字化轉(zhuǎn)型注入了強大動力[2]。以云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等為特征的鐵路數(shù)字化成為了明確的發(fā)展趨勢。

鐵路工程建設包含“規(guī)劃、設計、施工、運營”多個環(huán)節(jié)，鐵路設計是其中重要的一環(huán)，近年來，鐵路設計領域在BIM設計、二三維協(xié)同等方面已作出嘗試并取得進展，數(shù)字化轉(zhuǎn)型已邁出第一步。隨著技術攻關與努力研發(fā)，鐵路設計行業(yè)必將牢牢把握數(shù)字化轉(zhuǎn)型蘊含的戰(zhàn)略機遇，為推進中國式現(xiàn)代化注入強勁動力[3]。

1 現(xiàn)狀

數(shù)字化設計的前提是數(shù)字化的設計協(xié)同。在鐵路建設行業(yè)，各設計院以勘測設計一體化為目標進行了大量研究，實現(xiàn)了基于專業(yè)互提資料的信息共享和進度管控[4]。但從國內(nèi)外各協(xié)同設計平臺的運行機制看，多以項目管理為主線，以各種各樣的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為中心，實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)的信息共享、計劃管控和流程管理等，非結(jié)構(gòu)的文件級協(xié)同，難以滿足鐵路工程全流程全業(yè)務多層級協(xié)同設計的需要。

鐵路電力專業(yè)作為站后重要的配套專業(yè)，設計業(yè)務覆蓋范圍廣，內(nèi)容多[5]，按照設計對象的不同，電力設計內(nèi)容可分為建筑電氣、供配電系統(tǒng)兩大部分，建筑電氣包含：房屋動力照明、建筑物防雷接地、火災自動報警系統(tǒng)、機電設備監(jiān)控系統(tǒng)等，供配電系統(tǒng)包含：變配電系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、配電線路等，各個工作內(nèi)容自成系統(tǒng)，龐大而繁雜。傳統(tǒng)鐵路設計手段工作量大，需要對接的站前站后專業(yè)眾多，需要處理的信息量大。隨著計算機的普及，鐵路工程設計行業(yè)實現(xiàn)了甩掉圖板的目標，目前電力專業(yè)設計手段多數(shù)采用CAD 及相關二次開發(fā)軟件，人工繪制圖紙的方式，設計效率較低；例如房建是電力專業(yè)重要的前端專業(yè)，工點動力照明配電設計在房建專業(yè)提資的基礎上開展，傳統(tǒng)的房建文件級提資為DWG 格式文件，房屋裝修、結(jié)構(gòu)、尺寸信息在DWG文件中以圖紙、文字等形式呈現(xiàn)，設計人員需要處理大量的信息方能開展設計，且因各專業(yè)資料變動頻繁導致的設計返工多，嚴重制約設計周期，甚至制約鐵路建設周期。

綜上，在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時代背景下，亟需提升鐵路電力專業(yè)設計手段的數(shù)字化、智能化水平，梳理電力專業(yè)設計標準，融合專家設計經(jīng)驗，合理規(guī)劃專業(yè)數(shù)據(jù)庫，科學調(diào)整設計模式，規(guī)范專業(yè)接口、設計流程，將設計元素數(shù)據(jù)化，以數(shù)據(jù)驅(qū)動為主線，研究數(shù)字化設計相關算法、開發(fā)電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺顯得尤為重要。

2 問題

鐵路電力專業(yè)設計子系統(tǒng)多，制約因素多，對接專業(yè)眾多，數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程必定充滿挑戰(zhàn)。電力專業(yè)數(shù)字化設計軟件體系的開發(fā)面臨以下幾個問題。

2.1 打通數(shù)據(jù)級協(xié)同接口難度大

現(xiàn)狀下的提資結(jié)構(gòu)顯然難以滿足數(shù)字化設計下的數(shù)據(jù)要求，確定各專業(yè)提資數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)顆粒度難度大，且受制于其它專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進度。

2.2 規(guī)則集成難度較大

電力專業(yè)設計電壓等級涵蓋高中低壓，涉及建筑電氣與供配電系統(tǒng)，鐵路領域、民建領域的標準規(guī)范眾多，如何將標準規(guī)范中各項要求數(shù)字化為軟件操作邏輯需要進一步研究軟件架構(gòu)。

2.3 開發(fā)系統(tǒng)化軟件難度較大

商用電力系統(tǒng)設計輔助軟件眾多，自研開發(fā)適用于鐵路電力專業(yè)的數(shù)字化設計軟件部分功能與商用軟件重復，且自研軟件與商用軟件接口難以統(tǒng)一，開完的數(shù)字化設計軟件難以成系統(tǒng)規(guī)模，各設計子系統(tǒng)軟件易產(chǎn)生數(shù)據(jù)壁壘，影響規(guī)?；瘧谩?/p>

3 規(guī)劃與實施策略

3.1 電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺規(guī)劃

電力專業(yè)設計平臺開發(fā)遵從“標準化”-“數(shù)字化”-“智能化”的發(fā)展路線，基于自研、商業(yè)軟件的二次開發(fā)、直接引進商業(yè)軟件等開發(fā)手段，采用B/S 模式或C/S 的系統(tǒng)架構(gòu)，采用二三維一體開發(fā)，獨立功能模塊的模式，實現(xiàn)計算、設計過程的自動化，最終根據(jù)需求分別以二維圖形、三維模型或數(shù)據(jù)的形式交付成果。

根據(jù)電力專業(yè)設計內(nèi)容的不同，電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺可細分為室內(nèi)動力照明設計模塊、建筑物防雷接地設計模塊、低壓變電所電氣設計模塊、高壓變電站電氣設計模塊、配電所電氣設計模塊等11 個設計子模塊，如圖1 所示。

電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺的運行需與前后序?qū)I(yè)設計平臺、項目管理平臺等形成合作，形成數(shù)據(jù)級的數(shù)據(jù)流動、項目管理、后臺維護等，最終實現(xiàn)專業(yè)正向數(shù)字化設計。電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺與項目管理平臺、專業(yè)協(xié)同平臺、數(shù)據(jù)庫管理平臺的關系如圖2 所示。

圖2 電力專業(yè)數(shù)字設計平臺與其它平臺關系示意

3.2 實施策略

數(shù)字化設計平臺的研發(fā)是非常復雜的系統(tǒng)工作，鐵路電力專業(yè)設計內(nèi)容涵蓋面廣，數(shù)字化設計體系軟件的開發(fā)需要研發(fā)人員集思廣益，頂層設計、系統(tǒng)開發(fā)，采用正確的實施策略。

（1） 梳理業(yè)務內(nèi)容，確定底層業(yè)務邏輯，可編寫業(yè)務UML 類圖，并在軟件研發(fā)過程中不斷迭代；（2） 梳理設計元素，根據(jù)業(yè)務流程，采用計算機編程思想定義電力專業(yè)設計元素，確定各設計元素屬性、數(shù)據(jù)輸入以及數(shù)據(jù)產(chǎn)出；（3） 結(jié)合業(yè)務有業(yè)務內(nèi)容與設計元素，確定電力專業(yè)設計平臺輸入輸出，與各配合專業(yè)確定數(shù)據(jù)級協(xié)同接口，并不斷優(yōu)化更新接口；（4） 多維度吸收有價值的智慧成果，例如鐵路電力專業(yè)BIM設計軟件開發(fā)過程中自動化、數(shù)字化的相關成熟經(jīng)驗，智能電網(wǎng)領域智能化的相關開發(fā)思路。

4 實施內(nèi)容

4.1 數(shù)據(jù)級設計接口

工程設計是一個復雜的系統(tǒng)，需要多領域的工程技術團隊、在多時空的環(huán)境下共同密切協(xié)作來完成，即協(xié)同設計。對于鐵路工程，設計院內(nèi)部專業(yè)之間的接口多達600 多類且相互交織。電力專業(yè)負責為車站、區(qū)間各專業(yè)用電負荷供電[6]，且多數(shù)設計要在房建專業(yè)資料的基礎上完成，設計接口眾多，非結(jié)構(gòu)化的提資資料導致設計人員信息整理難度大、易出錯，且設計成果在設計資料變化時，無法聯(lián)動修改，重復工作量大，影響成果質(zhì)量。

為達到數(shù)字化轉(zhuǎn)型目標，提資數(shù)據(jù)化、結(jié)構(gòu)化將更有利于設計標準化[7]，設計文件管理，達到聯(lián)動級的文件修改。為實現(xiàn)電力專業(yè)的數(shù)字化設計，電力專業(yè)需和各配合專業(yè)明確數(shù)字化設計流程下的設計接口，提供資料的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)深度，并在數(shù)字化軟件開發(fā)過程中進一步迭代更新。數(shù)據(jù)級協(xié)同提資文件將以數(shù)據(jù)為中心，例如房屋尺寸、結(jié)構(gòu)梁尺寸及位置，房屋附屬參數(shù)如裝修、頂棚、屋面等參數(shù)應以標準的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行定義，電力數(shù)字化設計軟件可以直接從共用數(shù)據(jù)池中進行調(diào)取，動力照明設計依存于數(shù)據(jù)級資料，當房屋變化時，動力照明設計文件可根據(jù)數(shù)據(jù)資料的變化進行調(diào)整，大大減少設計的返工。圖3 為電力專業(yè)部分設計模塊與配合專業(yè)協(xié)同的泳道示意，對專業(yè)內(nèi)外流程及提資進行了定義，可指導梳理電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺的外部接口。

圖3 數(shù)字化設計協(xié)同泳道示意

4.2 數(shù)據(jù)化設計對象

軟件層面，UML類圖可清晰地定義各設計業(yè)務的流程及操作對象[8]，電力專業(yè)設計子系統(tǒng)較多，設備、材料型號規(guī)格繁雜，科學的梳理每個設計子系統(tǒng)的設計對象，合理地利用父類、子類的結(jié)構(gòu)關系，構(gòu)建合理層級結(jié)構(gòu)，能有效地降低數(shù)據(jù)庫的冗余度，提高數(shù)字化設計軟件的運行效率。本文以鐵路配電所為例，展示了電力專業(yè)配電所一次系統(tǒng)設計的UML 類圖，如圖4 所示，從圖中可看出，根據(jù)接地型式不同，將配電所一次系統(tǒng)分為了中性點不接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)以及銷弧線圈接地系統(tǒng)，并將所有的設計對象歸類為4 個基類，分別為土建基類、材料基類、配電所回路基類以及配電所設備基類。

圖4 10kV配電所一次系統(tǒng)UML類圖

對于不同的設計元素，可采用枚舉定義或數(shù)據(jù)類定義的方式，對設計元素進行定義。例如配電所設備基類的子類高壓柜可采用數(shù)據(jù)類定義的方式進行定義，見表1，從表中可以看出，高壓柜的屬性表中額定電壓、額定電流等在工程領域確定的選型的數(shù)據(jù)類型為枚舉類，其值域可采用枚舉的方式進行定義。

表1 高壓柜屬性

4.3 數(shù)據(jù)驅(qū)動與規(guī)則集成

在數(shù)據(jù)級的提資基礎上，整合標準規(guī)范等文件要求，挖掘電力專業(yè)設計經(jīng)驗，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動與規(guī)則集成服務，實現(xiàn)對參數(shù)化、模塊化、標準化的設計對象的二三維聯(lián)動設計，開發(fā)電力專業(yè)各設計內(nèi)容的數(shù)字化表達工具。圖5 為電力數(shù)字化設計平臺實施思路示意。

圖5 電力數(shù)字化設計平臺實施思路示意

結(jié)束語

在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的時代背景下，鐵路工程設計行業(yè)也要把握時代機遇，電力專業(yè)系統(tǒng)性強，內(nèi)容繁雜，設計過程人力消耗較大，亟需開發(fā)數(shù)字化設計平臺。本文根據(jù)電力專業(yè)設計內(nèi)容的不同，規(guī)劃了包含11 個設計子模塊的電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺，并針對鐵路電力專業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型挑戰(zhàn)，提出了確定底層業(yè)務邏輯、確定設計元素屬性、數(shù)據(jù)輸入以及數(shù)據(jù)產(chǎn)出、確定數(shù)據(jù)級協(xié)同接口、多維度吸收有價值的智慧成果的實施策略。最后，本文從數(shù)據(jù)級設計接口、數(shù)據(jù)化設計對象、數(shù)據(jù)驅(qū)動與規(guī)則集成三個方面討論了鐵路電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺的實施內(nèi)容，構(gòu)建了電力專業(yè)數(shù)字化設計接口泳道圖，并以鐵路10 kV 配電所為例，討論了UML類圖及設計元素的數(shù)據(jù)化定義方法，然后基于數(shù)據(jù)驅(qū)動與規(guī)則集成思想，提出了電力專業(yè)數(shù)字化設計平臺的實施思路。