基于Web和SQL的接觸網建筑信息模型區間布置軟件系統*

李銀生

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司電化處，710043，西安； 2.西安軌道交通工程信息化國家重點實驗室，710043，西安∥高級工程師)

BIM(建筑信息模型)技術自2002年引入工程建設行業以來，至今已有20年的歷史。由于其數字化的特點，因而它在工程設計、施工、運維、物資采購等各方面具有蓬勃的生命力，為工程項目的全生命周期的建設及運轉提供了強有力的支撐。目前我國鐵路行業采用的BIM平臺主要有Autodesk公司的Revit軟件、Bentley公司的MicroStation軟件及達索公司的Catia軟件[1-3]。業內設計領域已在Revit軟件平臺上取得了一定的進展[4-5]，并根據發展戰略需要開展了基于Bentley公司軟件平臺的協同設計研究[6]。本文基于對該研究的具體部署，對Web(全球廣域網)和SQL(結構化查詢語言)數據庫的接觸網BIM模型區間布置軟件系統開展了研發工作。

1 區間布置軟件系統概述

本接觸網專業區間設計系統以Bentley公司MicroStation設計平臺為基礎平臺，采用接觸網專業設計軟件、專業資源庫、工程信息數據庫服務器的架構形式。該系統通過專業算法，對項目外部環境、專業接口數字化資料、工程技術規范及標準等進行綜合分析計算，從而形成與工程項目設計工點相對應的專業數據信息，存儲于服務器端。此外，該系統還可根據服務器端的專業數據信息和相應單元模型資源庫，按照具體項目的BIM模型坐標轉換規則，完成項目接觸網專業布置模型的繪制。

該軟件系統以鐵路工程項目各專業協同設計為基本原則，以正向設計為目標，在相關專業設計接口資料數字化的基礎上，完成專業工程信息的分析處理及工程模型繪制，從而避免了因人工對相關專業電子圖紙、藍圖等資料處理不當而造成的設計質量問題。

系統服務器端數據庫采用SQL數據庫架構，設計方便、靈活。該架構可滿足接觸網專業處理數據量大的需求，實現對本專業以及與項目相關的接口專業數據的快速讀寫操作，避免了因數據平臺、操作系統差異等各方面沖突對設計工作帶來的不便。設計人員客戶端無配置數據軟件、操作數據庫方面的需求，降低了系統配置難度，提高了設計效率。

由于采用服務器架構，本系統生成的設計文件及數據信息存儲具有共享性、可靠性。各級審核審查人員能夠很方便地從服務器端獲取需要處理的文件，同時減少了審核、交付環節中因傳遞設計文件版本差異帶來的弊端。

2 區間布置軟件系統的總體設計

2.1 系統框架設計

本系統基于B/S(瀏覽器/服務器)結構Web和SQL實現其軟件框架。采用Web應用程序能夠實現最大的資源共享，采用SQL數據庫存儲布置和模型擴展參數，以便系統程序能共享設計的相關成果數據。結合計算機特性以及軟件布局，本軟件分為四大部分：Web操作界面、BIM軟件接口、專業數據處理模塊和接觸網專業數據庫。其系統框架如圖1所示。

圖1 區間布置軟件系統的邏輯框架圖

1) 操作前端設計。Web界面調取數據處理模塊形成接觸網專業數據，或者通過BIM軟件接口調用MicroStation軟件，對設計成果進行展示。

2) BIM軟件接口。本系統目前采用的是MicroStation軟件CE版，遵循其相應的接口開發規范，對包含接觸網BIM構件屬性和擴展參數進行初始化，如構件名稱、單元構件類型、單元構件尺寸、位置、LID(可定位身份編碼詞典)編碼等。這部分工作由專業建模人員在設計接觸網單元構件模型時完成。系統根據MicroStation軟件二次開發接口規范，通過提取接觸網構件的工程信息數據和擴展參數，將其轉換為與GIS(地理信息系統)中對應的構件坐標信息，并寫入對應的工程項目信息，以完成項目具體工點模型(如某鐵路某區間工點的接觸網系統模型)的設計。

3) 數據庫設計。本系統使用數據庫MYSQL軟件，數據庫設計內容主要包含專業詞典、材料設備標準信息庫、項目信息庫、人員信息庫、工點布置信息庫、土建接口資料信息庫等。

4) 專業數據處理。主要包括：① 專業資源配置，根據專業需求特點預配所需的單元構件庫、專業標準詞典信息庫等；② BIM數據處理，根據項目技術標準及土建接口資料等生成BIM的布置信息和構件單元參數；③ 處理Web前端請求，從相應的數據庫或模型庫反饋數據請求。

2.2 軟件結構設計

本軟件采用MVC(模型-視圖-控制器)框架對各業務功能進行模塊化設計，每個不同類型的業務使用一個標簽頁加載。如果需要添加新的業務功能，只需要界面上添加標簽頁，再新增一個處理DLL(動態鏈接庫)即可，已有軟件無需改動。其整體軟件結構如圖2所示。

圖2 區間布置軟件系統的軟件結構圖

1) Web應用層。功能包括人員管理、接觸網資源庫、項目管理、工點布置、模型繪制等。

2) 業務邏輯層。WebApi是BIM模型的數據接口；控制器用于響應前端數據請求；DAL操作SQL Server數據庫；文件流用于讀寫配置文件和模型文件。

3) 數據持久層。SQL 數據庫(布置信息庫/模型參數數據庫)用于存儲系統業務數據，包含接觸網零部件、接觸網布置等數據；接觸網專業資源庫為接觸網構件單元文件集合，通過資源配置功能進行配置。

3 區間布置軟件的關鍵實現方法

3.1 接觸網資源庫搭建

依據MicroStation軟件的二次開發規范及專業設計要求，系統可按照不同懸掛型式、不同工況構造相應的裝配單元。如接觸網簡單鏈型懸掛整體腕臂正定位構件單元,其示意圖如圖3所示。

圖3 正定位腕臂單元

3.2 接觸網三維零部件模型Web端顯示

通過IE11、Chrome、Firefox、Safari、Edge等瀏覽器可對輕量化模型進行快速瀏覽。

3.3 專業算法

專業算法包括支柱布置、接觸懸掛錨段布置、附加導線布置、手動調整(增加支柱、移動支柱、刪除支柱)等，如圖4所示。其中，支柱布置計算在調取本項目的技術標準及工點相關土建接口資料基礎上，依據本專業相關規范來完成支柱位置的初步布置；接觸懸掛錨段布置計算結合項目技術標準對接觸網錨段進行劃分并優化支柱布置，以確定支柱、基礎及裝配信息；附加導線布置計算按照項目技術標準并綜合土建資料、接觸網錨段劃分等因素，對附加導線安裝、錨段劃分進行設置；手動調整包括增加裝配、調整裝配、移動裝配、刪除裝配等方面，可滿足設計人員對設計模型的優化要求。

圖4 觸網工程工點布置的專業算法

3.4 Web端接觸網區間布置設計

根據核心算法算出的接觸懸掛及附加導線的布置數據，在三維空間的對應位置繪出所有零部件模型，包括支柱、基礎、隧道內吊柱、腕臂裝置、接觸懸掛下錨裝置、接觸懸掛、附加導線肩架、附加導線架線等。Web設計功能包括線路中心線繪制、基礎布置、支柱布置、下錨補償裝置布置、肩架布置、接觸網布置、附加導線布置等，如圖5所示。

圖5 Web端接觸網布置主要工具條

系統可對每個接觸網部件當前屬性進行查看并修改，修改后即時寫入構件單元或者相關數據庫。使用該軟件設計完成的某高鐵區間工點部分段落模型如圖6所示。

圖6 某高鐵區間工點部分段落設計模型

4 區間布置軟件系統的主要功能

本軟件的功能架構如圖7所示，可實現基礎數據管理、模型布置、系統管理等功能。

圖7 區間布置軟件的系統功能架構圖

4.1 基礎數據管理

1) 零部件庫管理。零部件庫按照接觸網標準分為剛性網零部件庫、柔性網零部件庫、接觸軌零部件庫和其它零部件庫，各分類庫按功能細節可再分為裝配部件庫和零件庫兩類。按照使用功能細分，零部件可分為腕臂結構、定位裝置、吊弦線夾、絕緣子、線材等子分類。各零部件的材質、質量等屬性均可修改。

2) 接觸網專用詞典庫管理。對接觸網專業術語、接觸網用標準材料設備信息、接觸網常用工況分類、接觸網工程常用標準信息等進行管理。

3) 接觸網項目資料庫管理。對項目相關的土建資料進行處理并儲存，以供工點布置時調用。

4.2 模型布置

1) 項目配置。由項目負責人對項目的基本信息進行配置，對項目名稱、線路長度、起點、終點、供電類型、速度標準等進行描述，并完成項目的構件單元配置。

2) 工點配置。設計人員對負責的具體工點相關數據(如工點兩端的關節、工點內的分相設置等)進行配置。

3) 接觸網/附加導線布置計算。調取項目、工點的相關信息數據，通過專業算法計算生成接觸網/附加導線的布置數據信息。

4) 生成成果文件。調取接觸網/附加導線的布置數據信息，換算成相關構件在GIS內對應的坐標，完成包括支柱、基礎、接觸懸掛下錨裝置、附加導線肩架等接觸網單元構件，以及接觸懸掛、附加導線等線索結構的布置或者連接，生成成果文件。

4.3 系統管理

1) 人員管理。包括：對項目參與人員信息進行增加、刪除、修改、查詢操作；賦予項目參與人員相應的角色，如設計人員、復核人員、項目負責人、項目審核者、項目審定者等；對不同角色在軟件系統的具體操作權限范圍，如文件的讀取范圍、讀取權限、修改權限等進行配置。

2) 項目管理。對項目進行初始化，并分配給項目負責人。

3) 工點管理。對項目的工點進行初始化，便于向設計人員分配設計任務。

4) 系統參數設置。設置系統正常運行所需的參數，并提供添加擴展參數的功能。

5 區間布置軟件的系統驗證

通過軟件測試的方式，驗證本文提出的接觸網BIM區間布置軟件系統的各項指標是否達到預期目標，并檢查軟件的缺陷和錯誤，測試軟件潛在的各種缺陷。測試過程中，根據各階段的設計文檔精心編寫測試用例，用這些實例執行軟件，進而發現系統的缺陷和錯誤。經過連續數月的運行測試及完善，驗證結果為：本軟件運行正常，無明顯缺陷和異常錯誤。

測試電腦的配置為：酷睿i7 CPU(中央處理器)、3.2 GHz主頻、16 G內存。對于包含線橋隧土建工點的復雜工點專業，該軟件的計算一般在5 min左右完成，工點BIM的構件單元布置完成時間約需5 min。考慮土建資料的導入耗時，可在30 min內完成整個正向設計過程。

6 結語

本文提出的基于Web和SQL的接觸網BIM區間布置軟件系統，能夠快速、有效地完成接觸網支柱布置、錨段劃分、附加導線布置等接觸網設計系統的布置功能。經測試，該軟件系統操作方便、響應快捷、運行可靠，可為下一步開展相關方面的設計提供良好的設計工具。根據BIM設計在其它行業應用前景，結合軌道交通建設運營全生命周期技術的展望,該軟件還有一些功能尚待深入開發，主要包括以下三方面：

1) 與施工組織的結合。即對施工的人員、物料、進度等進行管理。

2) 與運營結合。將后臺數據庫及接觸網模型與PHM(故障預測與健康管理)系統對接，實時反映接觸網系統的運營狀況，并結合接觸網監測系統數據對接觸網系統故障進行預判。

3) 最終實現設計、施工、運營全生命周期管理的相關功能。