基于插件式架構的鐵路工程協同設計管理系統設計與開發

賈興斌

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院),西安 710043)

近年來，信息技術的飛速發展帶動了勘察設計行業的現代化發展，勘察手段日新月異，工程設計技術也隨之不斷進步。協同設計是勘察設計行業發展的一個重要方向，但目前針對大型復雜鐵路建設項目，面臨的問題是如何利用信息技術跨越時間和空間的限制，讓不同地域、不同專業的項目設計人員在同一個協同設計管理平臺上，將貫穿于項目各個設計階段的所有信息進行集中、有效的管理。使用該協同設計管理平臺后，設計人員能夠在一個集中統一的環境下工作，隨時獲取所需的項目信息，減少因溝通不暢而造成的失誤。當某一處修改時，其他地方會自動修改，以此達到提高工作效率、保證設計質量的目的[1]。這個問題是勘察設計企業必須面對和解決的問題，并且隨著BIM技術的不斷深入應用，協同設計作為BIM技術的重要組成部分，其地位與重要性越發凸顯。

協同設計是指，在信息系統的支持下，各部門、各專業人員圍繞同一個設計項目，承擔各自的設計任務，分工協作地進行設計工作，最終得到符合要求的設計結果的設計方法[2-4]。協同設計中包括項目組人員、共同的網絡環境和操作系統、共同的設計標準、信息共享、數據互用、不同軟件的集成等要素[5]，并利用相互參考、并行工作、數據互用、遠程異地訪問這些技術去實現協同[6]。協同設計管理系統是利用計算機軟件，配合多專業完成設計工作，并提高設計成果交互效率，提高設計人員溝通效率，從而提高設計效率與設計質量[7-8]。

在鐵路建設項目設計過程中，會用到各種設計軟件，如AutoCAD、Revit、NavisWorks、Microstation、Civil3D等。為能夠及時且動態地收集項目設計過程中的數據，保證數據的完整性，達到數據集中管理的目的，就要求將設計軟件與協同設計管理進行無縫銜接。據此，通過對核心業務需求進行分析，對系統進行總體設計和關鍵模塊設計，研究與專業設計軟件嵌入集成的關鍵技術，開發應用插件式架構技術研發協同設計管理系統。

1 系統業務需求分析

在一個鐵路建設項目中，勘察設計單位主要參與預可行性研究、可行性研究、初步設計、施工圖設計等設計階段[9]，總共涉及土建、機車車輛、通信信號、建筑、工經等幾十個專業。項目的設計總體流程主要包括：項目設計策劃、項目計劃、專業設計、電子文件交付與歸檔[10]。其中，在項目設計策劃階段，項目管理人員需在協同設計管理系統中創建設計項目信息(含項目批復文件)；在項目計劃階段，項目計劃管理員需創建勘察資料目錄、創建綜合進度計劃、規定各專業互提資料的時間，而各生產單位計劃管理員需創建本生產單位專業設計計劃，規定各設計任務的完成時間、考核流程、計劃工天；在專業設計階段，設計人員需上傳勘察設計文件，并進行文件審核與資料互提。

1.1 專業間與專業內的協同要求

在各設計階段進行協同設計的核心是數據和文檔在專業內部和專業之間的傳遞和共享，傳遞和共享的效率直接影響協同的效果與設計團隊的整體效率。

以施工圖階段的隧道專業為例，完成一項設計工作任務，專業內部需完成的主要工作包括：設計原則擬定與審核、成立設計組并分配工作任務、設計原則交底、工點事前指導書、工點設計、文件校審及質量評定、設計進度控制。專業內協同設計流程如圖1所示。

圖1 專業內協同的設計流程

專業間協同設計主要體現為專業互提資料與完成時間管理。與隧道專業相關的專業(部門)有經營計劃調度、線路、站場、地質、橋涵、路基、軌道、通信、信號、電力、接觸網、工經等專業。以隧道專業為中心，可將上述相關專業劃分為上游設計專業、并行設計專業和后續設計專業。上游設計專業的設計工作是隧道專業做工點設計的前提條件，需要給隧道專業提供基本設計素材。并行設計專業基本與隧道專業同期開放設計，互提資料主要以缺口里程為主。后續設計專業以隧道設計成果為依據進行本專業設計，主要是站后“四電”各專業。

1.2 多源數據的集中管理要求

為能夠及時且動態地收集項目進行過程中的數據，保證數據的完整性，并達到數據集中管理的目的，協同設計管理系統需考慮與已有管理系統和設計系統的關系(圖2)，并且為用戶使用方便，需提供多種應用模式，包括協同設計平臺主客戶端、插件式客戶端、移動應用客戶端。具體內容見表1。

圖2 協同設計管理系統與其他系統的關系

表1 不同客戶端使用對象與具體要求

2 協同設計管理系統的設計與實現

2.1 系統開發目標

根據鐵路項目設計管理工作的特點，協同設計管理系統需對傳統二維設計項目和BIM設計項目進行統一管理，系統開發目標如下。

(1)實現以文件級協同為協同模式，覆蓋勘察設計全過程管理，支持二維設計協同和BIM設計協同。

(2)實現項目管理、計劃管理、設計文件審核過程管理、互提資料交互過程管理。

(3)實現與Autodesk核心軟件的深入集成，支持多端應用模式，方便用戶操作和數據的集中管理。

2.2 系統整體架構設計

協同設計管理系統采用分層架構設計，其體系結構由硬件支撐層、軟件支撐層、業務管理層和表示層組成，如圖3所示。

圖3 協同設計管理系統體系結構

(1)硬件支撐層：以企業網絡和數據中心為基礎，主要包含服務器設備、存儲設備以及與硬件設備相配套的服務器管理等。

(2)軟件支撐層：主要包括數據庫系統、文件存儲與數據的加密傳輸服務、工作流中間件、消息服務等，是支撐應用系統平臺正常、可靠運行的重要保障。例如，可采用SQL Server作為數據庫系統，存儲本系統的信息[11]。

(3)業務管理層：主要包含計劃管理、勘察過程管理、設計過程管理、技術標準管理、質量管理等子系統，是協同設計平臺的核心業務功能模塊。

(4)表示層：包括PC客戶端、插件式客戶端和移動客戶端。不同的系統角色，可選擇不同的應用模式，這樣可以方便高效地使用系統。

(5)信息安全保障體系與運行保障體系：從安全制度、安全管理和安全技術3個方面構建信息安全保障體系，以此降低系統安全風險。運行保障體系是保障系統正常運行和順利推進的關鍵條件，包括國家標準、行業標準、企業標準、系統上線管理辦法、設計工作獎懲辦法和系統維護保障制度[12]。此外，任何管理系統在初始推廣過程中，都會遭遇巨大的阻礙，需在管理制度等運行保障體系的支持下，才能保證系統的順利推廣。

2.3 系統模塊設計

鐵路工程協同設計管理系統組成如圖4所示。

圖4 鐵路工程協同設計管理系統組成

系統的主要功能如下。

(1)項目管理：實現項目基本信息、設計階段信息、項目總體組配置管理等。

(2)計劃進度管理：實現調度令管理、綜合進度計劃管理、審核流程管理、BIM專業計劃、計劃進度監控和計劃進度統計管理。

(3)勘察過程管理：主要包括勘察資料的收集、審核和勘察過程的檢查等，實現勘察任務書管理、勘察技術交底管理、勘察資料的管理。

(4)設計過程管理：實現二維與BIM設計過程管理，主要包括設計文件審核流程管理和設計資料互提流程管理。

(5)質量管理：實現審核意見表單生成、審核意見確認、審核意見匯總、資料審核過程抽查、資料審核過程統計的管理。

(6)技術管理：實現專業管理、專業分工管理、專業設計文件管理、互提資料規定的管理、勘察設計文件審核規定管理、數據接口管理、資料控制屬性管理等。

(7)系統管理：實現用戶信息、系統更新、角色與權限管理等。

2.4 多插件客戶端實現的關鍵技術

為實現基于Autodesk核心設計軟件的協同插件，需對AutoCAD、Civil 3D、Revit、NavisWorks 4個專業設計軟件的二次開發方式、API、體系結構、插件接口、協同設計過程管理功能集成的方式與方法進行研究[13-14]。4個專業設計軟件的二次開發技術見表2[15-17]。

表2 AutoCAD、Civil 3D、Revit、NavisWorks開發技術

其中，NavisWorks軟件是一款用于分析、仿真和項目信息交流的先進工具，具有強大的文件格式兼容性，借助NavisWorks二次開發，可以使得NavisWorks在模型聚合、模型查看、全方位項目審閱、施工管理、碰撞檢測、算量等方面的功能更加高效。NavisWorks二次開發的關鍵技術包括模型數據管理、插件管理和控件。其中，NavisWorks的模型數據管理是將原始模型數據轉換成邏輯數據和全局數據兩種類型，邏輯數據是將原始的邏輯結構轉換到NavisWorks場景中，它呈現出一種繼承(樹狀)結構；全局數據是為實現模型的快速優化顯示。插件管理是將程序集成到NavisWorks里，大多表現為一個Navisworks的自定義菜單，主要包括9種類型的插件(圖5直觀描述了9種插件的類層級結構關系)。AddInPlugin主要為GUI、應用程序、自動化所調用使用的插件。CommandHandlerPlugin主要用于向系統中添加多個命令處理程序和RIBBON按鈕，處理程序可以由API用戶直接調用，也可以通過命令按鈕來調用。DockPanePlugin用于向GUI添加停靠面板的插件。EventWatcherPlugin用于處理NavisWorks API中的事件，該插件初始化被加載和激活，并且在會話期間保持活動[18-20]。控件技術主要是把NavisWorks集成到應用程序中，包括ApplicationControl、DocumentControl、ViewControl三種形式的控件。

圖5 插件的類層級結構關系

.NET是微軟面向XML Web服務的平臺，使用.NET開發的應用程序具有統一的面向對象開發平臺、內存自動管理、一致的異常處理、支持多種開發語言等優點。為此，鐵路工程協同設計管理系統基于.NET開發方式，采用C#語言開發，數據庫采用SQL Server 2012。

3 系統優勢與特點

鐵路工程協同設計管理系統根據鐵路行業工程設計要求，以文件級協同為協同模式，覆蓋鐵路勘察設計全過程管理，通過服務器虛擬化平臺，實現基于企業私有云的協同設計管理系統。該系統具有以下優勢與特點。

(1)根據鐵路項目設計管理工作的特點，覆蓋鐵路勘察設計全過程管理，支持二維設計協同和三維BIM設計協同，實現了項目管理、計劃進度管理、設計流程管理、設計文件審核過程、互提資料交互過程管理、質量控制管理等。

(2)采用插件式架構技術，在日常使用的AutoCAD、Civil3D、Revit、NavisWorks等工作環境中集成協同設計過程管理功能，貼近了設計人員，減少了操作步驟，提高了工作效率。

4 系統應用情況

鐵路工程協同設計管理系統(Project on Line)于2017年5月正式上線，先后應用在銀川至西安客運專線、西寧至成都鐵路、西安至十堰高鐵、蘭州至張掖三四線、南寧至玉林鐵路、濟南至濱州城際等多個項目設計管理中，系統功能實用，流程清晰，滿足了勘察設計企業的管理要求，整體運行效果良好，未出現任何系統故障。目前為止，該系統已經覆蓋全院生產人員共計3300余人，累計管理項目上百個。該系統作為鐵路設計院基礎生產管理平臺，實現了設計項目的統一管理，并可根據鐵路設計院協同設計工作需要，不斷進行擴展，從而不斷提高我院生產工作效率，具有較好的經濟效益。

5 結語

基于插件式架構的鐵路工程協同設計管理系統，采用“桌面客戶端+插件式客戶端”的開發方式，與Autodesk核心軟件進行深度集成，以文件級協同為協同模式，覆蓋鐵路項目勘察設計的全過程，全面支持二維設計協同和三維BIM設計協同工作，實現了項目管理、計劃進度管理、設計流程管理、設計文件審核過程、互提資料交互過程管理、質量控制管理等。經過在銀川至西安客運專線、西寧至成都鐵路、西安至十堰高鐵等項目中的實際應用，滿足了勘察設計企業的管理需求，顯著提高了鐵路項目設計管理的工作效率與工作質量。