基于數據驅動的鐵路電力數字化設計平臺規劃與實施

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展的歷史機遇，推動信息領域核心技術突破，發揮信息化對經濟社會發展的引領作用。鐵路作為國民經濟大動脈，在促進社會發展、服務經濟建設中發揮著重要作用，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展的成果。鐵路是我國綜合交通運輸體系中的骨干，在數字化轉型的時代背景下，《交通強國建設綱要》《數字交通發展規劃綱要》等國家政策文件的出臺為鐵路工程建設領域數字化轉型注入了強大動力[2]。以云計算、大數據、物聯網、移動互聯網等為特征的鐵路數字化成為了明確的發展趨勢。

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

1 現狀

數字化設計的前提是數字化的設計協同。在鐵路建設行業，各設計院以勘測設計一體化為目標進行了大量研究，實現了基于專業互提資料的信息共享和進度管控[4]。但從國內外各協同設計平臺的運行機制看，多以項目管理為主線，以各種各樣的非結構化數據為中心，實現基于互聯網的信息共享、計劃管控和流程管理等，非結構的文件級協同，難以滿足鐵路工程全流程全業務多層級協同設計的需要。

鐵路電力專業作為站后重要的配套專業，設計業務覆蓋范圍廣，內容多[5]，按照設計對象的不同，電力設計內容可分為建筑電氣、供配電系統兩大部分，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、機電設備監控系統等，供配電系統包含：變配電系統、發電系統、配電線路等，各個工作內容自成系統，龐大而繁雜。傳統鐵路設計手段工作量大，需要對接的站前站后專業眾多，需要處理的信息量大。隨著計算機的普及，鐵路工程設計行業實現了甩掉圖板的目標，目前電力專業設計手段多數采用CAD 及相關二次開發軟件，人工繪制圖紙的方式，設計效率較低；例如房建是電力專業重要的前端專業，工點動力照明配電設計在房建專業提資的基礎上開展，傳統的房建文件級提資為DWG 格式文件，房屋裝修、結構、尺寸信息在DWG文件中以圖紙、文字等形式呈現，設計人員需要處理大量的信息方能開展設計，且因各專業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，在數字化轉型的時代背景下，亟需提升鐵路電力專業設計手段的數字化、智能化水平，梳理電力專業設計標準，融合專家設計經驗，合理規劃專業數據庫，科學調整設計模式，規范專業接口、設計流程，將設計元素數據化，以數據驅動為主線，研究數字化設計相關算法、開發電力專業數字化設計平臺顯得尤為重要。

2 問題

鐵路電力專業設計子系統多，制約因素多，對接專業眾多，數字化轉型的過程必定充滿挑戰。電力專業數字化設計軟件體系的開發面臨以下幾個問題。

2.1 打通數據級協同接口難度大

現狀下的提資結構顯然難以滿足數字化設計下的數據要求，確定各專業提資數據結構、數據顆粒度難度大，且受制于其它專業數字化轉型進度。

2.2 規則集成難度較大

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

2.3 開發系統化軟件難度較大

商用電力系統設計輔助軟件眾多，自研開發適用于鐵路電力專業的數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一，開完的數字化設計軟件難以成系統規模，各設計子系統軟件易產生數據壁壘，影響規模化應用。

3 規劃與實施策略

3.1 電力專業數字化設計平臺規劃

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

根據電力專業設計內容的不同，電力專業數字化設計平臺可細分為室內動力照明設計模塊、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。

電力專業數字化設計平臺的運行需與前后序專業設計平臺、項目管理平臺等形成合作，形成數據級的數據流動、項目管理、后臺維護等，最終實現專業正向數字化設計。電力專業數字化設計平臺與項目管理平臺、專業協同平臺、數據庫管理平臺的關系如圖2 所示。

圖2 電力專業數字設計平臺與其它平臺關系示意

3.2 實施策略

數字化設計平臺的研發是非常復雜的系統工作，鐵路電力專業設計內容涵蓋面廣，數字化設計體系軟件的開發需要研發人員集思廣益，頂層設計、系統開發，采用正確的實施策略。

（1） 梳理業務內容，確定底層業務邏輯，可編寫業務UML 類圖，并在軟件研發過程中不斷迭代；（2） 梳理設計元素，根據業務流程，采用計算機編程思想定義電力專業設計元素，確定各設計元素屬性、數據輸入以及數據產出；（3） 結合業務有業務內容與設計元素，確定電力專業設計平臺輸入輸出，與各配合專業確定數據級協同接口，并不斷優化更新接口；（4） 多維度吸收有價值的智慧成果，例如鐵路電力專業BIM設計軟件開發過程中自動化、數字化的相關成熟經驗，智能電網領域智能化的相關開發思路。

4 實施內容

4.1 數據級設計接口

工程設計是一個復雜的系統，需要多領域的工程技術團隊、在多時空的環境下共同密切協作來完成，即協同設計。對于鐵路工程，設計院內部專業之間的接口多達600 多類且相互交織。電力專業負責為車站、區間各專業用電負荷供電[6]，且多數設計要在房建專業資料的基礎上完成，設計接口眾多，非結構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，無法聯動修改，重復工作量大，影響成果質量。

為達到數字化轉型目標，提資數據化、結構化將更有利于設計標準化[7]，設計文件管理，達到聯動級的文件修改。為實現電力專業的數字化設計，電力專業需和各配合專業明確數字化設計流程下的設計接口，提供資料的數據結構、數據深度，并在數字化軟件開發過程中進一步迭代更新。數據級協同提資文件將以數據為中心，例如房屋尺寸、結構梁尺寸及位置，房屋附屬參數如裝修、頂棚、屋面等參數應以標準的數據結構進行定義，電力數字化設計軟件可以直接從共用數據池中進行調取，動力照明設計依存于數據級資料，當房屋變化時，動力照明設計文件可根據數據資料的變化進行調整，大大減少設計的返工。圖3 為電力專業部分設計模塊與配合專業協同的泳道示意，對專業內外流程及提資進行了定義，可指導梳理電力專業數字化設計平臺的外部接口。

圖3 數字化設計協同泳道示意

4.2 數據化設計對象

軟件層面，UML類圖可清晰地定義各設計業務的流程及操作對象[8]，電力專業設計子系統較多，設備、材料型號規格繁雜，科學的梳理每個設計子系統的設計對象，合理地利用父類、子類的結構關系，構建合理層級結構，能有效地降低數據庫的冗余度，提高數字化設計軟件的運行效率。本文以鐵路配電所為例，展示了電力專業配電所一次系統設計的UML 類圖，如圖4 所示，從圖中可看出，根據接地型式不同，將配電所一次系統分為了中性點不接地系統、小電阻接地系統以及銷弧線圈接地系統，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UML類圖

對于不同的設計元素，可采用枚舉定義或數據類定義的方式，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據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據類型為枚舉類，其值域可采用枚舉的方式進行定義。

表1 高壓柜屬性

4.3 數據驅動與規則集成

在數據級的提資基礎上，整合標準規范等文件要求，挖掘電力專業設計經驗，基于數據驅動與規則集成服務，實現對參數化、模塊化、標準化的設計對象的二三維聯動設計，開發電力專業各設計內容的數字化表達工具。圖5 為電力數字化設計平臺實施思路示意。

圖5 電力數字化設計平臺實施思路示意

結束語

在數字化轉型的時代背景下，鐵路工程設計行業也要把握時代機遇，電力專業系統性強，內容繁雜，設計過程人力消耗較大，亟需開發數字化設計平臺。本文根據電力專業設計內容的不同，規劃了包含11 個設計子模塊的電力專業數字化設計平臺，并針對鐵路電力專業數字化轉型挑戰，提出了確定底層業務邏輯、確定設計元素屬性、數據輸入以及數據產出、確定數據級協同接口、多維度吸收有價值的智慧成果的實施策略。最后，本文從數據級設計接口、數據化設計對象、數據驅動與規則集成三個方面討論了鐵路電力專業數字化設計平臺的實施內容，構建了電力專業數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據化定義方法，然后基于數據驅動與規則集成思想，提出了電力專業數字化設計平臺的實施思路。