一种文件级设计-数据级协同的铁路工程协同设计方法与流程

本发明属于铁路工程协同设计，具体涉及一种文件级设计-数据级协同的铁路工程协同设计方法。

背景技术：

1、协同设计技术是铁路勘察设计企业数字化转型的关键技术，核心思想是为设计人员提供数据交互、数据共享的基础平台和工具，目的是提高工作效率和设计质量。当前，协同设计技术呈现“三级跃迁”特征：从文件级协同到构件级协同，再到数据级协同。文件级协同由多个模型或图纸链接组成，要求模型之间的关联关系为弱关联或无关联；构件级协同以中心模型为基础，适用于单体建筑设计、长大线性工程的区间设计和工点设计；数据级协同打破了传统文件和物理模型的边界，将工程设计信息拆解为细粒度的属性、参数和几何数据对象，统一存储于底层数据库中，它依托单一数据源，支持多专业、多层级的实时并发访问、参数传递、关联更新与冲突检测，适用于接口复杂、专业耦合度高、数据体量庞大的长大干线性工程全生命周期建设。

2、铁路工程设计涉及站前、站后多个专业，且专业间工作相互依赖，数据版本快速迭代和反复，针对这些特点，国内外软件厂商基于不同技术路线研发了多款协同设计软件产品。

3、国外知名协同设计软件有：美国奔特力公司的projectwise，美国欧特克公司的vault和autodesk construction cloud，法国达索公司的enovia。其中，projectwise为典型的文件级协同，它通过集中化管理项目文档、数据和流程，支持跨地域团队协作；vault主要为构件级协同，通过与欧特克系列设计工具深度集成，实现版本控制与协作设计；enovia为数据级协同，通过同源集成插件与达索catia、solidworks等cad工具深度连接，提供集中化的数据管理。上述软件均为商业软件，通用性强、成熟度高，在国外基础设施建设领域广泛应用。但其与国内铁路勘察设计企业的生产组织方式、质量控制模式和既有软件技术体系不相适应，且适配困难；此外，国外软件普遍基于公有云平台提供服务，勘察设计核心数据上传存在极大的数据泄露风险。

4、国内主流协同设计软件分为建筑设计通用类和行业设计专用类。建筑设计通用类包括：构力科技bimbase平台、广联达bim设计协同平台、浩辰cad协同设计系统、天正协同设计系统等，该类软件主要面向建筑设计领域，提供建筑、结构、机电专业的协同，但缺少铁路专业功能，无法支撑铁路工程全线、多专业协同设计。行业设计专用类包括国内铁路设计企业基于国外商业软件开发的铁路bim协同设计平台，但由于二次开发成本较高，均未能大规模应用推广，同时也存在“卡脖子”风险。另一方面，国内铁路设计企业多年来坚持自主研发，积累了大量的软件资产，如：线路设计软件、轨道布板设计系统等，这些软件在单专业内的设计、出图、算量效率较高，但由于各专业软件长期独立演进，架构、数据库及接口存在显著差异，形成了严重的“数据孤岛”，频繁的跨专业提资、版本混乱与冲突，导致大量时间耗费在数据核对、沟通与返工上，制约了设计效率与成果质量的进一步提升。

技术实现思路

1、为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种文件级设计-数据级协同的铁路工程协同设计方法，以解决现有技术中存在的国外软件本地化不足、二次开发成本高、存在数据安全与产品断供风险，以及国内自研单专业软件形成“数据孤岛”、跨专业数据协同困难等问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种文件级设计-数据级协同的铁路工程协同设计方法，包括以下步骤：

4、s1，提出铁路工程协同设计技术框架：规划并构建包括编制铁路工程数据标准、研发铁路工程协同设计平台、对既有专业设计软件进行协同化改造、研发数据协同适配中间件以及开展协同设计测试验证在内的技术框架，建立覆盖全周期、全专业的协同设计顶层指导方案；

5、s2，编制铁路工程数据标准：统一各专业对铁路工程数据的实体定义、属性描述、关联关系、数据交换的内容及格式，形成机器可读的铁路工程数据模式，将所述铁路工程数据模式同步至各专业设计软件和铁路工程协同设计平台，为跨专业数据级协同提供统一的语义基础；

6、s3，研发铁路工程协同设计平台：所述铁路工程协同设计平台包括客户端协同工作台和服务器端数据中枢，所述客户端协同工作台提供图形化的协同设计环境和铁路工程数据操作界面，所述服务器端数据中枢负责集中存储、管理和分发所有工程数据，保证数据的安全性、一致性与高可用性；

7、s4，对既有专业设计软件进行协同化改造，设置面向所述铁路工程协同设计平台的标准化输入接口和输出接口；

8、s5，研发数据协同适配中间件：所述数据协同适配中间件用于将所述协同设计环境呈现给设计人员，并自动完成设计成果文件的解析、抽取，将抽取的信息转化为结构化数据对象并同步至铁路工程协同设计平台，其中，所述设计成果文件由各专业设计人员用既有专业设计软件进行设计建模得到；

9、s6，开展协同设计测试验证，通过典型铁路工程项目检验协同设计方法的有效性，并驱动整个体系的持续优化。

10、上述方法中，步骤s2包括：

11、1）需求调研与分析：深入调研铁路工程站前、站后各专业的设计流程、数据交互需求和既有数据格式，对需求调研的结果进行分析，明确铁路工程数据标准覆盖的范围和粒度，形成调研报告与交互数据列表；

12、2）核心实体定义：基于所述调研报告与交互数据列表提炼出铁路工程全生命周期中的核心实体，得到核心实体清单，并为每个核心实体赋予唯一标识符；

13、3）属性与关系建模：详细定义所述核心实体清单中的每个核心实体的属性以及与其他核心实体之间的关联关系，得到逻辑数据拓扑及属性矩阵，形成逻辑严密的实体关联模型；

14、4）数据交换格式设计：确定所述结构化数据对象的交换格式，采用与平台无关且易于解析的文本格式进行交换；同时，明确非结构化数据对象与结构化数据对象之间的关联方式，形成标准交换数据模式草案与文件关联规范；

15、5）专家评审与修订：组织行业内的资深专家、各专业总工和一线设计人员对所述标准交换数据模式草案与文件关联规范进行多轮评审，若多轮评审未通过，则从业务逻辑、技术可行性和使用便捷性角度提出修改意见，并返回步骤3）；若多轮评审通过，则固化数据标准，形成正式标准文档；

16、6）发布与版本管理：发布所述正式标准文档，建立标准的版本管理机制；在所述铁路工程协同设计平台中预植入所述标准交换数据模式。

17、步骤s3中，所述客户端协同工作台包括：

18、1）属性视图与工程结构树：

19、通过树形层次化方式形成工程结构树，用于展示整个项目的工程分解结构，设计人员通过该工程结构树快速定位任意工程对象；选中某一工程实体后，属性视图动态显示该工程实体的所有属性信息并支持编辑与保存；

20、2）二次开发工具包：

21、用于提供标准化应用程序编程接口和插件开发框架，供各专业设计软件及数据协同适配中间件调用，所述二次开发工具包用于封装数据同步模块、数据拓扑构建模块和版本控制模块，屏蔽底层数据存储与通信细节。

22、其中，所述数据同步模块用于进行客户端与服务器端的双向数据同步，包括将本地修改推送至服务器端，以及从服务器端拉取最新数据到本地；同时，还接收所述结构化数据对象，执行本地数据合并与一致性校验；所述数据拓扑构建模块用于依据所述实体关联模型构建实时更新的工程数据拓扑，直观展示各工程实体之间的依赖关系；所述版本控制模块用于为每个工程实体建立完整的版本历史记录，支持版本对比、回溯与合并操作。

23、所述服务器端数据中枢包括：

24、1）数据存储中心：

25、采用结构化与非结构化数据对象混合存储架构，集中存储结构化数据对象与非结构化数据对象，所述结构化数据对象是指从设计成果文件中抽取的工程实体、几何属性、关联关系和人员组织信息，将所述信息基于所述铁路工程数据标准建模存储；所述非结构化数据对象是指原始设计成果文件，为每个原始设计成果文件赋予全局唯一标识，并与对应的结构化工程实体建立关联，支持设计成果文件的版本管理与追溯；

26、2）数据同步服务：

27、提供高效、可靠的数据同步接口，支持多客户端并发访问、数据冲突检测与自动合并机制，保障所述协同设计环境下数据的一致性和实时性；

28、3）文件管理服务：

29、对非结构化文件进行统一存储与访问控制，支持文件上传、下载和预览，并与结构化数据对象中的相应工程实体建立关联，形成完整的工程数据资产体系。

30、步骤s4中，所述输入接口用于使设计软件从原来读取本地数据源改为基于api访问铁路工程协同设计平台；所述输出接口用于使设计软件从原来写入本地文件改为基于api提交设计成果到铁路工程协同设计平台。

31、步骤s5中，所述数据协同适配中间件包括：

32、（1）设计环境嵌入组件：负责将所述客户端协同工作台的设计软件环境以嵌入式面板的形式呈现在设计软件的用户界面中，当设计人员从所述客户端协同工作台启动设计软件时，该组件读取所述客户端协同工作台数据，创建工程结构树和属性视图，并将上下文信息载入当前设计会话，设计人员在设计过程中通过该组件新建工程实体，新增或修改属性信息；

33、（2）数据抽取组件：负责在设计完成后对设计成果文件进行解析与数据抽取。当设计人员完成设计并点击“提交”按钮时，所述数据抽取组件被触发，执行以下操作：

34、1）对当前设计成果文件进行深度解析，依据所述铁路工程数据标准，抽取出其中的工程实体、几何参数、材料属性、关联关系信息，将其转化/解析为符合所述铁路工程数据标准定义的细粒度结构化数据对象；

35、2）上传设计成果文件至所述客户端协同工作台指定的本地缓存目录；

36、3）将步骤1）解析得到的细粒度结构化数据对象通过所述二次开发工具包推送至所述客户端协同工作台；

37、4）所述客户端协同工作台对接收到的细粒度结构化数据对象进行数据合并，自动处理版本和冲突，更新数据拓扑；

38、5）设计人员确认无误后，在所述客户端协同工作台中执行“与服务器同步”操作，此时所有细粒度结构化数据对象和非结构化数据对象将统一上传至服务端，供团队其他成员同步获取。

39、步骤s6包括以下步骤：

40、s61，测试准备：

41、选取包含多个专业且接口关系复杂的典型路段，部署所述铁路工程数据标准、铁路工程协同设计平台及改造后的各专业设计软件；

42、s62，协同设计应用：

43、组织团队开展施工图阶段铁路工程协同设计，包括：

44、1）协同初始化与任务分发：项目管理员在所述铁路工程协同设计平台中创建项目并配置初始资源；项目总体根据工程分解结构建立工程结构树，并向各专业专册分发任务权限，完成所述数据协同环境的初始化；

45、2）基础数据发布与初始设计：测绘/地质专业向所述铁路工程协同设计平台提交项目区域的初始地形图数据；线路专业拉取所述初始地形图数据并开展线路方案设计，完成后将不带缺口的初始线路中心线及相应图纸发布至所述铁路工程协同设计平台，作为后续各专业设计的空间参考基准；

46、3）接口边界定义与迭代勘察：站场、桥梁、隧道和路基专业拉取所述不带缺口的线路中心线，通过“卡缺口”及接口提取机制生成本专业的工点，并将接口边界信息回传至所述铁路工程协同设计平台；线路专业归集全线缺口并发布平纵断面图纸；随后，测绘与地质专业利用更新后的线路及工点数据进行外业详勘，向所述铁路工程协同设计平台提交精细的地形与地质数据；站场专业接收所述平纵断面图纸开展站场平面设计；

47、4）并行深化设计与总体集成：各专业专册全面接收所述地形与地质数据及相邻接口的上述资料，提出用地范围与扩轨等边界约束，并行开展本专业施工图深化设计，完成后将结构化设计成果与图纸文件同步提交至所述铁路工程协同设计平台；最后，项目总体调用所述铁路工程协同设计平台的数据校核工具对全线设计成果进行数据质量检查，确认各专业接口的一致性与数据的完整性，实现协同设计业务闭环；

48、s63，对所述协同设计的效果进行评估与对比；

49、s64，根据所述协同设计的结果形成详细的测试报告，总结所述铁路工程协同设计方法的优势与不足；针对所述协同设计测试中发现的问题，对铁路工程数据标准、铁路工程协同设计平台功能、数据协同适配中间件性能进行迭代优化，形成能够大规模推广的成熟方案。

50、其中，所述评估包括以下指标：

51、1）效率指标：统计并对比采用所述铁路工程协同设计方法前后，跨专业提资、数据核对、设计变更通知环节所耗费的平均时间；

52、2）质量指标：统计因专业接口冲突、数据版本不一致所导致的设计错漏碰缺数量，并与历史项目数据进行对比；

53、3）满意度调查：通过问卷调查和访谈，收集设计人员对新系统的操作便捷性、功能实用性方面的主观感受。

54、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

55、1. 本发明中的文件级设计-数据级协同模式，在设计端保留了设计人员对既有专业设计软件的操作习惯，最大程度地保护了企业的软件资产和人员技能。在协同端，通过数据标准和中间件技术，实现了异构数据的统一管理与共享，从根本上打破了“抛文件”式协同的局限。

56、2.本发明的协同设计方法实现了从数据标准、数据解析到数据存储的全链路技术自主可控，有效规避了国外软件断供风险和数据出境的安全隐患。

57、3.本发明通过轻量级的数据协同适配中间件，以“最小侵入”方式为既有专业设计软件赋予了数据级协同能力，显著降低了开发成本和推广难度，为设计人员提供了从单兵作战到高效协同的无感过渡。

58、4. 本发明通过构建统一的工程数据拓扑，实现了跨专业接口参数的精准传递与细粒度版本管控。任一数据变更均可通过关联关系自动通知所有受影响专业，极大地减少了沟通成本和设计返工，改变了传统协同过程中版本混乱、信息滞后的局面。