基于数据驱动的铁路电力数字化设计平台规划与实施

高 鑫

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安）

引言

2018 年，习近平总书记在全国网络安全和信息化工作会议上指出[1]，必须敏锐抓住信息化发展的历史机遇，推动信息领域核心技术突破，发挥信息化对经济社会发展的引领作用。铁路作为国民经济大动脉，在促进社会发展、服务经济建设中发挥着重要作用，拥有核心科技的高速铁路更是作为我国的“国家名片”，向世界各国展示着中国改革开放和社会发展的成果。铁路是我国综合交通运输体系中的骨干，在数字化转型的时代背景下，《交通强国建设纲要》《数字交通发展规划纲要》等国家政策文件的出台为铁路工程建设领域数字化转型注入了强大动力[2]。以云计算、大数据、物联网、移动互联网等为特征的铁路数字化成为了明确的发展趋势。

铁路工程建设包含“规划、设计、施工、运营”多个环节，铁路设计是其中重要的一环，近年来，铁路设计领域在BIM设计、二三维协同等方面已作出尝试并取得进展，数字化转型已迈出第一步。随着技术攻关与努力研发，铁路设计行业必将牢牢把握数字化转型蕴含的战略机遇，为推进中国式现代化注入强劲动力[3]。

1 现状

数字化设计的前提是数字化的设计协同。在铁路建设行业，各设计院以勘测设计一体化为目标进行了大量研究，实现了基于专业互提资料的信息共享和进度管控[4]。但从国内外各协同设计平台的运行机制看，多以项目管理为主线，以各种各样的非结构化数据为中心，实现基于互联网的信息共享、计划管控和流程管理等，非结构的文件级协同，难以满足铁路工程全流程全业务多层级协同设计的需要。

铁路电力专业作为站后重要的配套专业，设计业务覆盖范围广，内容多[5]，按照设计对象的不同，电力设计内容可分为建筑电气、供配电系统两大部分，建筑电气包含：房屋动力照明、建筑物防雷接地、火灾自动报警系统、机电设备监控系统等，供配电系统包含：变配电系统、发电系统、配电线路等，各个工作内容自成系统，庞大而繁杂。传统铁路设计手段工作量大，需要对接的站前站后专业众多，需要处理的信息量大。随着计算机的普及，铁路工程设计行业实现了甩掉图板的目标，目前电力专业设计手段多数采用CAD 及相关二次开发软件，人工绘制图纸的方式，设计效率较低；例如房建是电力专业重要的前端专业，工点动力照明配电设计在房建专业提资的基础上开展，传统的房建文件级提资为DWG 格式文件，房屋装修、结构、尺寸信息在DWG文件中以图纸、文字等形式呈现，设计人员需要处理大量的信息方能开展设计，且因各专业资料变动频繁导致的设计返工多，严重制约设计周期，甚至制约铁路建设周期。

综上，在数字化转型的时代背景下，亟需提升铁路电力专业设计手段的数字化、智能化水平，梳理电力专业设计标准，融合专家设计经验，合理规划专业数据库，科学调整设计模式，规范专业接口、设计流程，将设计元素数据化，以数据驱动为主线，研究数字化设计相关算法、开发电力专业数字化设计平台显得尤为重要。

2 问题

铁路电力专业设计子系统多，制约因素多，对接专业众多，数字化转型的过程必定充满挑战。电力专业数字化设计软件体系的开发面临以下几个问题。

2.1 打通数据级协同接口难度大

现状下的提资结构显然难以满足数字化设计下的数据要求，确定各专业提资数据结构、数据颗粒度难度大，且受制于其它专业数字化转型进度。

2.2 规则集成难度较大

电力专业设计电压等级涵盖高中低压，涉及建筑电气与供配电系统，铁路领域、民建领域的标准规范众多，如何将标准规范中各项要求数字化为软件操作逻辑需要进一步研究软件架构。

2.3 开发系统化软件难度较大

商用电力系统设计辅助软件众多，自研开发适用于铁路电力专业的数字化设计软件部分功能与商用软件重复，且自研软件与商用软件接口难以统一，开完的数字化设计软件难以成系统规模，各设计子系统软件易产生数据壁垒，影响规模化应用。

3 规划与实施策略

3.1 电力专业数字化设计平台规划

电力专业设计平台开发遵从“标准化”-“数字化”-“智能化”的发展路线，基于自研、商业软件的二次开发、直接引进商业软件等开发手段，采用B/S 模式或C/S 的系统架构，采用二三维一体开发，独立功能模块的模式，实现计算、设计过程的自动化，最终根据需求分别以二维图形、三维模型或数据的形式交付成果。

根据电力专业设计内容的不同，电力专业数字化设计平台可细分为室内动力照明设计模块、建筑物防雷接地设计模块、低压变电所电气设计模块、高压变电站电气设计模块、配电所电气设计模块等11 个设计子模块，如图1 所示。

电力专业数字化设计平台的运行需与前后序专业设计平台、项目管理平台等形成合作，形成数据级的数据流动、项目管理、后台维护等，最终实现专业正向数字化设计。电力专业数字化设计平台与项目管理平台、专业协同平台、数据库管理平台的关系如图2 所示。

图2 电力专业数字设计平台与其它平台关系示意

3.2 实施策略

数字化设计平台的研发是非常复杂的系统工作，铁路电力专业设计内容涵盖面广，数字化设计体系软件的开发需要研发人员集思广益，顶层设计、系统开发，采用正确的实施策略。

（1） 梳理业务内容，确定底层业务逻辑，可编写业务UML 类图，并在软件研发过程中不断迭代；（2） 梳理设计元素，根据业务流程，采用计算机编程思想定义电力专业设计元素，确定各设计元素属性、数据输入以及数据产出；（3） 结合业务有业务内容与设计元素，确定电力专业设计平台输入输出，与各配合专业确定数据级协同接口，并不断优化更新接口；（4） 多维度吸收有价值的智慧成果，例如铁路电力专业BIM设计软件开发过程中自动化、数字化的相关成熟经验，智能电网领域智能化的相关开发思路。

4 实施内容

4.1 数据级设计接口

工程设计是一个复杂的系统，需要多领域的工程技术团队、在多时空的环境下共同密切协作来完成，即协同设计。对于铁路工程，设计院内部专业之间的接口多达600 多类且相互交织。电力专业负责为车站、区间各专业用电负荷供电[6]，且多数设计要在房建专业资料的基础上完成，设计接口众多，非结构化的提资资料导致设计人员信息整理难度大、易出错，且设计成果在设计资料变化时，无法联动修改，重复工作量大，影响成果质量。

为达到数字化转型目标，提资数据化、结构化将更有利于设计标准化[7]，设计文件管理，达到联动级的文件修改。为实现电力专业的数字化设计，电力专业需和各配合专业明确数字化设计流程下的设计接口，提供资料的数据结构、数据深度，并在数字化软件开发过程中进一步迭代更新。数据级协同提资文件将以数据为中心，例如房屋尺寸、结构梁尺寸及位置，房屋附属参数如装修、顶棚、屋面等参数应以标准的数据结构进行定义，电力数字化设计软件可以直接从共用数据池中进行调取，动力照明设计依存于数据级资料，当房屋变化时，动力照明设计文件可根据数据资料的变化进行调整，大大减少设计的返工。图3 为电力专业部分设计模块与配合专业协同的泳道示意，对专业内外流程及提资进行了定义，可指导梳理电力专业数字化设计平台的外部接口。

图3 数字化设计协同泳道示意

4.2 数据化设计对象

软件层面，UML类图可清晰地定义各设计业务的流程及操作对象[8]，电力专业设计子系统较多，设备、材料型号规格繁杂，科学的梳理每个设计子系统的设计对象，合理地利用父类、子类的结构关系，构建合理层级结构，能有效地降低数据库的冗余度，提高数字化设计软件的运行效率。本文以铁路配电所为例，展示了电力专业配电所一次系统设计的UML 类图，如图4 所示，从图中可看出，根据接地型式不同，将配电所一次系统分为了中性点不接地系统、小电阻接地系统以及销弧线圈接地系统，并将所有的设计对象归类为4 个基类，分别为土建基类、材料基类、配电所回路基类以及配电所设备基类。

图4 10kV配电所一次系统UML类图

对于不同的设计元素，可采用枚举定义或数据类定义的方式，对设计元素进行定义。例如配电所设备基类的子类高压柜可采用数据类定义的方式进行定义，见表1，从表中可以看出，高压柜的属性表中额定电压、额定电流等在工程领域确定的选型的数据类型为枚举类，其值域可采用枚举的方式进行定义。

表1 高压柜属性

4.3 数据驱动与规则集成

在数据级的提资基础上，整合标准规范等文件要求，挖掘电力专业设计经验，基于数据驱动与规则集成服务，实现对参数化、模块化、标准化的设计对象的二三维联动设计，开发电力专业各设计内容的数字化表达工具。图5 为电力数字化设计平台实施思路示意。

图5 电力数字化设计平台实施思路示意

结束语

在数字化转型的时代背景下，铁路工程设计行业也要把握时代机遇，电力专业系统性强，内容繁杂，设计过程人力消耗较大，亟需开发数字化设计平台。本文根据电力专业设计内容的不同，规划了包含11 个设计子模块的电力专业数字化设计平台，并针对铁路电力专业数字化转型挑战，提出了确定底层业务逻辑、确定设计元素属性、数据输入以及数据产出、确定数据级协同接口、多维度吸收有价值的智慧成果的实施策略。最后，本文从数据级设计接口、数据化设计对象、数据驱动与规则集成三个方面讨论了铁路电力专业数字化设计平台的实施内容，构建了电力专业数字化设计接口泳道图，并以铁路10 kV 配电所为例，讨论了UML类图及设计元素的数据化定义方法，然后基于数据驱动与规则集成思想，提出了电力专业数字化设计平台的实施思路。