随着数字技术的迅速发展，铁路建设行业也迎来了数字化转型的浪潮。铁路四电首件数字化定标作为铁路四电建设中的一项关键技术，可满足对铁路四电建设高精度、高效率、高标准的要求，从而提高铁路建设质量、保障施工安全、提升施工效率。

目前，关于铁路四电建设信息化与数字化的相关研究较多，主要是针对基于BIM（Building Information Modeling）技术建立可视化工程模型，再通过模型协同检查，解决各专业之间“差、错、漏、碰” 等问题。本文以提高工程质量管理水平为目标，依托兰州至张掖三四线铁路（简称：兰张三四线）首件工程项目，研究铁路四电首件数字化定标，验证数字化定标技术的可行性和有效性，并提出一系列优化和改进措施，使参建各方在铁路四电工程施工之前，可依据首件数字化定标对工程的结构、组成 、空间形态、关键部位、细部等进行充分研讨并达成共识，为铁路建设行业提供一套科学、高效、安全的铁路四电数字化定标技术解决方案，能够为其他铁路建设项目提供参考。

1   项目概况及实施规划

1.1   项目概况

兰张三四线位于甘肃省境内，纵贯河西走廊，作为连接河西走廊的重要交通干线，其建设对于促进区域经济发展、加强沿线地区联系具有重要意义。兰张三四线站后四电工程包括通信、信号、信息、灾害监测、接触网、电力、牵引变电等专业，项目在建设期要求以数字化定标技术为手段，对铁路建设过程中的各个环节进行精确控制和管理。项目要求采用数字化手段对室内外接口工程、室内外设备安装布放、线缆布放及引入等关键环节进行数字化建模，结合现有相关标准^[1]，在模型创建中不断优化调整，最终形成首件数字化定标模板工程，在后期工程建设中实现数字化交付、施工指导、协同建造等应用^[2]。

1.2   实施规划

首件数字化定标将对全线项目发挥引领作用，以此探索该项目相应的最优工艺标准、技术路线、协同方式等。为更好地开展工作，对首件定标项目的数字化实施进行规划，主要分为方案设计、初步设计、深化设计、数字化应用^[3]，如图1所示。

图  1  首件数字化定标项目实施规划

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（1）在方案设计阶段，确定设计和协同应用工作方案，制定项目工艺标准，包括设计平台和协同应用平台的选型、设计团队之间的协同方式、工作流程等，并确定项目各个阶段间、各个平台之间的数据传递方式。

（2）初步设计和深化设计阶段，针对每个专业的每个设备制定详细的工艺标准，并将工艺标准数字化，录入到数据库，以工艺标准数据库为基础研发铁路四电数字化设计系统^[4]，在此系统上根据项目信息的不断完善，逐步完成初步设计和深化设计。

（3）数字化应用阶段，基于WebGL（Web Graphics Library）图形引擎，研发兰张三四线首件数字工程应用系统；在此系统中，实现协同审核、模型交付、数字化交底、施工标准查询、施工模拟等功能。

2   关键技术

在项目实施中，主要采用数字化建模、室内线缆数据规划分析和施工工艺工法模拟等技术，本文以通信机械室的首件数字化定标为例进行详细阐述。

2.1   数字化建模技术

铁路四电数字化设计系统中的数字化建模方法核心思想是以数学理论为基础，结合高速铁路设计标准及相关BIM标准，制定与首件数字化定标工程相适应的数字模型创建标准，在模型中定义相关属性，从整体或局部对模型之间的逻辑关系进行数字化，在此基础上分析并解决实际工程问题，根据验证结果对模型逐步优化调整，最终形成首件定标的数字化模型。通信机械室首件数字化定标模型如图2所示。

图  2  通信机械室首件数字化定标模型

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在铁路四电首件数字化定标模型创建中，遵循数字孪生五维结构模型公式，表示为

式（1）中，${M}_{DT}$表示数字化模型；PE表示物理实体；VE表示虚拟实体；Ss表示服务；DD表示孪生数据；CN表示各组成部分间的连接。在本项目中，物理实体PE是兰张首件工程站点，也是数字化建模的基础；虚拟实体VE是所创建的四电工程模型几何表达；服务Ss是指兰张首件各参建单位对数字化模型的应用场景；孪生数据DD是将四电工程信息数据融入四电工程模型中；连接CN是指随着工程的进展，各参建单位对数字化模型进行完善和迭代，过程中产生的数据可将实体工程、数字化模型、用户需求进行关联与驱动。

在本项目中，将对满足数字孪生五维结构模型公式的虚拟模型定义为首件数字化定标模型，并对五项核心参数进行逐项审核和验证。根据公式，需要对铁路四电系统中的各个核心实体设备进行精确测量和建模，确保数字化虚拟模型与物理实体的高度一致；数字化虚拟模型能够反映物理实体行为和性能，如设备模型的端口和指示灯均为独立组装实体，且关联相关的逻辑关系数据；随着工程进展，可对数字化虚拟模型和相关属性进行增加和更新，使用关系数据库进行模数关联，实现后期数字化虚拟模型的动态数据驱动。

2.2   室内线缆数据规划分析

在兰张三四线首件数字定标项目中，实现了根据电缆清册规则及自定义的电缆排布规则逻辑，快速生成不同规则下的电缆排布方案模型。规划中涉及到线缆的走向、布局、直径、连接方式、长度、可行性及连接方式等多个因素，在本项目中实现了最优布局规划算法和分析，通过对多个布局方案对比，验证线缆规划方案的合理性和可行性，这些数据可为后续的线缆实际施工提供参考和依据。

在对通信机械室室内线缆规划时，将其将室内空间抽象为一个数学模型，如图3所示，其核心算法是使用迪杰斯特拉算法实现从起始节点到模型中所有其他节点的最短路径，后期用现场实际约束条件进一步优化线缆的布局^[5]。其中，节点代表设备或连接点c（i, j），最短路径线缆路径包含的所有点集合为 S [c（i, j）]，以计算出的最短路径来布局线缆，分为以下几个步骤。

图  3  通信机械室室内空间数学模型

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（1）选择一个起始点，如线缆的起始节点c（1, 5），终始节点为c（4, 2）。

（2）设置一个最短路径集合S [c（i, j）]，用于存储已经找到最短路径的顶点，初始时只包含起始点S [c（1, 5）]；另一个集合U [c（s, k）]，用于存储尚未找到最短路径的顶点，初始时包含除起始点外的所有顶点。

（3）从U [c（s, k）]中选择一个距离起始点最近的顶点k，将其加入到S [c（i, j）]中，并将c（s, k）从中U [c（s, k）]中移除。

（4）更新U [c（s, k）]中各个顶点到起始点的距离。对于U [c（s, k）]中的每个顶点u，如果通过顶点k到达u的路径比原来记录的路径更短，则更新u的距离值。

（5）重复步骤（3）和（4），直到U [c（s, k）]为空，即所有顶点都已经被加入到S [c（i，j）]中，此时S [c（i，j）]集合中所有节点的路径就是从起始点到终始节点的最短路径。

2.3   施工工艺工法模拟

在兰张三四线首件数字化定标项目中，根据施工方案，在数字模型空间中确定设备的位置，进行模拟安装，检查是否存在空间冲突或安装难度。设备布设完成后，模拟线缆的引入和布线过程，包括引线、固定等步骤，以确保线缆能够顺利地布置到指定位置。在工艺工法模拟之前，需要依据铁路EBS（Engineering Breakdown Structure）标准对数字化模型进行分解，将EBS码写入对应的构件属性，并编制铁路四电各专业施工工艺流程脚本。铁路通信机械室施工工艺流程如图4所示。

图  4  铁路通信机械室施工工艺流程

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图4展示了通信机械室施工工序的关键步骤，室外建筑工程与室内安装工程可以同步进行；室外光/电缆接续测试后可通过电缆井引入室内；室内进行电缆桥架、抗震底座安装之后，可进行机柜及设备安装；室内设备安装工程完成之后可进行单机测试；室内外全部建筑及安装工程结束后可进行系统测试。

完成施工工艺流程脚本后，需要在首件数字工程应用系统中构建仿真流程过程，对实际工程的结构、行为等进行准确地描述，通过将精细化模型构件在仿真流程内进行模型句柄ID与数据库表全局唯一标识符（GUID，Globally Unique Identifier）进行绑定，进而实现对数据库中存储的模型构件信息的快速读取和控制，映射到数字工程模型对应工程的分部分项或者子系统，并结合实际工程的实时进度和工艺工法，对其结构变化、工艺实现、故障产生等进行仿真预测^[6]，从而实现铁路通信机械室施工工艺动态显示。

3   系统建设及应用

3.1   系统建设情况

兰张三四线首件数字化定标项目中，研发了首件数字工程应用系统，通过三角面片、相似性算法等手段大幅减少图元数量，并采用自定义SIM（Simple Information Model）数据格式，对首件数字化定标模型进行几何优化转换。首件数字工程应用系统主要分为展示层、处理和服务层，三层架构搭建于华为云平台，采用多种网络安全策略保障平台数据安全，通过兼容性测试，适用于各类Web浏览器^[7]。其架构如图5所示。

图  5  首件数字工程应用系统总体架构

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（1）服务层主要实现模型与业务数据进行自动编码和关联，并同步存储在相应的数据库中，形成模型数据库和业务数据库。

（2）处理层负责将庞大的铁路四电数字工程模型转换为轻量化数据，并对轻量化后的模型进行快速展示，提供场景、相机、光照、渲染等基础功能，同时也处理设备逻辑关系与施工工序流程数据。

（3）展示层主要分为首件数字工程交底、施工图查阅、施工标准协议查看等功能。设计单位根据工艺标准及规范制作重点部位的首件数字工程模版和工序流程，并生成对应的二维码在云平台进行发布；建设单位对首件数字工程进行评估和审核；施工单位可使用电脑端或手机端查看标准化首件数字工程进行施工^[8]。

3.2   首件数字化定标成果

兰张三四线首件数字化定标项目以四电专业与站后接口工程为切入点，本文重点介绍通信机械室室内机柜及设备安装布放、室内线缆布放、光/电缆引入、室外设备布放、室外设备及电缆布放等关键部位的首件数字化工程。根据施工工艺标准规范，制定与首件数字化工程相适应的数字模型创建标准，最终形成标准化的铁路四电首件数字化样板工程，部分重点部位首件数字化样板工程内容如图6所示。

图  6  部分重点部位首件数字化样板工程

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本文通过首件数字化定标技术，实现了从设计期到施工期的数字工程交付及应用。将各专业首件区段建立三维立体模型，按照施工图纸和相关设计要求将设备布置、预埋、线缆排布、施工细节等全部纳入数字化工程^[9]；利用首件数字化工程进行工程预评估，并制作成用于指导现场施工的标准化数字化交底模板，并将首件数字化定标通过二维码推送至各建设指挥部、设计院、施工单位等相关单位，后期数字工程成果作为科技创新项目将继续进行推广^[10]。

4   结束语

铁路四电首件数字化定标在兰张三四线的成功应用，实现了对铁路建设过程中的材料、设备、工艺等要素的数字化管理，提高了施工质量和效率，可推动铁路智能建造和智能运营维护的数字化转型落地。后期将进一步深化数字化定标技术的研究和探索，不断完善和优化技术体系，推动铁路智能建造和智能运营维护的数字化融合，为铁路建设的发展提供有力支持。