高速铁路项目规模大、建设周期长、参与人员多、影响范围广，在建设过程中涉及专业众多，有大量的跨专业设计和多工序施工等情况，整体项目复杂性大。目前，实现全过程、多参与方、多平台的协同工作是铁路项目面临的难点。在阐述我国铁路工程建设BIM研究成果的基础上，分析铁路全过程及项目应用数据管理需求。基于 ISO19650 提出的通用数据环境（CDE）概念，探讨CDE的工作特点，形成面向铁路项目的CDE框架及解决方案，最大化发挥铁路项目全过程BIM应用价值。
高速铁路项目规模大、建设周期长、参与人员多、影响范围广，在建设过程中涉及专业众多，有大量的跨专业设计和多工序施工等情况，整体项目复杂性大。目前，实现全过程、多参与方、多平台的协同工作是铁路项目面临的难点。在阐述我国铁路工程建设BIM研究成果的基础上，分析铁路全过程及项目应用数据管理需求。基于 ISO19650 提出的通用数据环境（CDE）概念，探讨CDE的工作特点，形成面向铁路项目的CDE框架及解决方案，最大化发挥铁路项目全过程BIM应用价值。
1 铁路工程建设BIM研究现状
随着新一代信息技术席卷全球，国内外各行业纷纷开展数字化转型工作，智能技术与传统行业的融合越来越紧密。在铁路高速发展的大背景下，铁路工程建设投入逐年增多，铁路项目规模和周期较长，对铁路工程建设信息化提出了新的要求，BIM技术已成为当前的研究热点与未来的应用趋势。
目前，BIM技术在铁路工程建设的设计、施工、运维等阶段应用较多。宋浩等针对铁路项目设计中专业设计环境不统一、信息流转不畅等问题，从数字化设计体系搭建、专业数字化设计内容2个方面，对铁路多专业数字化设计进行研究，提出了系统的铁路工程多专业数字化设计解决方案；陈慧颖等面向铁路应用BIM存储技术，对常见存储技术的特点和适用场景进行分析，探讨了铁路BIM模型的交互服务技术，并对比了主流BIM模型交互服务在铁路应用中的优缺点；王兴鲁等提出基于BIM的高速铁路工程建设运维一体化应用思路，并依托鲁南高铁曲菏兰段工程项目开展了应用实践。
随着BIM技术在铁路工程建设中的应用逐渐加深，产生了海量的文件、数据、信息。虽然专家学者已针对BIM技术在站前、站后单专业的应用进行了大量研究，但基于BIM技术的协同工作及全生命周期应用一直是铁路工程建设中的难点。英国BIM标准BS1192?2007《建筑工程信息协同工作规程》最先提出通用数据环境（CDE）概念：“CDE是保证项目各参与方信息共享的方法”。《美国国家建筑信息模型标准》（National BIM Stanard-USTM） 提出：“CDE 是一个集中存放施工项目信息的中央仓库，CDE存放的内容不仅局限于在‘BIM环境’中创建的各种信息，还应包括所有相关文件信息、图形信息和非图形信息。对整个项目各参与方而言，CDE是唯一的信息源，项目成果通过利用该单一信息源开展协作，达到减少错误、避免重复工作的目的”。
2 CDE功能需求
(1)设计阶段。该阶段对CDE的功能需求为多专业协同。对于一个新项目的设计工作，一般由总体下达、分发设计任务，召开各专业专家方案评审会。各专业专家主要对方案中涉及本专业的可行性、安全性负责。在设计过程中，设计资料的收集、检索由人工完成，当某专业设计完成，进行各级校审流程，并提交下续专业，信息传递为串行。在多专业协同、数据传换、上下序专业衔接过程中，要保证质量是相当复杂的，应具备统一的协作流程、完善的审核机制和统-的工作平台。
(2)施工阶段。该阶段对CDE的功能需求为多要奈协作。在施工阶段，项目参建单位多，在一个建设单位管理下，可能包括多个同时进行或接续进行的建设项目，各项目常涉及桥梁、隧道、路基、轨道等多个专业，各专业间既独立又统一，且在施工进度、人员组织、机械设备、工艺工法、资源环境等方面差异很大。为实现多项目、多专业、多任务间的协同推进，需要项目各参与方在同一信息源基础上开展各项工作从而有效消除各子任务间的交叉耦合，减少冲突、提高工效。
(3)运维阶段。该阶段对CDE的功能需求为数据传递。在设计、施工2个阶段，基于BIM技术的各项研究应用成果繁多，受制于政策、环境、设计软件等要奈，面向运维阶段的数据无损传输成为难点。如果在项目立项阶段就具备基于同一标准、同一流程的数据存放、交换中心，可有效解决全生命周期数据共享及流动问题。
基于各阶段应用需求，铁路项目全生命周期数据流向示意见图1。如图所示，在设计阶段，整体工作分阶段开展，根据项目开展情况，项目总体将任务派发给设计团队，再进一步分解至具体的设计人员;待工作完成后，设计人员逐级向上提交成果，形成总体成果(阶段1)并交付(阶段2)。该过程中，数据流向为双向，以此类推，形成设计阶段最终成果，最终交付至施工阶段。在施工阶段，同样经历若干次内部子任务交付后形成施工阶段成果，最终交付至运维阶段在运维阶段，基于设计、施工基础信息开展运维工作，整个过程数据流向均为双向。通过引人CDE工作机制可满足各阶段内部数据共享与传递需求，打破数据传输壁垒，实现铁路工程全过程管理。
图1 铁路项目全生命周期数据流向示意图
2. 2 数据管理应用需求
(1)数据管理、共享。针对某个具体铁路项目:其设计、施工阶段相关文件来源广泛、格式多样。如设计阶段有勘察测绘文件、二维图纸、三维模型文件合同，施工阶段有施工深化文件、三维模型文件、进度模拟、视频监控、物资统计、进度报表等;也有日常工作中产生的会议记录、研究评审等;另外，铁路专业众多，一个独立的铁路项目，会产生海量、不同格式的结构和非结构数据。通过统一的CDE可实现多源异构数据版本管理，线上共享，有效解决协同工作中的文件管理与共享难题。
(2)数据追踪、数据安全。在铁路项目设计与建设过程中，铁路勘察设计工作涉及区域广、参与专业多，且各专业有其独特的设计需求、方法及数据特点。专业间业务接口复杂、数据交频繁、协调难度大。在实际开展各项工作时，其设计过程往往是设计思路与现场实际情况冲突下不断迭代，并产生合理产品文件的管理与共享。利用统一的CDE环境，可记录文件产生过程、实现数据轨迹追踪;同时，根据不同用户设置不同权限，对用户进行身份验证，并根据其角色职责或需要，授予相应访问权限，有效地防止未经授权人员访问敏感数据，提高数据安全性。
(3)规范工作流程。在工程项目中，需结合自身需求建立合理的工作流程，规范实际工作中的工作环节、步骤和程序，工作流程中涉及项目各参与方，且各参与方工作之间的逻辑关系是动态关系，涉及管理工作、信息处理、信息生产、成果审核、成果发布等。 ISO19650的CDE工作流程，详细规定了工程数据的开发、共享、发布和存档。
3 CDE实施路径
3.1 CDE 工作流程
图2 CDE内部工作流程
(1)开发区域。以设计阶段为例，开发区域是设计团队进行各自专业(如桥梁、隧道等)工作的区域，可开展设计协同。存储未经批准的工作成果，该区域是唯一可进行修改的区域。
(2)共享区域。当各专业设计团队按照工作计划达到某设计节点，设计成果通过准人门1的审核批准后，可提交至共享区域，供设计团队间实现跨专业协同。其中，准入门1的审核批准由各级专业设计团队内部确认后提交。共享区域是存储各专业设计成果的区域，用以促进各专业间协同共享，减少各专业间冲突如发现设计信息需要更改，应返回至对应专业工作区域进行修改，再次经过准人门1的内部审核批准，发布至共享区域，该区域用于项目内部信息交流沟通，信息只可读取，不可编辑。
(3)发布区域。在完成项目设计，并通过准入门2审核后，共享区域的工程信息可传至发布区域，供外部客户共享信息。该区域属于合同授权访问的成果所在区域，授权客户如各级乙方承包商访问相关工程信息。在工程早期阶段，可按计划推进项目，任何项目的设计信息更改需返回到开发区域，通过准入门1、2确认，项目实施方可采用。因此。发布区域的信息属于公共区域，信息只可读取，不可编辑。
(4)存档区域。公共数据环境的归档区域属于工作成果的记录、存储区域，包括当前或既往的授权批准以及替换过的工作成果。该区域属于公共区域:信息只可读取，不可编辑。
在铁路项目中，项目各参与方均涉及信息交换若采用传统的信息交换模式，可能造成咨询与设计单位之间的信息差。例如，设备厂商在项目初期给咨询单位提供的设备信息为版本1，随着项目开展，相关信息不断更新，设备厂商对信息进行更新，提供给设计单位的设备信息为版本2，不同同版本的设备信息带来了信息壁垒;而采用CDE作为项目唯一的信息源，有效实现了数据共享和同步，极大提升了信息管理效率(见图3)。
图3 基于CDE的数据管理模式
根据CDE工作特点，并结合铁路工程建设BIM应用，可将铁路 BIM应用CDE理解为一种针对BIM应用过程中的数据、信息共享解决方案。根据铁路项目实际需求，CDE最小单元模块至少应包括统一的数据内容、统一的协同标准，以及支撑各项工作顺利开展的基础设施(见图4)。针对具体的铁路项目，其项目组织CDE可由多个单元模块组成项目级的通用数据环境，供项目数据生产、流转及使用。
(1)基础设施层。应具备数据服务、软件服务基础设施服务功能。其中，数据服务包括CDE提供数据请求及响应、数据查询提取、数据回传等;软件服务包括系统集成接口、统一的软件环境、标准化的配置环境等;基础设施服务主要保障CDE模块的存储能力、基本算力及各类工作区域等。
(2)数据内容层。根据数据内容的不同，应具备项目及资产数据、资源数据、业务数据，且数据既包括结构化数据，又包括非结构化数据。其中，项目及资产数据主要包括铁路项目各阶段施工、进度、安全成本等项目数据，以及资产流转、归属等信息;业务数据指基于实际业务本身的流程数据、BIM实施计划、成果交付等各阶段信息。
(3)应用层。主要面向CDE用户，至少应包括流程管理、数据管理、组织管理3个模块。
(4)协同标准体系。应涵盖规范的信息管理流程项目元数据库、项目应用规则，如统一的BIM应用标准、应用流程、应用模板，数据生产审核使用规范数据单元库等。
图4 CDE结构架构
3.3 铁路BIM应用CDE形成过程
构建统一的BIM应用CDE解决方案是一项复杂繁琐、对逻辑要求较高的工作。针对铁路项目，可依据铁路工作内容及工作计划，构建铁路项目CDE，在软、硬件基础上，将CDE分成流程管理、数据管理组织管理3个模块。以项目流程为主线，将工程项目BIM执行情况与CDE功能模块对应，最终形成CDE架构(见图5)。
3.4 应用架构
基于CDE结构框架，针对铁路项目建立铁路工程全生命周期CDE应用架构(见图6)。在基础设施的技术支撑下，架构应包括数据管理、流程管理和组织管理模块;同时，应用程序编程接口(Application Programming Interface，API)也是CDE不可或缺的部分包括CDE与设计、施工、运维各阶段内部作业环境的接口，与外部数据资源的接口，以及其他参与方作业环境的接口。CDE各级用户可根据各自权限直接访问CDE，或通过访问作业环境间接使用CDE。项目各参与方通过使用统一的CDE，可最大保证项目数据源统一，引领各参与方及时、高效、高质量共享和交付数据，为铁路全生命周期BIM协同提供基础。
图5 铁路BIM应用CDE形成过程
图6 铁路工程全生命周期CDE应用架构
4 结束语
随着信息和计算机网络技术的快速发展，通用数据环境的建设与部署更加成熟可用。从铁路工程建设全生命周期协同工作及项目管理需求出发，结合国际标准ISO19650提出的CDE概念，将铁路工程建设业务与CDE结合，形成规范的、适用于铁路项目全过程协同工作的通用数据环境，并根据铁路项目BIM工作内容，形成铁路工程全生命周期CDE应用架构，为铁路 BIM技术在CDE的应用做出初步探索。随着BIM技术在我国铁路应用的进一步深化，应以现有信息技术为基础，进一步加大统一的通用数据环境研究工作，为我国智能高铁建设起到重要支撑作用，为中国铁路“走出去”提供助力。
