BIM與GIS融合技術(shù)在鐵路信息化建設(shè)中的研究

郭寅虎

我國(guó)鐵路工程建設(shè)具備范圍廣、周期長(zhǎng)、跨度大、施工復(fù)雜等特點(diǎn)，因此若只依靠BIM或GIS技術(shù)，在對(duì)鐵路信息化建設(shè)進(jìn)行推進(jìn)時(shí)效果不佳，因此需將二者進(jìn)行有效融合。本文對(duì)BIM與GIS融合技術(shù)研究背景進(jìn)行分析，對(duì)鐵路工程要素BIM語(yǔ)義擴(kuò)展、鐵路工程要素GIS語(yǔ)義擴(kuò)展進(jìn)行說(shuō)明，最后對(duì)鐵路信息化建設(shè)跨平臺(tái)集成進(jìn)行研究。

鐵路在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)以及交通發(fā)展中，發(fā)揮著無(wú)可替代的作用，因此需對(duì)鐵路建設(shè)進(jìn)行強(qiáng)化。隨著信息化時(shí)代的到來(lái)，現(xiàn)代化鐵路發(fā)展需迎合時(shí)代潮流，逐步邁入鐵路信息化建設(shè)發(fā)展中來(lái)。在鐵路進(jìn)行建設(shè)時(shí)，利用信息技術(shù)進(jìn)行強(qiáng)化可提升鐵路服務(wù)水平、服務(wù)范圍得以擴(kuò)大。若從工程建設(shè)方面來(lái)說(shuō)，將BIM與GIS技術(shù)運(yùn)用其中可提高工程建設(shè)質(zhì)量。

一、研究背景

在鐵路行業(yè)中引進(jìn)BIM理念、方法以及技術(shù)，并組織多家有關(guān)企業(yè)共同組建中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟，依據(jù)BIM內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)，共同選取適合鐵路工程全過(guò)程的核心要素內(nèi)容及方法，是當(dāng)下極為重要的任務(wù)及工作。但是，因?yàn)榈刭|(zhì)條件、地形環(huán)境等地理因素連接緊密，導(dǎo)致在場(chǎng)景模型預(yù)覽、模型展示、比例尺寸等方面具備特殊性，由于BIM從未對(duì)其關(guān)注因此很難進(jìn)行解決。GIS領(lǐng)域內(nèi)的三維可視化技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫(kù)、中空間分析可以對(duì)此類(lèi)問(wèn)題提供解決方案及路徑。另外，利用GIS手段可將多個(gè)工作地點(diǎn)的施工坐標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一，在地理坐標(biāo)內(nèi)得以體現(xiàn)，達(dá)到了對(duì)鐵路工程全局性、完整性的評(píng)估、展示、參考及分析，對(duì)于BIM在鐵路表達(dá)的缺陷進(jìn)行了彌補(bǔ)。同時(shí)，在對(duì)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)及框架進(jìn)行分析制定后，在后續(xù)的實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)對(duì)GIS所在的位置進(jìn)行充分衡量，對(duì)于BIM與GIS在數(shù)據(jù)、語(yǔ)義等多方面進(jìn)行融合的方案和可行性進(jìn)行研究及探討。中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟將推進(jìn)鐵路信息化建設(shè)發(fā)展作為契機(jī)，從而對(duì)BIM與GIS融合技術(shù)進(jìn)行探索及進(jìn)行嘗試，首先對(duì)鐵路BIM的IFD技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行發(fā)展—《鐵路工程信息模型分類(lèi)和編碼標(biāo)準(zhǔn)》，同時(shí)對(duì)于IFC（儲(chǔ)存標(biāo)準(zhǔn)）及IMD（交付標(biāo)準(zhǔn)）進(jìn)行研究及制定。

二、基于BIM下的鐵路工程要素語(yǔ)義擴(kuò)展

建筑項(xiàng)目與鐵路項(xiàng)目在建設(shè)方面有極高的類(lèi)似性，具體是由于鐵路項(xiàng)目施工過(guò)程中，也需對(duì)施工周期內(nèi)的資源情況和另外有關(guān)活動(dòng)進(jìn)行管理。所以，可參考建筑行業(yè)內(nèi)BIM的管理理念以及BIM技術(shù)，將其運(yùn)用到鐵路項(xiàng)目中，因此要將鐵路工程要素所包含的BIM語(yǔ)義實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展。換句話(huà)說(shuō)，就是要把鐵路項(xiàng)目施工過(guò)程中的對(duì)于數(shù)據(jù)信息進(jìn)行說(shuō)明及溝通的形式進(jìn)一步深化理解。BIM結(jié)構(gòu)內(nèi)的主要要素為IFC，IFC將全部要素關(guān)系、要素類(lèi)型、要素屬性所涵蓋的數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存規(guī)范實(shí)現(xiàn)了定義，可將其使用到具體文件內(nèi)，當(dāng)然所用環(huán)境為建筑項(xiàng)目?jī)?nèi)。另外，IFC要素也可充作具備開(kāi)放式、簡(jiǎn)易式的，朝向建筑項(xiàng)目行業(yè)的可擴(kuò)展理論數(shù)據(jù)模式。當(dāng)下，從BIM市場(chǎng)軟件組成來(lái)看IFC的支持率大概可達(dá)100%。伴隨鐵路工程內(nèi)BIM技術(shù)的不斷深化，把IFC當(dāng)作鐵路項(xiàng)目語(yǔ)義要素延展的依據(jù)極具重要意義，因此在進(jìn)行擴(kuò)展選取時(shí)，一定要先選取IFC。以IFC內(nèi)部涵蓋的Schema語(yǔ)義標(biāo)準(zhǔn)作為敘述依據(jù)，進(jìn)而對(duì)語(yǔ)義進(jìn)行擴(kuò)展?；诖隧?xiàng)體系，依據(jù)的具體參照實(shí)質(zhì)為鐵路BIM數(shù)據(jù)信息編碼，通過(guò)編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的具體屬性類(lèi)別及屬性集定義的目的，從而生出鐵路項(xiàng)目數(shù)據(jù)儲(chǔ)存模式。在進(jìn)行實(shí)際擴(kuò)展實(shí)行時(shí)，結(jié)合鐵路項(xiàng)目具體專(zhuān)業(yè)實(shí)行區(qū)分，能在IFC中衍生出另一種新類(lèi)型。

三、基于GIS下的鐵路工程要素語(yǔ)義擴(kuò)展

進(jìn)行BIM技術(shù)與GIS技術(shù)融合時(shí)，不僅鐵路項(xiàng)目要素需對(duì)BIM的語(yǔ)義進(jìn)行擴(kuò)展，同時(shí)也需對(duì)GIS語(yǔ)義進(jìn)行擴(kuò)展。以GIS為出發(fā)點(diǎn)從而對(duì)鐵路工程要素進(jìn)行語(yǔ)義擴(kuò)展，重點(diǎn)采取的是采用OGC來(lái)對(duì)City GML三維模型信息儲(chǔ)存形式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能進(jìn)行ADE拓展工作。其泛型為現(xiàn)有的模塊實(shí)體類(lèi)型，其主要的功能是進(jìn)行各實(shí)體屬性以及類(lèi)型等的擴(kuò)展定義。從而描述實(shí)體組合、泛化的相關(guān)性，最終通過(guò)XML語(yǔ)言表達(dá)實(shí)體文件的內(nèi)容。就當(dāng)前的分析結(jié)果中可以看出，City GML存在“開(kāi)放的”特點(diǎn)，因此選擇以下方式進(jìn)行Schema機(jī)制的語(yǔ)義儲(chǔ)存，第一種為共享，第二種為自建。實(shí)例數(shù)據(jù)文件同Schema機(jī)制存儲(chǔ)語(yǔ)義相結(jié)合，最終翻譯出記錄內(nèi)容。此外，Schema機(jī)制存儲(chǔ)語(yǔ)義會(huì)進(jìn)行Schema創(chuàng)建，這一過(guò)程主要利用的機(jī)制是用戶(hù)的限制、拓展等。ADE既是類(lèi)似于此類(lèi)，基于底層內(nèi)建拓展得來(lái)的。用戶(hù)采用ADE擴(kuò)展最終成效，可實(shí)現(xiàn)對(duì)自身需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享。從當(dāng)前對(duì)于應(yīng)用的需求進(jìn)行研究，采取City GML所涵蓋的ADE機(jī)制來(lái)擴(kuò)展自定義屬性及自定義類(lèi)型，這一環(huán)節(jié)會(huì)發(fā)生城市噪聲模擬以及室內(nèi)導(dǎo)航等現(xiàn)象。把此類(lèi)利用ADE擴(kuò)展機(jī)制所產(chǎn)生的現(xiàn)象當(dāng)作依據(jù)進(jìn)行研究，最終可定義鐵路工程信息模型，所包含的實(shí)體屬性與實(shí)體類(lèi)型以及它們之間的關(guān)系，最終確定出鐵路信息化建設(shè)的具體方案。

四、鐵路信息化建設(shè)跨平臺(tái)集成

就鐵路信息化建設(shè)來(lái)說(shuō)，BIM技術(shù)與GIS技術(shù)進(jìn)行融合的過(guò)程中，不但需在格式轉(zhuǎn)換、語(yǔ)義傳遞、標(biāo)準(zhǔn)制定等理論研究方面得以體現(xiàn)，還應(yīng)著重對(duì)已有軟件平臺(tái)在具體使用方面以及處理分析信息模型方面進(jìn)行加強(qiáng)?，F(xiàn)下，面臨三維信息模型的算量、修編及建模等需要，BIM及GIS軟件雖然具有極為完善強(qiáng)大的功能，但由于二者在信息表達(dá)傳遞和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成方式上均不一樣，從而對(duì)數(shù)據(jù)模型實(shí)際跨平臺(tái)集成操作帶來(lái)阻礙。加之，國(guó)際上對(duì)于BIM技術(shù)與GIS技術(shù)進(jìn)行融合的研究不夠深入，而鐵路行業(yè)對(duì)其進(jìn)行開(kāi)展的實(shí)例也不多。因此，要對(duì)該項(xiàng)融合技術(shù)進(jìn)行深入探討及研究。因?yàn)锽IM信息模型和GIS信息模型對(duì)于表達(dá)方式及存儲(chǔ)模式均有所不同，致使各自商業(yè)軟件平臺(tái)所帶數(shù)據(jù)接口只能對(duì)自身數(shù)據(jù)模型進(jìn)行接收。以下，對(duì)已有鐵路車(chē)站三維模型作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，對(duì)于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化方案進(jìn)行提出。試驗(yàn)以GIS平臺(tái)為基礎(chǔ)把BIM在該平臺(tái)上進(jìn)行操作，采取3DMax來(lái)對(duì)其實(shí)行入駐處理，可達(dá)成要素坐標(biāo)系、貼圖編輯、模型輕量化三步處理的目的。經(jīng)由上述操作，可使Direct X文件得以輸出，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)BIM車(chē)站模型可在GIS 平臺(tái)上進(jìn)行集成操作的目的。對(duì)于該系統(tǒng)從表面來(lái)分析，想對(duì)表面紋理貼圖形式實(shí)現(xiàn)從新指定可采取3DMax來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。實(shí)際操作過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)模型貼圖及顏色有顯著的變化，其原因是由于進(jìn)行指定時(shí)有人為因素對(duì)其進(jìn)行干擾，甚至?xí)率鼓承?gòu)件不具備透明效果。因此需采用FME所具備的轉(zhuǎn)換功能，來(lái)避免人為因素的干擾，從而使構(gòu)件完整性及透明度都得以保留。以屬性交換及語(yǔ)義傳輸角度來(lái)進(jìn)行分析，在把fbx向Direct X文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，對(duì)于文件進(jìn)行命名時(shí)會(huì)自動(dòng)選取ID與系統(tǒng)構(gòu)件名稱(chēng)相結(jié)合的形式。此類(lèi)命名形式對(duì)于構(gòu)件的語(yǔ)義形式進(jìn)行一定方面的展現(xiàn)，但極為顯著的一個(gè)缺點(diǎn)則是會(huì)導(dǎo)致關(guān)聯(lián)、傳遞等信息遺失?？傊扇IM與GIS在信息模型方面進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使得GIS平臺(tái)上對(duì)BIM信息模型進(jìn)行操作，從而使二者的技術(shù)進(jìn)行融合，對(duì)鐵路信息化建設(shè)發(fā)展起著關(guān)鍵性作用。

五、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展對(duì)于現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)囊笠哺鼮閲?yán)格，鐵路作為我國(guó)主要運(yùn)輸工具，為適應(yīng)時(shí)代需求需進(jìn)行鐵路信息化建設(shè)，而B(niǎo)IM技術(shù)及GIS技術(shù)均在鐵路信息化建設(shè)中占據(jù)重要位置，但二者各有不足，因此要將二者進(jìn)行融合從而達(dá)到彼此互補(bǔ)的目的。本文以鐵路工程要素的兩種語(yǔ)義擴(kuò)展為依據(jù)，對(duì)鐵路信息化跨平臺(tái)集成操作進(jìn)行探討，希望鐵路信息化建設(shè)得以廣泛普及。