基于BIM+GIS 的鐵路工程電子沙盤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

李飛，鮑榴，楊威，劉紅良，張旭

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

鐵路建設(shè)屬于大型基建項目，具有規(guī)模大、標(biāo)準(zhǔn)高、周期長、建設(shè)速度快、管理分散、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜等特點[1]。隨著中國高速鐵路建造技術(shù)的不斷革新，建設(shè)過程中產(chǎn)生了具有規(guī)模龐大、時空關(guān)聯(lián)、冗余度高、多維標(biāo)量等特征的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)[2]。在單一信息組織模式下，不同組織機構(gòu)與建設(shè)環(huán)節(jié)存在信息交換差異，且因建設(shè)、施工、監(jiān)理等單位及各業(yè)務(wù)主管部門不同側(cè)重點的數(shù)據(jù)需求，使得數(shù)據(jù)的分析、組織和溯源非常困難[3-4]。文獻(xiàn)[5—7]提出建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）與地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information Systems）的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換及融合方法，為鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域研究BIM 與GIS 的深入融合提供了一定的借鑒。隨著電子沙盤應(yīng)用的不斷深入，在鐵路行業(yè)逐漸形成了基于BIM+GIS 的全生命周期管理模式[8-9]，為鐵路工程電子沙盤關(guān)鍵技術(shù)突破及全生命周期應(yīng)用提供了思路。

本文針對鐵路工程建設(shè)全過程，采用數(shù)據(jù)組織編碼、施組動態(tài)跟蹤、安全風(fēng)險綜合評判等技術(shù)，構(gòu)建面向全生命周期管理的鐵路工程電子沙盤系統(tǒng)（簡稱：電子沙盤系統(tǒng)），為鐵路工程建設(shè)提供一種高效自然的三維可視化交互方式，為鐵路建設(shè)場景提供立體、全方位、多角度的直觀表達(dá)，也為各建設(shè)參與者提供一種感知交互、精準(zhǔn)分析與輔助決策的管理手段，以進一步提高鐵路工程建設(shè)質(zhì)量與管控效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

本文以鐵路工程建設(shè)管理業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，采用基于B/S 的架構(gòu)體系，以面向鐵路工程建設(shè)三維可視管理為目標(biāo)，從編碼規(guī)范、虛擬建造、數(shù)據(jù)集成、分析應(yīng)用等方面構(gòu)建電子沙盤系統(tǒng)。該系統(tǒng)依托中國鐵路主數(shù)據(jù)中心，對計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源進行統(tǒng)一分配管理，為其平穩(wěn)運行提供統(tǒng)一的底層支撐環(huán)境。電子沙盤系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電子沙盤系統(tǒng)總體架構(gòu)

電子沙盤系統(tǒng)融合BIM、GIS、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，基于電子沙盤制作、BIM 建模、矢量數(shù)據(jù)制作等標(biāo)準(zhǔn)，接入鐵路沿線地理信息模型、結(jié)構(gòu)物及周邊環(huán)境的BIM，構(gòu)建鐵路工程項目三維仿真場景，并通過數(shù)據(jù)共享接口，集成鐵路工程管理平臺關(guān)于鐵路項目進度、質(zhì)量、安全等方面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對鐵路工程項目全線的三維可視化管理與數(shù)字化控制。

1.2 邏輯架構(gòu)

電子沙盤系統(tǒng)從邏輯上劃分為設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層及用戶層，邏輯架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 電子沙盤系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

1.2.1 設(shè)施層

設(shè)施層以中國鐵路主數(shù)據(jù)中心為支撐，配置存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)、安全等數(shù)據(jù)資源，保證系統(tǒng)高性能、高可靠運行。

1.2.2 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要通過BIM 數(shù)據(jù)庫、GIS 數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫等，將設(shè)計數(shù)據(jù)、建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)和影像資料數(shù)據(jù)等進行統(tǒng)一存儲，為應(yīng)用功能的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1.2.3 服務(wù)層

服務(wù)層包含了電子沙盤系統(tǒng)運行所需的公共基礎(chǔ)服務(wù)。基于GIS 平臺搭建電子沙盤系統(tǒng)的基礎(chǔ)運行環(huán)境，根據(jù)地理信息服務(wù)接口及數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化接口將多源多維數(shù)據(jù)融合集成到電子沙盤中，對鐵路工程建設(shè)業(yè)務(wù)中涉及的三維數(shù)字模型進行設(shè)計開發(fā)，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

1.2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層包含了支撐鐵路工程電子沙盤業(yè)務(wù)的功能主體，主要分為智能化展示和數(shù)字化施工2 部分。其中，智能化展示包括隧道工程、橋梁工程、路基工程的專題圖展示及精細(xì)場景展示；數(shù)字化施工包括進度管理、質(zhì)量管理、安全管理及智慧工地等。

1.2.5 用戶層

支持各級用戶通過電腦瀏覽器、智能終端、調(diào)度指揮中心大屏等不同方式訪問電子沙盤系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)功能

電子沙盤系統(tǒng)主要包含智能化展示功能和數(shù)字化施工功能。其中，智能化展示是以BIM 為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS 技術(shù)集成鐵路工程全線地形地貌、鐵路構(gòu)筑物模型、各類專題信息等數(shù)據(jù)，重點體現(xiàn)鐵路工程特點、重難點工程關(guān)鍵技術(shù)與主要風(fēng)險、規(guī)劃方案比選、大臨工程選址等設(shè)計思想與意圖；數(shù)字化施工是以鐵路項目建設(shè)需求為導(dǎo)向，對鐵路工程智能建造過程數(shù)據(jù)進行分析比對，構(gòu)建滿足鐵路工程建設(shè)需求的進度寫實、質(zhì)量分析、安全預(yù)警等業(yè)務(wù)功能，提升鐵路工程建設(shè)質(zhì)量和管控效率。具體體現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 面向多專業(yè)應(yīng)用場景的時空數(shù)據(jù)管理

電子沙盤系統(tǒng)面向鐵路工程的不同應(yīng)用場景及服務(wù)需求，形成項目全線、隧道、橋梁、路基、大臨、地質(zhì)、環(huán)保等專題圖和虛擬建造。以項目全線、隧道、橋梁專題為例。

（1）項目全線專題主要集成鐵路工程項目全線信息、施工計劃安排、生態(tài)敏感區(qū)、橋隧工程分布等信息，通過三維場景對線路走向、方案比選等設(shè)計要素進行展示，實現(xiàn)對鐵路工程建設(shè)的一覽統(tǒng)籌。

（2）隧道專題主要展示鐵路工程項目全線隧道基本信息及重難點控制性隧道的工程概況、工期安排、主要風(fēng)險、圍巖級別、技術(shù)支撐等信息?；诘刭|(zhì)模型關(guān)聯(lián)風(fēng)險與圍巖信息，實現(xiàn)對隧道重點信息的精細(xì)化管理與展示。

（3）橋梁專題主要集成鐵路工程項目全線橋梁基本信息，重點控制系統(tǒng)橋梁的工程概況、工期安排等，通過三維場景實現(xiàn)對橋梁工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與主要風(fēng)險的展示，展現(xiàn)鐵路橋梁工程設(shè)計思想與選址的意圖。

2.2 基于數(shù)據(jù)預(yù)測推演的形象進度管理

通過BIM+GIS 技術(shù)對隧道、橋梁等專業(yè)施工進度數(shù)據(jù)進行管理，將工程實體構(gòu)件編碼與BIM 編碼進行關(guān)聯(lián)，形成唯一的身份標(biāo)識號，通過透明度及色系表達(dá)變化來展示工程進度，實現(xiàn)（線）路、橋（梁）、隧（道）等專業(yè)施工進度的三維可視化管理。隧道三維形象進度如圖3 所示。

圖3 隧道三維形象進度

結(jié)合《鐵路工程實體結(jié)構(gòu)分解指南》和《鐵路工程WBS 工項分解指南》，通過指導(dǎo)性、實施性施工組織形象進度、計劃與方案管理，創(chuàng)建橋隧形象進度圖，建立橋隧進度預(yù)警方法，構(gòu)建指導(dǎo)性和實施性施組進度推演方式，實現(xiàn)了基于BIM 的虛擬建造和施組推演，保障工程建設(shè)進度有序推進。

2.3 基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的質(zhì)量溯源管理

將BIM 技術(shù)與傳感器、無線射頻及二維碼識別等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在質(zhì)量管控中集成應(yīng)用，以物聯(lián)網(wǎng)自動采集為工程質(zhì)量數(shù)據(jù)源頭，對工程建設(shè)全過程質(zhì)量進行把控，形成以BIM 為載體的質(zhì)量溯源機制，如隱蔽工程影像追溯、隧道斷面質(zhì)量控制等，以進一步保障鐵路工程建設(shè)質(zhì)量。

（1）通過工程影像系統(tǒng)，收集隧道工程隱蔽工程影像及圖片資料，利用EBS 編碼關(guān)聯(lián)的形式，在電子沙盤模型中進行查看，形成模型和影像資料集成，輔助現(xiàn)場質(zhì)量管理。

（2）在隧道質(zhì)量管控方面，將點云模型與BIM 相結(jié)合，通過關(guān)鍵工序質(zhì)量動態(tài)分析，分析判識初支平整度、二襯厚度超欠挖情況，指導(dǎo)優(yōu)化后續(xù)工序，從而強化斷面質(zhì)量控制。隧道斷面質(zhì)量分析如圖4 所示。

圖4 隧道斷面輪廓分析三維視圖

2.4 自動感知預(yù)判風(fēng)險的安全管理

以風(fēng)險識別和研判為切入點，通過終端采集軟件監(jiān)測風(fēng)險發(fā)生的時間、位置和級別，進行風(fēng)險分析、預(yù)警分發(fā)、快速定位風(fēng)險源，實現(xiàn)安全風(fēng)險全面掌控，提高工程項目安全管理水平。

以隧道超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)警為例，通過將信息與BIM 結(jié)合，對地震波反射、掌子面素描法的結(jié)果利用顏色進行危險等級標(biāo)注，對發(fā)生預(yù)警點快速定位，使施工管理人員通過查看模型快速了解施工現(xiàn)場的安全情況，保障隧道施工安全，如圖5 所示。

圖5 隧道超前地質(zhì)預(yù)報預(yù)警

2.5 面向多因素管控的智慧工地管理

電子沙盤系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場不同方面的管控需求，對“人、機、料、法、環(huán)”等要素在施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行全面采集，以時空耦合數(shù)據(jù)為呈現(xiàn)手段，實現(xiàn)集感知、分析、服務(wù)、應(yīng)急、監(jiān)管“五位一體”的現(xiàn)場施工智能化管理。

（1）在邊坡監(jiān)測方面，通過埋設(shè)相關(guān)監(jiān)測傳感器，結(jié)合三維場景，實時監(jiān)測路基、隧道洞口滑坡體位移變化情況，建立完善預(yù)警預(yù)報體制。

（2）在人機定位方面，通過定位裝置實時反映人員、機械等空間位置信息，同時可自動獲取開挖掌子面、仰拱、二襯的位置，根據(jù)圍巖類型進行超標(biāo)預(yù)警，保障工地人員和設(shè)備安全。

（3）在人工智能監(jiān)控方面，基于BIM 對安全監(jiān)控點位進行集成，運用智能識別系統(tǒng)，對重大危險因素及違規(guī)行為進行預(yù)報警提醒，使管理者對重點關(guān)注點位的現(xiàn)場情況一目了然。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于BIM 的多源數(shù)據(jù)組織編碼應(yīng)用體系

本文依據(jù)鐵路工程建設(shè)管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)需求，結(jié)合《鐵路地理信息分類與編碼》《基礎(chǔ)地理信息要素分類與代碼》等標(biāo)準(zhǔn)文件及鐵路BIM 聯(lián)盟發(fā)布的系列BIM 標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)新構(gòu)建基于BIM 的鐵路工程建設(shè)數(shù)據(jù)編碼應(yīng)用體系，實現(xiàn)BIM 數(shù)據(jù)、GIS 數(shù)據(jù)、建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多源多維數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織與管理，實現(xiàn)不同類型工況實體的快速識別及定位，為鐵路工程BIM 應(yīng)用系統(tǒng)的建立與完善奠定基礎(chǔ)。

3.2 BIM 與GIS 三維數(shù)據(jù)融合加載技術(shù)

針對BIM 與GIS 數(shù)據(jù)格式及坐標(biāo)系不統(tǒng)一問題，本文通過BIM 軟件生成IFC 或dgn 格式，轉(zhuǎn)換成GIS 軟件支持的udb 格式，并依托超圖桌面端程序iDesktop，進行數(shù)據(jù)輕量化處理，實現(xiàn)BIM 與GIS 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。為了實現(xiàn)Web 端的遠(yuǎn)程訪問與調(diào)用，將UDB 格式切片成S3m 數(shù)據(jù)格式進行發(fā)布，并按類型或圖層進行分類管理[10]，提升數(shù)據(jù)在電子沙盤系統(tǒng)的加載和瀏覽性能。

為實現(xiàn)BIM、地質(zhì)、點云等數(shù)據(jù)模型的融合，通過三維GIS 平臺對其相關(guān)模型的幾何單元、坐標(biāo)、屬性等進行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換處理，實現(xiàn)在球面曲率影響下的三維模型和地理數(shù)據(jù)精確匹配，避免渲染時產(chǎn)生的裂縫和漏洞，實現(xiàn)基于三維GIS 平臺的數(shù)據(jù)組織與分析。

3.3 施組動態(tài)跟蹤及預(yù)警技術(shù)

基于電子施工日志、工程調(diào)度、現(xiàn)場監(jiān)測實時進度數(shù)據(jù)，構(gòu)建多維數(shù)據(jù)一致的信息采集技術(shù)體系。以橋梁工程為例，基于施工日志、樁基檢測、運架梁管理等現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)采集分析，準(zhǔn)確掌握橋梁施工狀態(tài)；通過工程分解結(jié)構(gòu)（EBS，Engineering Breakdown Structure）與數(shù)據(jù)編碼，將橋梁施工進度數(shù)據(jù)與BIM 進行關(guān)聯(lián)，驅(qū)動模型圖元變色，實現(xiàn)鐵路工程專業(yè)進度的三維形象化展示；根據(jù)制運架梁的時效性進度分析，結(jié)合施組推演技術(shù)，判斷橋梁工期是否影響鋪軌施工的紅線進度預(yù)警，通過施組動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)工期節(jié)點及施工資源的最優(yōu)匹配，輔助現(xiàn)場施工。

3.4 數(shù)據(jù)物聯(lián)感知分析技術(shù)

在鐵路工程建設(shè)中，面向路、橋、隧、軌（道）、四電、站房等主體專業(yè)及大臨工程（拌和站、試驗室、板場、梁場等）產(chǎn)生的多源多維數(shù)據(jù)，構(gòu)建基于人工智能融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)采集分析技術(shù)，建立覆蓋工、料、機等關(guān)鍵要素的鐵路行業(yè)質(zhì)量管控體系，實現(xiàn)施工現(xiàn)場質(zhì)量信息的遠(yuǎn)程采集、自動研判和閉環(huán)追溯。采用數(shù)據(jù)聚合、抽取、冗余識別、異常檢測等技術(shù)，對現(xiàn)場產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進行組織處理，形成可供計算分析的有效數(shù)據(jù)[11]，實現(xiàn)基于BIM 的多源海量數(shù)據(jù)的融合分析，為基于泛在感知的質(zhì)量分析表達(dá)及決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.5 多維度實時數(shù)據(jù)安全風(fēng)險綜合評判技術(shù)

基于鐵路工程實體分解標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合北斗系統(tǒng)及地面基站、工程測量控制網(wǎng)，形成能精準(zhǔn)定位的統(tǒng)一時空體系，為一線施工提供精準(zhǔn)空間位置服務(wù)。通過實時接入施工現(xiàn)場安全數(shù)據(jù)，融合數(shù)據(jù)編碼應(yīng)用體系標(biāo)準(zhǔn)，建立危險源辨識、安全隱患預(yù)警、基坑形變監(jiān)測等數(shù)據(jù)可視化分析模型，實現(xiàn)鐵路工程安全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在三維場景中的精準(zhǔn)匹配與可視化呈現(xiàn)，并構(gòu)建以隧道安全為代表的鐵路工程安全預(yù)警分析技術(shù)，做到事前預(yù)防、事中管控、事后追蹤，有效減少現(xiàn)場安全事故。

4 應(yīng)用效果

電子沙盤系統(tǒng)已在京張（北京—張家口）、京雄（北京—雄安）等多個鐵路工程項目中進行了應(yīng)用實踐，依托電子沙盤系統(tǒng)開展全線建設(shè)管理和精益化的施工應(yīng)用，以BIM 為數(shù)據(jù)承載體，集成設(shè)計、施工過程信息，構(gòu)建了基于BIM 的三維數(shù)字資產(chǎn)，實現(xiàn)的效果如下。

（1）提出面向鐵路工程建設(shè)全要素的“一張圖”建設(shè)管理創(chuàng)新模式，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合、特征提取、規(guī)則映射等數(shù)據(jù)分析方法，構(gòu)建以BIM、GIS、傾斜攝影等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)的鐵路工程空間管理模型，形成以工程項目管理為核心的多參建方協(xié)同應(yīng)用數(shù)據(jù)環(huán)境。

（2）結(jié)合各參建單位進度、質(zhì)安、投資等多元化項目管理需求，提出工程實體單元化數(shù)字建造方法，以進度、質(zhì)安、投資等數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，建立涵蓋多專業(yè)、多層級的業(yè)務(wù)管理模型，為工程建設(shè)服務(wù)群體提供互饋協(xié)同的共享機制。

（3）實現(xiàn)BIM、GIS 技術(shù)與鐵路工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有機融合表達(dá)，形成基于“業(yè)務(wù)流+數(shù)據(jù)流”的系統(tǒng)分析、服務(wù)反饋、共享協(xié)同的應(yīng)用機制，支撐建立項目、階段、任務(wù)、專業(yè)間的立體協(xié)同體系。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的基于BIM+GIS 的鐵路工程電子沙盤系統(tǒng)以服務(wù)現(xiàn)場施工需求為導(dǎo)向，從進度、質(zhì)量、安全等工程建設(shè)管理角度開展功能性應(yīng)用，通過數(shù)據(jù)間的共享和多參建方間的協(xié)同運作，實現(xiàn)互聯(lián)協(xié)同、感知共享、智能分析、輔助決策等功能，以及工程建設(shè)數(shù)據(jù)多角度、多維度、多尺度的綜合分析應(yīng)用，提高現(xiàn)場“人、機、料、法、環(huán)”等全要素管理水平，形成了面向竣工交付的數(shù)字資產(chǎn)，為鐵路工程全生命周期管理奠定應(yīng)用基礎(chǔ)。后續(xù)將結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)開展數(shù)字孿生鐵路研究，實現(xiàn)鐵路工程建設(shè)“描述—診斷—預(yù)測—決策”的智能化管理，進一步提高進度、質(zhì)量、安全等施工管控水平。