注：本文為期刊公眾號(hào)簡(jiǎn)版，完整版已發(fā)群內(nèi)自取。

李飛，北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司

鮑榴，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所

楊威，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所

劉紅良，北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司

張旭，北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司

鐵路工程是典型的帶狀結(jié)構(gòu)，具有線長(zhǎng)、點(diǎn)廣等特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)鐵路工程全線全方位、多角度、多尺度的可視化展示及綜合分析，融合BIM、GIS、數(shù)字高程、傾斜攝影及矢量地圖等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并研發(fā)鐵路工程電子沙盤系統(tǒng)。

基于鐵路工程電子沙盤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了以下目標(biāo)：

? 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(chǎng)景提供立體、全方位、多角度的直觀表達(dá)

? 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

? 進(jìn)一步提高鐵路工程建設(shè)質(zhì)量與管控效率。

下面就為大家詳細(xì)解讀該系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過程：

隨著中國(guó)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(shí)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)。在單一信息組織模式下，不同組織機(jī)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(diǎn)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。

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，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。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(guó)鐵路主數(shù)據(jù)中心，對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行統(tǒng)一分配管理，為其平穩(wěn)運(yùn)行提供統(tǒng)一的底層支撐環(huán)境。

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(xiàng)目三維仿真場(chǎng)景，并通過數(shù)據(jù)共享接口，集成鐵路工程管理平臺(tái)關(guān)于鐵路項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量、安全等方面的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路工程項(xiàng)目全線的三維可視化管理與數(shù)字化控制。

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。

?設(shè)施層

以中國(guó)鐵路主數(shù)據(jù)中心為支撐，配置存儲(chǔ)、計(jì)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(yùn)行。

? 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層主要通過BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)、GIS 數(shù)據(jù)庫(kù)、多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)等，將設(shè)計(jì)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(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)，為應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)提供數(shù)據(jù)支撐。

? 服務(wù)層

包含了電子沙盤系統(tǒng)運(yùn)行所需的公共基礎(chǔ)服務(wù)。基于GIS 平臺(tái)搭建基礎(chǔ)運(yùn)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(duì)鐵路工程建設(shè)業(yè)務(wù)中涉及的三維數(shù)字模型進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，為上層應(yīng)用提供基礎(chǔ)。

? 應(yīng)用層

包含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。

? 用戶層

支持各級(jí)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。

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。

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(diǎn)體現(xiàn)鐵路工程特點(diǎn)、重難點(diǎn)工程關(guān)鍵技術(shù)與主要風(fēng)險(xiǎn)、規(guī)劃方案比選、大臨工程選址等設(shè)計(jì)思想與意圖。

數(shù)字化施工是以鐵路項(xiàng)目建設(shè)需求為導(dǎo)向，對(duì)鐵路工程智能建造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，構(gòu)建滿足鐵路工程建設(shè)需求的進(jìn)度寫實(shí)、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(gè)方面。

面向多專業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的時(shí)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(chǎng)景及服務(wù)需求，形成項(xiàng)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(xiàng)目全線、隧道、橋梁專題為例。

（1）項(xiàng)目全線專題主要集成鐵路工程項(xiàng)目全線信息、施工計(jì)劃安排、生態(tài)敏感區(qū)、橋隧工程分布等信息，通過三維場(chǎng)景對(duì)線路走向、方案比選等設(shè)計(jì)要素進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(xiàng)目全線隧道基本信息及重難點(diǎn)控制性隧道的工程概況、工期安排、主要風(fēng)險(xiǎn)、圍巖級(jí)別、技術(shù)支撐等信息?；诘刭|(zhì)模型關(guān)聯(lián)風(fēng)險(xiǎn)與圍巖信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道重點(diǎn)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(xiàng)目全線橋梁基本信息，重點(diǎn)控制系統(tǒng)橋梁的工程概況、工期安排等，通過三維場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁工程建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與主要風(fēng)險(xiǎn)的展示，展現(xiàn)鐵路橋梁工程設(shè)計(jì)思想與選址的意圖。

基于數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)推演的形象進(jìn)度管理

通過BIM+GIS 技術(shù)對(duì)隧道、橋梁等專業(yè)施工進(jìn)度數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，將工程實(shí)體構(gòu)件編碼與BIM 編碼進(jìn)行關(guān)聯(lián)，形成唯一的身份標(biāo)識(shí)號(hào)，通過透明度及色系表達(dá)變化來(lái)展示工程進(jìn)度，實(shí)現(xiàn)（線）路、橋（梁）、隧（道）等專業(yè)施工進(jìn)度的三維可視化管理。

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

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(wú)線射頻及二維碼識(shí)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(dòng)采集為工程質(zhì)量數(shù)據(jù)源頭，對(duì)工程建設(shè)全過程質(zhì)量進(jìn)行把控，形成以BIM 為載體的質(zhì)量溯源機(jī)制，如隱蔽工程影像追溯、隧道斷面質(zhì)量控制等，以進(jìn)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(jìn)行查看，形成模型和影像資料集成，輔助現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量管理。

（ 2） 在隧道質(zhì)量管控方面， 將點(diǎn)云模型與BIM 相結(jié)合，通過關(guān)鍵工序質(zhì)量動(dòng)態(tài)分析，分析判識(shí)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(qiáng)化斷面質(zhì)量控制。

自動(dòng)感知預(yù)判風(fēng)險(xiǎn)的安全管理

以風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和研判為切入點(diǎn)，通過終端采集軟件監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)間、位置和級(jí)別，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)警分發(fā)、快速定位風(fēng)險(xiǎn)源，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)全面掌控，提高工程項(xiàng)目安全管理水平。

以隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)預(yù)警為例，通過將信息與BIM 結(jié)合，對(duì)地震波反射、掌子面素描法的結(jié)果利用顏色進(jìn)行危險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)注，對(duì)發(fā)生預(yù)警點(diǎn)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(chǎng)的安全情況，保障隧道施工安全。

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(chǎng)不同方面的管控需求，對(duì)“人、機(jī)、料、法、環(huán)”等要素在施工過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面采集，以時(shí)空耦合數(shù)據(jù)為呈現(xiàn)手段，實(shí)現(xiàn)集感知、分析、服務(wù)、應(yīng)急、監(jiān)管“五位一體”的現(xiàn)場(chǎng)施工智能化管理。

（1）在邊坡監(jiān)測(cè)方面，通過埋設(shè)相關(guān)監(jiān)測(cè)傳感器，結(jié)合三維場(chǎng)景，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(bào)體制。

（2）在人機(jī)定位方面，通過定位裝置實(shí)時(shí)反映人員、機(jī)械等空間位置信息，同時(shí)可自動(dòng)獲取開挖掌子面、仰拱、二襯的位置，根據(jù)圍巖類型進(jìn)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(duì)安全監(jiān)控點(diǎn)位進(jìn)行集成，運(yùn)用智能識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)重大危險(xiǎn)因素及違規(guī)行為進(jìn)行預(yù)報(bào)警提醒，使管理者對(duì)重點(diǎn)關(guān)注點(diǎn)位的現(xiàn)場(chǎng)情況一目了然。

3 關(guān)鍵技術(shù)

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(shí)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(shí)現(xiàn)不同類型工況實(shí)體的快速識(shí)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)。

BIM 與GIS 三維數(shù)據(jù)融合加載技術(shù)

針對(duì)BIM 與GIS 數(shù)據(jù)格式及坐標(biāo)系不統(tǒng)一問題，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(jìn)行數(shù)據(jù)輕量化處理，實(shí)現(xiàn)BIM 與GIS 數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。

? 為實(shí)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(jìn)行發(fā)布，并按類型或圖層進(jìn)行分類管理，提升數(shù)據(jù)在電子沙盤系統(tǒng)的加載和瀏覽性能。

? 為實(shí)現(xiàn)BIM、地質(zhì)、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)模型的融合，通過三維GIS 平臺(tái)對(duì)其相關(guān)模型的幾何單元、坐標(biāo)、屬性等進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換處理，實(shí)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(shí)產(chǎn)生的裂縫和漏洞，實(shí)現(xiàn)基于三維GIS 平臺(tái)的數(shù)據(jù)組織與分析。

施組動(dòng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)進(jìn)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(cè)、運(yùn)架梁管理等現(xiàn)場(chǎng)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）與數(shù)據(jù)編碼，將橋梁施工進(jìn)度數(shù)據(jù)與BIM 進(jìn)行關(guān)聯(lián)，驅(qū)動(dòng)模型圖元變色，實(shí)現(xiàn)鐵路工程專業(yè)進(jìn)度的三維形象化展示；

? 根據(jù)制運(yùn)架梁的時(shí)效性進(jìn)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(jìn)度預(yù)警，通過施組動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)工期節(jié)點(diǎn)及施工資源的最優(yōu)匹配，輔助現(xiàn)場(chǎng)施工。

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(yàn)室、板場(chǎng)、梁場(chǎng)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(jī)等關(guān)鍵要素的鐵路行業(yè)質(zhì)量管控體系，實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量信息的遠(yuǎn)程采集、自動(dòng)研判和閉環(huán)追溯。

采用數(shù)據(jù)聚合、抽取、冗余識(shí)別、異常檢測(cè)等技術(shù)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行組織處理，形成可供計(jì)算分析的有效數(shù)據(jù)，實(shí)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)。

多維度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)判技術(shù)

基于鐵路工程實(shí)體分解標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合北斗系統(tǒng)及地面基站、工程測(cè)量控制網(wǎng)，形成能精準(zhǔn)定位的統(tǒng)一時(shí)空體系，為一線施工提供精準(zhǔn)空間位置服務(wù)。

通過實(shí)時(shí)接入施工現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)源辨識(shí)、安全隱患預(yù)警、基坑形變監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)可視化分析模型，實(shí)現(xiàn)鐵路工程安全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)在三維場(chǎng)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(chǎng)安全事故。

4 應(yīng)用效果

電子沙盤系統(tǒng)已在京張、京雄等多個(gè)鐵路工程項(xiàng)目中進(jìn)行了應(yīng)用實(shí)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(jì)、施工過程信息，構(gòu)建了基于BIM 的三維數(shù)字資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)的效果如下。

? 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(xiàng)目管理為核心的多參建方協(xié)同應(yīng)用數(shù)據(jù)環(huán)境。

? 結(jié)合各參建單位進(jìn)度、質(zhì)安、投資等多元化項(xiàng)目管理需求，提出工程實(shí)體單元化數(shù)字建造方法，以進(jìn)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(jí)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(jī)制。

? 實(shí)現(xiàn)BIM、GIS 技術(shù)與鐵路工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有機(jī)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(jī)制，支撐建立項(xiàng)目、階段、任務(wù)、專業(yè)間的立體協(xié)同體系。

本文設(shè)計(jì)的基于BIM+GIS 的鐵路工程電子沙盤系統(tǒng)以服務(wù)現(xiàn)場(chǎng)施工需求為導(dǎo)向，從進(jìn)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(yùn)作，實(shí)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(chǎng)“人、機(jī)、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)。

來(lái)源：《鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用》編輯部