鮑 榴,楊 斌,楊 威,王萬齊,陳雪嬌

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081； 2.中國國家鐵路集團(tuán)有限公司工程管理中心,北京 100844 )

鐵路建設(shè)屬于大型基建項(xiàng)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(diǎn)[1]。隨著鐵路技術(shù)的不斷發(fā)展，“高質(zhì)量、高速度、高舒適、高安全”已成為現(xiàn)在鐵路工程建設(shè)的目標(biāo)。傳統(tǒng)的管理模式很難實(shí)現(xiàn)鐵路建設(shè)過程中進(jìn)度、質(zhì)量、安全等各項(xiàng)數(shù)據(jù)資源的高效協(xié)同管理。因此，利用建筑信息模型(BIM)及三維可視化的地理信息系統(tǒng)(GIS)，對鐵路工程在其建設(shè)管理過程中所涉及的資源、活動和產(chǎn)品等進(jìn)行有效的組織和管理，提高工程建設(shè)各階段信息共享水平，節(jié)約成本，避免浪費(fèi)[2]。

BIM與GIS技術(shù)的深度融合，在城市建筑、水利工程、軌道交通等領(lǐng)域已具備設(shè)計(jì)優(yōu)化、碰撞檢查、工程算量及虛擬施工等成熟應(yīng)用。GIS反映現(xiàn)實(shí)世界，BIM構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界，二者的思維方式和實(shí)時過程是互逆的。BIM是從無到有的過程，即從人腦到實(shí)體的過程；GIS是從有到虛擬的過程，即從實(shí)體到人腦(對現(xiàn)實(shí)世界的空間認(rèn)知)的過程，BIM側(cè)重于三維建筑智慧設(shè)計(jì)以及幾何語義表達(dá)；GIS側(cè)重于利用空間數(shù)據(jù)庫對模型、多源數(shù)據(jù)的分級組織管理，二者集成構(gòu)成一個閉環(huán)，因此3D GIS與BIM的集成是必然和可操作的[3-5]。由于鐵路是線狀結(jié)構(gòu)，若進(jìn)行全專業(yè)BIM與GIS融合設(shè)計(jì)，則涉及到航察、線路、站房、地質(zhì)、橋梁、隧道等多達(dá)40多項(xiàng)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)“點(diǎn)”與“線”設(shè)計(jì)建設(shè)的協(xié)同管理，鐵路全專業(yè)的BIM設(shè)計(jì)必將與GIS結(jié)合起來[6-8]。因此，實(shí)現(xiàn)GIS宏觀應(yīng)用的廣度和BIM精細(xì)應(yīng)用的深度結(jié)合。大量高精度BIM模型可作為GIS系統(tǒng)中的一個重要數(shù)據(jù)來源，而BIM與GIS的集成與融合能實(shí)現(xiàn)鐵路建筑信息全生命周期信息化管理的革命性轉(zhuǎn)變，深化多領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用[9-11]，為鐵路工程建設(shè)解決專業(yè)眾多、數(shù)據(jù)海量、數(shù)據(jù)層級關(guān)系復(fù)雜等問題創(chuàng)造必要條件[12-14]。

鐵路資源信息與地理信息存在緊密的關(guān)聯(lián)性和依附性，依托BIM+GIS技術(shù)，將鐵路工程路、橋、隧等不同工況類型的設(shè)計(jì)信息[15-16]、建設(shè)信息基于BIM模型進(jìn)行映射集成，通過全過程動態(tài)、靜態(tài)信息的高度融合，以及多層次、多粒度、多維度的信息匯聚與關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)鐵路工程資源信息的立體化、可視化，為建設(shè)管理與決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐[17]。鑒于此，在鐵路工程建設(shè)管理領(lǐng)域，通過建設(shè)管理一張圖的構(gòu)建，結(jié)合GIS、BIM和數(shù)據(jù)輕量化混合技術(shù)，搭建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)互融互通共享的鐵路工程建設(shè)管理BIM+GIS一張圖系統(tǒng)(以下簡稱“一張圖系統(tǒng)”)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)數(shù)據(jù)共享與靈活調(diào)用，滿足京雄高鐵全線可視化、數(shù)字化、精益化建設(shè)管理需求。

1 需求分析與設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

一張圖系統(tǒng)是以鐵路工程建設(shè)階段的數(shù)據(jù)資源為管理對象，基于BIM與3D GIS核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多源、多維、異構(gòu)海量時空數(shù)據(jù)的無縫融合，通過對進(jìn)度、質(zhì)量、安全、投資等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成管理，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)信息“一張底圖、共享建庫、集成展示”，同時提供多源異構(gòu)融合數(shù)據(jù)資源訪問服務(wù)，保證各參建單位能夠按需獲取價(jià)值信息的目標(biāo)。

一張圖系統(tǒng)按照BIM源頭標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，通過對航拍、衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型、傾斜攝影模型、GIS矢量和工程CAD圖等海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，在統(tǒng)一要素編碼規(guī)范基礎(chǔ)上，搭建基于WebGL的BIM+GIS多層級立面協(xié)同管理云平臺。通過數(shù)據(jù)建模、輕量化、融合及接口訪問技術(shù)，匯聚成一張圖的GIS基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、BIM模型庫與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，并提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)多源時空數(shù)據(jù)的多層次可視化綜合展示和統(tǒng)計(jì)分析；深度集成施工級BIM應(yīng)用系統(tǒng)，從宏觀、中觀及微觀尺度展現(xiàn)全線建設(shè)概貌、鐵路沿線周邊地形地貌、風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)監(jiān)測區(qū)域及微觀尺度的構(gòu)件級三維形象進(jìn)度、質(zhì)量安全紅線及問題部位處理進(jìn)程，滿足鐵路工程全線三維數(shù)字化建設(shè)管理需求。

1.2 總體架構(gòu)

一張圖系統(tǒng)是鐵路工程管理平臺的重要組成部分，鐵路主數(shù)據(jù)中心為一張圖系統(tǒng)運(yùn)行提供計(jì)算資源、存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源等基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境支撐。一張圖系統(tǒng)以高鐵建設(shè)管理業(yè)務(wù)實(shí)際需求為導(dǎo)向，基于信息化頂層規(guī)劃，采用基于B/S的N層架構(gòu)體系，利用BIM+3D GIS為核心的三維數(shù)字技術(shù)，以面向服務(wù)架構(gòu)為主線，從用戶需求、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)集成服務(wù)和功能設(shè)計(jì)等4個方面構(gòu)建符合項(xiàng)目建設(shè)及施工精細(xì)化管理BIM+GIS建設(shè)管理一張圖系統(tǒng)。一張圖系統(tǒng)依據(jù)數(shù)據(jù)接口接入鐵路工程管理平臺業(yè)務(wù)主數(shù)據(jù)，與BIM、GIS、傾斜攝影等數(shù)據(jù)信息共同構(gòu)成一張圖系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)管理、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理及征地拆遷等上層業(yè)務(wù)應(yīng)用，為建設(shè)階段各級管理用戶提供先進(jìn)的BIM+GIS可視化服務(wù)。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

1.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

一張圖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括設(shè)計(jì)期數(shù)據(jù)、建設(shè)期數(shù)據(jù)、聯(lián)調(diào)調(diào)試數(shù)據(jù)、BIM、GIS、航拍視頻及傾斜攝影等數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的分類組織形成系統(tǒng)底層數(shù)據(jù)組織基礎(chǔ)，為上層功能應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。

設(shè)計(jì)期數(shù)據(jù)包括設(shè)計(jì)圖紙、地質(zhì)信息、地理信息等；建設(shè)數(shù)據(jù)包括進(jìn)度、質(zhì)量、安全等建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)包括工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)的檢測數(shù)據(jù)；基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括人員機(jī)構(gòu)、項(xiàng)目信息等數(shù)據(jù)。通過業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享接口、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)共享接口接入至建設(shè)管理一張圖系統(tǒng)，數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。

圖1 總體架構(gòu)

1.4 技術(shù)架構(gòu)

一張圖系統(tǒng)采用SpringBoot微服務(wù)架構(gòu)，按照不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行模塊劃分，每個業(yè)務(wù)模塊作為一個微服務(wù)。業(yè)務(wù)模塊之間采用共享數(shù)據(jù)庫以及微服務(wù)通信進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和交互。平臺采用Spring Security進(jìn)行統(tǒng)一權(quán)限管理，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)模塊用戶認(rèn)證和授權(quán)管理，技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

1.5 功能設(shè)計(jì)

一張圖系統(tǒng)利用三維BIM+GIS管理模式，支持大屏、PC端等不同終端類型的接入顯示前提下，主要在三維工具集、進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理以及數(shù)據(jù)管理等方面進(jìn)行系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)。三維工具集模塊包括圖層切換、地形透明度、底圖切換、模糊檢索定位、飛行漫游、圖層結(jié)構(gòu)樹以及航拍視頻等功能；進(jìn)度管理主要包括實(shí)物工程量、卡控點(diǎn)進(jìn)度預(yù)警、形象進(jìn)度等功能；質(zhì)量管理模塊包括拌和站、試驗(yàn)室、樁基檢測、隱蔽工程影像等管理等功能；安全管理模塊主要包括視頻監(jiān)控、圍巖量測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、工程線運(yùn)輸調(diào)度等功能；數(shù)據(jù)管理模塊主要包括要素分類編碼管理、圖層分類編碼管理、比例尺與符號庫管理等功能；系統(tǒng)管理主要是對用戶、權(quán)限、版本以及操作日志管理。系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

圖3 技術(shù)架構(gòu)

圖4 功能設(shè)計(jì)

2 關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)鐵路工程建設(shè)階段的可視化展示、過程化管理及多維數(shù)據(jù)集成共享，建設(shè)管理一張圖系統(tǒng)需要BIM與GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、模型輕量化、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)集成等技術(shù)支撐。

2.1 BIM與GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)

針對設(shè)計(jì)單位和施工單位交付模型格式不一的問題，自主二次開發(fā)插件支持.rvt、.dgn、IFC等多種BIM數(shù)據(jù)格式向S3M、3D Tiles、obj等3D GIS主流數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，重點(diǎn)研究了幾何模型簡化、頂點(diǎn)壓縮、數(shù)模分離及語義映射等關(guān)鍵技術(shù)，對轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行模型數(shù)據(jù)編輯，包括添加坐標(biāo)參考信息、單例化處理、貼圖材質(zhì)編輯、輕量化處理等，實(shí)現(xiàn)BIM與GIS的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與無縫對接。

2.2 BIM+GIS多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及多尺度展示技術(shù)以BIM、GIS多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合為主線，突破傾斜攝影模型與地形數(shù)據(jù)融合、粗略衛(wèi)星影像與局部精細(xì)航測影像融合及粗略DEM與局部精細(xì)制作DEM融合以及BIM模型與地形影像數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)。

通過GIS平臺對融合數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管理，為不同管理需求提供宏觀、中觀、微觀三個層次尺度的服務(wù)，有效輔助建設(shè)施工及后期運(yùn)維管理。

(1)宏觀尺度

宏觀尺度主要展現(xiàn)鐵路建設(shè)整塊區(qū)域全線建設(shè)概貌。采用整個大范圍粗略衛(wèi)星影像與局部精細(xì)航測影像進(jìn)行數(shù)據(jù)融合數(shù)據(jù)，在鐵路大場景模型數(shù)據(jù)中宜采用混合分辨率數(shù)據(jù)管理(瓦片圖像多層分級管理)；鐵路線路及1 km左右范圍的地形模型與影像采用高分辨率的數(shù)據(jù)；對距鐵路線較遠(yuǎn)處采用低分辨率數(shù)據(jù)。通過設(shè)置不同高度對應(yīng)的影像顯示分辨率級別。

(2)中觀尺度

中觀尺度上表現(xiàn)為某一標(biāo)段，切換到局部視角時則顯示地表精細(xì)航測影像，以表達(dá)詳細(xì)地表紋理信息、重要標(biāo)段、鐵路線沿線周邊地形地貌、風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)監(jiān)測區(qū)域。

(3)微觀尺度

微觀尺度主要展現(xiàn)為模型構(gòu)件各專業(yè)單體內(nèi)部相關(guān)構(gòu)件及其詳細(xì)的三維形象進(jìn)度、質(zhì)量安全紅線及問題部位處理進(jìn)程。

2.3 BIM與GIS數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)

建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲管理，提高GIS平臺對空間數(shù)據(jù)的承載能力。對于地形、遙感影像、傾斜模型、點(diǎn)云等數(shù)據(jù)采用瓦片化的文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲；對于軌道、路基、橋涵、隧道、牽引變電、接觸網(wǎng)、給排水、通信、信號等BIM模型采用緩存切片文件格式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，其屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)模分離后采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲；鐵路工程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲。

2.4 空間數(shù)據(jù)可視化動態(tài)渲染展示技術(shù)

搭建基于WebGL的云GIS平臺，將BIM模型按照所在的地理坐標(biāo)和范圍進(jìn)行動態(tài)加載。BIM模型被切片生成不同精細(xì)程度的模型切片。通過四叉樹空間索引實(shí)現(xiàn)基于視點(diǎn)距離的BIM模型動態(tài)加載。根據(jù)視距和相機(jī)位置，加載不同范圍及精細(xì)程度的BIM模型。采用LOD結(jié)構(gòu)和實(shí)例化技術(shù)突破高密度模型的瀏覽性能瓶頸：LOD技術(shù)可根據(jù)距離遠(yuǎn)近來選擇展示不同精細(xì)程度的模型，極大緩解顯卡渲染壓力；采用實(shí)例化技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)用模型，顯著提高渲染效率。

2.5 BIM模型輕量化技術(shù)

為提升BIM模型的加載和運(yùn)行效率，開發(fā)模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具對模型進(jìn)行輕量化處理，在處理過程中分析模型的數(shù)據(jù)，對需要的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行提取，減少造型數(shù)據(jù)，從而減小模型的體量，減少模型面片數(shù)量，提高顯示效率；采用異步加載的方法，將模型加載和模型顯示分開處理，利用背面剔除的方法，減小需要顯示的模型的體量，提升對顯存、內(nèi)存的釋放效率，確保資源的合理應(yīng)用，增加顯示效率和流暢度；BIM模型在進(jìn)行輕量化處理后轉(zhuǎn)化成為統(tǒng)一格式的輕量化模型文件，解決了各個BIM建模軟件模型格式不統(tǒng)一的問題，實(shí)現(xiàn)BIM模型和數(shù)據(jù)的共享。

2.6 基于BIM模型的多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)

結(jié)合BIM應(yīng)用現(xiàn)狀及鐵路BIM聯(lián)盟頒布的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對鐵路工程數(shù)據(jù)分類及傳遞流程開展研究，以IFD和EBS分類編碼體系為關(guān)聯(lián)，通過數(shù)據(jù)編碼關(guān)聯(lián)、特征映射和數(shù)據(jù)重構(gòu)，形成基于BIM的多源數(shù)據(jù)整合關(guān)聯(lián)和分析應(yīng)用，評估設(shè)施和設(shè)備運(yùn)維需求，進(jìn)行鐵路大跨度橋梁構(gòu)件劃分和設(shè)施設(shè)備的構(gòu)建，通過標(biāo)準(zhǔn)化編碼及BIM模型綁定，整合各分散信息源，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時空融合和綜合應(yīng)用。主要涉及信息模型分類存儲、信息交互共享技術(shù)和基于運(yùn)維的橋梁模型構(gòu)建技術(shù)。

3 應(yīng)用實(shí)踐

一張圖系統(tǒng)通過對建設(shè)項(xiàng)目的三維建模，實(shí)現(xiàn)對建設(shè)項(xiàng)目全線的三維可視化服務(wù)。通過運(yùn)用BIM與GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、存儲、服務(wù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對鐵路建設(shè)項(xiàng)目進(jìn)度、質(zhì)量、安全、大臨、征拆等信息的集成管理。一張圖系統(tǒng)在京雄城際鐵路進(jìn)行試點(diǎn)應(yīng)用。

質(zhì)量信息管理提供沉降觀測、隱蔽工程影像、試驗(yàn)室、拌和站、檢驗(yàn)批、施工日志等與質(zhì)量密切相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，如圖5、圖6所示。

圖5 質(zhì)量管理

圖6 樁基檢測信息

在進(jìn)度管理方面，通過工程進(jìn)度數(shù)據(jù)采集比對設(shè)計(jì)與施工進(jìn)度計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)對進(jìn)度狀態(tài)的表達(dá)，確保施工管理人員通過模型就能對施工進(jìn)度情況全面掌握，三維形象進(jìn)度如圖7所示。

圖7 三維形象進(jìn)度

對全線的特殊及重難點(diǎn)工程進(jìn)行卡控式集中統(tǒng)一管理，關(guān)注進(jìn)度、質(zhì)量安全及實(shí)時監(jiān)控監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)全面與局部相結(jié)合管理。重點(diǎn)關(guān)注工程如圖8所示。

圖8 重點(diǎn)關(guān)注工程

4 創(chuàng)新點(diǎn)

(1)依托鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的BIM系列標(biāo)準(zhǔn)，建立支撐各方協(xié)同應(yīng)用落地的鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。通過BIM技術(shù)結(jié)合工程外業(yè)、內(nèi)業(yè)管理和生產(chǎn)組織，應(yīng)用數(shù)據(jù)分類編碼、數(shù)字化、構(gòu)件化等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對鐵路工程實(shí)體單元的劃分。通過建立實(shí)體單元的編碼體系和表達(dá)規(guī)范，實(shí)現(xiàn)工程實(shí)體和設(shè)備的單元化、規(guī)范化管理；通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)從BIM設(shè)計(jì)到施工各業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)共享。

(2)首次采用二/三維BIM模型一體化設(shè)計(jì)、竣工交付模式，實(shí)現(xiàn)三階段兩交付的全壽命周期的數(shù)據(jù)傳遞和共享，初步實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、竣工成果的數(shù)字化管理。

(3)基于BIM、GIS與工程建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建面向京雄高鐵的時空大數(shù)據(jù)技術(shù)框架，突破京雄高鐵全線動態(tài)多源數(shù)據(jù)的融合，實(shí)現(xiàn)時空大數(shù)據(jù)應(yīng)用場景下的大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化。

5 結(jié)語

針對鐵路工程項(xiàng)目建設(shè)管理需求，提出基于BIM+GIS的一張圖管理模式，實(shí)現(xiàn)了大體量BIM模型輕量化處理、海量數(shù)據(jù)匯集以及基于BIM的多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)融合等關(guān)鍵技術(shù)，并從總體架構(gòu)、數(shù)據(jù)架構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)和功能設(shè)計(jì)等方面提出解決方案，研發(fā)京雄高鐵BIM+GIS建設(shè)管理一張圖系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)數(shù)據(jù)綜合可視化描述分析，設(shè)計(jì)成果管理、建設(shè)施工管理與竣工交付各階段的數(shù)據(jù)共享、信息傳遞、靈活調(diào)用，滿足京雄高鐵全線三維可視化、數(shù)字化、全要素信息建設(shè)管理精益化需求。