數(shù)字鐵路信息共享體系研究

張毅 中鐵二院工程集團責任有限公司信息中心，成都 610031

數(shù)字鐵路信息共享體系研究

張毅 中鐵二院工程集團責任有限公司信息中心，成都 610031

數(shù)字鐵路的建設需要解決勘察設計、建設施工、運營養(yǎng)護三大階段的信息共享、綜合利用問題。通過分析數(shù)字鐵路的主要研究內(nèi)容及關鍵技術, 闡述了數(shù)字鐵路信息共享體系的構建,以及對建設數(shù)字鐵路具有的重要指導意義。

數(shù)字鐵路；三維；數(shù)字化

Digital Railway; 3D; Digitization

引言

近年來，我國加速推進國民經(jīng)濟信息化的進程，跨入了以“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字交通”為代表的信息技術高度集中與迅猛發(fā)展的數(shù)字時代。

數(shù)字鐵路是“數(shù)字交通”的一個子集，它基于地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（R S）、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、信息集成、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、多媒體、海量數(shù)據(jù)處理及寬帶通信等技術, 研究中國鐵路基礎設施及鐵路環(huán)境的數(shù)字化標準體系。它通過對鐵路的勘察設計、施工建設和運營養(yǎng)護三大階段綜合考慮，運用三維技術和協(xié)同管理理念將各階段信息元按照統(tǒng)一的規(guī)范關聯(lián)，構建一體化的信息共享體系，解決勘察設計、建設施工、運營養(yǎng)護三大階段的“信息共享、綜合利用”。

通過在信息共享體系上建立的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，可以對鐵路的勘察、規(guī)劃、設計和建設中的各種方案進行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供決策支持，增強決策的科學性和預見性。同時在運營養(yǎng)護階段，實現(xiàn)鐵路服務資源和運力資源的全面管理和直觀展示,對內(nèi)支持運輸組織、客貨營銷、經(jīng)營管理等的需要, 對外支持旅客出行、貨主與查詢的直觀展示, 并綜合內(nèi)外部信息為各級管理者提供可視化綜合決策支持的鐵路信息系統(tǒng)。

數(shù)字鐵路研究與實施除了需要傳統(tǒng)技術與現(xiàn)代新興技術的融合與創(chuàng)新，也需要鐵路行業(yè)各個部門的參與和配合，在管理理念上有所突破。要將勘察設計、施工和運營養(yǎng)護三大階段綜合考慮?？辈煸O計與施工所產(chǎn)生的成果，為后期的運營養(yǎng)護提供大量基礎數(shù)據(jù)，是建立數(shù)字鐵路的必備條件。

因此我們以研究及構建數(shù)字鐵路為目標，梳理了勘察設計、施工和運營養(yǎng)護間的數(shù)據(jù)依賴關系（如圖1），提出了三維數(shù)字鐵路信息共享體系，以建立并完善一套符合中國鐵路行業(yè)實情的三維數(shù)字勘察設計、施工及運營養(yǎng)護的整體工作模式和標準管理體系，并在此基礎上完善與之配套的軟硬件平臺，讓數(shù)字鐵路的研究與構建更加科學化和系統(tǒng)化。

圖1 各階段數(shù)據(jù)依賴關系

1 建立三維勘察設計平臺

在當今的工程建設行業(yè)和鐵路工程領域，不斷涌現(xiàn)的新技術和實踐促成了鐵路工程勘察設計的顯著變革，尤其是以建筑信息模型[1]為核心理念的數(shù)字化三維技術的出現(xiàn)，給鐵路工程建設行業(yè)，尤其是大型勘察設計企業(yè)生產(chǎn)率的提升提供了新的驅(qū)動力。先進的三維設計技術和全生命周期項目信息管理，可以幫助企業(yè)更準確、有效的控制勘察設計過程，極大地優(yōu)化設計質(zhì)量、縮短設計周期和成本。

數(shù)字化三維勘察設計首要任務是建立三維協(xié)同設計的工作模式、管理流程和設計標準。三維勘察設計相對于傳統(tǒng)的二維設計而言，不是一個簡單的升級，而是一種變革。三維協(xié)同設計模式將是一個各專業(yè)人員協(xié)同工作，數(shù)據(jù)實時更新及共享、權限統(tǒng)一管理和歷史記錄有序追溯的新型工作模式[2]。以協(xié)同理念建立的設計標準也將最大限度地保證三維設計數(shù)據(jù)的規(guī)范性和統(tǒng)一性，包括建模標準、數(shù)據(jù)交互標準、出圖標準等。全新的三維勘察設計體系的建立，將為勘察設計企業(yè)設計質(zhì)量的提升帶來新的推動力。

在三維勘察設計體系的基礎上，測繪與地勘專業(yè)分別建立地上和地下三維模型，提交至三維中心數(shù)據(jù)庫。站前站后相關專業(yè)在三維中心數(shù)據(jù)庫上可以依次獲取基礎數(shù)據(jù)，開展三維協(xié)同設計，最終形成的成果提交三維中心數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。施工單位可以直接通過三維中心數(shù)據(jù)庫獲取勘察設計成果，指導后期數(shù)字化施工。整體流程如下：

圖2 數(shù)字化三維勘察整體流程

三維勘察設計體系的關鍵是三維設計軟件支撐平臺建立。通過該軟件支撐平臺，可以疏通各專業(yè)間的數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)各專業(yè)三維設計資料互提過程的網(wǎng)絡化和規(guī)范化；實現(xiàn)設計成果的三維實時漫游和集中管理[3]，并與三維中心數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一交互，最終形成三維設計專業(yè)知識庫。整個體系結構中，軟件層次關系如下圖：

圖3 軟件層次關系圖

2 建立鐵路數(shù)字施工系統(tǒng)

鐵路施工是銜接勘察設計與后期運營養(yǎng)護的關鍵環(huán)節(jié)。鐵路數(shù)字化施工系統(tǒng)是指依托建立數(shù)字化地位基礎平臺、地理信息系統(tǒng)、遙感技術、工地現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工地現(xiàn)場機械控制系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等基礎平臺，整合工地信息資源，突破時間、空間的局限，建立一個開放信息環(huán)境。使業(yè)主、設計方、施工單位、監(jiān)理單位之間能夠進行實時信息交流。該系統(tǒng)是提高工作效率，提升工地管理水平，優(yōu)化施工方案的最佳選擇。

數(shù)字化施工系統(tǒng)由基礎設施、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)支持服務中心三部分構成：

圖4 數(shù)字化施工系統(tǒng)構成

基礎設施：作為數(shù)字工地的基礎，利用長期運行GNSS基準站為數(shù)字工地的所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集提供基準，為決策者的指揮決策提供現(xiàn)場信息的支持，同時為項目完工后的系統(tǒng)提供基礎平臺。

控制系統(tǒng)：利用數(shù)字化工地定位控制和數(shù)字化機械控制系統(tǒng)，實時采集施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測施工質(zhì)量。實現(xiàn)高效、快捷、科學地進行工程質(zhì)量和進度控制，并提交完全透明化的驗證結果，同時始終保持設計精度要求，最大程度避免了返工。

數(shù)據(jù)服務中心：貫穿于整個施工過程，從最初的施工設計三維數(shù)據(jù)的獲取及轉(zhuǎn)化，到施工現(xiàn)場的技術支持，再到施工結果數(shù)據(jù)的處理。主要職能是處理、收集、整理施工數(shù)據(jù)，建立動態(tài)信息管理系統(tǒng)，為工地管理者提供決策支持功能。

數(shù)字鐵路施工[4]方案集施工設計、施工測量和數(shù)字化施工方法于一體，是一套完整的施工解決方案，它不僅依賴數(shù)字化手段整體性地解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源，降低成本，減少人力需求，提高生產(chǎn)效率。

圖5 數(shù)字化施工整體場景

3 建立運營養(yǎng)護三維信息共享平臺

在勘察設計和項目施工階段形成的各種三維模型和成果資料是后期運營養(yǎng)護的寶貴財富。通過規(guī)范項目建成后提交的竣工資料、三維數(shù)據(jù)類型及相關標準，實現(xiàn)三維資料與運營養(yǎng)護現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通，高效、準確地將前期三維地模、線路布置、建筑輪廓、相關安裝設備的線路定位、規(guī)格型號、廠家等詳細信息導入運營養(yǎng)護數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)提供的三維信息實現(xiàn)鐵路整體狀態(tài)虛擬展現(xiàn)，為列車運行仿真、運行控制、防災監(jiān)控等提供數(shù)據(jù)支持。運用“信息共享、綜合利用”的發(fā)展思路，以三維項目資料和數(shù)據(jù)接口為載體，可以在本階段利用地理信息平臺，實現(xiàn)智能化的鐵路管理和輔助決策功能。

圖6 三維信息在運營養(yǎng)護的綜合利用

3 結束語

基于建設全生命周期的數(shù)字鐵路信息共享體系研究與構建，對推動整個鐵路行業(yè)的技術創(chuàng)新、管理創(chuàng)新提供了很好的催化劑，并且有利于促進相關產(chǎn)業(yè)的又好又快發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)、云計算[5]、三網(wǎng)合一等新一代信息技術，以及數(shù)據(jù)加工服務、智能工程機械制造等，具體表現(xiàn)為：

1、以協(xié)同理念為基礎的三維勘察設計新技術、新平臺研究及運用，以及工作模式和管理理念的變更，有助于三維設計軟件及輔助硬件產(chǎn)品的發(fā)展。大量的三維建模需求有助于三維測繪數(shù)據(jù)及三維基礎模型加工服務行業(yè)的發(fā)展。針對鐵路行業(yè)海量數(shù)據(jù)和高計算速度的需要，有助于高性能計算處理中心的建立和云計算技術的運用。

2、隨著鐵路數(shù)字化施工系統(tǒng)的推廣及應用，將對工程機械制造、地理信息系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等技術相關的產(chǎn)業(yè)帶來新需求、新機遇。特別是工程機械制造產(chǎn)業(yè)，大量信息化、智能化的工程機械產(chǎn)品需求，為提升該產(chǎn)業(yè)的制造能力和技術水平，提供了推動力。

3、安全是運營養(yǎng)護階段需要關注的核心問題之一。通過對物聯(lián)網(wǎng)技術的研究及應用，升級相關運營養(yǎng)護設備和設施，包括具“內(nèi)在智能”的傳感器、移動終端、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，能采用適當?shù)男畔踩Ｕ蠙C制，提供安全可控的實時在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、預案管理、遠程控制、決策支持，實現(xiàn)“高效、節(jié)能、安全、環(huán)?！钡摹肮堋⒖?、營”一體化服務。既提高運營養(yǎng)護的安全性，又促進整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而鐵路數(shù)字化仿真對虛擬化技術、多媒體產(chǎn)業(yè)發(fā)展也具有深遠影響。

可以預見，隨著數(shù)字鐵路及其信息共享體系研究的不斷深入，將促進現(xiàn)代通信、定位、遙感遙測、空間地理信息系統(tǒng)、計算機、通信、數(shù)據(jù)庫、虛擬仿真和其他相關技術的不斷發(fā)展。數(shù)字鐵路最終將會以交通工程勘探測量、規(guī)劃、設計、建造、運營養(yǎng)護、管理決策等全過程的數(shù)字化、可視化、智能化的綜合系統(tǒng)展現(xiàn)在我們面前。它將是“數(shù)字城市”之間連接的紐帶，是“數(shù)字國家”的大動脈，它的研究及建立將為大眾生活和國民經(jīng)濟發(fā)展提供可靠的基礎設施服務。

[1]寶琦. 基于BIM的工業(yè)建筑協(xié)同設計[J].工業(yè)建筑. 2010(40):48

[2]Autodesk BIM實施計劃-實用的BIM實施框架[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010. 6；12-29

[3]閔陽. 數(shù)字鐵路系統(tǒng)中三維可視化的研究[J]. 鐵道勘測與設計. 2010(4):16

[4]張錫洲,吳彥君,趙毅. 數(shù)字化施工管理系統(tǒng)的研究及應用[J]. 石油化工自動化.2010 (3):25

[5]劉鵬. 云計算 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社.2011.3；220-233

Research On Digital Railway Information Sharing Architecture

Zhang Yi CREEGC, Information Center, ChengDu 610031

Construction of digital railway needs to solve the information sharing and comprehensive utilization for the survey and design, construction, operation and maintenance. By analyzing the main research contents and key technologies, the information Sharing Architecture for digital railway is designed and given. These have important instruction function on construction of digital railway.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.141

張毅 計算機應用碩士 工程師 從事勘察設計軟件和三維技術應用研究。