軌道交通信息模型在地鐵站設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

文｜寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究 周 鑫 徐狄軍 王芬旗

一、引言

＞＞圖1 RIM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

軌道交通運(yùn)輸是先導(dǎo)性基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)運(yùn)行的基本載體，它與城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、市民生活的改善有著密切的關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前中國(guó)己有36個(gè)城市正在建設(shè)和籌建自己的軌道交通。其中，北京、上海、廣州在改建或進(jìn)一步完善城市地鐵系統(tǒng)。2010年全國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到1708.4公里，地鐵站點(diǎn)1131個(gè)。據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委消息，2015年，全國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到3000余公里。寧波、杭州、南京、蘇州、武漢等城市也在動(dòng)工興建或已在擬建地鐵及輕軌交通。然而，就在地鐵帶給人們方便快捷的同時(shí)，地鐵車(chē)站施工周期長(zhǎng)，車(chē)站建設(shè)期加重了交通壓力，極大地影響了人們的日常工作和生活。同時(shí)，我們注意到地鐵站點(diǎn)建設(shè)是整個(gè)地鐵建設(shè)中重要的組成部分，其中地鐵站點(diǎn)管線布置更是錯(cuò)綜復(fù)雜。地鐵站點(diǎn)在設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)任務(wù)重，各方協(xié)調(diào)工作量大；在施工階段，施工周期長(zhǎng)，材料浪費(fèi)大；運(yùn)行維護(hù)階段，運(yùn)營(yíng)維護(hù)信息量大，統(tǒng)籌管理困難。

地鐵設(shè)計(jì)階段，地鐵車(chē)站管網(wǎng)設(shè)計(jì)都是使用AutoCAD等二維軟件來(lái)制圖，所有管線都只能顯示在同一個(gè)平面上，無(wú)法看出管線與管線之間的空間關(guān)系，給地鐵車(chē)站的管網(wǎng)設(shè)計(jì)帶來(lái)了相當(dāng)?shù)碾y度。而且同專業(yè)管線之間與不同專業(yè)管線之間都在設(shè)計(jì)中存在大量的沖突需要協(xié)調(diào)和修改，例如暖通空調(diào)專業(yè)中的排風(fēng)管和送風(fēng)管，排風(fēng)管的位置調(diào)整后會(huì)影響到的送風(fēng)管或者冷凍水管或者其他管線的位置。設(shè)計(jì)圖紙中只要有某一個(gè)專業(yè)的管線設(shè)計(jì)發(fā)生改變，無(wú)法實(shí)時(shí)更新，需要牽動(dòng)所有專業(yè)的工作人員來(lái)對(duì)發(fā)生改變的位置來(lái)做出修改，協(xié)調(diào)難度大，工作效率極低。

為了使整個(gè)軌道交通建設(shè)工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)維護(hù)更快速、更智能、更具成本效益，我院提出軌道交通信息模型的全生命周期管理（Rail transit Information modeling lifecycle Management，簡(jiǎn)稱 RIM），用來(lái)輔助軌道交通工程的建設(shè)。

二、目的和意義

軌道交通信息模型的全生命周期管理（Rail transit Information Modeling lifecycle Management，RIM），指在項(xiàng)目全命周期內(nèi)綜合應(yīng)用三維仿真、激光掃描、GIS和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)協(xié)同管理、施工精細(xì)管理和運(yùn)營(yíng)智能管理的過(guò)程。

RIM可將地鐵車(chē)站管網(wǎng)的2D設(shè)計(jì)圖紙轉(zhuǎn)換成3D的可視化模型進(jìn)行查錯(cuò)糾偏，對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行優(yōu)化，有效地避免管網(wǎng)施工中由于設(shè)計(jì)原因造成的工期拖延和資源浪費(fèi)，并能用可視化的手段，來(lái)指導(dǎo)管網(wǎng)施工，并可以即時(shí)查詢管網(wǎng)設(shè)計(jì)信息。同時(shí)，用信息化、可視化的管理手段對(duì)地鐵車(chē)站管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)維管理，有效地解決對(duì)軌道交通運(yùn)維階段中信息量大、管理復(fù)雜等問(wèn)題，大大提高地鐵車(chē)站管網(wǎng)建設(shè)的效率，對(duì)軌道交通的建設(shè)和發(fā)展意義重大。

三、應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

針對(duì)軌道交通項(xiàng)目設(shè)計(jì)中所存在的系統(tǒng)繁多、布局復(fù)雜等設(shè)備管線布置問(wèn)題，RIM技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：

協(xié)同設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)、創(chuàng)建和管理包含來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的詳細(xì)數(shù)據(jù)和聚合數(shù)據(jù)的多維結(jié)構(gòu)，其中這些數(shù)據(jù)源（如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)）都存在于內(nèi)置計(jì)算支持的單個(gè)統(tǒng)一邏輯模型中。RIM可以嵌入主流應(yīng)用程序中，不增加工作人員的負(fù)擔(dān)。

三維管線綜合設(shè)計(jì)：該項(xiàng)目三維管線綜合設(shè)計(jì)采用的技術(shù)方案為，將所有管線的設(shè)計(jì)信息納入RIM系統(tǒng)，確定總體的排布方案和排布原則，根據(jù)安裝要求，確定管線綜合排布的空間層次分配，根據(jù)交叉點(diǎn)管線沖突整體調(diào)整管線高度，解決了沖突點(diǎn)標(biāo)高問(wèn)題，又減少了管線的翻彎。

＞＞圖2 軌道交通站點(diǎn)信息模型

＞＞圖3 三維剖面大樣圖

四、總體思路

三維管線綜合設(shè)計(jì)采用的技術(shù)方案為，將所有管線的設(shè)計(jì)信息納入RIM系統(tǒng)，確定總體的排布方案和排布原則，根據(jù)安裝要求，確定管線綜合排布的空間層次分配，根據(jù)交叉點(diǎn)管線沖突整體調(diào)整管線高度，解決了沖突點(diǎn)標(biāo)高問(wèn)題，又減少了管線的翻彎。具體思路為前期準(zhǔn)備工作，建立土建模型，設(shè)備管線模型，管線綜合調(diào)整，以及成果出圖。

為確保項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的相關(guān)信息能夠及時(shí)、正確地產(chǎn)生、收集、發(fā)布、存儲(chǔ)和最終處理，制定完善的溝通與協(xié)作計(jì)劃將有助于項(xiàng)目成員在整個(gè)項(xiàng)目組中高效地溝通、復(fù)用和共享數(shù)據(jù)并且避免數(shù)據(jù)丟失和誤解。

設(shè)計(jì)、創(chuàng)建和管理包含來(lái)自多個(gè)數(shù)據(jù)源的詳細(xì)數(shù)據(jù)和聚合數(shù)據(jù)的多維結(jié)構(gòu)，其中這些數(shù)據(jù)源（如關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)）都存在于內(nèi)置計(jì)算支持的單個(gè)統(tǒng)一邏輯模型中。RIM可以嵌入主流應(yīng)用程序中，不增加工作人員的負(fù)擔(dān)。

軌道交通項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段，RIM項(xiàng)目協(xié)作團(tuán)隊(duì)主要包括業(yè)主、總咨詢方、總體設(shè)計(jì)方、分項(xiàng)設(shè)計(jì)方和RIM咨詢方。RIM項(xiàng)目協(xié)作團(tuán)隊(duì)合理安排協(xié)作各方在各階段的溝通與交流是保證項(xiàng)目順利運(yùn)行的關(guān)鍵。

RIM項(xiàng)目可能涉及特定類(lèi)型的分析和應(yīng)用，而項(xiàng)目應(yīng)用的質(zhì)量往往取決于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，因?yàn)槟Ｐ褪菓?yīng)用的基礎(chǔ)。因此在建模之前需向建模人員明確傳達(dá)分析及應(yīng)用要求，以確保模型數(shù)據(jù)具有所需要的屬性信息等。

為了保證模型數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)，為項(xiàng)目后續(xù)階段提供便利，保證項(xiàng)目協(xié)作團(tuán)隊(duì)溝通交流順暢，需對(duì)模型內(nèi)容、詳細(xì)程度、文件命名以及文件結(jié)構(gòu)做出規(guī)定。

五、研究過(guò)程及成果應(yīng)用

在模型制作完成后，要對(duì)模型進(jìn)行協(xié)作校審并，發(fā)現(xiàn)的協(xié)調(diào)沖突應(yīng)進(jìn)行記錄和管理。通過(guò)管線與管線之間、管線與土建之間進(jìn)行碰撞檢測(cè)，逐個(gè)篩選，列出實(shí)際存在的沖突點(diǎn)。這些問(wèn)題應(yīng)以報(bào)告的形式傳達(dá)給相關(guān)方，其中應(yīng)至少包含以下內(nèi)容：

（1）任何沖突的具體位置（應(yīng)提供二維和三維圖像）。

（2）有問(wèn)題的對(duì)象的圖元ID。

（3）問(wèn)題的詳細(xì)說(shuō)明。

（4）被交叉引用的鏈接信息的詳細(xì)日期/修訂/出處。

（5）建議采取的解決方案或措施，以及實(shí)施人和實(shí)施日期。

應(yīng)在項(xiàng)目協(xié)調(diào)會(huì)議上討論未解決的問(wèn)題，進(jìn)行這項(xiàng)工作是非常有效的，有助于更有效地管理三維信息。

通過(guò)管線與管線之間、管線與土建之間進(jìn)行碰撞檢測(cè)，逐個(gè)篩選，列出實(shí)際存在的沖突點(diǎn)。

＞＞圖4 碰撞大樣之軸測(cè)圖與剖面圖

六、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

1．三維GIS技術(shù)

三維GIS技術(shù)是在傳統(tǒng)的二維地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將平面坐標(biāo)系統(tǒng)變換為空間坐標(biāo)系統(tǒng)的空間信息系統(tǒng)技術(shù)。

在RIM系統(tǒng)中，三維GIS技術(shù)是針對(duì)系統(tǒng)中所需要的二維CAD數(shù)據(jù)、三維管網(wǎng)和線站數(shù)據(jù)、施工運(yùn)維數(shù)據(jù)的一體化管理而應(yīng)用的。本系統(tǒng)采用ARCGIS的3D GIS平臺(tái)，在基于ArcGIS Engine的基礎(chǔ)上進(jìn)行了具有針對(duì)性的二次開(kāi)發(fā)，使系統(tǒng)具備良好的空間位置關(guān)系可視化的前提下，為系統(tǒng)所需要的空間分析、剖面分析、參數(shù)化建模、數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)構(gòu)建必須的基礎(chǔ)。

2．?dāng)?shù)據(jù)可視化技術(shù)

在RIM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在空間相對(duì)位置分析和可量測(cè)的同時(shí)對(duì)所需要表現(xiàn)的對(duì)象進(jìn)行色彩、形態(tài)和屬性的協(xié)調(diào)統(tǒng)一的規(guī)范展現(xiàn)。系統(tǒng)需要識(shí)別并展現(xiàn)對(duì)符合系統(tǒng)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)規(guī)范的對(duì)象數(shù)據(jù)，并賦予對(duì)應(yīng)空間屬性，在系統(tǒng)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)有序的現(xiàn)狀展示和信息交互。

3．創(chuàng)新點(diǎn)

粗粒度工程信息的超細(xì)粒度元素分解與復(fù)合技術(shù)，通過(guò)RIM技術(shù)，將工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行超細(xì)粒度分解，通過(guò)有效的篩選，進(jìn)行相關(guān)信息的復(fù)合，用于多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，方便信息流轉(zhuǎn)、共享、使用與管理，成功解決了軌道交通工程建設(shè)全生命周期內(nèi)產(chǎn)生的粗粒度的多源異構(gòu)信息難以貫穿全生命周期的難題。

七、結(jié)語(yǔ)

采用該技術(shù)方案可有效解決管線碰撞，減少管線彎轉(zhuǎn)，使管線排布美觀，增加空間利用率，另外整個(gè)過(guò)程是可視化操作，可反復(fù)模擬以優(yōu)化設(shè)計(jì)，另外還兼具良好的出圖性，適用性強(qiáng)，基本能全部掌握和解決碰撞點(diǎn)的處理，模型美觀易于發(fā)現(xiàn)碰撞，理順管線排布。在設(shè)備招投標(biāo)和施工之前，把管線綜合排布理順，把碰撞在設(shè)計(jì)階段排除，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，避免浪費(fèi)、返工和耽擱項(xiàng)目進(jìn)度。

＞＞圖5 模型色彩、形態(tài)和屬性的統(tǒng)一協(xié)調(diào)和有序展示

該技術(shù)方案應(yīng)用于寧波市軌道交通一號(hào)、二號(hào)線所有站點(diǎn)。寧波軌道交通二號(hào)線櫟社機(jī)場(chǎng)站三維管線綜合設(shè)計(jì)的碰撞個(gè)數(shù)有350多個(gè)，僅以此為例統(tǒng)計(jì)可節(jié)約人工及成本178.19萬(wàn)元。寧波地鐵規(guī)劃線路共6條，其中1、2號(hào)線已經(jīng)全面應(yīng)用RIM技術(shù)來(lái)輔助設(shè)計(jì)，后續(xù)建設(shè)項(xiàng)目也將應(yīng)用RIM技術(shù)，形成了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。