信息化模型技術(shù)在鐵路車站改造中的應(yīng)用研究

高文峰

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

近年來，中國鐵路及城市軌道交通進(jìn)入快速發(fā)展建設(shè)時(shí)期[1]，一些大型的既有車站成為制約鐵路發(fā)展的瓶頸，急需改造。既有鐵路大型車站改造工藝流程復(fù)雜，且工程管理現(xiàn)狀為“紙質(zhì)”、“手工”、“分散” 和“基礎(chǔ)”式的管理，與現(xiàn)代化鐵路建設(shè)管理要求不相匹配， 迫切需要標(biāo)準(zhǔn)化、信息化和網(wǎng)格化的管理系統(tǒng)[2]，以提高管理效率。3DGIS集成了鐵路信息模型和BIM模型，能為大型車站改造工程提供虛擬的仿真地理環(huán)境，為改造方案的備選提供輔助決策。因此，構(gòu)建鐵路大型車站信息化模型系統(tǒng)對提高大型車站改造效率和安全性具有重要的意義[3-4]。

鐵路建設(shè)項(xiàng)目管理信息系統(tǒng)將調(diào)度指揮、管理決策、應(yīng)急管理以及現(xiàn)場監(jiān)控等作為重點(diǎn)管理內(nèi)容[5]，不僅可以將傳統(tǒng)的沙盤匯報(bào)模式轉(zhuǎn)換為真三維場景，還可對施工建設(shè)進(jìn)度進(jìn)行管理和實(shí)時(shí)監(jiān)控，對施工過程中的拆遷順序和車流分配調(diào)度管理進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)宏觀和微觀的統(tǒng)一[6]。

1 鐵路模型分類

鐵路信息化模型可以分為三個(gè)部分：三維場景模型、車站構(gòu)筑物模型、鐵路結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型。

(1)三維場景模型

主要用于展示車站周邊的地形地貌，以及與周邊交通、建筑、環(huán)境間的空間位置分布關(guān)系和互通關(guān)系；同時(shí)也是其它模型的載體，可通過精確的空間位置來展示三維場景模型和車站模型的相互關(guān)系。航天航空數(shù)據(jù)、DOM、DEM是構(gòu)建三維場景模型的主要數(shù)據(jù)源[7]。

(2)車站構(gòu)筑物模型

主要包括車站相關(guān)的建筑物，如站房、雨棚、站臺(tái)和相關(guān)建筑物(防護(hù)圍墻或柵欄、應(yīng)急通道、限高架等)。車站構(gòu)筑物模型是樞紐改造的重要組成部分，可分為重新裝修、結(jié)構(gòu)改造、重新設(shè)計(jì)修建三種情況。車站構(gòu)筑物模型制作主要采用空、地一體化的方式，利用航空攝影測量技術(shù)獲取立體模型，在立體模型中采集結(jié)構(gòu)線，根據(jù)結(jié)構(gòu)線生成“白”模，再將現(xiàn)場拍攝的真彩色紋理照片粘貼在對應(yīng)的結(jié)構(gòu)面上，從而形成精確的三維單體化模型。

(3)鐵路結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型

鐵路自身結(jié)構(gòu)包括路基、橋梁、隧道、涵洞、救生梯等，相關(guān)的設(shè)備包括道床、道砟、枕木、軌道板(高鐵)，鋼軌、道岔、信號燈、電桿、電線等。鐵路結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型的構(gòu)建需借助設(shè)計(jì)參數(shù)(如橋梁、隧道、路基的設(shè)計(jì)參數(shù))進(jìn)行三維建模；相關(guān)設(shè)備設(shè)施主要根據(jù)設(shè)備的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。

2 鐵路信息化模型的特點(diǎn)

(1)組件化

為了充分利用鐵路信息化模型進(jìn)行精細(xì)管理，必須對模型進(jìn)行組件化；通常按照工程系統(tǒng)的分解結(jié)構(gòu)(Engineering Breakdown Structure，EBS)進(jìn)行分解，例如：橋梁的樁基、橋墩、橋臺(tái)，鐵路的軌道、軌道板、道床，都應(yīng)作為單獨(dú)的組件嵌入到鐵路信息化模型中。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立鐵路行業(yè)的獨(dú)立構(gòu)件，可以提高鐵路中線的附加信息值[8]。

(2)信息化

三維模型的每個(gè)組件都有對應(yīng)的屬性信息，可通過語義分析對模型或者模型的組件進(jìn)行管理。這也是鐵路信息化模型的最主要特征之一。

(3)標(biāo)準(zhǔn)化

是鐵路信息化模型的基礎(chǔ)，目前主要參考的標(biāo)準(zhǔn)包括：鐵路聯(lián)盟發(fā)布的鐵路工程信息模型的分類編碼、語義和數(shù)據(jù)交換三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)精確化

是鐵路信息化模型的基本要求之一。所構(gòu)建三維模型的表面物理結(jié)構(gòu)須與建筑物的實(shí)際結(jié)構(gòu)基本一致，其物理尺寸誤差必須控制在一定的范圍之內(nèi)，紋理結(jié)構(gòu)與實(shí)際的紋理結(jié)構(gòu)須保持基本一致，通過輪廓和紋理能夠直觀地區(qū)分其明顯特征(見圖1)。

圖1 基于傾斜攝影測量的哈爾濱車站三維場景構(gòu)建

3 鐵路信息化模型系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 鐵路信息化模型構(gòu)建

(1)三維場景模型構(gòu)建

構(gòu)建三維場景模型的主要目的是為鐵路信息化模型搭建基礎(chǔ)地理信息平臺(tái)，從宏觀層面展示鐵路信息化模型和周邊環(huán)境的空間地理關(guān)系及鐵路車站改造過程的影響范圍；利用航空攝影測量技術(shù)(包括數(shù)碼航空攝影測量、傾斜攝影測量、激光雷達(dá)測量及無人機(jī)攝影測量等)獲取研究范圍內(nèi)的正射及傾斜航空影像數(shù)據(jù)，通過傳統(tǒng)航空攝影測量技術(shù)處理及傾斜攝影技術(shù)處理，得到數(shù)字正攝影像(DOM)和數(shù)字高程模型(DEM)，在三維地理信息系統(tǒng)中疊加生成車站周邊三維地理場景模型。

在建筑物密集區(qū)，為了更加直觀地展示車站與周邊建筑物的關(guān)系，需要構(gòu)建周邊建筑物的三維模型。根據(jù)建筑物的空間位置、影響范圍、重要性以及實(shí)際需求，分別建立“白”模和“精”模(如圖2所示)，或者利用傾斜攝影測量技術(shù)，建立整個(gè)區(qū)域的建筑物三維模型(如圖1所示)。

圖2 哈站周邊建筑物的“白”模和“精”模

(2)車站構(gòu)筑物模型構(gòu)建

車站構(gòu)筑物模型是車站工程改造的重要組成部分和施工組織管理的重點(diǎn)。車站構(gòu)筑物主要包括車站相關(guān)的建筑物、與鐵路相交的橋梁等。為了達(dá)到可視化效果和效率的平衡，根據(jù)管理需求，構(gòu)建不同精細(xì)程度的車站構(gòu)筑物模型。上跨或者下鉆的構(gòu)筑物(如橋梁、隧道等)需要建立精確的物理幾何模型(如圖3所示)，用于分析構(gòu)筑物和鐵路之間的空間關(guān)系；對于車站，需要利用設(shè)計(jì)資料和BIM設(shè)計(jì)軟件建立站房BIM模型(如圖4所示)，用于施工組織管理、空間分析及應(yīng)急管理等。

圖3 基于地面激光掃描技術(shù)的霽虹橋精細(xì)模型

圖4 站房BIM模型(部分)

(3)鐵路結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型

鐵路結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型是鐵路信息化的重點(diǎn)。這類模型都有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)參數(shù)和物理幾何尺寸，也是改造過程中的重點(diǎn)對象，需要將其空間地理位置、幾何尺寸、安裝姿態(tài)及與線路之間的相對位置關(guān)系精確地展現(xiàn)出來，圖5展示了信號機(jī)參數(shù)模型與軌道模型之間的空間相對位置關(guān)系。

圖5 基于參數(shù)的信號機(jī)和軌道模型構(gòu)建及其空間相對位置關(guān)系

在建模過程中或者建模后，需要對鐵路結(jié)構(gòu)和設(shè)備模型進(jìn)行信息化，即編輯模型以及模型組件的屬性信息。同類數(shù)據(jù)需要建立統(tǒng)一的屬性集，比如建筑物需要根據(jù)收集到的資料建立諸如建筑物名、建造年代、建筑物面積、權(quán)屬人等屬性字段，以方便在鐵路綜合信息管理系統(tǒng)中對各種模型進(jìn)行查詢管理。

3.2 鐵路信息化模型系統(tǒng)集成

模型集成是展示站場環(huán)境整體效果的基礎(chǔ)。BIM和GIS都有其自身的局限性，需要將二者結(jié)合使用[10-12]。目前，通用的集成方法是以三維地理信息平臺(tái)為管理平臺(tái)，將各種地理信息數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)集成在一起，并開發(fā)相應(yīng)的管理功能。常用的三維管理平臺(tái)有Skyline、SuperMap、ArcGIS、CityMaker等。三維場景模型都帶有精確的地理坐標(biāo)，可以直接按照地理坐標(biāo)導(dǎo)入三維地理信息系統(tǒng)中。對于單體化的模型來說，可采用模型矢量導(dǎo)入表對各種模型進(jìn)行組織、顯示和管理。以BIM模型為例，制作模型導(dǎo)入表，包括模型編號、地理坐標(biāo)、姿態(tài)參數(shù)等；采用BIM建模時(shí)的模型編碼作為模型的唯一標(biāo)識。地理坐標(biāo)計(jì)算包括從三維模型坐標(biāo)到三維地理空間坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換、三個(gè)姿態(tài)參數(shù)(Yaw、Pitch、Roll)的計(jì)算。通過對地理坐標(biāo)(X、Y、Z)和姿態(tài)參數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算，可將建筑物三維模型構(gòu)件無縫集成到在3DGIS平臺(tái)中，集成效果如圖6所示。

圖6 建筑物模型與3DGIS集成

在集成后的鐵路信息化模型系統(tǒng)中，針對鐵路車站改造工程的需求，可定制開發(fā)各種管理功能，如資料查詢、地物量測、安全監(jiān)控、施組計(jì)劃編寫、安全檢查、進(jìn)度管理等功能。

4 鐵路信息化模型的應(yīng)用

基于信息化模型構(gòu)建的鐵路信息化管理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車站改造管理的信息化、智能化，提高管理效率。以下從最常用的施工組織、形象進(jìn)度管理、征拆管理等方面對鐵路信息化模型在車站改造中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

4.1 施工組織管理

傳統(tǒng)的工程管理軟件信息化水平較低，制約了鐵路工程管理水平的提高[13]。這種方式制定的施工計(jì)劃與工程對象模型、地理信息等沒有關(guān)聯(lián)，無法實(shí)現(xiàn)對工程進(jìn)度形象化的預(yù)演，也不能直觀地查詢?nèi)我鈺r(shí)間點(diǎn)的工程全貌。

為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)度計(jì)劃的可視化、形象化管理，需將信息化模型與工程分解子項(xiàng)關(guān)聯(lián)起來。為了實(shí)現(xiàn)對海量工程信息的有效管理，采用二維圖形符號與三維模型相結(jié)合的方式來表達(dá)工程的進(jìn)展(見圖7、圖8)。

圖7 工程對象的圖形化表達(dá)

圖8 工程對象的三維實(shí)體模型表達(dá)

4.2 形象進(jìn)度管理

施工計(jì)劃的形象化表達(dá)分兩個(gè)方面：一是施工計(jì)劃編制時(shí)的工程對象形象化表達(dá)，二是施工計(jì)劃查詢時(shí)的形象化表達(dá)。形象化計(jì)劃編制和查詢都需要建立圖形、模型對象與工程元素的一一對應(yīng)關(guān)系。在數(shù)據(jù)制作階段，根據(jù)施工計(jì)劃拆分和裁切二維圖形和模型，對每個(gè)圖元和模型進(jìn)行編碼，建立該編碼和EBS編碼的對應(yīng)關(guān)系，以及形象化圖形模型數(shù)據(jù)和施工計(jì)劃邏輯數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系，通過圖元和模型來修改施組計(jì)劃邏輯數(shù)據(jù)，也可使用施組計(jì)劃邏輯數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)圖形和模型。通過拖動(dòng)時(shí)間條，可實(shí)時(shí)查看任意時(shí)間點(diǎn)的計(jì)劃進(jìn)度，由此實(shí)現(xiàn)3D模型向4D模型的轉(zhuǎn)變(見圖9)。

圖9 4D模型進(jìn)度示意

4.3 征拆管理

通常情況下，車站改造建設(shè)時(shí)間長，總投資大，參與建設(shè)部門多，而且大部分車站都處于城市中心，改造困難較大，對項(xiàng)目管理水平提出了更高的要求。利用鐵路信息模型系統(tǒng)建立拆改方案管理數(shù)據(jù)庫，對站房拆改方案進(jìn)行綜合展示、管理和分析，為參建各方提供一個(gè)公共、形象直觀的溝通交流平臺(tái)；另一方面，可對方案進(jìn)行模擬、對比分析等，結(jié)合三維矢量和BIM模型進(jìn)行新建工程與拆改工程的時(shí)空關(guān)系表達(dá)，可優(yōu)化拆改方案，提高項(xiàng)目管理水平和效益(如圖10所示)。

圖10 站場軌道拆改方案對比(圖中紅色為新建方案，藍(lán)色為既有線路軌道)

4.4 資料管理

圍繞質(zhì)量、安全、進(jìn)度、投資等管理內(nèi)容開展信息化系統(tǒng)子模塊的應(yīng)用，記錄和存儲(chǔ)工程實(shí)施過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，為建設(shè)管理提供信息化服務(wù)。在工程竣工時(shí)，從過程數(shù)據(jù)中提取重要信息，與GIS數(shù)據(jù)、BIM模型一起進(jìn)行資料移交，為后續(xù)的運(yùn)維管理提供數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

以鐵路信息化模型技術(shù)服務(wù)于鐵路車站改造為目標(biāo)，分別闡述了鐵路信息化模型的特點(diǎn)、鐵路信息化模型系統(tǒng)的構(gòu)建方法、鐵路信息化模型系統(tǒng)在鐵路車站改造中的應(yīng)用。以哈爾濱樞紐改造為例，通過將鐵路車站改造范圍內(nèi)的構(gòu)筑物(部件)數(shù)字化，加入屬性信息，構(gòu)建鐵路信息化模型，并將三維地理模型、鐵路信息化模型通過3DGIS進(jìn)行集成管理，按照施工組織對施工建設(shè)過程進(jìn)行精細(xì)化管理；利用三維實(shí)景模型與虛擬模型相結(jié)合的方式，真實(shí)還原建設(shè)過程，推演施工組織過程的合理性，發(fā)現(xiàn)存在的各種風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化施工組織，防范施工風(fēng)險(xiǎn)，提高現(xiàn)場管理信息化水平[14-15]。