基于BIM技術的鐵路車站智能信息管理模式研究

路宏遙 吳佳欣 李雅雯 陳 威 張 超

(上海工程技術大學，上海 201620)

近年來，我國在鐵路建設領域取得了巨大進展，根據(jù)鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃和中長期鐵路網規(guī)劃，預計到2025年，我國鐵路線路總里程將達到17.5萬km，其中高速鐵路里程將達到3.8萬km[1]。鐵路運輸行業(yè)的快速發(fā)展對車站信息管理水平提出了更高的要求，為避免傳統(tǒng)管理模式中存在的資料缺失與管理脫節(jié)等問題，保證車站設施充分發(fā)揮效能，探索車站智能化信息管理模式勢在必行[2]。

從傳統(tǒng)管理方法的改進，到信息化管理技術的摸索，相關學者在鐵路車站工程信息管理與應用上一直在探尋更優(yōu)的管理模式。吳衛(wèi)民等人[3]提出了基于BIM的實時施工模型，將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)自動識別到計算機系統(tǒng)中，進行地鐵車站的施工模擬。陳一鑫等人[4]采用細化后的BIM模型，對車站關鍵的施工工藝進行模擬。李玉梅[5]開展了BIM平臺搭建與施工過程信息化應用方面研究，為鐵路綜合項目提出了合理解決方案。曾紹武等人[6]建立了地鐵基礎三維信息模型，進行成本分析與進度控制，實現(xiàn)移動跟蹤控制施工過程中的質量問題。楊陳相[7]將BIM技術與實際工程相結合，應用地鐵車站建筑結構協(xié)同設計方法完成施工作業(yè)。李坤[8]將BIM技術應用推廣到結構計算和工程量統(tǒng)計的過程中，指導地鐵車站結構設計。既有的研究成果對鐵路車站的設計與建設提出了有效的解決方案，但仍存在一定的局限性，關于鐵路車站工程資料信息智能管理模式的研究不夠深入，難以實現(xiàn)工程全生命周期內的信息綜合管理與交互。

為滿足鐵路車站智能信息管理水平的要求，本文引入BIM技術建立鐵路車站三維信息模型，實現(xiàn)可視化與信息化的鐵路車站工程資料管理，所有參與者在項目全生命周期內能夠在模型中更新、查詢與調用數(shù)據(jù)，提高信息的準確性和完整性。同時，接入虛擬現(xiàn)實(VR)設備，實現(xiàn)漫游與信息資料的交互共享，為車站管理部門提供一個高效的工程資料信息管理平臺，進一步適應鐵路現(xiàn)代化建設的發(fā)展要求。

1 鐵路車站智能信息管理體系現(xiàn)狀

鐵路車站信息管理是一個涉及多專業(yè)的復雜管理體系，包含站房、線路與軌道等主要結構。其中，鐵路車站站房內部結構設有售票廳、候車室、進出站設備以及旅客服務設施等。鐵路線路作為供列車運行的構筑物，分為正線、站線與岔線等。軌道作為鐵路線路的重要組成部分，包括鋼軌、軌枕、扣件和道岔等主要部件。需管理的信息涉及工程設計、施工和運營等全生命周期的多個階段，對鐵路車站智能信息管理模式提出了更高的要求。

1.1 既有鐵路車站信息管理弊端

1.2 BIM技術的優(yōu)勢

在鐵路車站智能信息管理中引入BIM技術，主要有以下優(yōu)勢：

(1)關鍵結構三維可視化

傳統(tǒng)工程資料主要通過文字和照片的形式，以紙質檔案和電子表格為載體進行信息的存儲，難以有效指導鐵路車站的設計與施工，投入運營后無法為維保工作提供科學決策依據(jù)。BIM技術具備資源共享和協(xié)調各參與方完成專業(yè)任務的優(yōu)勢，基于BIM技術創(chuàng)建的三維可視化模型，能直觀地向不同階段、不同專業(yè)的從業(yè)人員展示構件的空間布局和層級關系，其可視化特性貫穿于鐵路車站全生命周期。

(2)資料信息化存儲與調用

應用BIM技術可實現(xiàn)工程資料的高度信息化，方便后期的保存與管理。充分利用各專業(yè)之間的信息互通，從而達到工程資料統(tǒng)一合理調配、高效準確調取的效果，為后期工程資料整理、保管以及模型化關聯(lián)的工作效率提供保障。

(3)場景漫游與信息交互

將模型導入Unity3D軟件中，與VR設備建立連接關系[9]，應用技術手段將工程資料以虛擬現(xiàn)實的形式直觀呈現(xiàn)，決策者可在虛擬場景中漫游，實現(xiàn)直觀查看信息、科學輔助設計等。同時，利用智能傳感器實現(xiàn)視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)的相互結合，對操作人員發(fā)出振動、聲音與標識提示等，實現(xiàn)關鍵信息的綜合提醒。

所有統(tǒng)計學資料都采用SPSS 21.0專業(yè)統(tǒng)計學軟件進行數(shù)據(jù)分析，計量資料以均數(shù)±標準差表示，并采用方差分析。而所有的計數(shù)資料以率（n，%）表示，用x2檢驗，P＜0.05評價為差異具有顯著性。

2 基于BIM技術的鐵路車站智能信息管理體系

2.1 三維建模流程與實現(xiàn)

本文以國內某既有鐵路車站的改擴建工程為例，基于Revit軟件建立車站三維信息模型，將初始模型導入Unity3D軟件的開發(fā)平臺，搭建一個數(shù)字化的三維空間，并在此基礎上實現(xiàn)鐵路車站模型中各項信息的交互功能。車站三維建模流程如圖1所示。

圖1 車站三維建模流程圖

(1)創(chuàng)建地形

地形是整個鐵路車站三維模型的基礎，確定了場景的地理特征。根據(jù)實際情況對周圍場景進行布置，如河流的走向、道路的布局等。在創(chuàng)建地形階段，可同時設置自然條件，通過設置自然光源的強度、光照角度等參數(shù)信息對場景的自然條件進行渲染。

(2)設置材質、貼圖

三維模型建立時，需按照實際情況設置標準材質，制定其命名標準。模型導入Unity3D開發(fā)平臺后，可識別三維模型標準材質并繼承其命名。將貼圖拖移到材質的相應位置，使所建立的模型場景具有真實感，達到虛擬現(xiàn)實的效果。

(3)燈光烘焙

在虛擬站場環(huán)境中可設置日光光源，調整自然光源的強度與角度模擬室外的站場環(huán)境。在候車大廳中可設置點光源，調整點光源的位置參數(shù)模擬室內站房。采用合理的光線布局，使車站不同位置的場景更具有空間感，有效提升鐵路車站整體的視覺效果。

2.2 模型數(shù)據(jù)調用實現(xiàn)

數(shù)據(jù)信息進行匯總時，需將既有的紙質資料轉化為適當文件格式的電子資料，以便將其一并導入數(shù)據(jù)庫中。依據(jù)中國鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的鐵路工程信息模型分類和編碼標準將文件進行分類歸檔，并將所導出的工程信息和貼圖等文件復制到工程目錄對應的文件夾下，實現(xiàn)模型信息的數(shù)據(jù)庫導入與存儲。

BIM技術人員可根據(jù)施工變更及設計深化，實時調整鐵路車站信息模型，所搭建的數(shù)據(jù)庫自動檢測新工程信息的導入，逐步完善模型中尚未精確完善的信息，并更新項目文件面板下相應的數(shù)據(jù)。車站工程資料信息量較多時，為使讀取資源更為快捷，可創(chuàng)建不同的文件夾將資源分類、分級存放，高效地實現(xiàn)工程信息的查詢、調用、更新與刪除等功能。

2.3 場景漫游與交互實現(xiàn)

基于VR技術的沉浸感與交互性特性，并借助外接設備，在搭建的三維模型場景中漫游，實現(xiàn)虛擬場景建模技術與交互漫游技術的結合。

硬件方面，功能實現(xiàn)主要包含VR頭戴設備、智能手柄與多功能傳感器等。VR頭戴設備利用人的左右眼獲取信息差異，通過大腦的視覺中樞產生立體感，引導操作者產生身臨其境的感覺。操作者通過智能手柄可直接與虛擬世界進行交互信息。智能傳感器主要包含振動、聲音等發(fā)生裝置，借助計算機及傳感器等技術，使用者能夠獲得視覺、聽覺與觸覺等體驗。

軟件方面，實現(xiàn)場景漫游主要通過Revit建立鐵路車站三維可視化模型，并導入Unity3D開發(fā)平臺中，借助Unity3D第一人稱角色控制組件，在畫面中顯示手柄，進行信息的直接交互。第一人稱組件的攝像機充當了操作者眼睛的角色，為用戶抓取視圖，將游覽的內容展示在顯示器上。開發(fā)者可通過腳本在任何時間點切換主攝像機，通過有選擇性地渲染場景中的物體，達到更好的虛擬車站交互式自主漫游。

3 工程實際應用

將BIM技術運用到鐵路車站智能信息管理中，實現(xiàn)了利用三維可視化模型指導設計與施工和各階段工程信息與資料的快速存儲、調用與保存。與VR技術交互性相結合，將工程人員的視覺系統(tǒng)和運動感知系統(tǒng)聯(lián)系起來，提升了鐵路現(xiàn)代化管理水平。

3.1 可視化建模指導施工

依據(jù)所提供的二維設計資料，完成鐵路車站三維建模，通過數(shù)字信息仿真，模擬出鐵路車站所具有的真實信息。調整三維模型的材質、貼圖與場景燈光等，實現(xiàn)對不同位置的渲染，以虛擬的三維立體建筑模型展現(xiàn)出來。在工程施工的不同階段，工程人員可提前對車站結構進行直觀了解，避免因二維設計圖紙不能直觀展示建筑整體而影響施工進度和精度的情況發(fā)生。某車站站廳的三維模型搭建、可視化模型渲染、施工實景和竣工實景如圖2～圖4所示。從圖中可以看出，基于BIM技術的鐵路車站智能信息管理體系可視化建模效果逼真，能有效指導車站施工，提高不同階段下施工人員對工程結構整體認知。

圖2 站廳可視化模型渲染圖

圖3 站廳施工實景圖

圖4 站廳竣工實景圖

3.2 工程資料隨時調用

各類工程信息數(shù)據(jù)經分類歸檔、轉換格式后導入數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。所導入的二維數(shù)據(jù)經處理，在虛擬車站中可實現(xiàn)立體化、多形式化調取查看。以車站內部設施為例，對閘機、車站顯示屏和電梯等進行信息調取，相關信息可通過文字、圖片與視頻等多形式更加直觀展現(xiàn)出來。

3.3 多場景漫游與信息交互

工程人員佩戴上VR眼鏡，通過操作智能手柄，在虛擬車站內實現(xiàn)自由移動，參與設計、施工與維保等人員可漫游在一個擁有視覺、聽覺與運動感知的虛擬車站中。如在優(yōu)化進出站工程設計方面，操作人員根據(jù)需求，通過不同視角觀察車站不同位置的建筑信息，及時發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷與不足，并根據(jù)真實漫游感受，提出更為便捷的進出站與換乘方式，實現(xiàn)更好的客運組織與管理等。

在模型適當位置關聯(lián)信息后，可提前導入圖片、音頻與視頻信息，配合智能傳感器，實現(xiàn)提醒與警示等效果。以智能語音提示系統(tǒng)為例，當工程人員漫游至候車大廳時，自動播報車次信息與候車位置；漫游至不可停留危險區(qū)域時，進行安全警示并進行振動提醒，基于多感官，實現(xiàn)操作人員與車站模型的綜合交互操作。

4 結論

鐵路車站結構組成復雜，設計、施工與運營等環(huán)節(jié)涉及專業(yè)較多，工程資料復雜，管理工作繁重。在鐵路車站信息管理中引入BIM技術，可滿足工程資料管理中的各項需求，減少工作人員的工作量，提高信息的準確性與完整性。將虛擬現(xiàn)實技術與BIM技術結合，整合兩大技術的優(yōu)勢條件，搭建起車站智能信息管理系統(tǒng)。鐵路車站智能信息管理技術的實施，實現(xiàn)了資料的交互共享和工程資料信息化、精細化的管理目標，為鐵路車站的信息管理提供一種新的模式和思路。