鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺(tái)研究與開發(fā)

韓鑫，馬玉春，林剛

（中鐵一院集團(tuán)蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云平臺(tái)等新技術(shù)的快速發(fā)展且趨于成熟，鐵路數(shù)字智能化的信息建設(shè)發(fā)展序幕陸續(xù)開啟［1-3］?，F(xiàn)代鐵路工程建設(shè)將更加注重BIM、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，構(gòu)建全生命周期一體化智能鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，降低基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期成本，鐵路工程管理平臺(tái)開始在新建鐵路項(xiàng)目中全面推廣應(yīng)用［4-5］。鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺(tái)（簡稱平臺(tái)）可實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、運(yùn)維狀態(tài)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)信息一體化協(xié)同管理，為鐵路項(xiàng)目參與各方提供全生命周期的可視化大數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

1 平臺(tái)建設(shè)

基于3D空間信息平臺(tái)、BIM云平臺(tái)、GIM云平臺(tái)、在線監(jiān)測云平臺(tái)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)云平臺(tái)等多平臺(tái)融合技術(shù)，開發(fā)全生命周期三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)見圖1。

1.1 設(shè)計(jì)階段

在工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段應(yīng)用BIM技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，迎合行業(yè)要求的BIM正向設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，滿足設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用需求［6］。可基于BIM+技術(shù)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、三維可視化方案對(duì)比、設(shè)計(jì)內(nèi)容經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析、性能分析、指標(biāo)分析等管理效用。平臺(tái)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用架構(gòu)見圖2。

圖1 平臺(tái)技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)

圖2 平臺(tái)設(shè)計(jì)階段應(yīng)用架構(gòu)

1.2 建設(shè)階段

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，依托BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等現(xiàn)代信息化技術(shù)建設(shè)的數(shù)字化工程項(xiàng)目協(xié)同管理系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)），在平臺(tái)上進(jìn)行工程施工安全、質(zhì)量、進(jìn)度、費(fèi)用、檔案等內(nèi)容的可視化管理。系統(tǒng)主要服務(wù)于項(xiàng)目日常管理工作，同時(shí)為平臺(tái)提供相關(guān)數(shù)據(jù)，將工程管理過程中相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，提高數(shù)據(jù)交換效率，降低管理成本，最終達(dá)到提高工程項(xiàng)目管理水平的目的。平臺(tái)建設(shè)階段應(yīng)用架構(gòu)見圖3。

1.3 運(yùn)維階段

利用竣工驗(yàn)收的各構(gòu)造物BIM和GIS模型構(gòu)建運(yùn)維管理三維地理信息環(huán)境。將運(yùn)維數(shù)據(jù)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，運(yùn)維管理過程數(shù)據(jù)集成、交互、分析，為鐵路運(yùn)維管理提供可視化解決方案，為運(yùn)維參與單位打造方便、高效、穩(wěn)定、安全的協(xié)同化平臺(tái)。平臺(tái)運(yùn)維階段應(yīng)用架構(gòu)見圖4。

圖3 平臺(tái)建設(shè)階段應(yīng)用架構(gòu)

圖4 平臺(tái)運(yùn)維階段應(yīng)用架構(gòu)

2 平臺(tái)技術(shù)體系

2.1 技術(shù)路線

平臺(tái)技術(shù)路線包括三維協(xié)同、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)三大部分（見圖5）。

三維協(xié)同：通過帶準(zhǔn)確坐標(biāo)的鐵路里程線將多種誤差精度及地物分辨精細(xì)度的衛(wèi)星影像、正射影像、傾斜模型及各類測繪坐標(biāo)點(diǎn)、中線矢量統(tǒng)一配準(zhǔn)、擬合、疊加、嵌套進(jìn)三維GIS空間信息平臺(tái)中，為鐵路工程的虛擬化表達(dá)提供可視化工具平臺(tái)，解決鐵路工程虛擬空間可辨識(shí)及拓?fù)湔{(diào)查的基礎(chǔ)，達(dá)到三維協(xié)同的功用。

圖5 平臺(tái)技術(shù)路線

大數(shù)據(jù)：通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將各種三維模型數(shù)據(jù)格式（OSGB、3ds、BIM、FBX）按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)分類編碼，分解及存儲(chǔ)定義格式進(jìn)行構(gòu)件級(jí)單體化，再以單體對(duì)象為數(shù)據(jù)載體，集成圖形、文檔、音視頻等數(shù)據(jù)（DWG、PNG、JPG、PDF、MP4、doc等），也可以模型構(gòu)件對(duì)象為檢索要素，進(jìn)行可視、快速信息采集和各類報(bào)表的輸出。

云平臺(tái)：以三維GIS空間信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過云平臺(tái)融合技術(shù)，將BIM云平臺(tái)、GIM云平臺(tái)、在線監(jiān)測云平臺(tái)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)云平臺(tái)進(jìn)行有效整合，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的算法與功能，可在一個(gè)應(yīng)用場景中對(duì)功能結(jié)構(gòu)重組，以及新建相互配合機(jī)制，達(dá)到可用數(shù)據(jù)與應(yīng)用成果的實(shí)時(shí)歸集、發(fā)布共享。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

平臺(tái)采用分層技術(shù)架構(gòu)，自下而上分為6層，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)施層（云平臺(tái)）、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)必須要有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系、安全保障體系的數(shù)據(jù)架構(gòu)支撐為之匹配，因此平臺(tái)數(shù)據(jù)也采用分層架構(gòu)，自下而上分為5層，包括支撐層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、接口層、功能層和應(yīng)用層。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺(tái)采用C/S+B/S系統(tǒng)架構(gòu)，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)客戶端+Web端與服務(wù)端的信息交互（見圖6）。

圖6 平臺(tái)軟件系統(tǒng)架構(gòu)

2.4 功能組成

平臺(tái)主要由項(xiàng)目管理、用戶管理、工具管理和數(shù)據(jù)管理4個(gè)管理模塊及8個(gè)應(yīng)用子系統(tǒng)（設(shè)計(jì)輔助系統(tǒng)、演示系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、檢測監(jiān)測系統(tǒng)、采報(bào)系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和AI系統(tǒng)）組成（見圖7）。

圖7 平臺(tái)功能組成

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

平臺(tái)的核心是“1+4”模式的平臺(tái)集成。即以3D空間信息平臺(tái)為基礎(chǔ)，通過云平臺(tái)融合技術(shù)，將BIM云平臺(tái)、GIM云平臺(tái)、在線監(jiān)測評(píng)估及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)云平臺(tái)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的算法與功能在一個(gè)應(yīng)用場景中重組應(yīng)用結(jié)構(gòu)與相互配合的機(jī)制，達(dá)到數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)歸集、發(fā)布共享。

平臺(tái)交互模塊實(shí)現(xiàn)了客戶端應(yīng)用系統(tǒng)與云平臺(tái)間的交互操作，包括各類平臺(tái)之間數(shù)據(jù)、功能的相互調(diào)用（見圖8）。平臺(tái)交互模塊的功能主要包括平臺(tái)調(diào)用、平臺(tái)通信、數(shù)據(jù)交換。平臺(tái)最終界面示意見圖9。

（1）平臺(tái)調(diào)用：客戶端應(yīng)用系統(tǒng)通過瀏覽器插件訪問云平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)。其中，瀏覽器插件集成最新的Google Chrome內(nèi)核，基于JavaScript V8引擎開發(fā)，能夠充分滿足云平臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)的加載顯示要求。

（2）平臺(tái)通信：主要實(shí)現(xiàn)客戶端應(yīng)用系統(tǒng)與各云平臺(tái)間的信息通信功能，滿足平臺(tái)間的數(shù)據(jù)交互、功能調(diào)用、成果共享等需求。平臺(tái)采用Web Service、Web Socket等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

（3）數(shù)據(jù)交換：是指對(duì)不同平臺(tái)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行序列化、壓縮解壓、加密解密等操作。平臺(tái)間的通信根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，采用JSON、XML、字節(jié)流等不同載體進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖8 平臺(tái)交互處理流程

圖9 平臺(tái)最終界面示意圖

3 平臺(tái)應(yīng)用價(jià)值

3.1 拓展工程全生命周期服務(wù)范圍

平臺(tái)可集成各種數(shù)據(jù)源模型，包括無人機(jī)傾斜航攝實(shí)景模型、BIM參數(shù)化信息模型、3DMAX精修渲染模型、GIM地質(zhì)地層模型，以及其他各種二、三維數(shù)據(jù)模型，各類模型均可進(jìn)行對(duì)象單體化，掛接集成多種格式的屬性信息。其核心理念是以工程構(gòu)件模型對(duì)象為檢索要素進(jìn)行信息集成，將具體設(shè)備設(shè)施模型對(duì)象的設(shè)計(jì)信息、工程信息、檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等相關(guān)靜態(tài)信息與動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行專題功能結(jié)構(gòu)化加工后，可滿足項(xiàng)目工程全階段對(duì)數(shù)字孿生的信息標(biāo)準(zhǔn)需求，即完成信息平臺(tái)的交付。

平臺(tái)可通過對(duì)項(xiàng)目工程中的環(huán)境、人員、機(jī)械、物料、方法等信息的有效采集與集成，可實(shí)現(xiàn)在真三維實(shí)景中按GIS坐標(biāo)或里程定位進(jìn)行可視化的信息交互（場景瀏覽、快速查詢、標(biāo)注、檢索、編輯等）、對(duì)比對(duì)照（自動(dòng)多期影像識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)時(shí)檢測監(jiān)測）、模擬分析（事故模擬、預(yù)警）。

平臺(tái)可通過對(duì)工程項(xiàng)目不同階段信息的高效協(xié)同管理、數(shù)據(jù)科學(xué)分析和過程智慧預(yù)測，最終實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目“提高工程建設(shè)效率、降低工程建設(shè)成本、保障工程建設(shè)安全、提升工程建設(shè)質(zhì)量”的目標(biāo)。

（1）在項(xiàng)目規(guī)劃期，通過平臺(tái)可歸集規(guī)劃相關(guān)信息數(shù)據(jù)，創(chuàng)建不同用戶遠(yuǎn)程獲取和共享工程數(shù)據(jù)的機(jī)制，對(duì)于提高溝通效率、加快審批進(jìn)度、優(yōu)化投資方案等具有重要意義。同時(shí)，能夠演示和模擬項(xiàng)目內(nèi)工程建筑模型隨實(shí)施工期的變化，且具有可同步資金、物流及協(xié)同配置等功能。

（2）在項(xiàng)目初期，可以實(shí)景可視化的方式快速獲取工程對(duì)象實(shí)景模型和影像，對(duì)于開展項(xiàng)目工程前期調(diào)查和設(shè)計(jì)方案論證具有重要意義，能夠核對(duì)和發(fā)現(xiàn)因外業(yè)調(diào)查遺漏和不足導(dǎo)致的重大方案漏項(xiàng)和錯(cuò)誤；利用平臺(tái)促進(jìn)設(shè)計(jì)內(nèi)容更加標(biāo)準(zhǔn)化、立體化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與施工無縫銜接，提高工程施工速度，保證施工質(zhì)量。

（3）在項(xiàng)目中期，利用平臺(tái)可掌握工程對(duì)象與工程對(duì)象間的空間關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)對(duì)工程實(shí)施過程的信息化管理，可隨時(shí)為工程建設(shè)涉及的地形、地貌、地物等提供核對(duì)實(shí)景影像，極大改善了傳統(tǒng)工程實(shí)施過程中的調(diào)查不準(zhǔn)確、信息滯后、數(shù)據(jù)不明、費(fèi)用不可控及管理粗放且不完整、不系統(tǒng)等問題。此外，可利用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)優(yōu)化工程施工資源和設(shè)施配置，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目建設(shè)狀態(tài)全過程信息收集、監(jiān)測、分析和處理，提高項(xiàng)目工程建設(shè)效率。

（4）在項(xiàng)目后期，通過平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施所有部件狀態(tài)的實(shí)時(shí)獲取、分析和評(píng)估，為設(shè)施養(yǎng)護(hù)提供決策依據(jù)，形成工程建設(shè)項(xiàng)目全生命周期可追溯閉環(huán)管理體系；平臺(tái)可實(shí)時(shí)提供工程數(shù)量信息、工程進(jìn)度信息、投資進(jìn)度信息、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息、過程問題信息等，為工程項(xiàng)目管理人員提供工程管理所需的信息匯總和綜合分析數(shù)據(jù)。

3.2 快速提升規(guī)劃設(shè)計(jì)能力

利用三維GIS技術(shù)，規(guī)劃設(shè)計(jì)人員和管理人員可實(shí)時(shí)、交互觀察不同方案在城市環(huán)境中的效果，可從任意角度、方向、沿任意路線對(duì)不同方案加以比較，從而為從空間角度評(píng)價(jià)建筑提供更加直接、有效的手段，解決了以往平面圖和建筑縮微模型難以實(shí)現(xiàn)的問題［7-8］。利用三維GIS技術(shù)，可對(duì)規(guī)劃方案與山體間的關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)方案的高度、體量、外觀及與整個(gè)城市的空間關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)地下不可見管線進(jìn)行可視化分析。同時(shí)，還可將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合到一起，規(guī)劃管理人員可以很容易查詢虛擬城市中建筑物的相關(guān)信息，結(jié)合對(duì)建筑物的空間分析，對(duì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)估，從而作出正確判斷和決策。

利用BIM概念設(shè)計(jì)模型，以供業(yè)主可視化的方式進(jìn)行方案比選。包括建筑、結(jié)構(gòu)、使用空間規(guī)劃、其他專業(yè)設(shè)計(jì)等，以提供相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析與滿足業(yè)主空間上的需求；由BIM模型輸出工程經(jīng)費(fèi)概算，以提供成本信息給業(yè)主作決策及決定經(jīng)費(fèi)預(yù)算。

運(yùn)用平臺(tái)工具可進(jìn)行項(xiàng)目選址現(xiàn)況分析、土地利用和交通規(guī)劃、交通影響模擬、設(shè)計(jì)審核、設(shè)計(jì)評(píng)估、法規(guī)檢核與驗(yàn)證、可視化仿真、空間規(guī)劃等。

綜上所述，基于平臺(tái)技術(shù)建立前期規(guī)劃的數(shù)據(jù)中心，以共享可視化的方式協(xié)同新業(yè)務(wù)項(xiàng)目的前期運(yùn)作和實(shí)施過程，將會(huì)快速有效彌補(bǔ)在前期規(guī)劃方面的短板和不足。

3.3 加強(qiáng)工程總承包項(xiàng)目復(fù)盤

對(duì)于工程總承包項(xiàng)目，通過平臺(tái)完成技術(shù)總結(jié)：以可視化方式快速獲取構(gòu)件級(jí)精度的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)、施工過程和施工成果狀態(tài)信息及準(zhǔn)確獲取相關(guān)直觀指標(biāo)，再通過多項(xiàng)目的指標(biāo)對(duì)比進(jìn)一步優(yōu)化和追溯。通過平臺(tái)可以解決準(zhǔn)確、及時(shí)獲取工程全生命周期數(shù)據(jù)信息的問題，為實(shí)現(xiàn)在準(zhǔn)確、及時(shí)獲取工程全生命周期數(shù)據(jù)信息前提下的程序評(píng)價(jià)體系（在線專家和指標(biāo)對(duì)比評(píng)分機(jī)制）奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺(tái)真正解決了鐵路工程信息化的可視、可知、可用三大核心問題。按照從模型到數(shù)據(jù)、從數(shù)據(jù)到信息、從信息到平臺(tái)、從平臺(tái)到管理的數(shù)據(jù)流程和框架，創(chuàng)建物理性的識(shí)別，貫穿工程項(xiàng)目全生命周期的數(shù)字化載體；通過客觀采集項(xiàng)目實(shí)際建造狀態(tài)及過程數(shù)據(jù)形成項(xiàng)目的完整數(shù)據(jù)庫，從需求功能出發(fā)，編制計(jì)算規(guī)則，再對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行降噪分析，處理成決策管理所需的關(guān)鍵指標(biāo)，從而形成有組織、高效能的信息管理平臺(tái)。從鐵路工程項(xiàng)目不同階段的具體業(yè)務(wù)需求出發(fā)，通過專題分析和技術(shù)應(yīng)用整合衍生多種專項(xiàng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)建設(shè)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、運(yùn)維狀態(tài)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)信息一體化協(xié)同管理。鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺(tái)可為鐵路項(xiàng)目參與各方提供全生命周期的可視化大數(shù)據(jù)共享服務(wù)。