基于BIM技術(shù)的地鐵軌行區(qū)施工信息化管理系統(tǒng)研究與應(yīng)用

張慶廣

（中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京 100041）

1 引言

由于地鐵工程軌行區(qū)施工具有一定的特殊性，因此，目前此類工程施工管理主要依賴于項(xiàng)目總調(diào)度辦公室，主要工作內(nèi)容包括審核、審批施工計(jì)劃；下發(fā)施工作業(yè)令；巡查軌行區(qū)各個(gè)作業(yè)面并整理巡查記錄。這種管理模式主要依賴于人工作業(yè)，缺少施工現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控資源，易出現(xiàn)失誤，無法對(duì)施工活動(dòng)實(shí)施全過程管理、控制施工風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)做出預(yù)警。而采用基于BIM 技術(shù)的地鐵軌行區(qū)施工信息化管理系統(tǒng)可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)管理模式缺陷，依靠全方位的視頻監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)施工全過程管理，提升施工管理水平。

2 項(xiàng)目概況

北京市軌道交通17 號(hào)線軌道專業(yè)I 標(biāo)段安裝工程，正線全長(zhǎng)16.5 km，均為地下線，跨7 站7 區(qū)間，平均站間距2.6 km。本標(biāo)段的主要施工內(nèi)容為：正線、出入段線及次渠南停車場(chǎng)軌道工程及正線疏散平臺(tái)安裝。施工中軌行區(qū)的規(guī)范管理對(duì)工程總體進(jìn)度及施工安全至關(guān)重要。

3 基于BIM技術(shù)的地鐵軌行區(qū)施工信息化管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

地鐵軌行區(qū)施工信息化管理系統(tǒng)主要是解決地鐵工程軌行區(qū)施工中管理范圍廣、調(diào)度難度高、施工區(qū)域監(jiān)控缺失以及安全預(yù)警等問題，系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)主要包括以下方面：

1）通過安裝在軌行區(qū)的通信設(shè)備進(jìn)行信息交流與控制，實(shí)時(shí)獲取進(jìn)入軌行區(qū)的機(jī)車和人員位置、速度信息，軌行區(qū)人員定位，機(jī)車位置及速度信息等。

2）軌行區(qū)移動(dòng)視頻監(jiān)控與BIM 信息虛實(shí)對(duì)應(yīng)，在施工下料口及鋪軌作業(yè)面和其他安全隱患較多地區(qū)安裝固定或移動(dòng)式攝像頭，通過網(wǎng)絡(luò)可實(shí)時(shí)査看現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息。

3）調(diào)度命令的實(shí)時(shí)下達(dá)，可有效提高施工效率。調(diào)度人員可通過調(diào)度軟件下達(dá)調(diào)度命令，調(diào)度命令通過無線傳輸?shù)焦こ踢\(yùn)輸車輛上，司機(jī)接到調(diào)度命令后在機(jī)車顯示屏幕上點(diǎn)擊簽字確認(rèn)，調(diào)度軟件接到司機(jī)簽字確認(rèn)信息，使得調(diào)度命令實(shí)現(xiàn)閉環(huán)傳輸下達(dá)。

4）根據(jù)每日施工計(jì)劃，將每項(xiàng)施工信息標(biāo)注在相應(yīng)施工位置，并在二維地圖中同時(shí)展示，增強(qiáng)了施工信息展示的直觀性，同時(shí)，也增強(qiáng)了軌行區(qū)車輛運(yùn)行的安全性。

5）隧道內(nèi)安裝覆蓋全隧道的無線網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)，可設(shè)置軌行區(qū)廣播警示系統(tǒng)，通過語音廣播和警示提醒警告施工人員，也可根據(jù)不同線路的狀態(tài)和施工情況，對(duì)限速地段車輛與車輛，車輛與前方大型物體或小型平板車進(jìn)行設(shè)置，軌道車接近該地段200 m 時(shí)報(bào)警裝置自動(dòng)提示司機(jī)，能夠有效防止軌道車超速和撞車事故。

4 基于BIM技術(shù)的地鐵軌行區(qū)施工信息化管理系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)以BIM 三維模型為基礎(chǔ)，根據(jù)項(xiàng)目施工管理需求規(guī)劃設(shè)計(jì)功能模塊、搭建數(shù)據(jù)模型，要求系統(tǒng)始終保持可擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，以便隨時(shí)根據(jù)施工管理需求進(jìn)行調(diào)整，增加系統(tǒng)功能[1]。系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)MVC 架構(gòu)設(shè)計(jì)，主要分為三大模塊，分別是數(shù)據(jù)模塊、功能處理模塊與功能展示模塊，其中，數(shù)據(jù)模塊包括隧道數(shù)據(jù)模型、車輛數(shù)據(jù)模型、人員數(shù)據(jù)模型以及軌道數(shù)據(jù)模型；功能處理模塊主要通過對(duì)數(shù)據(jù)模塊提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理和調(diào)用，為管理者提供特定功能；功能展示模塊主要是交互層與顯示層，在為管理者或調(diào)度人員顯示各種信息的同時(shí)提供即時(shí)通信功能。

4.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.2.1 語音預(yù)警

機(jī)車出現(xiàn)超速行為、臨近施工區(qū)段或其他機(jī)車時(shí)，系統(tǒng)同時(shí)向司機(jī)與調(diào)度室進(jìn)行語音報(bào)警，提示司機(jī)注意減速、加強(qiáng)瞭望。

超速報(bào)警：列車調(diào)度員可根據(jù)不同路段的線路質(zhì)量狀況設(shè)置機(jī)車最高運(yùn)行速度，當(dāng)列車運(yùn)行速度超過該速度時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向司機(jī)和調(diào)度室進(jìn)行報(bào)警提示，并將報(bào)警數(shù)據(jù)保存在系統(tǒng)內(nèi)，以備后查。

接近預(yù)警：列車調(diào)度員可對(duì)影響行車的施工地段和道岔、路口等關(guān)鍵地點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，當(dāng)機(jī)車運(yùn)行接近標(biāo)注位置時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)提醒司機(jī)和調(diào)度室。

臨近預(yù)警：相同線路上2 輛運(yùn)動(dòng)機(jī)車位置接近0.5～2 km時(shí)（數(shù)據(jù)視實(shí)際情況可設(shè)置），系統(tǒng)向司機(jī)語音報(bào)警，同時(shí)向調(diào)度報(bào)警，并記錄報(bào)警發(fā)生的時(shí)間、車輛、里程、速度等信息。

4.2.2 即時(shí)通信

在施工期間，系統(tǒng)正常運(yùn)行狀態(tài)下，前端機(jī)車司機(jī)、相關(guān)授權(quán)人員可通過呼叫終端和調(diào)度室進(jìn)行直接溝通；調(diào)度室可從大屏幕上看到施工現(xiàn)場(chǎng)具體情況，也可直接語音溝通。

4.2.3 調(diào)度命令

調(diào)度員可通過本系統(tǒng)擬寫行車（施工）調(diào)度命令，并向司機(jī)、車長(zhǎng)及相關(guān)人員（如扳道員）通過無線傳輸下達(dá)并進(jìn)行語音提示，司機(jī)通過觸摸屏系統(tǒng)點(diǎn)擊“確認(rèn)”并簽字后，“命令已接收”的信息將自動(dòng)反饋至調(diào)度室，司機(jī)未確認(rèn)前，語音提示不間斷[2]。

4.2.4 列車運(yùn)行圖

調(diào)度員可使用該功能進(jìn)行列車計(jì)劃運(yùn)行圖的繪制，列車運(yùn)行圖采用專用的十分格；計(jì)算機(jī)可自動(dòng)生成列車實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡，列車區(qū)間運(yùn)行所在線別可用不同顏色區(qū)分。

4.2.5 定位

隧道人員定位管理系統(tǒng)集隧道施工人員具體位置定位、人員考勤日常管理等功能于一體，使管理人員能夠隨時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)人員、機(jī)具的分布狀況，便于進(jìn)行更加合理的調(diào)度管理以及安全監(jiān)控管理。發(fā)生事故時(shí)，救援人員可根據(jù)該系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)迅速了解有關(guān)人員位置情況，及時(shí)采取相應(yīng)救援措施，提高應(yīng)急救援工作效率。人員和機(jī)具定位功能利用安裝在安全帽上的電子芯片標(biāo)簽來實(shí)現(xiàn)，可確定人員和機(jī)具的單位、所處位置、進(jìn)場(chǎng)時(shí)間等。

4.2.6 施工調(diào)度

調(diào)度員通過施工計(jì)劃，針對(duì)軌行區(qū)影響行車的交叉施工，在施工區(qū)段設(shè)置和標(biāo)注施工防護(hù)區(qū)域，在二維地圖展示施工區(qū)域信息，當(dāng)施工列車運(yùn)行至施工區(qū)域附近時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)向調(diào)度室和軌道車司機(jī)報(bào)警，提示司機(jī)注意行車安全。司機(jī)可通過車載系統(tǒng)屏幕了解行車范圍內(nèi)所有施工分布狀況及防護(hù)區(qū)段建立情況，可極大地提高行車交叉施工的安全性。

4.2.7 視頻領(lǐng)航、實(shí)時(shí)監(jiān)控

視頻領(lǐng)航系統(tǒng)：通過安裝在軌道車、平板車上的車載設(shè)備，將采集的視頻信息實(shí)時(shí)傳輸至機(jī)車車載終端顯示屏上，司機(jī)通過觀察，并配合車長(zhǎng)的語音指示，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提高工作效率。在鋪軌基地、軌排井、下料口、隧道內(nèi)、鋪軌龍門吊和軌道車等關(guān)鍵點(diǎn)位置設(shè)置視頻監(jiān)控，并將信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸至調(diào)度室內(nèi)，掌握現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生情況。

4.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.3.1 PC 端

PC 端軟件的基本功能包括軌行區(qū)虛擬地圖、機(jī)車定位及速度實(shí)時(shí)監(jiān)控、視頻監(jiān)控、視頻回放、調(diào)度命令發(fā)送、列車運(yùn)行圖、機(jī)車限速管理、機(jī)車接近報(bào)警、線路巡檢、工程進(jìn)度、施工計(jì)劃上報(bào)、統(tǒng)計(jì)分析等。

4.3.2 移動(dòng)端

移動(dòng)端軟件的基本功能包括行車監(jiān)控、視頻監(jiān)控、人員定位、調(diào)度命令、報(bào)警記錄、線路巡檢、施工計(jì)劃上報(bào)、施工請(qǐng)銷點(diǎn)、工程進(jìn)度、值班查詢等。移動(dòng)端具備的優(yōu)點(diǎn)：方便管理人員隨時(shí)隨地監(jiān)管行車狀況，快捷了解施工現(xiàn)場(chǎng)情況，及時(shí)應(yīng)對(duì)突發(fā)情況，快捷申報(bào)施工計(jì)劃，提高移動(dòng)辦公效率，全員參與施工安全隱患上報(bào)，杜絕重大事故發(fā)生。

4.4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.4.1 調(diào)度室

根據(jù)調(diào)度指揮需求，提高調(diào)度指揮效率及處理突發(fā)事件的工作效率，更準(zhǔn)確及時(shí)地進(jìn)行各種資源調(diào)配，增強(qiáng)綜合協(xié)調(diào)的指揮能力，通過信息顯示交流平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)度所管轄范圍內(nèi)的統(tǒng)一調(diào)度指揮、綜合監(jiān)控、管理與協(xié)調(diào)。項(xiàng)目設(shè)置總調(diào)度室，在3 個(gè)鋪軌基地設(shè)置分調(diào)度室，硬件配置見表1。

表1 調(diào)度室硬件配置表

4.4.2 現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控

對(duì)鋪軌基地作業(yè)區(qū)入口、軌排加工區(qū)、下料口、龍門吊、圍擋等多區(qū)域全天候、多方位的進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控錄像，本地高清視頻存儲(chǔ)，可隨時(shí)調(diào)出視頻回放記錄，方便管理人員全局把握情況，了解生產(chǎn)、施工情況。硬件配置見表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)視頻監(jiān)控硬件配置表

4.4.3 車站及視頻監(jiān)控

每個(gè)車站設(shè)4 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位，覆蓋隧道入口及車站的軌行區(qū)，全天候進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控錄像，本地高清視頻存儲(chǔ)，利用隧道無線網(wǎng)上傳至調(diào)度室，調(diào)度室可隨時(shí)調(diào)出視頻回放記錄。

4.4.4 軌行區(qū)視頻監(jiān)控

隧道內(nèi)每隔500 m 安裝2 個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位，在曲線地段根據(jù)需要適當(dāng)加密，覆蓋軌行區(qū)，全天候進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控錄像，本地高清視頻存儲(chǔ)，利用隧道無線網(wǎng)上傳調(diào)度室，調(diào)度室可隨時(shí)調(diào)出視頻回放記錄。

4.4.5 現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

為滿足軌行區(qū)通訊需求，對(duì)軌行區(qū)內(nèi)進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，并把軌道車、攝像頭、鋪軌龍門吊、網(wǎng)絡(luò)對(duì)講機(jī)、人員定位等數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在調(diào)度系統(tǒng)上，結(jié)合鋪軌基地位置分布，分別需要在各鋪軌基地的地面接入100～200 m 商用光纖寬帶引入地下隧道內(nèi)，通過鋪軌基地站臺(tái)通道把左右線用光纖連接為一個(gè)局域網(wǎng)。隧道內(nèi)每隔一定距離安裝1 個(gè)無線基站箱，使無線信號(hào)覆蓋整個(gè)隧道，并將數(shù)據(jù)情況通過無線基站箱連接調(diào)度室廣域網(wǎng)上傳到服務(wù)器，在調(diào)度系統(tǒng)上顯示信號(hào)信息。

5 結(jié)語

綜上所述，基于BIM 技術(shù)的地鐵工程軌行區(qū)施工信息化管理系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)施工管理模式缺陷，依靠系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)施工活動(dòng)的全過程、全方位監(jiān)控與管理，同時(shí)，能夠高效協(xié)調(diào)人員與交叉作業(yè)，推動(dòng)施工管理向智慧化、信息化發(fā)展。