鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)研究

解亞龍，郭 祥，劉 偉，俸 凰

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

隨著我國(guó)鐵路建設(shè)的發(fā)展，至2020 年底，鐵路營(yíng)業(yè)里程已達(dá)14.6 萬(wàn)km，因而，將鐵路客站等重要基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，是提高鐵路運(yùn)營(yíng)管理水平，實(shí)現(xiàn)鐵路“又好又快發(fā)展”目標(biāo)的重要舉措?，F(xiàn)階段，除新建線路外，鐵路還有大量的既有線路，其原始數(shù)據(jù)均為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，Computer Aided Design）數(shù)據(jù)，如仍沿用手工作業(yè)模式，既無(wú)法保證建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）所需數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，也無(wú)法適應(yīng)大批量作業(yè)的需求。因此，鐵路行業(yè)亟需研究高效先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)BIM 的自動(dòng)化生成。

目前，BIM 自動(dòng)化生成的相關(guān)研究主要集中在圖紙識(shí)別方面。例如：李正敏等人[1]提出的工程圖文本信息的提取方法；王爾健等人[2]提出的區(qū)域劃分法，即結(jié)合矢量分析識(shí)別工程圖上的幾何形狀關(guān)系；李黨等人[3]提出的集中提高智能識(shí)別建筑平面圖形精度及正確率的方法；汪同慶等人[4]提出的基于數(shù)據(jù)交換格式（DXF，Data Exchange Format）文件的幾何特征識(shí)別方法；儲(chǔ)節(jié)磊等人[5]對(duì)于無(wú)固定起點(diǎn)、無(wú)精確尺寸、無(wú)統(tǒng)一比例的平面矢量圖形，提出了相似性比較識(shí)別方法。這些既有工作對(duì)于研究鐵路BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)，尤其是二維圖紙信息的數(shù)字化提取方法，提供了有益借鑒。然而，現(xiàn)有的研究在鐵路BIM 自動(dòng)化快速建模方面尚不充分，結(jié)合市場(chǎng)需求，本文著重研究鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)。

1 技術(shù)體系

鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成的基本過(guò)程包括二維圖紙數(shù)據(jù)采集、匹配BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)、自動(dòng)化生成BIM、快速布置和優(yōu)化BIM。圍繞生成過(guò)程的實(shí)現(xiàn)，本文從以下方面提出了鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)體系主要內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)體系主要內(nèi)容

1.1 鐵路客站二維圖紙自動(dòng)分析識(shí)別

通過(guò)分析二維圖紙的關(guān)鍵信息，實(shí)現(xiàn)BIM 所需數(shù)據(jù)的自動(dòng)獲取[6]，按照一定的結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)，為自動(dòng)構(gòu)建構(gòu)件庫(kù)和BIM自動(dòng)化生成提供支持。

1.2 鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)管理解決方案

通過(guò)建立完整的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，可以沉淀二維數(shù)據(jù)資產(chǎn)，并將鐵路客站建設(shè)過(guò)程的多維數(shù)據(jù)與BIM 相關(guān)聯(lián)。具體為，鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)管理為BIM自動(dòng)化生成提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)為鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)管理提供數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)等。

1.3 鐵路客站BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)

根據(jù)鐵路BIM 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，分專業(yè)、分類別全方面實(shí)現(xiàn)客站標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)，以期為BIM 自動(dòng)化生成提供構(gòu)件支持，同時(shí)也為鐵路客站BIM 快速布置及優(yōu)化提供模型標(biāo)準(zhǔn)支持。

1.4 鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成

根據(jù)鐵路客站BIM 物理和功能特性，結(jié)合二維圖紙分析讀取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和BIM 建模方法，將數(shù)據(jù)的二維幾何表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為三維幾何表現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)建模的快速、規(guī)范、可調(diào)整，為鐵路客站BIM 構(gòu)件的快速布置及優(yōu)化提供深度學(xué)習(xí)樣本支持。

1.5 鐵路客站BIM 快速布置及優(yōu)化

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件特性，完成構(gòu)件間邏輯判斷，通過(guò)扣減規(guī)則及自動(dòng)碰撞檢測(cè)實(shí)現(xiàn)BIM 的自動(dòng)組裝和優(yōu)化路徑，進(jìn)一步完善BIM 的準(zhǔn)確度，形成共享知識(shí)和信息資源。

2 關(guān)鍵技術(shù)

鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成關(guān)鍵技術(shù)主要包括二維圖紙智能識(shí)別技術(shù)、模型自動(dòng)化生成技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動(dòng)布置與優(yōu)化技術(shù)、BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)建構(gòu)技術(shù)等?？紤]到BIM 數(shù)據(jù)庫(kù)建構(gòu)技術(shù)較為成熟，本文僅對(duì)前3 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深度研究。鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)流程

2.1 二維圖紙智能識(shí)別技術(shù)

二維圖紙智能識(shí)別指多專業(yè)構(gòu)件實(shí)體對(duì)象的自動(dòng)識(shí)別。二維圖紙轉(zhuǎn)換為模型數(shù)據(jù)需要的“翻譯”工作體量龐大，實(shí)現(xiàn)二維圖紙中墻、板、柱、梁、風(fēng)管、給排水管、暖通水管、橋梁、路基等對(duì)象的智能識(shí)別是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵。根據(jù)二維圖紙內(nèi)容特點(diǎn)，本文提出基于DXF 的數(shù)據(jù)讀取[7-8]、矢量圖形識(shí)別和圖形巡徑模糊識(shí)別的二維圖紙智能識(shí)別技術(shù)，智能識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)如圖3 所示。其中，基于DXF 的數(shù)據(jù)讀取技術(shù)主要用于二維圖紙點(diǎn)數(shù)據(jù)、文字?jǐn)?shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)的識(shí)別采集；矢量圖形識(shí)別技術(shù)主要用于表數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的識(shí)別采集；圖形巡徑模糊識(shí)別技術(shù)主要用于幾何數(shù)據(jù)的識(shí)別采集。通過(guò)自動(dòng)分析和獲取二維圖紙的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為后續(xù)將數(shù)據(jù)的二維幾何表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為三維幾何表現(xiàn)形式奠定基礎(chǔ)。

圖3 二維圖紙智能識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)

2.2 模型自動(dòng)化生成技術(shù)

鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)是將二維圖紙中提取的模型所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行解析[9-10]，自動(dòng)判斷其類型、參數(shù)，并將其與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)相結(jié)合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二維表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為三維表現(xiàn)形式。模型自動(dòng)化生成技術(shù)包括三維引擎顯示、二維和三維聯(lián)動(dòng)交互等，模型自動(dòng)化生成技術(shù)的主要內(nèi)容如圖4 所示。

圖4 模型自動(dòng)化生成技術(shù)主要內(nèi)容

（1）同源異構(gòu)表現(xiàn)技術(shù)主要用于二維點(diǎn)數(shù)據(jù)、文字?jǐn)?shù)據(jù)、表數(shù)據(jù)與三維模型數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)和實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)真實(shí)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型相關(guān)數(shù)據(jù)的目的。

（2）數(shù)據(jù)庫(kù)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和算法數(shù)據(jù)2 大類組成。數(shù)據(jù)庫(kù)建構(gòu)以網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫(kù)為主，不僅可以支持以項(xiàng)目級(jí)別存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，也可以支持以專業(yè)級(jí)別、構(gòu)件級(jí)別的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，更有利于深度學(xué)習(xí)算法的實(shí)現(xiàn)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)包含建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、電氣等構(gòu)件資源。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)中的構(gòu)件需要進(jìn)行預(yù)分類，并在圖元數(shù)據(jù)中將其視為一個(gè)集合進(jìn)行處理，以提高對(duì)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的識(shí)別效率。此外，在根據(jù)BIM 關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)的過(guò)程中，由于原始的二維圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化程度易受到制圖人習(xí)慣的影響，因此BIM 自動(dòng)化生成是一個(gè)不斷學(xué)習(xí)和更新的過(guò)程。

（4）三維引擎顯示，即模型點(diǎn)擊渲染后可自動(dòng)渲染，或者通過(guò)色卡、光源等調(diào)整后進(jìn)行渲染。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動(dòng)布置與優(yōu)化技術(shù)

構(gòu)件快速布置和優(yōu)化技術(shù)是用于正向三維設(shè)計(jì)的重要技術(shù)，涉及模型參數(shù)化、設(shè)計(jì)邏輯規(guī)則、扣減規(guī)則和碰撞檢測(cè)等，是人工智能（AI，Artificial Intelligence）與數(shù)字建筑相結(jié)合的典型應(yīng)用,其核心是對(duì)碰撞、避讓等規(guī)則的深度學(xué)習(xí)和AI 審圖。結(jié)合鐵路客站工程特點(diǎn)，基于數(shù)據(jù)庫(kù)中構(gòu)件的物理特性和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，建立BIM 構(gòu)件之間的邏輯關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的自動(dòng)布置及優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 鐵路客站標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動(dòng)布置與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在技術(shù)實(shí)現(xiàn)特點(diǎn)方面，為了保證標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動(dòng)布置效率與效果，從以下兩方面入手：（1）結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)—數(shù)據(jù)庫(kù)—三維顯示耦合作用機(jī)理，建立建筑物的構(gòu)件、位置和數(shù)據(jù)處理相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)動(dòng)約束和動(dòng)態(tài)更新；（2）通過(guò)完整和具備邏輯關(guān)系的數(shù)據(jù)庫(kù)，以云計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)處理能力，繼而實(shí)現(xiàn)由圖形處理器（GPU，Graphics Processing Unit）與中央處理器（CPU，Central Processing Unit）共同處理、以大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動(dòng)布置與優(yōu)化。此外，考慮到模型數(shù)據(jù)量龐大的特性，將流程化算法和邏輯化算法拆分為單點(diǎn)算法，觸發(fā)快速調(diào)用算法機(jī)制，繼而確保多通道數(shù)據(jù)處理能力。

3 應(yīng)用效果

本文研究的BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)已應(yīng)用于我國(guó)某鐵路客站工程管理信息化實(shí)踐中，應(yīng)用效果如下。

3.1 實(shí)現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)三維可視化

應(yīng)用二維圖紙智能識(shí)別技術(shù)采集該工程項(xiàng)目的電子圖紙數(shù)據(jù)信息，基于預(yù)先建成的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)和BIM 多維數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)及相關(guān)算法，將二維圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型數(shù)據(jù)；利用BIM 的三維可視化效果實(shí)現(xiàn)三維展現(xiàn)，使得施工現(xiàn)場(chǎng)平面布置效果與現(xiàn)場(chǎng)盡量保持一致，如圖6 所示。此外，利用BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)得到的三維模型，能夠與設(shè)計(jì)參數(shù)及管理要求等相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了鐵路客站數(shù)字模型與可視化模型的實(shí)時(shí)、高度集成，形成對(duì)工程項(xiàng)目及其內(nèi)部要素關(guān)系的有效模擬。借助于BIM 的三維可視化效果，能夠使工程管理人員和專業(yè)技術(shù)人員充分掌握相關(guān)設(shè)計(jì)信息，輔助提高工程施工人員的作業(yè)能力。

圖6 某項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)示意

3.2 提高BIM 建模效率與準(zhǔn)確性

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動(dòng)布置和優(yōu)化技術(shù)，有效解決了構(gòu)件扣減和碰撞優(yōu)化問(wèn)題，顯著減少了構(gòu)件之間的人工匹配操作，提高了鐵路客站BIM 建模效率與準(zhǔn)確性，提升了鐵路客站BIM 建模自動(dòng)化水平。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大、深度學(xué)習(xí)算法的持續(xù)改進(jìn)，以及AI 技術(shù)的更新迭代，BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步降低鐵路客站BIM 建模的邊際成本。

3.3 提升鐵路客站施工管理質(zhì)量

通過(guò)建立BIM、模擬現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)景和管理活動(dòng)，能夠支持管理人員和專業(yè)技術(shù)人員對(duì)鐵路客站建設(shè)的交通組織、大型設(shè)備配置、材料堆場(chǎng)、臨建設(shè)施使用等主要階段的管理進(jìn)行優(yōu)化，使工程施工合理有序。通過(guò)將三維模型與鐵路客站安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控、質(zhì)量跟蹤管理等應(yīng)用的融合，增強(qiáng)工程安全管理、質(zhì)量管理的全面性和即時(shí)性，有效促進(jìn)質(zhì)量管理優(yōu)化和安全管理優(yōu)化。

3.4 推動(dòng)鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件體系建設(shè)

利用基于數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)件的物理特性和功能特性的數(shù)字化表達(dá)方式，構(gòu)建鐵路客站標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)，有助于推動(dòng)鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件體系建設(shè)，實(shí)現(xiàn)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件資源的共建、共享；有助于促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與客站產(chǎn)業(yè)化、建筑工業(yè)化的深度融合，以及工程建設(shè)科技成果的工程應(yīng)用，進(jìn)而推動(dòng)鐵路客站建設(shè)向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、信息化和工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成對(duì)于提升鐵路工程建設(shè)管理水平、降低施工成本意義重大。要實(shí)現(xiàn)鐵路客站BIM 自動(dòng)化生成技術(shù)完全自主可控和大規(guī)模推廣應(yīng)用，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)三維顯示、深度學(xué)習(xí)等相關(guān)基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)算法的研究，同時(shí)，結(jié)合鐵路客站工程建設(shè)管理的需求和特點(diǎn)，加快研發(fā)BIM 自動(dòng)化生成相關(guān)軟件產(chǎn)品，與既有的鐵路工程管理信息系統(tǒng)融合，在實(shí)踐中不斷優(yōu)化和改進(jìn)相關(guān)軟件的功能及性能。