BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺(tái)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用

張敬涵，李佳玉，解亞龍

（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）

高速鐵路工程建設(shè)項(xiàng)目具有投資規(guī)模大、實(shí)施周期長(zhǎng)、信息總量大等特點(diǎn)，新興信息技術(shù)的發(fā)展及與鐵路行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)的深度融合，是提升鐵路工程建設(shè)效率、保障建設(shè)質(zhì)量、降低成本的重要手段。因此，鐵路相關(guān)行業(yè)制定了建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃，針對(duì)BIM 在鐵路行業(yè)的典型應(yīng)用，有計(jì)劃、分階段地開(kāi)展BIM 應(yīng)用研究和實(shí)施工作[1]。BIM 在鐵路建設(shè)工程的推廣應(yīng)用已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。

鐵路BIM 技術(shù)在工程建設(shè)中起到了提高施工效率、降低施工成本及優(yōu)化資源配置的良好效果。BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要是展示方式直觀、便于模擬優(yōu)化、便于協(xié)同工作[3]，可結(jié)合鐵路設(shè)計(jì)行業(yè)的狀況，進(jìn)行信息交流與資源交互，建立工程相關(guān)的數(shù)據(jù)資源庫(kù)并在工程推進(jìn)的過(guò)程中逐漸對(duì)其完善，滿足工程數(shù)據(jù)資源共享的需求[4]。但BIM 也具有一定的單一性和局限性，目前，尚未有覆蓋中國(guó)鐵路行業(yè)的完整的BIM 標(biāo)準(zhǔn)、成熟的鐵路專用BIM 軟件及鐵路軟件架構(gòu)庫(kù)[5]，且BIM 與其他技術(shù)還未完全融合貫通、互相關(guān)聯(lián)，因此，單一的BIM 技術(shù)并不能完全滿足鐵路建設(shè)施工需求。

本文將BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了基于BIM+的鐵路精細(xì)化管控平臺(tái)（簡(jiǎn)稱：平臺(tái)）。該平臺(tái)的應(yīng)用，可進(jìn)一步提升鐵路工程建設(shè)技術(shù)水平及信息化管理的能力。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)構(gòu)成

平臺(tái)總體架構(gòu)采用私有云+公用端的模式，以BIM 數(shù)據(jù)為核心，集成物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云存儲(chǔ)等技術(shù)，通過(guò)模型和工程數(shù)據(jù)進(jìn)行施工過(guò)程全生命周期管控，將施工建設(shè)各個(gè)時(shí)期信息進(jìn)行整合。同時(shí)，客戶端、服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)作為數(shù)據(jù)媒介，服務(wù)并支撐私有云和公用端的業(yè)務(wù)應(yīng)用，平臺(tái)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺(tái)構(gòu)成

（1）公用端包括工程模型、電子沙盤(pán)及進(jìn)度質(zhì)量安全數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)的可視化展示，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（2）私有云用于存儲(chǔ)BIM、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及協(xié)同數(shù)據(jù)，供各應(yīng)用端進(jìn)行調(diào)用。

（3）客戶端、服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫(kù)共同支撐模型展示與人機(jī)交互功能。其中，客戶端負(fù)責(zé)展示與輸出數(shù)據(jù)；服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、處理數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫(kù)用于數(shù)據(jù)和模型的存儲(chǔ)。

1.2 邏輯架構(gòu)

平臺(tái)可劃分為數(shù)據(jù)層、接口層、服務(wù)層、模型層和應(yīng)用層，邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺(tái)邏輯架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：包含原始數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)處理和存儲(chǔ)接口層、模型層和應(yīng)用層傳輸?shù)母黝悢?shù)據(jù)。

（2）接口層：分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接口、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)同步接口，為服務(wù)層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析、提取和集成。

（3）服務(wù)層：為應(yīng)用層和模型層提供服務(wù)，主要分為渲染服務(wù)、權(quán)限服務(wù)、模型處理服務(wù)和分析服務(wù)[6]。其中，渲染服務(wù)包括BIM 的展示和瀏覽；權(quán)限服務(wù)包括數(shù)據(jù)的讀取控制及修改控制；模型處理服務(wù)包括模型的存儲(chǔ)、查詢、提取、更新及比對(duì)；分析服務(wù)包括數(shù)據(jù)的通用性能分析。

（4）模型層：用于分層存儲(chǔ)BIM，并對(duì)模型進(jìn)行輕量化及優(yōu)化，以減小CPU 負(fù)載、內(nèi)存負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)用。模型層為應(yīng)用層的具體功能提供三維可視化服務(wù)，支持應(yīng)用層的各類業(yè)務(wù)智能化管理。

（5）應(yīng)用層：通過(guò)讀取、調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，對(duì)BIM 和各類數(shù)據(jù)進(jìn)行三維展示，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的輸入與輸出。按不同建設(shè)管理目標(biāo)對(duì)工程的模塊與功能進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)電子沙盤(pán) 、進(jìn)度管理、施工組織（簡(jiǎn)稱：施組）管理、資料查詢等功能應(yīng)用。

1.3 技術(shù)架構(gòu)

平臺(tái)采用Java 數(shù)據(jù)庫(kù)連接（JDBC，Java Data Base Connectivity）技術(shù)和模型-視圖-控制器（MVC，Model View Controller）設(shè)計(jì)模式。其中，MVC 設(shè)計(jì)模式用于鏈接后端MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)和Tomcat 服務(wù)器；JDBC 用于打通資源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)與Web 服務(wù)，再由Web 服務(wù)將數(shù)據(jù)和應(yīng)用輸出到互聯(lián)網(wǎng)端進(jìn)行展示和應(yīng)用。平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

平臺(tái)基于面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA，Service-Oriented Architecture）進(jìn)行前后端分離、模塊化設(shè)計(jì)和服務(wù)化設(shè)計(jì)，分離了數(shù)據(jù)層和控制層；通過(guò)中間件構(gòu)件設(shè)計(jì)、高擴(kuò)展設(shè)計(jì)和高可用性設(shè)計(jì)形成Java開(kāi)源生態(tài)圈；通過(guò)性能擴(kuò)展性設(shè)計(jì)和高響應(yīng)速度設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜分離機(jī)制。

平臺(tái)由前端和后臺(tái)組成：

（1）后臺(tái)采用MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，并基于Tomcat服務(wù)器進(jìn)行應(yīng)用發(fā)布，傳輸動(dòng)態(tài)資源數(shù)據(jù)和靜態(tài)資源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，同時(shí)，服務(wù)將數(shù)據(jù)反饋回到MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)，處理生成新數(shù)據(jù)后再由Tomcat 服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布；

（2）前端采用Html、Css 等瀏覽器原生支持的技術(shù)進(jìn)行客戶端的應(yīng)用構(gòu)建，包括瀏覽器端平臺(tái)界面、模型應(yīng)用、業(yè)務(wù)應(yīng)用和系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)，可在保證平臺(tái)性能的同時(shí)，給予良好的用戶體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)發(fā)。

2 平臺(tái)功能

平臺(tái)的功能主要有電子沙盤(pán)、進(jìn)度跟蹤、施組優(yōu)化及施工方案模擬。該平臺(tái)以施工進(jìn)度為主線、數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)、成本控制為核心，實(shí)現(xiàn)了施工過(guò)程的實(shí)時(shí)、多方位和多節(jié)點(diǎn)管理。

2.1 電子沙盤(pán)

BIM 施工建設(shè)電子沙盤(pán)提供不同的投影模式，可使用戶從高處對(duì)整個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行全局性的觀察，以不同的角度和距離俯瞰整個(gè)區(qū)域，且具有放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等基本操作功能。同時(shí)，電子沙盤(pán)提供天空背景和環(huán)境效果，可增強(qiáng)場(chǎng)景的真實(shí)感，便于用戶對(duì)地形、地貌進(jìn)行分析及對(duì)整體、局部地形進(jìn)行觀察。

通過(guò)電子沙盤(pán)，用戶可從大數(shù)據(jù)的角度解析施工數(shù)據(jù)需求，對(duì)施工過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和統(tǒng)計(jì)，從項(xiàng)目基本信息、進(jìn)度、安全、質(zhì)量等多個(gè)維度對(duì)鐵路施工的整體建設(shè)精準(zhǔn)把控。

2.2 進(jìn)度跟蹤

進(jìn)度跟蹤是將施工計(jì)劃進(jìn)度、實(shí)際進(jìn)度數(shù)據(jù)與BIM 模型相掛接，將空間信息、時(shí)間信息、質(zhì)量安全信息整合在一個(gè)模型中，并對(duì)一些重要的施工環(huán)節(jié)、工藝工法進(jìn)行模擬和分析，以提高計(jì)劃可行性，實(shí)現(xiàn)實(shí)施成果的預(yù)見(jiàn)性和可追溯性。在施工單元BIM 中，可將實(shí)際進(jìn)度與計(jì)劃進(jìn)度進(jìn)行比對(duì)，并在三維動(dòng)態(tài)模型上展示，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度偏差分析和施工進(jìn)度滯后預(yù)警。

進(jìn)度跟蹤功能有助于用戶在項(xiàng)目施工過(guò)程中合理制定施工計(jì)劃、精確掌握施工進(jìn)度、優(yōu)化施工資源及科學(xué)布置場(chǎng)地，可對(duì)整個(gè)工程的質(zhì)量和安全進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，有效縮短工期、降低成本、提高工程質(zhì)量。

2.3 施組優(yōu)化

平臺(tái)基于計(jì)劃編制的算法、BIM 與甘特圖結(jié)合的形象進(jìn)度展示方法，將工作分解結(jié)構(gòu)（WBS，Work Breakdown Structure）與工程實(shí)體結(jié)構(gòu)自動(dòng)掛接，實(shí)現(xiàn)鐵路施組優(yōu)化決策設(shè)計(jì)。此外，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工資源配置優(yōu)化，以施組計(jì)劃為輔助，與工程中傳統(tǒng)方法技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，可有效解決施組和資源配置優(yōu)化問(wèn)題，使施組編排更優(yōu)化、資源利用更合理，從而達(dá)到降低施工成本的目的，為鐵路施工精細(xì)化管理打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 施工方案模擬

施工方案模擬可對(duì)重點(diǎn)施工單元分別建立地形模型、場(chǎng)地布置模型、構(gòu)筑物模型、結(jié)構(gòu)模型和機(jī)電各專業(yè)模型等。模型的精細(xì)度為L(zhǎng)OD350 及以上，模型單元的建立、傳輸、交付和解讀信息包含模型的幾何造型、幾何精度、信息深度及基本信息附加。對(duì)施工過(guò)程中的具體工藝工法進(jìn)行模擬，可根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)判可能的結(jié)果，及時(shí)調(diào)整工藝工法的選擇，優(yōu)化總體施工效率。

3 平臺(tái)特色

3.1 大體量模型輕量化融合

平臺(tái)可將BIM、地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）及航拍大體量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，將不同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分和重組，形成統(tǒng)一可視化數(shù)據(jù)，為平臺(tái)的應(yīng)用層提供準(zhǔn)確、全面的有力支撐。

平臺(tái)實(shí)現(xiàn)輕量化的方式是將三維模型瓦片化。通常一個(gè)瓦片由級(jí)別、橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)唯一標(biāo)識(shí)，每個(gè)瓦片表示的像素寬度和高度是固定不變的，隨著級(jí)別增高，每一級(jí)的瓦片數(shù)量指數(shù)性增多，每一個(gè)瓦片所覆蓋的地理范圍減少但像素寬和高不變，從而使得模型信息更加清晰明確，實(shí)現(xiàn)大體量影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和BIM 的輕量化。

3.2 多源數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新

平臺(tái)通過(guò)統(tǒng)一數(shù)據(jù)源解析過(guò)程，保證數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新。具體流程為：

（1）從BIM 中提取出屬性信息數(shù)據(jù)，賦予其唯一標(biāo)識(shí)定義；

（2）將屬性信息數(shù)據(jù)進(jìn)行流化處理，傳入BIM 流數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)布BIM 服務(wù)；

（3）生成一份GIS 模型文件，將其存儲(chǔ)到GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，發(fā)布GIS 服務(wù)；

（4）BIM 服務(wù)與GIS 服務(wù)經(jīng)過(guò)認(rèn)證后，統(tǒng)一由GIS+BIM 應(yīng)用服務(wù)器發(fā)布到客戶瀏覽器。通過(guò)該技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新時(shí)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可通過(guò)唯一標(biāo)識(shí)得以繼承，使得模型版本控制更精準(zhǔn)。

3.3 多期影像自動(dòng)校準(zhǔn)

平臺(tái)通過(guò)導(dǎo)入無(wú)人機(jī)定期巡檢形成的傾斜攝影影像，可自動(dòng)生成模型，對(duì)新采集的影像自動(dòng)進(jìn)行位置配準(zhǔn)及視口嵌套更新，并按日期排列對(duì)齊。通過(guò)多期影像自動(dòng)校準(zhǔn)技術(shù)可有效解決影像定位配準(zhǔn)時(shí)的應(yīng)用難題，包括人工分揀不及時(shí)、工作量大、相似區(qū)段地物無(wú)明顯特征等問(wèn)題，從而有效提高施工效率、降低人工成本。

4 平臺(tái)應(yīng)用

平臺(tái)已成功應(yīng)用于京雄（北京—雄安）城際鐵路站前七標(biāo)雄安特大橋項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)施工精細(xì)化管控的目標(biāo)。

4.1 應(yīng)用概況

京雄城際鐵路是完善京津冀區(qū)域高速鐵路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要鐵路線路[7]，七標(biāo)主要工程為雄安特大橋。平臺(tái)實(shí)施采用多層分布式應(yīng)用部署，通過(guò)數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)與非關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[8]，包括施工組織、檢驗(yàn)批、工程影像、施工進(jìn)度、地形數(shù)據(jù)、BIM、傾斜攝影等數(shù)據(jù)；通過(guò)服務(wù)層授權(quán)認(rèn)證接口服務(wù)、地理信息服務(wù)及BIM 圖形引擎服務(wù)；通過(guò)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)綜合展示、進(jìn)度跟蹤、施組優(yōu)化、工單派發(fā)等功能。

4.2 應(yīng)用效果

（1）模型深化：對(duì)雄安特大橋設(shè)計(jì)模型按照施工需求深化為施工模型，以m 為單位進(jìn)行拆分，對(duì)模型進(jìn)行組裝后形成整體模型，并創(chuàng)建重要節(jié)點(diǎn)LOD400 級(jí)模型，可對(duì)細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行展示。

（2）施工單元?jiǎng)澐郑簩⑿郯蔡卮髽蝽?xiàng)目的施工分部、分項(xiàng)的方法與 BIM 技術(shù)相結(jié)合，提出基于BIM 的工程單元?jiǎng)澐衷瓌t；根據(jù)工程施工單元?jiǎng)澐衷瓌t，提出施工單元?jiǎng)澐址椒?；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)編碼體系，實(shí)現(xiàn)施工單元的分類和編碼。

（3）進(jìn)度跟蹤推演：以終端采集的雄安特大橋工程進(jìn)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的綜合分析，挖掘重點(diǎn)信息；通過(guò)進(jìn)度推演算法和進(jìn)度紅線報(bào)警，可快速直觀地反映進(jìn)度滯后的原因和位置，從而實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目 WBS 與 BIM 的自動(dòng)關(guān)聯(lián)、基于位置的計(jì)劃編制與資源配置、施工進(jìn)度采集、進(jìn)度跟蹤與控制及基于 BIM 的計(jì)劃進(jìn)度形象展示等功能。

（4）施組優(yōu)化：通過(guò)BIM+技術(shù)，以系統(tǒng)工程學(xué)、控制論和信息論為理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息集成和矩陣式結(jié)構(gòu)管理，對(duì)雄安特大橋項(xiàng)目的施組情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)、量化管理和有效優(yōu)化。

（5）分布式電子沙盤(pán)：基于雄安特大橋BIM單元，通過(guò)多層分布式應(yīng)用部署，實(shí)現(xiàn)電子沙盤(pán)虛擬場(chǎng)景與橋梁真實(shí)場(chǎng)景的融合，通過(guò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)度、緯度、海拔等地理信息坐標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和時(shí)空動(dòng)態(tài)分析。

（6）精細(xì)化管理：將雄安特大橋工程的每一個(gè)BIM 構(gòu)件作為一個(gè)施工單元，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)平臺(tái)掌握每個(gè)工點(diǎn)的詳細(xì)情況，從而完成特大橋整體的多方位、精細(xì)化管理。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺(tái)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云存儲(chǔ)等技術(shù)，將三維模型與施工信息關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電子沙盤(pán)、進(jìn)度跟蹤、施組優(yōu)化及施工方案模擬等多種功能，從而以專業(yè)化和科學(xué)化的管理手段，對(duì)項(xiàng)目施工建設(shè)期的進(jìn)度、成本、質(zhì)量、資源、安全等方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)和量化管理，可有效控制風(fēng)險(xiǎn)因素，保證鐵路全生命周期涉及到的各方參與人員高效協(xié)同工作，最終對(duì)項(xiàng)目建設(shè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。下一步，還須針對(duì)鐵路管理領(lǐng)域的深度要求，構(gòu)建完善的精細(xì)化管理體系，進(jìn)一步提升鐵路工程建設(shè)水平。