地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

王雪健，王家遠，張育雨，張立杰，周小林

（1. 深圳大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，深圳 518060；2. 中澳BIM與智慧建造聯(lián)合研究中心，深圳 518060；3. 中鐵南方投資集團有限公司，深圳 518054；4. 深圳市斯維爾科技股份有限公司，深圳 518057）

隨著城市建設(shè)的進程加快，地鐵工程項目建設(shè)規(guī)模不斷擴大。由于施工場地面積有限、人員較多、設(shè)備物資種類繁多、管理作業(yè)瑣碎等特點[1-2]，使得該類工程項目監(jiān)管難度較大。

當(dāng)前，相關(guān)研究人員主要利用信息化手段解決地鐵工程中出現(xiàn)的監(jiān)管力度不強、監(jiān)管手段落后等難題[3]。文獻[4—6]應(yīng)用建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System ）及云計算技術(shù)進行項目施工過程的信息集成管理；文獻[7—8]探討了利用傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對施工現(xiàn)場作業(yè)進行安全管理的方法，為地鐵工程建設(shè)項目監(jiān)管模式的創(chuàng)新提供了途徑。然而，當(dāng)前地鐵工程管理類信息系統(tǒng)的開發(fā)存在業(yè)務(wù)缺乏有效關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)難以有效集成、可視化展示數(shù)據(jù)不足、應(yīng)用場景缺乏等問題，影響施工管理工作效率和質(zhì)量。

為實現(xiàn)對地鐵工程項目精細化管理的要求，須以GIS、BIM、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為基礎(chǔ)，有效開展地鐵工程項目管理類系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用，目標(biāo)主要包括：（1）實現(xiàn)地鐵工程項目管理多視圖信息的整體概覽；（2）實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成的三維可視化展示；（3）實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的安全管理模式；（4）建成數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的一體化管理系統(tǒng)。

本文結(jié)合地鐵工程項目精細化管理和目標(biāo)，構(gòu)建地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)，實現(xiàn)對項目業(yè)務(wù)、空間信息等的一體化管控和可視化展示，提升地鐵工程項目監(jiān)管的信息化能力和服務(wù)水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

考慮地鐵工程建設(shè)管理業(yè)務(wù)的需求，以及地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)的性能、安全性、可擴展性等方面的要求，該系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，分為基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、服務(wù)應(yīng)用層與展示層。

圖1 地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.1.1 基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層是施工現(xiàn)場對生產(chǎn)要素進行監(jiān)控、量測和數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)支撐環(huán)境，旨在為系統(tǒng)應(yīng)用提供穩(wěn)定、可靠和高效的數(shù)據(jù)支撐。利用RFID標(biāo)簽、溫度/濕度/壓力傳感器、火災(zāi)/煙霧報警器、三維激光雷達、視頻攝像機、定位終端、基站等進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)對工地人員、機械、物資等信息的實時感知、監(jiān)控和記錄。同時，通過有線和無線網(wǎng)絡(luò)，如超寬帶（UWB，Ultra-Wideband）、5G移動通信、Wi-Fi、ZigBee、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT，Narrowband Internet of Things）等進行數(shù)據(jù)傳輸和連接。此外，還利用無人機搭載相機設(shè)備和衛(wèi)星遙感技術(shù)獲取高精度的地理、地貌等影像數(shù)據(jù)，用于工地現(xiàn)場周邊環(huán)境的三維建模，更準(zhǔn)確地反映工地現(xiàn)場的實際情況。

1.1.2 數(shù)據(jù)資源層

數(shù)據(jù)資源層利用數(shù)據(jù)庫、集成服務(wù)接口、云服務(wù)器和數(shù)據(jù)存儲設(shè)備來管理系統(tǒng)所需的各類數(shù)據(jù)。MySQL數(shù)據(jù)庫支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的事務(wù)處理和數(shù)據(jù)分析，如業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)和工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；MongoDB則用于大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的訪問和查詢，如GIS和BIM空間模型數(shù)據(jù)，具有高度可擴展性和靈活性，可應(yīng)對大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲和處理需求；通過集成服務(wù)接口，不同類型的數(shù)據(jù)可在數(shù)據(jù)資源層中進行交換和處理；云服務(wù)器具有強大的計算和存儲能力，可根據(jù)用戶的需求提供不同的配置和服務(wù)；數(shù)據(jù)存儲設(shè)備負責(zé)數(shù)據(jù)的持久化存儲，確保數(shù)據(jù)的可靠性和安全性。

1.1.3 服務(wù)應(yīng)用層

服務(wù)應(yīng)用層主要提供面向服務(wù)的應(yīng)用程序接口（API，Application Programming Interface），為用戶提供交互功能，包括處理用戶請求，調(diào)用底層的業(yè)務(wù)邏輯服務(wù)，組織服務(wù)響應(yīng)并返回給用戶等，可進一步細分為業(yè)務(wù)模塊和應(yīng)用支撐模塊。

（1）業(yè)務(wù)模塊是系統(tǒng)的核心部分，負責(zé)處理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯并提供應(yīng)用服務(wù)，包括面向可視化的應(yīng)用服務(wù)、面向業(yè)務(wù)的主題服務(wù)、面向施工的監(jiān)測服務(wù)和面向協(xié)同辦公的服務(wù)。每種數(shù)據(jù)服務(wù)都以微服務(wù)的形式獨立部署，通過RESTful Web Service 標(biāo)準(zhǔn)接口為系統(tǒng)及第三方提供數(shù)據(jù)讀寫服務(wù)。

（2）應(yīng)用支撐模塊為業(yè)務(wù)層提供支持，基于微服務(wù)架構(gòu)的中間件（包括服務(wù)注冊與發(fā)現(xiàn)、配置中心、服務(wù)網(wǎng)關(guān)、消息組件和分布式追蹤與監(jiān)控組件），可與其他技術(shù)組件進行集成，包括GIS引擎、流程引擎、規(guī)則引擎、數(shù)據(jù)引擎等，提供可擴展性，并實現(xiàn)對業(yè)務(wù)需求的快速響應(yīng)。

1.1.4 展示層

展示層負責(zé)呈現(xiàn)系統(tǒng)的用戶界面，包括Web端、指揮中心大屏、移動端等，集成相應(yīng)技術(shù)和工具，并提供如決策分析、統(tǒng)計報表、GIS查詢、BIM應(yīng)用、信息通知等功能，以更好地監(jiān)管施工進度、質(zhì)量和安全等，同時，為地鐵工程項目管理提供決策支持和參考依據(jù)。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)的前后端分離設(shè)計模式，將前端應(yīng)用程序部署在瀏覽器端，后端服務(wù)部署在服務(wù)器端。前端應(yīng)用程序由HTML、CSS、JavaScript、Angular、Antd、Echarts等Web技術(shù)棧組成，其中，Angular作為主要框架；Antd用于UI組件的設(shè)計；Echarts用于數(shù)據(jù)可視化，封裝常用組件，在瀏覽器中配置Web 界面與UI效果。后端采用微服務(wù)架構(gòu)，通過輕量級的Spring Boot和Spring Cloud框架來構(gòu)建微服務(wù)應(yīng)用程序，將每個功能模塊微服務(wù)化，組合成一個完整的Web應(yīng)用服務(wù)。服務(wù)器由API網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、Web服務(wù)器、文件與模型服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組成，API網(wǎng)關(guān)與前端的Web應(yīng)用集成，負責(zé)權(quán)限校驗、負載均衡和緩存。

2 系統(tǒng)功能

地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)將各種數(shù)據(jù)源中的信息進行整合、分析和可視化展示，幫助地鐵工程項目管理部門和管理人員對地鐵工程建設(shè)情況進行全面監(jiān)管和分析，功能主要包括以下幾個方面。

2.1 多維信息可視化

地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)提供豐富的數(shù)據(jù)可視化、統(tǒng)計分析和預(yù)測分析等功能，協(xié)助用戶對地鐵工程的建設(shè)過程中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行全面的監(jiān)管。用戶可通過多種數(shù)據(jù)指標(biāo)的可視化展示和動態(tài)更新，直觀地了解各項業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的情況，從而協(xié)調(diào)、管理各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)。同時，通過深入挖掘數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢，輔助用戶提高管理決策的精準(zhǔn)性和科學(xué)性。

如圖2所示，基于不同區(qū)域、時段、業(yè)務(wù)，對在場人員分布、設(shè)備數(shù)量、項目進度、產(chǎn)值進度、質(zhì)量安全問題處理、重大危險源等專題數(shù)據(jù)進行集成，以餅狀圖、柱狀圖、環(huán)形圖、曲線圖等形式進行可視化，多維度展示地鐵工程項目所在區(qū)域相關(guān)管理內(nèi)容的狀態(tài)變化信息，使用戶更加直觀地了解地鐵工程項目整體情況。

圖2 多維信息可視化示意

2.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成的空間管理

基于BIM和GIS技術(shù)對地鐵工程項目的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進行集成與融合，有效實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成的宏觀和微觀空間管理。

2.2.1 宏觀空間管理

采用統(tǒng)一坐標(biāo)參照系管理柵格影像和矢量圖層，確保幾何模型的空間位置和關(guān)系的正確表示。應(yīng)用WebGIS引擎、BIM輕量化技術(shù)等支持模型在二維、三維空間的展示，在Web端實現(xiàn)區(qū)域面積規(guī)劃、位置查詢、顯示和定位等功能。同時，提供模型三維空間分析工具，包括卷簾分析、剖切分析和幾何量算等。例如，通過模型剖析，以可視化的方式展示地鐵工程項目工地周邊環(huán)境信息及內(nèi)部設(shè)施結(jié)構(gòu)布局等，并支持進一步的地理空間關(guān)系分析，如圖3所示。

圖3 宏觀空間可視化示意

2.2.2 微觀空間管理

支持BIM模型的查看，用戶可詳細地了解地鐵工程實體模型及屬性信息，應(yīng)用BIM技術(shù)對項目施工現(xiàn)場進行模擬，支持施工作業(yè)計劃的制定和施工工序的精細化管控，提高地鐵工程施工現(xiàn)場的管理效率和質(zhì)量。

2.3 施工安全管理

針對地鐵工程設(shè)施與結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境等存在的重大風(fēng)險源進行實時監(jiān)測，支持各項安全指標(biāo)的可視化顯示及異常信息預(yù)警，以提升地鐵工程項目施工現(xiàn)場的安全性，實時監(jiān)測預(yù)警信息的可視化示意如圖4所示。

圖4 實時監(jiān)測預(yù)警信息可視化示意

基于實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和累計的歷史風(fēng)險數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)和規(guī)律，快速地統(tǒng)計、預(yù)測和推斷可能的風(fēng)險隱患，并進一步生成應(yīng)急預(yù)案和施工方案優(yōu)化措施等，幫助管理者及時發(fā)現(xiàn)和處理潛在的風(fēng)險源，并采取相應(yīng)的預(yù)防措施和應(yīng)急響應(yīng)措施，最大限度地保障施工現(xiàn)場安全。

3 關(guān)鍵技術(shù)和方法

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合及可視化表達

本系統(tǒng)處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的核心是BIM與GIS數(shù)據(jù)的互融互通。為將不同專業(yè)和格式的BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS支持的格式，利用BIM和GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)之間的擴展和映射關(guān)系，建立了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)組織和存儲規(guī)則，保證兩者數(shù)據(jù)模型在幾何和屬性信息融合及轉(zhuǎn)換過程中的一致性。

為將BIM 與地形、地貌、地質(zhì)、沿線周邊環(huán)境等空間數(shù)據(jù)在三維場景中進行匹配，本文采用七參數(shù)模型計算地方獨立坐標(biāo)系與地理空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，實現(xiàn)了模型、柵格、影像、傾斜攝影模型等坐標(biāo)投影的自動轉(zhuǎn)換和空間位置配準(zhǔn)。

基于超圖GIS軟件SuperMap iDesktop，對BIM模型進行輕量化處理，包括外殼提取、三角網(wǎng)簡化、刪除子對象，以減小模型體積。利用細節(jié)層次（LOD，Level of Detail）和八叉樹空間劃分技術(shù)對三維場景數(shù)據(jù)進行分層組織，生成空間三維模型（S3M，Spatial 3D Model）緩存文件，并借助SuperMap iServer發(fā)布二維和三維地圖應(yīng)用服務(wù)，實現(xiàn)Web端三維場景數(shù)據(jù)的層次化動態(tài)加載和多尺度可視化展示。

3.2 微服務(wù)協(xié)作機制

微服務(wù)協(xié)作指一組微服務(wù)通過相互間的通信和交互，共同完成業(yè)務(wù)需求的過程。由于每個微服務(wù)都封裝為一個特定的應(yīng)用程序功能，因此，采用一種基于消息的通信來協(xié)調(diào)微服務(wù)間協(xié)作的機制，以便執(zhí)行端到端的業(yè)務(wù)流程。利用微服務(wù)架構(gòu)模式，在流程執(zhí)行期間，客戶端通過HTTP協(xié)議發(fā)送服務(wù)請求，微服務(wù)集群作為整個業(yè)務(wù)邏輯的控制器響應(yīng)請求，將請求轉(zhuǎn)換為消息，并發(fā)送到消息隊列中，以協(xié)調(diào)多個微服務(wù)的調(diào)用。微服務(wù)按照消息隊列訂閱或接收消息，執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，并將結(jié)果返回到隊列中。消息處理完畢后，通過Socket等通信工具告知客戶端。這樣，每個微服務(wù)都可獨立地處理其負責(zé)的任務(wù)，并通過消息隊列與其他微服務(wù)進行通信和協(xié)調(diào)，確保系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程的正確執(zhí)行。

4 應(yīng)用效果

本文設(shè)計的地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)已在深圳地鐵14 號線工程上線運行。深圳地鐵14號線從羅湖區(qū)崗廈北站到坪山區(qū)沙田站，共 17 個站點，全長50.34 km。該工程項目線路長、區(qū)域跨度大、沿線穿越環(huán)境復(fù)雜，各工區(qū)、工點涉及大量工程作業(yè)內(nèi)容，現(xiàn)場人員、材料、機械、設(shè)備、環(huán)境等施工管理問題突出。本文系統(tǒng)上線以來，在對各個工區(qū)、工點施工管理方面取得了明顯的效果。

（1）實現(xiàn)了對現(xiàn)場施工材料、機械設(shè)備、人員、環(huán)境等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控量測，形成對施工進度、質(zhì)量、成本、風(fēng)險等建設(shè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的全面可視化監(jiān)管，從整體上提高了地鐵工程施工現(xiàn)場的安全性和管控效率。同時，以BIM、GIS等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的宏/微觀空間管理功能，滿足管理人員對工程建設(shè)信息全面掌控的要求。

（2）實現(xiàn)了各部門之間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，滿足了不同管理角色對工程數(shù)據(jù)的及時掌握和監(jiān)管需要。微服務(wù)協(xié)作機制的應(yīng)用提升了本系統(tǒng)的實用性、可擴展性和服務(wù)水平。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合當(dāng)前地鐵工程項目建設(shè)的管理方式和目標(biāo)，設(shè)計并研發(fā)了地鐵工程項目多維信息集成監(jiān)管系統(tǒng)，已成功應(yīng)用于深圳地鐵14號線工程，并從專題數(shù)據(jù)可視化顯示、地理空間環(huán)境信息直觀展示，以及施工安全風(fēng)險管理等方面開展功能性應(yīng)用，保障了各部門業(yè)務(wù)間的連續(xù)性，提高地鐵工程項目一體化、精細化管理水平，具有推廣價值。