地鐵盾構(gòu)施工管理平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究

王曉明，曹玉新，李金武，陳 超

（1.中電建鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京華科軟科技有限公司，北京 100048）

城市地上地下環(huán)境較為復(fù)雜，對地鐵盾構(gòu)施工活動(dòng)造成較多的限制，給施工管理帶來極大的挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的施工管理方式已經(jīng)無法滿足日益擴(kuò)增的地鐵盾構(gòu)施工需求，亟須通過運(yùn)用先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)智慧化施工管理應(yīng)用。因此，開展基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的地鐵盾構(gòu)施工管理平臺(tái)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用研究具有重要意義。

江玉生[1]等通過早期對于信息化技術(shù)應(yīng)用落地的探索，開發(fā)了盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)管理與風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對于盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及耗材量的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理及預(yù)警；陳文遠(yuǎn)[2]等開發(fā)了盾構(gòu)集群遠(yuǎn)程監(jiān)控與智能化決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過可視化與識(shí)別算法技術(shù)對盾構(gòu)施工進(jìn)行了圖表展示以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能化識(shí)別；程佳琛[3]研發(fā)的盾構(gòu)施工監(jiān)控管理平臺(tái)可以對盾構(gòu)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對施工質(zhì)量及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合管控；瞿文婷等[4]基于BIM 技術(shù)，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)等信息手段建立了具備施工管理、管片跟蹤、盾構(gòu)監(jiān)控等功能模塊的數(shù)字化隧道施工管理平臺(tái)；陳卓[5]等運(yùn)用BIM 技術(shù)對地鐵隧道盾構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)與分析，并基于BIM 打造了可用于施工管理、動(dòng)態(tài)監(jiān)控及實(shí)時(shí)監(jiān)測的數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)；孫振川等[6]建立了集智能監(jiān)測、綜合分析、協(xié)同管理等功能于一體的隧道掘進(jìn)機(jī)工程大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，旨在提升施工效率與智能化管理水平；Borrmann，A.等[7]通過集成BIM 與GIS（Geographic Information System）地理信息系統(tǒng)，建立了多維度地從幾何到語義信息關(guān)聯(lián)的綜合盾構(gòu)信息模型，以實(shí)現(xiàn)對于施工過程的模擬與分析；Nini?，J.等[8]則構(gòu)建了能夠提供不同模型信息精確度以實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到施工分析的盾構(gòu)集成管理平臺(tái)。

上述研究有的方案強(qiáng)調(diào)的是實(shí)時(shí)管控與預(yù)警，但是對于施工前期盾構(gòu)相關(guān)模型建立的準(zhǔn)確性以及周圍場景數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性存疑，導(dǎo)致最終效果產(chǎn)生較大偏差；有的方案則在平臺(tái)數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)架構(gòu)及系統(tǒng)功能等方面存在一定的局限性，并且平臺(tái)使用維護(hù)成本高，難以滿足多層級管理模式的需求，影響了其后續(xù)的可持續(xù)發(fā)展。針對上述所提到的缺陷問題，致力于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、集成化、智慧化的地鐵盾構(gòu)施工管理模式，基于對BIM 模型、地理信息、三維場景以及傳感監(jiān)測信息等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，開展數(shù)據(jù)采集、信息存儲(chǔ)、交互分析、平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能模塊建設(shè)等關(guān)鍵技術(shù)的研究，打造集成綜合信息模型、貫穿業(yè)務(wù)多維度以及數(shù)據(jù)有機(jī)結(jié)合生態(tài)化，且能夠滿足和適應(yīng)未來項(xiàng)目復(fù)雜施工需求的地鐵盾構(gòu)施工管理平臺(tái)。

1 技術(shù)應(yīng)用路線

1）利用自主研發(fā)的可內(nèi)置于平臺(tái)的轉(zhuǎn)換插件實(shí)現(xiàn)將不同來源格式的地鐵盾構(gòu)相關(guān)BIM 模型轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一格式。

2）采用自主研發(fā)的輕量化引擎技術(shù)在平臺(tái)上將大體量BIM 模型處理成輕量化格式并在Web端發(fā)布成輕量化數(shù)據(jù)服務(wù)。

3）利用平臺(tái)的輕量化引擎實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，如BIM 模型、地理信息數(shù)據(jù)、三維場景數(shù)據(jù)及傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合，以搭建地鐵盾構(gòu)工程項(xiàng)目應(yīng)用管理所需要的三維場景模型。

4）在平臺(tái)上開發(fā)建設(shè)滿足盾構(gòu)施工管理的監(jiān)測、分析、仿真驗(yàn)算等各項(xiàng)功能模塊以及應(yīng)用于綜合分析、工程監(jiān)控及動(dòng)態(tài)預(yù)警的智慧決策。

2 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

該平臺(tái)技術(shù)研究遵循WebService、Osgb+xml、HTML/HTML5、Canvas、Threejs、SpringMVN、Flow/Bizx、RESTful、OGC/I3S/IFC 等Web 開發(fā)框架、信息交互和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。首先采用模型轉(zhuǎn)換插件將來源于不同軟件廠商的地鐵項(xiàng)目BIM 模型統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為通用的IFC 格式，然后通過輕量化引擎技術(shù)對大體量的BIM 模型進(jìn)行輕量化處理并得到壓縮后重新拼裝的輕量化模型。而后通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)將BIM 輕量化模型信息與三維地形、激光點(diǎn)云、地下勘探等地理信息以及傾斜攝影、遙感影像等場景信息，還有相關(guān)傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)與融合。平臺(tái)采用WebGL 技術(shù)作為三維繪圖協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)允許將JavaScript和OpenGL ES 2.0 結(jié)合在一起，通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的OpenGL 接口增加OpenGL ES 2.0 的一個(gè)JavaScript 綁定使得WebGL 可以為HTML5 Canvas 提供三維加速渲染，從而實(shí)現(xiàn)在Web 端交互式地鐵盾構(gòu)施工三維場景的輕量化渲染效果。

此外，根據(jù)用戶對于不同階段項(xiàng)目中物體模型的細(xì)節(jié)層次要求，采用LOD 技術(shù)根據(jù)物體模型的節(jié)點(diǎn)在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細(xì)節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運(yùn)算。動(dòng)態(tài)加載技術(shù)的使用更是實(shí)現(xiàn)了根據(jù)物體距離相機(jī)的遠(yuǎn)近自動(dòng)調(diào)度物體模型數(shù)據(jù)，通過計(jì)算動(dòng)態(tài)加載或遮擋剔除模型頂點(diǎn)和面數(shù)，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行的同時(shí)，減少內(nèi)存中數(shù)據(jù)加載量。通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)與融合應(yīng)用，構(gòu)建綜合信息模型，加快推動(dòng)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)融合，并朝著滿足信息量增加的需求方向發(fā)展，把業(yè)務(wù)橫向和縱向進(jìn)行了多維度的打通和貫穿，從而使得各孤立的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)成為一套有機(jī)的生態(tài)系統(tǒng)。

3 平臺(tái)功能模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

智慧數(shù)字化地鐵盾構(gòu)施工管理平臺(tái)包括智能監(jiān)控、綜合分析、協(xié)同管理以及智慧掘進(jìn)四大業(yè)務(wù)功能模塊。用戶通過在首頁選擇地鐵盾構(gòu)項(xiàng)目，點(diǎn)擊就可進(jìn)入對應(yīng)項(xiàng)目的功能模塊界面。

3.1 智能監(jiān)控

智能監(jiān)控模塊是為了實(shí)現(xiàn)對于地鐵隧道掘進(jìn)施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與管控。該模塊包含四塊子系統(tǒng)的監(jiān)控，分別為盾構(gòu)主界面、泡沫系統(tǒng)、其他系統(tǒng)以及導(dǎo)向系統(tǒng)。盾構(gòu)主界面根據(jù)設(shè)定刷新時(shí)間以獲取最新的盾構(gòu)器數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要包括位移、土艙壓力、螺旋機(jī)、刀盤、鉸接油缸壓力、設(shè)備橋拖拉壓力以及進(jìn)度等相關(guān)數(shù)據(jù)；泡沫系統(tǒng)提供混合液罐、空氣及泡沫原液數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；其他系統(tǒng)包括對于鉸接系統(tǒng)、油脂系統(tǒng)以及注漿及膨潤土系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；導(dǎo)向系統(tǒng)則提供有關(guān)盾構(gòu)切口里程、盾尾里程、俯仰角、滾動(dòng)角等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該模塊可實(shí)現(xiàn)對多種類型盾構(gòu)施工狀態(tài)的有效監(jiān)控管理，方便用戶隨時(shí)隨地通過PC 端或移動(dòng)端加載查看盾構(gòu)的施工狀態(tài)數(shù)據(jù)，對施工進(jìn)行指導(dǎo)，及時(shí)處理異常情況，減少操作錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)，從而提高盾構(gòu)施工效率，保障施工進(jìn)度與安全。

3.2 綜合分析

綜合分析模塊主要提供導(dǎo)向參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)、綜合參數(shù)、施工圖平面、施工縱斷面圖、管片姿態(tài)以及地面沉降七大分析功能。導(dǎo)向參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)及綜合參數(shù)主要提供對于盾構(gòu)工況數(shù)據(jù)的分析，而通過施工平面圖用戶可以查看盾構(gòu)掘進(jìn)的線路走向、監(jiān)測點(diǎn)以及地表信息等，同時(shí)可以查看隧道的報(bào)警點(diǎn)及報(bào)警程度。施工縱斷面圖則為用戶提供查看地層信息、勘探孔位置以及風(fēng)險(xiǎn)源位置的功能。因此，通過對盾構(gòu)施工情況的數(shù)字化、圖像化表達(dá)，能夠使用戶更加直觀立體地了解施工情況，并且經(jīng)過對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的綜合對比分析，為用戶在施工過程中的決策提供有力支持。

3.3 協(xié)同管理

協(xié)同管理模塊包括基本信息、決策分析、風(fēng)險(xiǎn)管理、設(shè)備管理、施工管理、測量管理、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)工具、系統(tǒng)監(jiān)控及系統(tǒng)管理十大功能。①基本信息包含工程分布、綜合臺(tái)賬以及項(xiàng)目看板，主要用于展示在建項(xiàng)目、歸檔項(xiàng)目、盾構(gòu)類型數(shù)量、分布情況等統(tǒng)計(jì)信息，方便用戶全面掌握盾構(gòu)市場情況；②決策分析則針對項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)、進(jìn)度風(fēng)險(xiǎn)情況以及設(shè)備使用預(yù)警提供決策分析服務(wù)，有利于用戶把控資源調(diào)度與進(jìn)度情況，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)高效率的決策；③風(fēng)險(xiǎn)管理包含工程風(fēng)險(xiǎn)、參數(shù)預(yù)警、沉降預(yù)警、姿態(tài)預(yù)警等功能，通過這些功能所搭建的風(fēng)險(xiǎn)防控及預(yù)警體系，用戶能夠全面掌控施工與質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)；④設(shè)備管理則是針對盾構(gòu)等相關(guān)設(shè)備資源提供臺(tái)賬管理、維修管理及方案管理功能，便于對設(shè)備進(jìn)行全壽命周期的管理，確保設(shè)備的良好運(yùn)行狀態(tài)；⑤施工管理主要包括進(jìn)度、工序、質(zhì)量、方案、地質(zhì)、人才的綜合管理以及施工報(bào)表，將施工信息實(shí)時(shí)傳達(dá)給相關(guān)負(fù)責(zé)人，便于其把控施工階段的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、集成化的施工管理方式；⑥測量管理則是提供相關(guān)測量數(shù)據(jù)、測量設(shè)備以及測量人員的跟蹤管理，確保測量工作的準(zhǔn)確性與安全性；⑦基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用于提供BIM 模型、地理信息、三維場景以及相關(guān)項(xiàng)目歷史數(shù)據(jù)等信息；⑧系統(tǒng)工具則為平臺(tái)的版本管理、附件管理及二次開發(fā)提供相應(yīng)的接口分配，便于進(jìn)行應(yīng)用擴(kuò)展；⑨系統(tǒng)監(jiān)控則為用戶提供在線人數(shù)、定時(shí)任務(wù)、數(shù)據(jù)監(jiān)控、服務(wù)監(jiān)控及緩存監(jiān)控功能，方便后臺(tái)管理人員掌握系統(tǒng)的實(shí)時(shí)使用情況；⑩系統(tǒng)管理則是為整個(gè)協(xié)同管理模塊提供用戶管理、角色分配、菜單管理及部門管理功能，實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理過程中的權(quán)限分配與職級責(zé)任劃分，以滿足各層級、各部門的管理業(yè)務(wù)需求，提升精細(xì)化管理水平，確保項(xiàng)目施工的順利進(jìn)行。

3.4 智慧掘進(jìn)

智慧掘進(jìn)主要為盾構(gòu)施工提供參數(shù)優(yōu)化、姿態(tài)控制、參數(shù)預(yù)警、參數(shù)分析以及模型應(yīng)用的功能服務(wù)。①參數(shù)優(yōu)化是根據(jù)歷史的盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法對參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，給出優(yōu)化后的參數(shù)值以指導(dǎo)掘進(jìn)朝著更加高效準(zhǔn)確的方向邁進(jìn)；②姿態(tài)控制則是對盾構(gòu)設(shè)備的姿態(tài)進(jìn)行全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保盾構(gòu)能夠以最高效率掘進(jìn)；③參數(shù)預(yù)警則是通過將關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律與異常事件進(jìn)行關(guān)聯(lián)性分析探索，建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，以確保施工過程中能夠?qū)?shù)的變化做出積極響應(yīng)，預(yù)防異常事件的發(fā)生；④參數(shù)分析是對不同項(xiàng)目、不同設(shè)備的施工參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、挖掘，以獲取關(guān)鍵參數(shù)的參考值，為在建項(xiàng)目或待建項(xiàng)目提供可靠的施工參考依據(jù)；⑤模型應(yīng)用則是基于前面所述的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，將BIM 模型、地理信息、三維場景等集成實(shí)現(xiàn)渲染展示，為施工管理提供多維度、高精度的三維可視化效果。這些功能有助于實(shí)現(xiàn)對施工真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)律性總結(jié)，并且基于規(guī)律預(yù)測可能存在的設(shè)備故障與施工風(fēng)險(xiǎn)，提高整體施工管理水平。

4 結(jié)論

數(shù)字化技術(shù)的飛速發(fā)展為工程項(xiàng)目的管理帶來了新契機(jī)，基于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)能夠通過關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，有效地整合所有項(xiàng)目相關(guān)的數(shù)據(jù)資源，構(gòu)建綜合信息模型，針對傳統(tǒng)施工在資源調(diào)配、過程管控以及協(xié)同管理方面的缺陷問題，提出了相應(yīng)的基于信息模型的數(shù)字化解決方式，打破了信息孤島，實(shí)現(xiàn)了地鐵盾構(gòu)業(yè)務(wù)多維度全方位的打通與貫穿，建立起了一套數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)有機(jī)結(jié)合的生態(tài)系統(tǒng)體系，以適應(yīng)滿足未來地鐵項(xiàng)目施工日益增長的復(fù)雜需求。之后，會(huì)根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的需求情況，對當(dāng)前管理平臺(tái)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行完善，提升平臺(tái)的綜合效能，為數(shù)字化技術(shù)的研究與應(yīng)用帶來更多的價(jià)值。