軌道交通信息模型的施工應(yīng)用研究

盧珍珠，吳 敦，王芬旗

(1. 寧波市鄞州區(qū)測(cè)繪院，浙江 寧波 315192； 2. 寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院, 浙江 寧波 315042)

一、 引 言

寧波軌道交通項(xiàng)目從2007年開(kāi)始規(guī)劃、立項(xiàng)和申報(bào)，2009年寧波軌道交通一號(hào)線一期工程正式開(kāi)通建設(shè)，到2014年6月軌道交通一號(hào)線將正式運(yùn)營(yíng)。軌道交通建設(shè)項(xiàng)目是一個(gè)復(fù)雜的、綜合的經(jīng)營(yíng)活動(dòng)，如何從根本上解決項(xiàng)目規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工及維護(hù)管理各階段應(yīng)用系統(tǒng)之間的信息斷層，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目生命周期各階段的信息共享和充分利用，以縮短工期、降低成本、提高質(zhì)量，是軌道交通建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)軌道交通中一系列復(fù)雜問(wèn)題，寧波市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院從2009年開(kāi)始著手相關(guān)解決方案的研究，并提出了軌道交通信息模型的全生命周期管理(rail transit information modeling lifecycle management，RIM)的概念。RIM是指通過(guò)基于軌道交通數(shù)字信息模型，在項(xiàng)目全生命周期的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)管理等各個(gè)階段綜合應(yīng)用三維仿真、激光掃描、地理信息和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)協(xié)同管理、施工精細(xì)管理和運(yùn)營(yíng)智能管理的過(guò)程，如圖1所示。RIM建模包括二維平面信息、三維空間信息、四維時(shí)間信息、五維成本信息和六維工序信息等內(nèi)容，項(xiàng)目參與各方均可利用RIM模型，達(dá)到設(shè)計(jì)分析可視化、施工管理精確化和營(yíng)運(yùn)維護(hù)智能化的目的。

圖1 RIM涵蓋了工程的全周期過(guò)程

在RIM實(shí)施的第一階段，筆者已經(jīng)很好地解決了RIM的三維化設(shè)計(jì)、綜合管線碰撞分析、優(yōu)化出圖等方面的技術(shù)問(wèn)題。本文主要介紹RIM的第二階段即施工階段的應(yīng)用研究，通過(guò)近一年的努力，以及結(jié)合天寶公司全新的TX8型激光掃描儀，解決了設(shè)計(jì)模型信息與現(xiàn)場(chǎng)信息的空間配準(zhǔn)、施工信息模型的快速構(gòu)建與更新、基于RIM的施工檢測(cè)與監(jiān)測(cè)等技術(shù)問(wèn)題。

二、 RIM施工的技術(shù)方案

1. TX8型激光掃描儀與多站配準(zhǔn)

TX8是天寶公司2014年新出品的一款激光掃描儀(如圖2所示)，它能夠?qū)崿F(xiàn)更快的掃描速度和更遠(yuǎn)的測(cè)程，以節(jié)省三維掃描任務(wù)所需的時(shí)間。TX8采用了天寶專利的LightningTM(閃電)技術(shù)，在其整個(gè)測(cè)程范圍內(nèi)，都可以保證每秒100萬(wàn)個(gè)精確激光點(diǎn)的數(shù)據(jù)獲取速度。由于天寶LightningTM技術(shù)受目標(biāo)表面類型和大氣狀況變化影響很小，因此在每一個(gè)測(cè)站都可以獲得具有良好完整性的數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖2 天寶TX8型三維激光掃描儀

三維激光掃描技術(shù)是目前重建地理空間最為先進(jìn)和最為可靠的技術(shù)，應(yīng)用激光掃描儀對(duì)軌道交通站點(diǎn)施工模型重建，一是要解決數(shù)據(jù)采集的效率問(wèn)題，二是要解決數(shù)據(jù)后期處理的效率問(wèn)題。首先因?yàn)槭┕らg歇期時(shí)間短，只有數(shù)個(gè)小時(shí)，因此要盡可能在短時(shí)間內(nèi)采集足夠密度和精度的數(shù)據(jù)。如圖3所示，筆者對(duì)寧波通途北路地下站點(diǎn)進(jìn)行激光數(shù)據(jù)采集，采用兩人作業(yè)，在站臺(tái)與站廳兩層總共設(shè)置了28個(gè)站點(diǎn)，每個(gè)站點(diǎn)掃描時(shí)長(zhǎng)約為3 min，能夠采集約1億個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。同時(shí)在掃描過(guò)程中只貼置了8個(gè)平面標(biāo)靶，加上搬站與全站儀控制點(diǎn)測(cè)量的時(shí)間，總共測(cè)繪作業(yè)時(shí)間不到2.5 h。

圖3 通途北路站點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)

更重要的是，在多站點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)與拼接過(guò)程中，采用了全自動(dòng)標(biāo)靶目標(biāo)提取和無(wú)標(biāo)靶全自動(dòng)配準(zhǔn)技術(shù)。其中無(wú)標(biāo)靶全自動(dòng)配準(zhǔn)通過(guò)識(shí)別多站點(diǎn)之間公共區(qū)域的特征平面，并平差計(jì)算求唯一匹配解，然后再利用點(diǎn)云進(jìn)一步精化。這種方式大大提高了工作效率，28站的數(shù)據(jù)配準(zhǔn)工作僅用了不到2 h的處理時(shí)間，由于各站點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集重疊區(qū)域也比較高，因此配準(zhǔn)精度非常高，配準(zhǔn)誤差僅為2.1 mm，具體統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 點(diǎn)云配準(zhǔn)精度報(bào)告

2. 點(diǎn)云與RIM模型的檢測(cè)

目前設(shè)計(jì)與施工的協(xié)調(diào)性還存在著不少的問(wèn)題，往往導(dǎo)致施工存在一定的遺漏和失誤，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的時(shí)候只能采取一定的彌補(bǔ)措施，大大降低了施工效率和施工質(zhì)量。寧波軌道交通施工階段RIM技術(shù)的應(yīng)用研究，主要解決了如何利用現(xiàn)場(chǎng)高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)與RIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行整合,檢查空間與空間、空間與時(shí)間之間的沖突。如在施工階段點(diǎn)云與模型的碰撞超出閾值，可由系統(tǒng)自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)告，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并糾正施工誤差，減少施工返工，從而達(dá)到一定的施工監(jiān)督的作用。施工誤差的檢核可以采用兩種方式：一是通過(guò)點(diǎn)云直接與設(shè)計(jì)模型比對(duì)；二是對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行特征提取或建模，與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)與RIM模型的配準(zhǔn)，可以根據(jù)特征配準(zhǔn)，如根據(jù)捕捉點(diǎn)云數(shù)據(jù)的管線中心線、建筑角點(diǎn)等特征點(diǎn)和提取出兩模型上某一對(duì)應(yīng)的特征面來(lái)配準(zhǔn)信息模型。根據(jù)特征點(diǎn)、特征面求出3組對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)并計(jì)算坐標(biāo)變換矩陣，把得到的變換矩陣應(yīng)用于簡(jiǎn)化前的原始點(diǎn)云模型實(shí)現(xiàn)模型的預(yù)配準(zhǔn)；也可以利用測(cè)量控制點(diǎn)對(duì)測(cè)繪數(shù)據(jù)和模型進(jìn)行配準(zhǔn)。配準(zhǔn)后就可以通過(guò)點(diǎn)云數(shù)據(jù)計(jì)算施工現(xiàn)場(chǎng)與設(shè)計(jì)模型誤差值，如墻體、立柱、橫梁與模型的差值，圖5所示為墻體的誤差圖表。

圖5 點(diǎn)云數(shù)據(jù)與RIM設(shè)計(jì)模型的比對(duì)

對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行一些特征的提取非常簡(jiǎn)單，包括直線型、弧線形等，并可以利用提取的特征線直接建模，與設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算施工與設(shè)計(jì)線矢量之間的誤差(如圖6所示)。

三、 RIM模型的更新與維護(hù)

考慮到基于RIM技術(shù)進(jìn)行施工管理和后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作,包括施工材料入場(chǎng)編排、施工工序優(yōu)化、施工變更核實(shí)、設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)、設(shè)備管理等，必須基于每一階段現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行快速建模，并對(duì)原RIM模型進(jìn)行更新和數(shù)據(jù)建庫(kù)。如7圖所示，利用點(diǎn)云可以快速提取軌道站點(diǎn)內(nèi)部土建的特征，并用Sketchup進(jìn)行快速建模，整個(gè)土建的建模僅需1 h，大大提高了RIM技術(shù)應(yīng)用于施工的效率。

圖6 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特征提取

圖7 基于點(diǎn)云的快速建模

基于三維幾何模型的重建，可以利用信息建模軟件對(duì)整個(gè)RIM模型進(jìn)行更新，如圖8所示。更新后的RIM模型可以直接導(dǎo)出各種所需的成果，如二維變更施工圖、綜合管線圖、機(jī)電安裝圖等。RIM模型貫穿在整個(gè)軌道交通項(xiàng)目的全生命周期過(guò)程中，借助GIS技術(shù)和海量數(shù)據(jù)的倉(cāng)儲(chǔ)式管理技術(shù)可以對(duì)RIM模型所包含的各種粒度信息進(jìn)行分解、復(fù)合和分析，從而實(shí)現(xiàn)軌道交通智能運(yùn)營(yíng)與智能維護(hù)，大大節(jié)約了軌道交通工程后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

圖8 更新后的RIM模型圖

四、結(jié)束語(yǔ)

RIM技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展為寧波軌道交通建設(shè)效率和管理水平的提高創(chuàng)造了良好的條件，將施工階段的管理模式快速引向信息時(shí)代管理模式，實(shí)現(xiàn)了建設(shè)管理的全數(shù)字化時(shí)代。應(yīng)用先進(jìn)的天寶TX8型三維激光掃描儀，能夠快速精確構(gòu)建施工現(xiàn)場(chǎng)三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)了RIM設(shè)計(jì)到RIM施工過(guò)程中信息的有效傳遞，解決了利用計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)施工過(guò)程質(zhì)量進(jìn)行高效監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)了工程相關(guān)信息的集成化管理，建立了軌道交通工程的全數(shù)字化檔案，為后期的運(yùn)營(yíng)管理奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

(本專欄由天寶測(cè)量部和本刊編輯部共同主辦)