軌道交通信息模型的全生命周期管理研究及應用

徐狄軍，周 鑫，王芬旗

(寧波市測繪設計研究，浙江寧波315042)

一、引 言

據統計，目前中國已有36個城市正在建設和籌建自己的軌道交通。其中，北京、上海、廣州在改建或進一步完善城市地鐵系統。2010年全國軌道交通運營里程1 708.4 km，地鐵站點1131個。據國家發改委消息，2015年，全國軌道交通運營里程將達到約3000 km。寧波、深圳、南京、武漢等城市也在動工興建或擬建地鐵及輕軌交通。然而，在地鐵帶給人們方便快捷的同時，由于地鐵車站施工周期長，車站建設期加重了交通壓力，極大地影響了人們的日常工作和生活。同時，地鐵車站管網建設是整個地鐵車站建設中重要的組成部分，車站管網布置錯綜復雜。在車站設計階段，管網設計任務重，協調工作量大;在施工階段，管網施工周期長，材料浪費大;運行維護階段，管網信息量大，統籌管理困難。

近年來，可視化、信息化技術在各行各業廣泛推廣使用，將其應用在工程建設中是工程建設未來的發展趨勢，許多國內外軟件企業都在大力開發輔助工程建設軟件來搶占該領域的先機。如果將可視化、信息化技術應用在地鐵管網建設中，用可視化、信息化的手段對地鐵車站管網從設計到施工，再到后期運營維護進行全面管理，即可有效地解決地鐵管網建設中存在的設計任務重、協調工作量大、施工效率低、信息海量等諸多問題。

因此，開發三維輔助軟件系統將可視化、信息化技術應用在地鐵管網建設中，協同管網設計，指導管網施工，輔助管網運維管理，對地鐵管網的建設和發展意義深遠。為了使整個軌道交通建設工程設計和施工更快速、更智能、更具成本效益，故提出軌道交通信息模型的全生命周期管理(rail transit information modeling lifecycle management，RIM)，用來輔助軌道交通的建設。

二、目的和意義

RIM以三維仿真技術和GIS為基礎，進行適應性的二次開發，提供基于二三維一體化的RIM系統，為地鐵管網協同設計、現場安裝即時調整和運維信息快速更新及查詢等提供信息管理平臺。

RIM可將地鐵車站管網的二維設計圖紙轉換成三維可視化模型進行查錯糾偏，對設計圖紙進行優化，有效地避免了管網施工中由于設計原因造成的工期拖延和資源浪費，并能用可視化的手段指導管網施工，還可以即時查詢管網設計信息。同時，用信息化、可視化的管理手段對地鐵車站管網系統進行運維管理，有效地解決了在軌道交通運維階段信息量大、管理復雜等問題，大大提高了地鐵車站管網建設的效率，對軌道交通的建設和發展意義重大。

三、研究綜述和理論提出

通過調查研究發現國內外三維仿真、GIS、激光掃描等技術在軌道交通領域的應用已經初見成果。由于軌道交通的地理分布特性，大量的信息分散在各處，只有借助GIS強大的空間信息處理功能，才能實現高效的管理。通過分析軌道交通工程對象系統的特性，以及對GIS知識的充分掌握，研究和開發相應的應用系統，將分散在各處的空間信息通過GIS統一的平臺進行管理。

然而，已有的系統都是針對一些特定的需求而開發的，它們在城市軌道交通的某一方面的應用取得了一定的效果，如線網規劃、施工監測等。如果能夠將這些系統在軌道交通項目全生命期內進行集成，實現以三維仿真技術和GIS為核心，先進測繪技術為手段，多種信息技術相結合的城市軌道交通全生命期的信息管理體系，就成了項目組的研究目標。

項目組正式提出的RIM理論，是指項目全生命周期內綜合應用三維仿真、激光掃描、GIS和物聯網等信息技術進行設計協同管理、施工精細管理和運營智能管理的過程。結合GIS技術、先進測繪技術、計算機輔助設計技術創造性地提出了RIM的理論體系，主要包含了建設RIM體系架構、RIM設計與施工標準、RIM質量檢測技術規程和RIM運營指南等。以三維仿真技術和GIS為核心，依托ERP和云技術等建立起“RIM平臺”，將設計協同管理、施工精細管理和運營智能管理等服務部署在云端。通過RIM技術，將設計、施工和運營等多源異構數據進行超細粒度分解，用于多專業協同作業，方便信息流轉、管理和調度。

四、總體思路

RIM的研究對象涉及軌道交通工程建設的多個階段，即項目前期、設計、施工和運營維護等，項目參與方涉及建設方、設計方、施工方、監理方、咨詢方和運維方等，專業組成包括土木工程、建筑、結構、暖通、空調、給排水、電力、電信和通信信號等。RIM項目組結合各單位優勢，發揮項目組成員的特長，該研究主要采用跨學科研究法和系統科學研究法。

1.理論分析與實證分析相結合

以信息管理和GIS相關理論為基礎，同時結合城市軌道交通的實際情況進行實證分析，從實踐中尋求問題，在理論中尋求答案。

2.分析到綜合的方法

研究思路都是先對系統內部的各個子系統和要素進行分析，然后再進行綜合，進而得出完整的結論。

RIM主要研究內容分別為RIM理論研究、RIM技術研究、RIM數據應用研究和RIM軟件開發。針對上述研究內容，制定了一整套完善的研究步驟，具體如圖1所示。

圖1 研究步驟

五、研究過程及成果應用

1.軟件開發

(1)需求分析

系統采用二三維一體化平臺作為基礎平臺，采用B/S和C/S混合架構進行系統構建，對軌道交通的三維管線和三維站場的設計進行現狀虛擬。采用C#語言，在Visual Studio 2010集成開發環境中進行開發。在系統開發過程中還使用OpenGL技術，使三維可視化更加出色。

(2)組織架構

系統整體框架采用三層架構，分別為數據層、邏輯層和業務應用層。數據層包括二維數據、三維數據、關系數據和文件數據。系統邏輯層基于模型加載、三維驅動及數據分析完成對具體應用業務的實現。為保證系統操作數據的安全性，系統采用后臺行為監聽線程，完成對數據的保護及用戶權限日志的動態驗證功能。

(3)系統開發

系統使用方包括建設管理方、設計方及施工方，涉及數據量大、信息多，因此采用B/S+C/S的混合模式。對系統中三維部分的操作及相關應用使用C/S，以保障數據安全，數據順暢運行，且不受網絡帶寬、瀏覽器負載等方面的影響。其他相關的業務管理功能則使用B/S模式，體現其即時性、方便性的操作特點。如圖2所示。

圖2 軌道交通RIM管理系統的實現

2.設計階段

(1)協同設計

設計、創建和管理包含來自多個數據源的詳細數據和聚合數據的多維結構，這些數據源(如關系數據庫)都存在于內置計算支持的單個統一邏輯模型中。RIM可以嵌入主流應用程序中，不增加工作人員的負擔。

(2)三維管線綜合設計

三維管線綜合設計采用的技術方案為:將所有管線的設計信息納入RIM系統，確定總體的排布方案和排布原則，根據安裝要求，確定管線綜合排布的空間層次分配，根據交叉點管線沖突整體調整管線高度，解決了沖突點標高問題，又減少了管線的翻彎。

3.施工階段

利用先進測繪技術，實時獲取施工現場信息，快速響應形成施工模型，將施工模型和設計模型導入RIM系統，進行分析比對，生成施工質量檢測報告。通過施工模型和設計模型的反復比對，制定進一步施工措施，進行返工或變更設計。主要包括:

1)配準技術:捕捉點云數據的管線中心線、建筑角點等特征點，提取出兩模型上某一對應的特征面來配準信息模型。根據特征點、特征面求出3組對應點對并計算坐標變換矩陣;把得到的變換矩陣應用于簡化前的原始點云模型來實現模型的預配準。也可利用測量控制點對測繪數據和建筑信息模型進行配準。如圖3所示。

圖3 激光點云數據和軌道信息模型配準

2)碰撞分析:以點線為基礎，根據信息模型與點云的包絡關系，把激光掃描的建筑物施工環境與信息模型協調起來;利用點云數據可視化功能，加上與信息模型的集成，將精確的錯誤查找與基于硬沖突、軟沖突、空間沖突管理相結合。保存在項目中發現的所有碰撞的完整記錄、分類，并可以通過搜索、定位等手段查看碰撞記錄，對其進行標注等。

4.運維階段

基于RIM的軌道交通設施資產及運營維護管理系統，利用整合后的軌道交通信息模型，將設施資產管理與設備運維管理集成到三維可視化平臺中，并結合物聯網技術，使用手持設備及芯片(或二維碼)，進行現場管理，如圖4所示。其功能主要包括設施資產管理、設備運維管理、應急預案管理等。

圖4 基于RIM的設備管理(二維碼)

基于數據庫的管理系統調用的是邏輯關聯的信息，如設施三維模型與設施使用手冊、運行參數、保養周期等，消除查閱紙質文件的不便;運維工單與維修人員和備品備件庫存管理聯動;應急工單與應急人員和物資聯動，提高了運營可靠性和應急處理能力。

六、創新點及關鍵技術

1.創新點

(1)RIM理念創新

RIM理念貫穿了整個軌道交通工程全生命周期，包括項目前期的地下管線普查詳查、地下管線遷移(規劃放(驗)線、地形修測)、軌道交通站點設計、施工和運營維護管理。

(2)粗粒度工程信息的分解與復合技術

通過RIM技術，將工程設計、施工和運營等多源異構數據進行超細粒度分解，通過有效的篩選，進行相關信息的復合，用于多專業協同作業，方便信息流轉、共享、使用與管理，成功解決了軌道交通工程建設全生命周期內產生的粗粒度的多源異構信息難以貫穿全生命周期的難題。

(3)基于激光點云的設計與空間相互匹配技術

設計到施工的匹配，設計和施工協同，以及三維施工放樣;施工到設計的匹配，三維原位檢測及監測，以及三維施工精度檢測，成功解決了由設計到施工、由施工到更新設計的虛實空間匹配難題。

2.關鍵技術

(1)數據倉庫技術

數據倉庫是一個面向主題的、集成的、相對穩定的、反映歷史變化的數據集合，用于支持管理決策。

在RIM系統中，數據倉庫技術的應用可以針對系統中所相互關聯、相互支持、相互協同的空間數據(二維數據、三維數據)、對象數據(管線數據、建筑數據、設備數據)、屬性數據(材質數據、規格數據、維護數據)、歷史數據(變更數據、維修數據、狀態數據)、操作數據(日志數據、調用數據)等多源數據進行有機整合和關聯，在一個較全面和完善的動態信息應用的基礎上，用于支持本系統所需要的二三維數據管理、三維空間分析、快速修改、應急管理、輔助施工、輔助運維、資產管理等具體功能的實現。

(2)二三維設計信息的聯動體系

在本系統中，無論是二維CAD圖紙的信息還是三維模型信息，均是基于數據庫存儲的，通過三維引擎實現了二三維設計信息的聯動體系，即“一處修改，多處關聯變化”的二三維信息互逆，在修改二維信息時三維模型信息也關聯變化，同樣在修改三維模型時二維設計信息也隨之變化。二三維設計信息的聯動體系實現了局部快速修改功能，適應了不同設計階段反復修改的設計特點，節約了設計階段耗時，同時也為施工階段現場設計變更提供了便利的修改窗口。

七、結束語

寧波市地鐵規劃線路共6條，其中1、2號線已經全面應用RIM技術，后續建設項目也將應用RIM技術。RIM技術在寧波地鐵中的使用加快了建設效率，縮短了施工周期，產生了良好的經濟效益，填補了軌道交通工程建設領域的一項空白。

RIM技術在寧波市地鐵中的使用，起到了試點示范的作用，在實際工程應用中促進了軌道交通工程設計、施工和運營維護管理方式的升級轉型，為在全國軌道交通工程建設引入RIM技術提供了可靠參考。

［1］毛保華，姜帆，劉遷，等.城市軌道交通［M］.北京:科學出版社，2001.

［2］楊善林.信息管理學［M］.北京:高等教育出版社，2003.

［3］張正棟.地理信息系統原理應用與工程［M］.武漢:武漢大學出版社，2005.

［4］陳述彭.地理信息系統導論［M］.北京:科學出版社，1999.

［5］劉明德，林杰斌.地理信息系統GIS理論與實務［M］.北京:清華大學出版社，2006.

［6］馬素文.三維激光掃描在測量中的應用現狀［J］.山西建筑，2011，37(9):207-208.

［7］孟昭山，趙銳.激光掃描應用的關鍵技術問題綜述［J］.測繪與空間地理信息，2009，32(6):60-62.

［8］肖田元，張艷云，陳家棟.系統仿真導論［M］.北京:清華大學出版社，2000.

［9］羅德安，朱光，陸立，等.基于3維激光影像掃描技術的整體變形監測［J］.測繪通報，2005(7):40-42.

［10］鄧洪亮，陳凱江，朱明巖，等.隧道監控量測三維激光掃描方法與應用研究［J］.測繪通報，2012(S1):123-125.