鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺研究與開發(fā)

韓鑫，馬玉春，林剛

（中鐵一院集團蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著BIM、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)及云平臺等新技術(shù)的快速發(fā)展且趨于成熟，鐵路數(shù)字智能化的信息建設(shè)發(fā)展序幕陸續(xù)開啟［1-3］。現(xiàn)代鐵路工程建設(shè)將更加注重BIM、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，構(gòu)建全生命周期一體化智能鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，降低基礎(chǔ)設(shè)施全生命周期成本，鐵路工程管理平臺開始在新建鐵路項目中全面推廣應(yīng)用［4-5］。鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺（簡稱平臺）可實現(xiàn)建設(shè)項目的設(shè)計成果數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、運維狀態(tài)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)信息一體化協(xié)同管理，為鐵路項目參與各方提供全生命周期的可視化大數(shù)據(jù)共享服務(wù)。

1 平臺建設(shè)

基于3D空間信息平臺、BIM云平臺、GIM云平臺、在線監(jiān)測云平臺及增強現(xiàn)實云平臺等多平臺融合技術(shù)，開發(fā)全生命周期三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺，平臺技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)見圖1。

1.1 設(shè)計階段

在工程項目設(shè)計階段應(yīng)用BIM技術(shù)進行規(guī)劃和設(shè)計，迎合行業(yè)要求的BIM正向設(shè)計理念的同時，滿足設(shè)計階段的應(yīng)用需求［6］。可基于BIM+技術(shù)實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計、三維可視化方案對比、設(shè)計內(nèi)容經(jīng)濟技術(shù)分析、性能分析、指標分析等管理效用。平臺設(shè)計階段應(yīng)用架構(gòu)見圖2。

圖1 平臺技術(shù)應(yīng)用架構(gòu)

圖2 平臺設(shè)計階段應(yīng)用架構(gòu)

1.2 建設(shè)階段

在“互聯(lián)網(wǎng)+”的背景下，依托BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)等現(xiàn)代信息化技術(shù)建設(shè)的數(shù)字化工程項目協(xié)同管理系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)），在平臺上進行工程施工安全、質(zhì)量、進度、費用、檔案等內(nèi)容的可視化管理。系統(tǒng)主要服務(wù)于項目日常管理工作，同時為平臺提供相關(guān)數(shù)據(jù)，將工程管理過程中相關(guān)數(shù)據(jù)進行整合，提高數(shù)據(jù)交換效率，降低管理成本，最終達到提高工程項目管理水平的目的。平臺建設(shè)階段應(yīng)用架構(gòu)見圖3。

1.3 運維階段

利用竣工驗收的各構(gòu)造物BIM和GIS模型構(gòu)建運維管理三維地理信息環(huán)境。將運維數(shù)據(jù)與BIM模型相關(guān)聯(lián)，運維管理過程數(shù)據(jù)集成、交互、分析，為鐵路運維管理提供可視化解決方案，為運維參與單位打造方便、高效、穩(wěn)定、安全的協(xié)同化平臺。平臺運維階段應(yīng)用架構(gòu)見圖4。

圖3 平臺建設(shè)階段應(yīng)用架構(gòu)

圖4 平臺運維階段應(yīng)用架構(gòu)

2 平臺技術(shù)體系

2.1 技術(shù)路線

平臺技術(shù)路線包括三維協(xié)同、大數(shù)據(jù)、云平臺三大部分（見圖5）。

三維協(xié)同：通過帶準確坐標的鐵路里程線將多種誤差精度及地物分辨精細度的衛(wèi)星影像、正射影像、傾斜模型及各類測繪坐標點、中線矢量統(tǒng)一配準、擬合、疊加、嵌套進三維GIS空間信息平臺中，為鐵路工程的虛擬化表達提供可視化工具平臺，解決鐵路工程虛擬空間可辨識及拓撲調(diào)查的基礎(chǔ)，達到三維協(xié)同的功用。

圖5 平臺技術(shù)路線

大數(shù)據(jù)：通過多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將各種三維模型數(shù)據(jù)格式（OSGB、3ds、BIM、FBX）按統(tǒng)一標準分類編碼，分解及存儲定義格式進行構(gòu)件級單體化，再以單體對象為數(shù)據(jù)載體，集成圖形、文檔、音視頻等數(shù)據(jù)（DWG、PNG、JPG、PDF、MP4、doc等），也可以模型構(gòu)件對象為檢索要素，進行可視、快速信息采集和各類報表的輸出。

云平臺：以三維GIS空間信息平臺為基礎(chǔ)，通過云平臺融合技術(shù)，將BIM云平臺、GIM云平臺、在線監(jiān)測云平臺及增強現(xiàn)實云平臺進行有效整合，實現(xiàn)多平臺的算法與功能，可在一個應(yīng)用場景中對功能結(jié)構(gòu)重組，以及新建相互配合機制，達到可用數(shù)據(jù)與應(yīng)用成果的實時歸集、發(fā)布共享。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

平臺采用分層技術(shù)架構(gòu)，自下而上分為6層，包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、設(shè)施層（云平臺）、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層。平臺技術(shù)架構(gòu)必須要有標準規(guī)范體系、安全保障體系的數(shù)據(jù)架構(gòu)支撐為之匹配，因此平臺數(shù)據(jù)也采用分層架構(gòu)，自下而上分為5層，包括支撐層、數(shù)據(jù)存儲層、接口層、功能層和應(yīng)用層。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)

平臺采用C/S+B/S系統(tǒng)架構(gòu)，通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)客戶端+Web端與服務(wù)端的信息交互（見圖6）。

圖6 平臺軟件系統(tǒng)架構(gòu)

2.4 功能組成

平臺主要由項目管理、用戶管理、工具管理和數(shù)據(jù)管理4個管理模塊及8個應(yīng)用子系統(tǒng)（設(shè)計輔助系統(tǒng)、演示系統(tǒng)、量測系統(tǒng)、交互系統(tǒng)、檢測監(jiān)測系統(tǒng)、采報系統(tǒng)、仿真系統(tǒng)和AI系統(tǒng)）組成（見圖7）。

圖7 平臺功能組成

2.5 關(guān)鍵技術(shù)

平臺的核心是“1+4”模式的平臺集成。即以3D空間信息平臺為基礎(chǔ)，通過云平臺融合技術(shù)，將BIM云平臺、GIM云平臺、在線監(jiān)測評估及增強現(xiàn)實云平臺進行整合，實現(xiàn)多平臺的算法與功能在一個應(yīng)用場景中重組應(yīng)用結(jié)構(gòu)與相互配合的機制，達到數(shù)據(jù)的實時歸集、發(fā)布共享。

平臺交互模塊實現(xiàn)了客戶端應(yīng)用系統(tǒng)與云平臺間的交互操作，包括各類平臺之間數(shù)據(jù)、功能的相互調(diào)用（見圖8）。平臺交互模塊的功能主要包括平臺調(diào)用、平臺通信、數(shù)據(jù)交換。平臺最終界面示意見圖9。

（1）平臺調(diào)用：客戶端應(yīng)用系統(tǒng)通過瀏覽器插件訪問云平臺應(yīng)用系統(tǒng)。其中，瀏覽器插件集成最新的Google Chrome內(nèi)核，基于JavaScript V8引擎開發(fā)，能夠充分滿足云平臺應(yīng)用系統(tǒng)的加載顯示要求。

（2）平臺通信：主要實現(xiàn)客戶端應(yīng)用系統(tǒng)與各云平臺間的信息通信功能，滿足平臺間的數(shù)據(jù)交互、功能調(diào)用、成果共享等需求。平臺采用Web Service、Web Socket等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞。

（3）數(shù)據(jù)交換：是指對不同平臺之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行序列化、壓縮解壓、加密解密等操作。平臺間的通信根據(jù)數(shù)據(jù)類型的不同，采用JSON、XML、字節(jié)流等不同載體進行數(shù)據(jù)交換。

圖8 平臺交互處理流程

圖9 平臺最終界面示意圖

3 平臺應(yīng)用價值

3.1 拓展工程全生命周期服務(wù)范圍

平臺可集成各種數(shù)據(jù)源模型，包括無人機傾斜航攝實景模型、BIM參數(shù)化信息模型、3DMAX精修渲染模型、GIM地質(zhì)地層模型，以及其他各種二、三維數(shù)據(jù)模型，各類模型均可進行對象單體化，掛接集成多種格式的屬性信息。其核心理念是以工程構(gòu)件模型對象為檢索要素進行信息集成，將具體設(shè)備設(shè)施模型對象的設(shè)計信息、工程信息、檢測數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)等相關(guān)靜態(tài)信息與動態(tài)數(shù)據(jù)進行專題功能結(jié)構(gòu)化加工后，可滿足項目工程全階段對數(shù)字孿生的信息標準需求，即完成信息平臺的交付。

平臺可通過對項目工程中的環(huán)境、人員、機械、物料、方法等信息的有效采集與集成，可實現(xiàn)在真三維實景中按GIS坐標或里程定位進行可視化的信息交互（場景瀏覽、快速查詢、標注、檢索、編輯等）、對比對照（自動多期影像識別風險、實時檢測監(jiān)測）、模擬分析（事故模擬、預(yù)警）。

平臺可通過對工程項目不同階段信息的高效協(xié)同管理、數(shù)據(jù)科學分析和過程智慧預(yù)測，最終實現(xiàn)項目“提高工程建設(shè)效率、降低工程建設(shè)成本、保障工程建設(shè)安全、提升工程建設(shè)質(zhì)量”的目標。

（1）在項目規(guī)劃期，通過平臺可歸集規(guī)劃相關(guān)信息數(shù)據(jù)，創(chuàng)建不同用戶遠程獲取和共享工程數(shù)據(jù)的機制，對于提高溝通效率、加快審批進度、優(yōu)化投資方案等具有重要意義。同時，能夠演示和模擬項目內(nèi)工程建筑模型隨實施工期的變化，且具有可同步資金、物流及協(xié)同配置等功能。

（2）在項目初期，可以實景可視化的方式快速獲取工程對象實景模型和影像，對于開展項目工程前期調(diào)查和設(shè)計方案論證具有重要意義，能夠核對和發(fā)現(xiàn)因外業(yè)調(diào)查遺漏和不足導(dǎo)致的重大方案漏項和錯誤；利用平臺促進設(shè)計內(nèi)容更加標準化、立體化，實現(xiàn)設(shè)計與施工無縫銜接，提高工程施工速度，保證施工質(zhì)量。

（3）在項目中期，利用平臺可掌握工程對象與工程對象間的空間關(guān)系，可實現(xiàn)對工程實施過程的信息化管理，可隨時為工程建設(shè)涉及的地形、地貌、地物等提供核對實景影像，極大改善了傳統(tǒng)工程實施過程中的調(diào)查不準確、信息滯后、數(shù)據(jù)不明、費用不可控及管理粗放且不完整、不系統(tǒng)等問題。此外，可利用物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)優(yōu)化工程施工資源和設(shè)施配置，實現(xiàn)項目建設(shè)狀態(tài)全過程信息收集、監(jiān)測、分析和處理，提高項目工程建設(shè)效率。

（4）在項目后期，通過平臺可實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施所有部件狀態(tài)的實時獲取、分析和評估，為設(shè)施養(yǎng)護提供決策依據(jù)，形成工程建設(shè)項目全生命周期可追溯閉環(huán)管理體系；平臺可實時提供工程數(shù)量信息、工程進度信息、投資進度信息、風險預(yù)警信息、過程問題信息等，為工程項目管理人員提供工程管理所需的信息匯總和綜合分析數(shù)據(jù)。

3.2 快速提升規(guī)劃設(shè)計能力

利用三維GIS技術(shù)，規(guī)劃設(shè)計人員和管理人員可實時、交互觀察不同方案在城市環(huán)境中的效果，可從任意角度、方向、沿任意路線對不同方案加以比較，從而為從空間角度評價建筑提供更加直接、有效的手段，解決了以往平面圖和建筑縮微模型難以實現(xiàn)的問題［7-8］。利用三維GIS技術(shù)，可對規(guī)劃方案與山體間的關(guān)系進行分析，對方案的高度、體量、外觀及與整個城市的空間關(guān)系進行分析，對地下不可見管線進行可視化分析。同時，還可將空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)結(jié)合到一起，規(guī)劃管理人員可以很容易查詢虛擬城市中建筑物的相關(guān)信息，結(jié)合對建筑物的空間分析，對方案的優(yōu)劣進行評估，從而作出正確判斷和決策。

利用BIM概念設(shè)計模型，以供業(yè)主可視化的方式進行方案比選。包括建筑、結(jié)構(gòu)、使用空間規(guī)劃、其他專業(yè)設(shè)計等，以提供相關(guān)系統(tǒng)的設(shè)計分析與滿足業(yè)主空間上的需求；由BIM模型輸出工程經(jīng)費概算，以提供成本信息給業(yè)主作決策及決定經(jīng)費預(yù)算。

運用平臺工具可進行項目選址現(xiàn)況分析、土地利用和交通規(guī)劃、交通影響模擬、設(shè)計審核、設(shè)計評估、法規(guī)檢核與驗證、可視化仿真、空間規(guī)劃等。

綜上所述，基于平臺技術(shù)建立前期規(guī)劃的數(shù)據(jù)中心，以共享可視化的方式協(xié)同新業(yè)務(wù)項目的前期運作和實施過程，將會快速有效彌補在前期規(guī)劃方面的短板和不足。

3.3 加強工程總承包項目復(fù)盤

對于工程總承包項目，通過平臺完成技術(shù)總結(jié)：以可視化方式快速獲取構(gòu)件級精度的設(shè)計細節(jié)、施工過程和施工成果狀態(tài)信息及準確獲取相關(guān)直觀指標，再通過多項目的指標對比進一步優(yōu)化和追溯。通過平臺可以解決準確、及時獲取工程全生命周期數(shù)據(jù)信息的問題，為實現(xiàn)在準確、及時獲取工程全生命周期數(shù)據(jù)信息前提下的程序評價體系（在線專家和指標對比評分機制）奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺真正解決了鐵路工程信息化的可視、可知、可用三大核心問題。按照從模型到數(shù)據(jù)、從數(shù)據(jù)到信息、從信息到平臺、從平臺到管理的數(shù)據(jù)流程和框架，創(chuàng)建物理性的識別，貫穿工程項目全生命周期的數(shù)字化載體；通過客觀采集項目實際建造狀態(tài)及過程數(shù)據(jù)形成項目的完整數(shù)據(jù)庫，從需求功能出發(fā)，編制計算規(guī)則，再對數(shù)據(jù)庫進行降噪分析，處理成決策管理所需的關(guān)鍵指標，從而形成有組織、高效能的信息管理平臺。從鐵路工程項目不同階段的具體業(yè)務(wù)需求出發(fā)，通過專題分析和技術(shù)應(yīng)用整合衍生多種專項系統(tǒng)，實現(xiàn)建設(shè)項目的設(shè)計成果數(shù)據(jù)、施工過程數(shù)據(jù)、運維狀態(tài)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)信息一體化協(xié)同管理。鐵路工程三維協(xié)同大數(shù)據(jù)云平臺可為鐵路項目參與各方提供全生命周期的可視化大數(shù)據(jù)共享服務(wù)。