地鐵工程項目多維信息集成監管系統設計與應用

王雪健，王家遠，張育雨，張立杰，周小林

（1. 深圳大學 土木與交通工程學院，深圳 518060；2. 中澳BIM與智慧建造聯合研究中心，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）

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

當前，相關研究人員主要利用信息化手段解決地鐵工程中出現的監管力度不強、監管手段落后等難題[3]。文獻[4—6]應用建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、地理信息系統（GIS，Geographic Information System ）及云計算技術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、無線網絡等物聯網技術對施工現場作業進行安全管理的方法，為地鐵工程建設項目監管模式的創新提供了途徑。然而，當前地鐵工程管理類信息系統的開發存在業務缺乏有效關聯、數據難以有效集成、可視化展示數據不足、應用場景缺乏等問題，影響施工管理工作效率和質量。

為實現對地鐵工程項目精細化管理的要求，須以GIS、BIM、物聯網等技術為基礎，有效開展地鐵工程項目管理類系統的設計與應用，目標主要包括：（1）實現地鐵工程項目管理多視圖信息的整體概覽；（2）實現多源異構數據集成的三維可視化展示；（3）實現數據驅動的安全管理模式；（4）建成數據互聯互通的一體化管理系統。

本文結合地鐵工程項目精細化管理和目標，構建地鐵工程項目多維信息集成監管系統，實現對項目業務、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管的信息化能力和服務水平。

1 系統設計

1.1 系統總體架構

考慮地鐵工程建設管理業務的需求，以及地鐵工程項目多維信息集成監管系統的性能、安全性、可擴展性等方面的要求，該系統總體架構如圖1所示，分為基礎設施層、數據資源層、服務應用層與展示層。

圖1 地鐵工程項目多維信息集成監管系統總體架構

1.1.1 基礎設施層

基礎設施層是施工現場對生產要素進行監控、量測和數據傳輸的基礎支撐環境，旨在為系統應用提供穩定、可靠和高效的數據支撐。利用RFID標簽、溫度/濕度/壓力傳感器、火災/煙霧報警器、三維激光雷達、視頻攝像機、定位終端、基站等進行數據采集，實現對工地人員、機械、物資等信息的實時感知、監控和記錄。同時，通過有線和無線網絡，如超寬帶（UWB，Ultra-Wideband）、5G移動通信、Wi-Fi、ZigBee、窄帶物聯網（NB-IoT，Narrowband Internet of Things）等進行數據傳輸和連接。此外，還利用無人機搭載相機設備和衛星遙感技術獲取高精度的地理、地貌等影像數據，用于工地現場周邊環境的三維建模，更準確地反映工地現場的實際情況。

1.1.2 數據資源層

數據資源層利用數據庫、集成服務接口、云服務器和數據存儲設備來管理系統所需的各類數據。MySQL數據庫支持結構化數據的事務處理和數據分析，如業務應用數據和工程基礎數據；MongoDB則用于大量非結構化數據的訪問和查詢，如GIS和BIM空間模型數據，具有高度可擴展性和靈活性，可應對大量非結構化數據的存儲和處理需求；通過集成服務接口，不同類型的數據可在數據資源層中進行交換和處理；云服務器具有強大的計算和存儲能力，可根據用戶的需求提供不同的配置和服務；數據存儲設備負責數據的持久化存儲，確保數據的可靠性和安全性。

1.1.3 服務應用層

服務應用層主要提供面向服務的應用程序接口（API，Application Programming Interface），為用戶提供交互功能，包括處理用戶請求，調用底層的業務邏輯服務，組織服務響應并返回給用戶等，可進一步細分為業務模塊和應用支撐模塊。

（1）業務模塊是系統的核心部分，負責處理系統的業務邏輯并提供應用服務，包括面向可視化的應用服務、面向業務的主題服務、面向施工的監測服務和面向協同辦公的服務。每種數據服務都以微服務的形式獨立部署，通過RESTful Web Service 標準接口為系統及第三方提供數據讀寫服務。

（2）應用支撐模塊為業務層提供支持，基于微服務架構的中間件（包括服務注冊與發現、配置中心、服務網關、消息組件和分布式追蹤與監控組件），可與其他技術組件進行集成，包括GIS引擎、流程引擎、規則引擎、數據引擎等，提供可擴展性，并實現對業務需求的快速響應。

1.1.4 展示層

展示層負責呈現系統的用戶界面，包括Web端、指揮中心大屏、移動端等，集成相應技術和工具，并提供如決策分析、統計報表、GIS查詢、BIM應用、信息通知等功能，以更好地監管施工進度、質量和安全等，同時，為地鐵工程項目管理提供決策支持和參考依據。

1.2 系統技術架構

地鐵工程項目多維信息集成監管系統采用B/S架構的前后端分離設計模式，將前端應用程序部署在瀏覽器端，后端服務部署在服務器端。前端應用程序由HTML、CSS、JavaScript、Angular、Antd、Echarts等Web技術棧組成，其中，Angular作為主要框架；Antd用于UI組件的設計；Echarts用于數據可視化，封裝常用組件，在瀏覽器中配置Web 界面與UI效果。后端采用微服務架構，通過輕量級的Spring Boot和Spring Cloud框架來構建微服務應用程序，將每個功能模塊微服務化，組合成一個完整的Web應用服務。服務器由API網關服務器、Web服務器、文件與模型服務器、數據庫服務器組成，API網關與前端的Web應用集成，負責權限校驗、負載均衡和緩存。

2 系統功能

地鐵工程項目多維信息集成監管系統將各種數據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情況進行全面監管和分析，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管系統提供豐富的數據可視化、統計分析和預測分析等功能，協助用戶對地鐵工程的建設過程中的業務數據進行全面的監管。用戶可通過多種數據指標的可視化展示和動態更新，直觀地了解各項業務數據的情況，從而協調、管理各業務環節。同時，通過深入挖掘數據背后的規律和趨勢，輔助用戶提高管理決策的精準性和科學性。

如圖2所示，基于不同區域、時段、業務，對在場人員分布、設備數量、項目進度、產值進度、質量安全問題處理、重大危險源等專題數據進行集成，以餅狀圖、柱狀圖、環形圖、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域相關管理內容的狀態變化信息，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 多源異構數據集成的空間管理

基于BIM和GIS技術對地鐵工程項目的多源異構數據進行集成與融合，有效實現多源異構數據集成的宏觀和微觀空間管理。

2.2.1 宏觀空間管理

采用統一坐標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系的正確表示。應用WebGIS引擎、BIM輕量化技術等支持模型在二維、三維空間的展示，在Web端實現區域面積規劃、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境信息及內部設施結構布局等，并支持進一步的地理空間關系分析，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，應用BIM技術對項目施工現場進行模擬，支持施工作業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場的管理效率和質量。

2.3 施工安全管理

針對地鐵工程設施與結構、周邊環境等存在的重大風險源進行實時監測，支持各項安全指標的可視化顯示及異常信息預警，以提升地鐵工程項目施工現場的安全性，實時監測預警信息的可視化示意如圖4所示。

圖4 實時監測預警信息可視化示意

基于實時監測數據和累計的歷史風險數據，通過分析數據間的關聯和規律，快速地統計、預測和推斷可能的風險隱患，并進一步生成應急預案和施工方案優化措施等，幫助管理者及時發現和處理潛在的風險源，并采取相應的預防措施和應急響應措施，最大限度地保障施工現場安全。

3 關鍵技術和方法

3.1 多源異構數據融合及可視化表達

本系統處理多源異構數據的核心是BIM與GIS數據的互融互通。為將不同專業和格式的BIM數據轉換為GIS支持的格式，利用BIM和GIS數據標準之間的擴展和映射關系，建立了統一的數據組織和存儲規則，保證兩者數據模型在幾何和屬性信息融合及轉換過程中的一致性。

為將BIM 與地形、地貌、地質、沿線周邊環境等空間數據在三維場景中進行匹配，本文采用七參數模型計算地方獨立坐標系與地理空間坐標系的轉換參數，實現了模型、柵格、影像、傾斜攝影模型等坐標投影的自動轉換和空間位置配準。

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、三角網簡化、刪除子對象，以減小模型體積。利用細節層次（LOD，Level of Detail）和八叉樹空間劃分技術對三維場景數據進行分層組織，生成空間三維模型（S3M，Spatial 3D Model）緩存文件，并借助SuperMap iServer發布二維和三維地圖應用服務，實現Web端三維場景數據的層次化動態加載和多尺度可視化展示。

3.2 微服務協作機制

微服務協作指一組微服務通過相互間的通信和交互，共同完成業務需求的過程。由于每個微服務都封裝為一個特定的應用程序功能，因此，采用一種基于消息的通信來協調微服務間協作的機制，以便執行端到端的業務流程。利用微服務架構模式，在流程執行期間，客戶端通過HTTP協議發送服務請求，微服務集群作為整個業務邏輯的控制器響應請求，將請求轉換為消息，并發送到消息隊列中，以協調多個微服務的調用。微服務按照消息隊列訂閱或接收消息，執行相應的業務邏輯，并將結果返回到隊列中。消息處理完畢后，通過Socket等通信工具告知客戶端。這樣，每個微服務都可獨立地處理其負責的任務，并通過消息隊列與其他微服務進行通信和協調，確保系統業務流程的正確執行。

4 應用效果

本文設計的地鐵工程項目多維信息集成監管系統已在深圳地鐵14 號線工程上線運行。深圳地鐵14號線從羅湖區崗廈北站到坪山區沙田站，共 17 個站點，全長50.34 km。該工程項目線路長、區域跨度大、沿線穿越環境復雜，各工區、工點涉及大量工程作業內容，現場人員、材料、機械、設備、環境等施工管理問題突出。本文系統上線以來，在對各個工區、工點施工管理方面取得了明顯的效果。

（1）實現了對現場施工材料、機械設備、人員、環境等數據的實時監控量測，形成對施工進度、質量、成本、風險等建設業務數據的全面可視化監管，從整體上提高了地鐵工程施工現場的安全性和管控效率。同時，以BIM、GIS等多源異構數據的宏/微觀空間管理功能，滿足管理人員對工程建設信息全面掌控的要求。

（2）實現了各部門之間業務數據的互聯互通，滿足了不同管理角色對工程數據的及時掌握和監管需要。微服務協作機制的應用提升了本系統的實用性、可擴展性和服務水平。

5 結束語

本文結合當前地鐵工程項目建設的管理方式和目標，設計并研發了地鐵工程項目多維信息集成監管系統，已成功應用于深圳地鐵14號線工程，并從專題數據可視化顯示、地理空間環境信息直觀展示，以及施工安全風險管理等方面開展功能性應用，保障了各部門業務間的連續性，提高地鐵工程項目一體化、精細化管理水平，具有推廣價值。