數字鐵路信息共享體系研究

張毅 中鐵二院工程集團責任有限公司信息中心，成都 610031

數字鐵路信息共享體系研究

張毅 中鐵二院工程集團責任有限公司信息中心，成都 610031

數字鐵路的建設需要解決勘察設計、建設施工、運營養護三大階段的信息共享、綜合利用問題。通過分析數字鐵路的主要研究內容及關鍵技術, 闡述了數字鐵路信息共享體系的構建,以及對建設數字鐵路具有的重要指導意義。

數字鐵路；三維；數字化

Digital Railway; 3D; Digitization

引言

近年來，我國加速推進國民經濟信息化的進程，跨入了以“數字中國”、“數字城市”、“數字交通”為代表的信息技術高度集中與迅猛發展的數字時代。

數字鐵路是“數字交通”的一個子集，它基于地理信息系統（GIS）、全球衛星定位系統（GPS）、遙感（R S）、物聯網、虛擬現實、信息集成、分布式數據庫、數據倉庫、多媒體、海量數據處理及寬帶通信等技術, 研究中國鐵路基礎設施及鐵路環境的數字化標準體系。它通過對鐵路的勘察設計、施工建設和運營養護三大階段綜合考慮，運用三維技術和協同管理理念將各階段信息元按照統一的規范關聯，構建一體化的信息共享體系，解決勘察設計、建設施工、運營養護三大階段的“信息共享、綜合利用”。

通過在信息共享體系上建立的數字集成平臺和虛擬環境，可以對鐵路的勘察、規劃、設計和建設中的各種方案進行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供決策支持，增強決策的科學性和預見性。同時在運營養護階段，實現鐵路服務資源和運力資源的全面管理和直觀展示,對內支持運輸組織、客貨營銷、經營管理等的需要, 對外支持旅客出行、貨主與查詢的直觀展示, 并綜合內外部信息為各級管理者提供可視化綜合決策支持的鐵路信息系統。

數字鐵路研究與實施除了需要傳統技術與現代新興技術的融合與創新，也需要鐵路行業各個部門的參與和配合，在管理理念上有所突破。要將勘察設計、施工和運營養護三大階段綜合考慮。勘察設計與施工所產生的成果，為后期的運營養護提供大量基礎數據，是建立數字鐵路的必備條件。

因此我們以研究及構建數字鐵路為目標，梳理了勘察設計、施工和運營養護間的數據依賴關系（如圖1），提出了三維數字鐵路信息共享體系，以建立并完善一套符合中國鐵路行業實情的三維數字勘察設計、施工及運營養護的整體工作模式和標準管理體系，并在此基礎上完善與之配套的軟硬件平臺，讓數字鐵路的研究與構建更加科學化和系統化。

圖1 各階段數據依賴關系

1 建立三維勘察設計平臺

在當今的工程建設行業和鐵路工程領域，不斷涌現的新技術和實踐促成了鐵路工程勘察設計的顯著變革，尤其是以建筑信息模型[1]為核心理念的數字化三維技術的出現，給鐵路工程建設行業，尤其是大型勘察設計企業生產率的提升提供了新的驅動力。先進的三維設計技術和全生命周期項目信息管理，可以幫助企業更準確、有效的控制勘察設計過程，極大地優化設計質量、縮短設計周期和成本。

數字化三維勘察設計首要任務是建立三維協同設計的工作模式、管理流程和設計標準。三維勘察設計相對于傳統的二維設計而言，不是一個簡單的升級，而是一種變革。三維協同設計模式將是一個各專業人員協同工作，數據實時更新及共享、權限統一管理和歷史記錄有序追溯的新型工作模式[2]。以協同理念建立的設計標準也將最大限度地保證三維設計數據的規范性和統一性，包括建模標準、數據交互標準、出圖標準等。全新的三維勘察設計體系的建立，將為勘察設計企業設計質量的提升帶來新的推動力。

在三維勘察設計體系的基礎上，測繪與地勘專業分別建立地上和地下三維模型，提交至三維中心數據庫。站前站后相關專業在三維中心數據庫上可以依次獲取基礎數據，開展三維協同設計，最終形成的成果提交三維中心數據庫統一管理。施工單位可以直接通過三維中心數據庫獲取勘察設計成果，指導后期數字化施工。整體流程如下：

圖2 數字化三維勘察整體流程

三維勘察設計體系的關鍵是三維設計軟件支撐平臺建立。通過該軟件支撐平臺，可以疏通各專業間的數據傳輸通道，實現各專業三維設計資料互提過程的網絡化和規范化；實現設計成果的三維實時漫游和集中管理[3]，并與三維中心數據庫進行統一交互，最終形成三維設計專業知識庫。整個體系結構中，軟件層次關系如下圖：

圖3 軟件層次關系圖

2 建立鐵路數字施工系統

鐵路施工是銜接勘察設計與后期運營養護的關鍵環節。鐵路數字化施工系統是指依托建立數字化地位基礎平臺、地理信息系統、遙感技術、工地現場數據采集系統、工地現場機械控制系統、全球定位系統等基礎平臺，整合工地信息資源，突破時間、空間的局限，建立一個開放信息環境。使業主、設計方、施工單位、監理單位之間能夠進行實時信息交流。該系統是提高工作效率，提升工地管理水平，優化施工方案的最佳選擇。

數字化施工系統由基礎設施、控制系統和數據支持服務中心三部分構成：

圖4 數字化施工系統構成

基礎設施：作為數字工地的基礎，利用長期運行GNSS基準站為數字工地的所有現場數據采集提供基準，為決策者的指揮決策提供現場信息的支持，同時為項目完工后的系統提供基礎平臺。

控制系統：利用數字化工地定位控制和數字化機械控制系統，實時采集施工現場數據，實時監測施工質量。實現高效、快捷、科學地進行工程質量和進度控制，并提交完全透明化的驗證結果，同時始終保持設計精度要求，最大程度避免了返工。

數據服務中心：貫穿于整個施工過程，從最初的施工設計三維數據的獲取及轉化，到施工現場的技術支持，再到施工結果數據的處理。主要職能是處理、收集、整理施工數據，建立動態信息管理系統，為工地管理者提供決策支持功能。

數字鐵路施工[4]方案集施工設計、施工測量和數字化施工方法于一體，是一套完整的施工解決方案，它不僅依賴數字化手段整體性地解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源，降低成本，減少人力需求，提高生產效率。

圖5 數字化施工整體場景

3 建立運營養護三維信息共享平臺

在勘察設計和項目施工階段形成的各種三維模型和成果資料是后期運營養護的寶貴財富。通過規范項目建成后提交的竣工資料、三維數據類型及相關標準，實現三維資料與運營養護現有系統的數據互通，高效、準確地將前期三維地模、線路布置、建筑輪廓、相關安裝設備的線路定位、規格型號、廠家等詳細信息導入運營養護數據庫中。根據提供的三維信息實現鐵路整體狀態虛擬展現，為列車運行仿真、運行控制、防災監控等提供數據支持。運用“信息共享、綜合利用”的發展思路，以三維項目資料和數據接口為載體，可以在本階段利用地理信息平臺，實現智能化的鐵路管理和輔助決策功能。

圖6 三維信息在運營養護的綜合利用

3 結束語

基于建設全生命周期的數字鐵路信息共享體系研究與構建，對推動整個鐵路行業的技術創新、管理創新提供了很好的催化劑，并且有利于促進相關產業的又好又快發展，特別是物聯網、云計算[5]、三網合一等新一代信息技術，以及數據加工服務、智能工程機械制造等，具體表現為：

1、以協同理念為基礎的三維勘察設計新技術、新平臺研究及運用，以及工作模式和管理理念的變更，有助于三維設計軟件及輔助硬件產品的發展。大量的三維建模需求有助于三維測繪數據及三維基礎模型加工服務行業的發展。針對鐵路行業海量數據和高計算速度的需要，有助于高性能計算處理中心的建立和云計算技術的運用。

2、隨著鐵路數字化施工系統的推廣及應用，將對工程機械制造、地理信息系統、遙感系統、全球定位系統等技術相關的產業帶來新需求、新機遇。特別是工程機械制造產業，大量信息化、智能化的工程機械產品需求，為提升該產業的制造能力和技術水平，提供了推動力。

3、安全是運營養護階段需要關注的核心問題之一。通過對物聯網技術的研究及應用，升級相關運營養護設備和設施，包括具“內在智能”的傳感器、移動終端、視頻監控等系統，能采用適當的信息安全保障機制，提供安全可控的實時在線監測、定位追溯、報警聯動、調度指揮、預案管理、遠程控制、決策支持，實現“高效、節能、安全、環保”的“管、控、營”一體化服務。既提高運營養護的安全性，又促進整個物聯網產業的發展。而鐵路數字化仿真對虛擬化技術、多媒體產業發展也具有深遠影響。

可以預見，隨著數字鐵路及其信息共享體系研究的不斷深入，將促進現代通信、定位、遙感遙測、空間地理信息系統、計算機、通信、數據庫、虛擬仿真和其他相關技術的不斷發展。數字鐵路最終將會以交通工程勘探測量、規劃、設計、建造、運營養護、管理決策等全過程的數字化、可視化、智能化的綜合系統展現在我們面前。它將是“數字城市”之間連接的紐帶，是“數字國家”的大動脈，它的研究及建立將為大眾生活和國民經濟發展提供可靠的基礎設施服務。

[1]寶琦. 基于BIM的工業建筑協同設計[J].工業建筑. 2010(40):48

[2]Autodesk BIM實施計劃-實用的BIM實施框架[M]. 北京：中國建筑工業出版社.2010. 6；12-29

[3]閔陽. 數字鐵路系統中三維可視化的研究[J]. 鐵道勘測與設計. 2010(4):16

[4]張錫洲,吳彥君,趙毅. 數字化施工管理系統的研究及應用[J]. 石油化工自動化.2010 (3):25

[5]劉鵬. 云計算 [M]. 北京：電子工業出版社.2011.3；220-233

Research On Digital Railway Information Sharing Architecture

Zhang Yi CREEGC, Information Center, ChengDu 610031

Construction of digital railway needs to solve the information sharing and comprehensive utilization for the survey and design, construction, operation and maintenance. By analyzing the main research contents and key technologies, the information Sharing Architecture for digital railway is designed and given. These have important instruction function on construction of digital railway.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.141

張毅 計算機應用碩士 工程師 從事勘察設計軟件和三維技術應用研究。