軌道交通信息模型的施工應用研究

盧珍珠，吳 敦，王芬旗

(1. 寧波市鄞州區測繪院，浙江 寧波 315192； 2. 寧波市測繪設計研究院, 浙江 寧波 315042)

一、 引 言

寧波軌道交通項目從2007年開始規劃、立項和申報，2009年寧波軌道交通一號線一期工程正式開通建設，到2014年6月軌道交通一號線將正式運營。軌道交通建設項目是一個復雜的、綜合的經營活動，如何從根本上解決項目規劃、設計、施工及維護管理各階段應用系統之間的信息斷層，實現項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、提高質量，是軌道交通建設中亟待解決的問題。針對軌道交通中一系列復雜問題，寧波市測繪設計研究院從2009年開始著手相關解決方案的研究，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是指通過基于軌道交通數字信息模型，在項目全生命周期的設計、施工、運營管理等各個階段綜合應用三維仿真、激光掃描、地理信息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，如圖1所示。RIM建模包括二維平面信息、三維空間信息、四維時間信息、五維成本信息和六維工序信息等內容，項目參與各方均可利用RIM模型，達到設計分析可視化、施工管理精確化和營運維護智能化的目的。

圖1 RIM涵蓋了工程的全周期過程

在RIM實施的第一階段，筆者已經很好地解決了RIM的三維化設計、綜合管線碰撞分析、優化出圖等方面的技術問題。本文主要介紹RIM的第二階段即施工階段的應用研究，通過近一年的努力，以及結合天寶公司全新的TX8型激光掃描儀，解決了設計模型信息與現場信息的空間配準、施工信息模型的快速構建與更新、基于RIM的施工檢測與監測等技術問題。

二、 RIM施工的技術方案

1. TX8型激光掃描儀與多站配準

TX8是天寶公司2014年新出品的一款激光掃描儀(如圖2所示)，它能夠實現更快的掃描速度和更遠的測程，以節省三維掃描任務所需的時間。TX8采用了天寶專利的LightningTM(閃電)技術，在其整個測程范圍內，都可以保證每秒100萬個精確激光點的數據獲取速度。由于天寶LightningTM技術受目標表面類型和大氣狀況變化影響很小，因此在每一個測站都可以獲得具有良好完整性的數據結果。

圖2 天寶TX8型三維激光掃描儀

三維激光掃描技術是目前重建地理空間最為先進和最為可靠的技術，應用激光掃描儀對軌道交通站點施工模型重建，一是要解決數據采集的效率問題，二是要解決數據后期處理的效率問題。首先因為施工間歇期時間短，只有數個小時，因此要盡可能在短時間內采集足夠密度和精度的數據。如圖3所示，筆者對寧波通途北路地下站點進行激光數據采集，采用兩人作業，在站臺與站廳兩層總共設置了28個站點，每個站點掃描時長約為3 min，能夠采集約1億個點數據。同時在掃描過程中只貼置了8個平面標靶，加上搬站與全站儀控制點測量的時間，總共測繪作業時間不到2.5 h。

圖3 通途北路站點云掃描數據

更重要的是，在多站點的點云數據配準與拼接過程中，采用了全自動標靶目標提取和無標靶全自動配準技術。其中無標靶全自動配準通過識別多站點之間公共區域的特征平面，并平差計算求唯一匹配解，然后再利用點云進一步精化。這種方式大大提高了工作效率，28站的數據配準工作僅用了不到2 h的處理時間，由于各站點的數據采集重疊區域也比較高，因此配準精度非常高，配準誤差僅為2.1 mm，具體統計如圖4所示。

圖4 點云配準精度報告

2. 點云與RIM模型的檢測

目前設計與施工的協調性還存在著不少的問題，往往導致施工存在一定的遺漏和失誤，發現問題的時候只能采取一定的彌補措施，大大降低了施工效率和施工質量。寧波軌道交通施工階段RIM技術的應用研究，主要解決了如何利用現場高精度點云數據與RIM設計模型進行整合,檢查空間與空間、空間與時間之間的沖突。如在施工階段點云與模型的碰撞超出閾值，可由系統自動生成檢測報告，及時發現并糾正施工誤差，減少施工返工，從而達到一定的施工監督的作用。施工誤差的檢核可以采用兩種方式：一是通過點云直接與設計模型比對；二是對點云進行特征提取或建模，與設計模型進行比對。

點云數據與RIM模型的配準，可以根據特征配準，如根據捕捉點云數據的管線中心線、建筑角點等特征點和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實現模型的預配準；也可以利用測量控制點對測繪數據和模型進行配準。配準后就可以通過點云數據計算施工現場與設計模型誤差值，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 點云數據與RIM設計模型的比對

對點云數據進行一些特征的提取非常簡單，包括直線型、弧線形等，并可以利用提取的特征線直接建模，與設計模型進行比對，計算施工與設計線矢量之間的誤差(如圖6所示)。

三、 RIM模型的更新與維護

考慮到基于RIM技術進行施工管理和后期的運營維護工作,包括施工材料入場編排、施工工序優化、施工變更核實、設備運營維護、設備管理等，必須基于每一階段現場的點云數據進行快速建模，并對原RIM模型進行更新和數據建庫。如7圖所示，利用點云可以快速提取軌道站點內部土建的特征，并用Sketchup進行快速建模，整個土建的建模僅需1 h，大大提高了RIM技術應用于施工的效率。

圖6 點云數據的特征提取

圖7 基于點云的快速建模

基于三維幾何模型的重建，可以利用信息建模軟件對整個RIM模型進行更新，如圖8所示。更新后的RIM模型可以直接導出各種所需的成果，如二維變更施工圖、綜合管線圖、機電安裝圖等。RIM模型貫穿在整個軌道交通項目的全生命周期過程中，借助GIS技術和海量數據的倉儲式管理技術可以對RIM模型所包含的各種粒度信息進行分解、復合和分析，從而實現軌道交通智能運營與智能維護，大大節約了軌道交通工程后期的運營維護成本。

圖8 更新后的RIM模型圖

四、結束語

RIM技術的應用發展為寧波軌道交通建設效率和管理水平的提高創造了良好的條件，將施工階段的管理模式快速引向信息時代管理模式，實現了建設管理的全數字化時代。應用先進的天寶TX8型三維激光掃描儀，能夠快速精確構建施工現場三維場景，實現了RIM設計到RIM施工過程中信息的有效傳遞，解決了利用計算機對整個施工過程質量進行高效監測的問題，并且實現了工程相關信息的集成化管理，建立了軌道交通工程的全數字化檔案，為后期的運營管理奠定了堅實的基礎。

(本專欄由天寶測量部和本刊編輯部共同主辦)