基于廣義六面體的站場數字路基模型構建方法研究

柯子翊，蒲浩，李偉，李長淮，魏方華，王鵬

基于廣義六面體的站場數字路基模型構建方法研究

柯子翊1，蒲浩1，李偉1，李長淮2，魏方華2，王鵬2

(1. 中南大學 土木工程學院 高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙 410075；2. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043)

建立具有連續空間表達的站場數字路基模型是實現站場專業BIM的基礎核心問題。以站場的平縱橫設計資料為基礎數據，提出基于離散斷面的數字路基模型的構建方法，實現站場下部結構信息模型的連續空間表達和高效的信息提取。建立鄰接異構斷面的構體原則，提出“廣義六面體”法刻畫不同構體狀態下的空間封閉幾何體模型；研究具有多級拓撲結構的體模型的剖切算法，實現了任意斷面的快速提取；編制了原型程序，并利用獨李北站算例進行測試分析，應用表明該方法可實現站場數字路基模型的高效構建與信息查詢。

鐵路站場；BIM；廣義六面體；構體原則；斷面提取

建筑信息模型(Building Information Model，簡稱BIM)，是對任意建筑物的物理表現和功能特性作出共享的數字化表達，并可為決策提供可靠的基礎[1]。鐵路工程項目投資巨大，且涉及到線路、站場、橋梁、隧道、涵渠、通信、信號和電力等諸多專業，應用BIM技術可提高鐵路工程多專業的協同設計質量和生產效率，推動其全生命周期的信息化發展[2]。站場專業是鐵路站后專業的“龍頭”，是連接站前與站后專業的紐帶[3]，其承擔著將鐵路工程各專業間的異同數據進行整理、分析及傳遞的重任，因此站場的BIM技術是實現鐵路工程信息化的核心和突破口。經過近年來相關研究人員在鐵路設計、施工及運營等方面應用BIM技術的探索[4?7]，鐵路工程建設領域的BIM技術有了一定的雛形，實現BIM技術的基礎的核心問題鎖定在建立連續的三維信息化空間模型[8]。因此，針對站場的BIM技術應用問題，本文重點探討站場下部結構數字化的空間連續表達模型，即數字路基模型的構建方法。當前的站場數字化設計一般通過設定一系列采樣樁號，將設備的平面幾何形位與縱斷面高程信息投影到橫斷面上，再進行詳細的橫斷面設計，即試圖利用離散式的斷面化的數據表達設備的空間布設情況。斷面化的數據可以一定程度上刻畫復雜路基結構的三維空間展布情況，為構建站場信息化的連續表達奠定基礎。基于斷面數據進行空間體模型構建的技術在地學領域已有廣泛的研究，例如鄧飛等[9]以二維地質剖面為輸入，定義了一種由上、下層界面和閉合邊界面組成的三維地質體塊，可將三維地質模型應用體塊集合進行表達；薛林福等[10]基于剖面把單元模型組裝成具有不同深度范圍、詳細程度的三維模型；陳國良等[11]提出了一種基于交叉剖面數據劃分單元格進行三維建模的方法，能有效利用多方向的剖面數據參與模型構建。類似地，站場數字路基模型的構建也可根據離散的斷面序列，進行分塊的單元化的建模，但由于站場的多個斷面間由設備緊密關聯著，且每個斷面本身具有多路基體、多填料分區、多填料分層的組織架構。對此，本文針對模型構建與分析過程中的特點提出以下5點解決方法：1) 針對站場多斷面、多體、多區、多層的組織架構提出如圖1所示的“分斷面?分體?分區?分層”的拓撲結構；2) 針對拓撲結構和斷面間的設備關聯性提出用于識別對應拓撲區域并判斷構體狀態的構體原則；3) 針對站場對應拓撲區域的不同構體狀態，提出適配異構體表達的廣義六面體單元結構；4) 針對多層次的拓撲結構和廣義六面體單元的高效構建、連接與管理問題，建立具有索引系統和包圍盒系統的數據結構，形成站場的連續數字化空間表達；5) 針對分塊的單元化的站場數字路基模型的信息查詢與分析問題，設計單元剖切、參數繼承、集成歸并的截面提取算法。現有使用中南大學與中鐵第一勘察設計研究院合作開發的RSCAD站場軟件設計的大量數字化資料[12]，利用這些平縱橫設計資料，歸納整理離散的斷面序列，基于本項研究提出的“廣義六面體”法，可以建立站場的連續空間數字表達，并利用多層次體模型的剖切算法快速定位并提取截面，進而實現站場任意位置的設備分布及填料信息的查詢分析。本研究促進了站場專業的信息化建設，并為實現站場BIM化的高效管理和輔助決策提供了堅實的基礎。

圖1 橫斷面數據的4層拓撲結構

1 數據源及預處理

建立站場下部結構的數字模型的數據來源于對設備的平面、縱斷面和橫斷面設計成果。站場設備泛指所有為站場作業服務的部件。

站場設備可按照其空間形位劃分為點式、線式和面式設備。點式設備通常指由中心點定位的設備，例如警信等，對于站場下部結構空間形位的影響甚微，本文不做重點探討。線式設備主要指由蜿蜒起伏的中心線定位的設備，例如股道、水溝等，將確定一定范圍內的站場模型的高程變化。面式設備主要指由多個邊界點圍合成一定區域進行定位的設備，例如場坪、房屋等，將決定其覆蓋范圍內站場模型的幾何表現。

為合理地支承站場設備，需要設計相應的路基結構。站場的路基結構主要通過橫斷面設計進行表達，經過下述4步主要流程，獲得離散的斷面化的設計數據：

1) 首先甄選出線式或面式設備發生變化的一系列特征里程，設置為初始樁號序列，通過外業實測或數模內插得到各樁號的地面線數據；

2) 通過對斷面進行橫向坡度變化的設計，將其劃分成多個路基體，進而將各體中基準設備的高程推導至整個斷面范圍，從而獲得各體的路基面線和邊坡線，完成外輪廓設計；

3) 以特定設備為分界標準設計填料輔助線將體分隔為多個填料分區，各分區內的最高等級設備將決定其填料標準；

4) 按照填料標準設定的填料類型和坡率，設計填料分層線將各填料分區層層細分形成多個填料分層，完成路基結構的內輪廓設計。

在斷面化表達的路基結構中，將獲取的地面線數據，以及設計的路基面線、邊坡線、填料輔助線和分層線數據統稱為邊界線，通過四條邊界線的相互圍合，形成各體、區、層區域，各區域中也將包含線式或面式設備在斷面上的特征信息。

原始的斷面化的數據中記錄的邊界線的點的坐標采用的是局部的相對路基體中心位置的坐標系，需將其先轉換成符合建模需求的一系列三維空間坐標系下的離散斷面。

2 站場數字路基模型構建及應用 流程

如圖2所示，本文分3階段分別闡述了前期的數據源分析及預處理流程、數字路基模型的構建流程和應用模型進行任意斷面插值的流程。

通過第1部分對數據源的整理分析和預處理，可以獲取設備的空間控制點坐標，以及路基結構的離散斷面序列。基于這些數據，數字路基模型的構建主要按照以下4步進行：

1) 基于離散斷面序列和設備間的關聯，制定構體原則，判別鄰接斷面間體、區、層的匹配情況，及相應的構體狀態；

2) 針對斷面化的路基結構，利用如圖3所示的流程進行六面體模型的構建，同時為建立統一的處理機制，提出一種廣義六面體的結構單元，用于適配不同的構體狀態下可能產生的異構情況；

圖2 站場數字路基模型構建與信息提取流程圖

圖3 六面體圖形的構建

3) 為高效地管理廣義六面體單元，構建一種包含了拓撲關系的編號系統；同時為迅捷地定位及查詢信息，嵌套了對應單元的長方體包圍盒；

4) 根據“分斷面?分體?分區?分層”的拓撲關系，將廣義六面體單元依次連接，構成完善的數字路基模型。

基于構建的站場數字路基模型，主要的應用需求是從模型中快速提取任意位置的斷面信息，因此文章按照判斷相交、分塊剖切、組織斷面的步驟創建全新的斷面并查詢信息。

3 廣義六面體法建模步驟

站場數字路基模型主要基于離散斷面序列進行構建，鄰接斷面的構體過程通常是將前后兩側的4組邊界線對應相連，形成上、下、左、右側的4個面，再匹配前、后側的圍合區域，組成一個六 面體。

實際的斷面中，邊界線不一定是線段，而鄰接斷面間對應的邊界線也不一定共面，因此構成的6個側面一般不是平面。為構建兼容任意異構狀態的建模算法，本文引入廣義面的概念以歸納復雜的情況，建模的基本單元則被定義為廣義六面體單元，通過建立統一的處理邏輯，可提高算法的執行效率與魯棒性。

其中廣義面泛指一類能夠表征空間形位的幾何元素，當其空間維度及圖形的封閉狀態不一致時，具體表現的圖形也會相應變化，表1簡明闡述了廣義面的幾種不同表達。

表1 廣義面的幾種表現圖形

建模的一般流程是由系列斷面構建系列的廣義六面體單元，多個廣義六面體單元的集合形成數字路基模型。其中關鍵的步驟是制定鄰接斷面間的構體原則，構建廣義六面體單元，以及設計適配的數據結構。

3.1 構體原則

針對斷面數據多體、區、層的特點，以體、區、層作為不同細節的建模單元。在實際進行單元劃分的過程中鄰接斷面間的某些區域不能直接匹配時，需制定相應的構體原則，滿足在任意狀態下的實體模型的構建。

針對體、區、層數量不一致，體、區中心設備不一致，體設備不相關，層級不一致，對應層級的填料類型不一致等情況，制定的構體原則處理流程如圖4所示。

輸入鄰接斷面數據，通過構體原則的處理流程，最終可得到4種不同的構體狀態，分別是：完全同構，尖滅到最右邊線，尖滅到上下邊線，以及無連接關系。

3.2 廣義六面體單元的構建

針對上述4種不同的構體狀態，廣義六面體單元的構建過程存在一定差異，為詳述不同狀態下各單元的構建原理，將斷面上的體、區、層分別定義為T，Q和C，并定義區域的上下左右側分別為t，s，l和r，再將其中的設備序列表示為E，并定義設備序列的最左側和最右側元素分別為E.L和E.R。

1) 當鄰接斷面的體、區、層的數量及類型均一致時，構體狀態為完全同構，由鄰接斷面的前后對應點直接相連，形成4個側面，與前后斷面上的邊界面閉合構成廣義六面體單元。

圖4 構體原則處理流程圖

2) 當鄰接斷面的體或區數量不一致時，構體狀態為尖滅到左右邊線，須考慮設備的空間分布：判斷新增的體或區的設備序列是否包含對側的體或區的設備序列的最左或最右側的元素，若包含最左側，則向左邊界線尖滅，反之向右尖滅。以路基體為例：

3) 當鄰接斷面的層的數量或屬性不一致時，構體狀態為尖滅到上下邊線，優先滿足分層的層級對應，再滿足填料類型對應，按照保證高層級、高等級填料位于上層的原則，將其所在的分層向對側的上邊界線進行尖滅處理，反之則向對側的下邊界線進行尖滅處理。以層級一致時填料類型不一致的情況為例，設層級為F，填料類型的等級為G：

4) 當鄰接斷面間未出現任何相同的設備，構體狀態為無連接關系，則無法構建廣義六面體單元，在模型上即表現為在該位置上幾何體處于斷開 狀態。

上述4類構體狀態下的廣義六面體單元構建結果在圖5分別進行展示。

3.3 數據結構

為將廣義六面體單元高效地存儲并連接形成數字路基模型，需設計適配的數據結構。本文主要從2個方面對廣義六面體單元進行記錄：拓撲關系與幾何表達。

從拓撲關系的角度出發，如圖6所示，先定義統一的抽象類Geometry：

1) 為確保元素可被唯一檢索，在Geometry中定義了自身的唯一標識符(GUID)；

2) 記錄其所屬的高一空間維度的元素的GUID；

3) 記錄其父級層次及所有子級層次的GUID；

4) 部分元素中記錄其所有關聯設備的GUID。

此外，本文引入了由拓撲層次生成的標記序列作為GUID的后綴(PosFix)。例如用于表達填料分層層次的元素的PosFix可由“斷面樁號+體號+區號+層號”進行表示，從而可通過GUID直接解譯出其父級的斷面、體、區的信息。

(a) 完全同構；(b) 尖滅到左右邊線；(c) 尖滅到上下邊線；(d) 無連接關系

圖6 “Geometry”抽象類

從幾何表達的角度出發，需對Geometry進行泛化，描述具體的空間形位。基于廣義六面體的概念，定義了如圖7所示的數據結構：一個廣義六面體(Solid)單元由6個廣義面(Face)組成，廣義面又需從二維的平面(Plane)出發，平面是由一系列控制頂點(Vertex)連成邊界線(Wire)進而圍合得到。

圖7 廣義面和廣義六面體的數據結構UML圖

使用上述定義的數據結構可將廣義六面體單元高效地進行存儲，并利用各單元間包含或鄰接的拓撲關系，準確地連接形成數字路基模型。

4 斷面提取算法研究

基于構建完成的數字路基模型，可應用模型在任意位置提取斷面信息，從而推算出斷面上各設備的空間形位，以及查詢路基結構的填料情況。為高效地提取指定平面位置的相應斷面，主要按照以下3步進行：1) 利用包圍盒快速判斷相交關系；2) 剖切“層”廣義六面體單元；3) 組織斷面并查詢信息。

4.1 利用包圍盒快速進行相交關系判斷

如圖8所示，數字路基模型的各廣義六面體單元中除詳細的拓撲層次關系以及基本的幾何表達外，還進一步計算并記錄了對應的長方體包圍盒信息。包圍盒技術可以確保相交測試算法的簡單高效性。

基于包圍盒信息，可以根據如圖9所示的相交關系判斷流程，快速甄別并記錄與指定平面可能相交的廣義六面體單元。由拓撲關系推斷，若父單元的包圍盒與給定平面不相交，則所有子單元均不與平面相交，即可跳過其判別過程，因此極大地縮短了相交關系的判斷時間，提高算法的運算效率。

圖9 相交關系判定流程

4.2 剖切“層”廣義六面體單元

通過剖切平面與包圍盒的相交判定，篩除了與剖切平面完全無關的廣義六面體單元，得到了斷面、體、區和層單元的記錄集。

圖10 剖切廣義六面體單元

首先需對“層”單元進行剖切處理，當平面僅與包圍盒相交而未與廣義六面體相交時，不存在交集圖形；反之，其相交運算可能產生有效的多邊形的單元剖切面，如圖10所示，將繼承被剖切的“層”單元的設備分布與填料填筑信息。

4.3 組織斷面并獲取信息

通過對“層”廣義六面體單元的剖切處理，得到了有效的剖面多邊形序列，其對應的數據結構為前述的Plane。為獲得完整的斷面，如圖11所示，需將層多邊形按拓撲關系組織成區多邊形，進而形成體多邊形，最終構成剖切斷面。

圖11 由“層”剖面組織“斷面”流程

斷面內包含的設備分布與填料填筑信息也同樣依據拓撲關系進行富集，記設備分布與填料填筑信息的集合為I，則：

經過前述操作，可在指定平面位置計算生成全新的斷面，進而查詢任意位置的設備分布信息及填料填筑情況。

5 案例分析

針對本研究提出的站場數字路基模型構建流程，基于復雜狀態構體原則、廣義六面體單元構建及剖切算法，開發了原型程序，并在獨李北站中進行了測試應用。

獨李北站位于陜西省三原縣獨李鎮，是西安市閻良區至咸陽國際機場城際鐵路上的一個車站。其核心設備包括2條正線，2條到發線，2個側式站臺，以及3條綜合貨場線和2條安全線。

基于.Net Framework 4.5.2，于Autodesk Revit 2018平臺，筆者采用C#語言開發了站場數字路基模型構建程序，測試環境為Windows 10 64位，8G RAM，采用主頻3.4 GHz、邏輯8核的Intel Core i7-6700 CPU。針對獨李北站，程序的測試過程如下：

1) 通過讀取二維設計成果Access數據庫獲取數據源，并進行坐標系轉換等預處理操作，得到初始斷面序列，獨李北站從現場里程DK13+531.15至DK15+255共設計了64個斷面；

(a) 獨李北站數字路基模型(從上往下依次為著色、線框、部分細節)；(b)尖滅到左右邊線；(c) 尖滅到上下邊線；(d) 完全不相關部分斷開

2) 將斷面序列中的每2個鄰接斷面一組投入匹配關系判定模塊，按照前述制定的構體原則，判斷各區域的匹配區域及構體狀態；

3) 按照構體狀態構建各廣義六面體單元，基于前述的數據結構組織成層、區、體、斷面4個層次的廣義六面體單元，組織“斷面”單元形成如圖12(a)所示的數字路基模型：其中里程DK14+733.2~766.1等出現尖滅到左右邊線的情況(見圖12(b))，里程DK13+725.6~781.5出現尖滅到上下邊線的情況(見圖12(c))，里程DK14+017.2~034出現完全不相關的區域(見圖12(d))，程序針對特殊的連接情況均構建了合理的幾何體；

4) 隨機給定幾個與數字路基模型相交的平面，判斷相交的單元并剖切，組織形成斷面，獲取設備分布及填料信息；如圖13，程序分別在DK13+ 676.8，DK14+314.9及DK15+086.3根據給定平面進行剖切并組織形成了合理的包含各類信息的 斷面。

(a) 剖切斷面DK13+676.8；(b) 剖切斷面DK14+314.9；(c) 剖切斷面DK15+086.3

針對獨李北站的64個斷面的數據創建了63組“斷面”廣義六面體單元模型，將程序的建模時間分為模型構建與模型繪制2部分進行統計，分別耗時為34.23 s和98.18 s。相較于設計人員的手工建模可能需耗費的至少幾天的時間，且模型之間的拓撲關系及屬性信息無法詳盡地表達，自動建模程序的實現大幅度地降低了數字化模型的構建成本，增加了模型中信息的豐富程度，提高了BIM技術的應用效率。

6 結論

1) 制定了鄰接斷面間體、區、層的數量、設備分布或填料填筑等設計參數不一致時的構體原則，解決了差異情況下的鄰接斷面單元匹配問題。

2) 提出了一種廣義六面體單元，以及利用該單元進行不同構體狀態下的空間封閉幾何體的構建方法。

3) 設計了基于4層拓撲結構，利用全局唯一標識符和包圍盒進行管理的數據結構，實現了由獨立單元高效組織形成數字路基模型。

4) 研究了基于站場數字路基模型，在任意指定平面位置提取相應斷面的算法，利用包圍盒快速判斷相交關系。并通過各單元的剖切面繼承單元的參數信息，做到插值斷面的快速提取和信息查詢。

在接下來的研究工作中，可將重點放在被路基結構支承的各種站場設備的詳細空間表達，進而構建完善的鐵路站場BIM模型。

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Research on the modeling method of railway station digital subgrade model based on general hexahedron

KE Ziyi1, PU Hao1, LI Wei1, LI Changhuai2, WEI Fanghua2, WANG Peng2

(1. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization, China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Creation of the railway station Digital Subgrade Model (DSM) with continuous spatial representation is considered to be the key technique of achieving BIM in railway station domain. This paper utilized the design results of planar, vertical-section and cross-section of railway station, the modeling method for railway station DSM based on dispersed profile was proposed, the continuous spatial representation of digitalized railway station model and corresponding efficient information extraction were achieved, the modeling principle for adjoined isomerism profiles was established, a method using “General Hexahedron” was proposed to illustrate the solid models under different modeling status, furthermore, the dissection algorithm for solid model with multi-level topology was studied, the fast profile extraction on any given plane was accomplished, a prototype program had been built, a case study of Dulibei Railway Station was conducted, the practicability of this method to achieve the efficient modeling and querying of DSM was validated.

railway station; BIM; general hexahedron; modeling principle; profile intersection

U291.1

A

1672 ? 7029(2019)08? 1913 ? 10

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.007

2018?11?16

國家自然科學基金資助項目(51608543)；湖南省自然科學基金資助項目(2017JJ3382)

李偉(1984?)，男，江西進賢人，副教授，博士，從事鐵路線站數字化設計理論與方法研究；E?mail：leewei@csu.edu.cn

(編輯 涂鵬)