基于三維選線的數字鐵路資產構建與應用體系

韓元利

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063）

1 概述

自然世界任何對象的智能化進步均是以數字化、虛擬化過程為智能挖掘的載體［1］。假如電子地圖沒有實現對現實世界的描繪，精度再高的GPS也無法進行智能導航。同樣沒有建立一個完整的線路生命體，交通工程的智能化無論是表現手段還是智能深度都會極大受限。因此，構建智能鐵路的基石，是實現鐵路工程的數字化表達，從構建完整的、與地理環境高度融合的三維數字鐵路開始［2-3］。

自20世紀90年代美國前副總統戈爾提出“數字地球”虛擬化物理世界的宏觀構想開始，自然世界從物理態向數字態的演變歷經了3個時代（見圖1）［4］。

圖1 物理世界數字化形成智慧體的發展過程

BIM在這個過程中承擔了數字零部件的角色，是數字工程的一個元件子集，無法從空間統一保障、地理環境集成等方面保障數字交通作為系統性工程的實施條件。而對線性工程巨量零件系統的組織管理，則更要依賴工程控制論來布局管理，交通工程的智能化應體現和聚焦于線路工程作為系統性工程的整體智能上［5］。1座橋、1座隧道或1座車站都不足以體現甚至代表應以完整生命體存在的線路工程。

智能交通的核心任務首先就是構建孿生三維數字鐵路資產［5］及圍繞普適性的資產面向各類線路設計、建造、運維過程中的業務定制開發與智能化挖掘。基于10多年來在數字地球技術上開發三維選線設計系統的實踐，論述了三維數字鐵路的資產體系化構建與逐步拓展應用的技術路線，從中可以看出：地理環境融合與空間分析手段所帶來的參數化、自動化、智能化設計與建模技術提供了比人工BIM構建更高效的大規模孿生數字鐵路資產構建手段；完整的普適性的空間數據庫資產比單純的BIM更具備廣泛的全生命周期應用價值。

2 三維選線設計系統

三維選線設計系統基于數字地球平臺提供了“宏-微觀”一體的三維實體選線“所設即所得”的實時設計能力，提供了宏觀與細化選線設計的多種手段，提供了實時參數化構建橋梁、隧道、路基、站場的快速建模能力，廣泛而豐富的地理信息為科學決策選線提供了全方位的地理信息支撐。系統利用GIS的空間分析能力提供了自動拉坡設計、自動橋隧插旗與命名、自動排水邊溝疏流設計、面向BIM的構件三維匹配建模與精細化的工程數量統計功能，可應用于鐵路、地鐵、公路、電力、管線及河道的線路三維直觀可視設計，構建的三維數字線路模型資產成果可用于網絡發布、移動應用、VR/AR業務體驗及BIM全生命周期應用開發。系統開發成果在渝宜鐵路、蘇錫常鐵路等30多個鐵路項目中得以應用并在網絡數字鐵路平臺中實現發布式共享應用，高效地為各類鐵路、公路項目提供了全生命周期的三維數字線路模型資產，為項目的投標、匯演決策提供了直觀的決策能力。三維選線設計系統先后獲得了中國鐵建、國家鐵路局、中國勘察設計協會等多項優秀工程軟件一等獎。

三維選線設計系統能夠研制成功，得益于遵從物理世界數字化的客觀過程，沿襲數字地球→數字城市→數字工程一脈相承的技術理念［4］，以3D GIS的技術手段與空間觀出發，整合各類地理環境資源，通過對線性工程開發自動化建模手段提供批量的零件模型形成線路實體，以空間數據庫的組織形式實現整條線路工程模型在真實地理環境上完美融合疊加。

三維選線系統除提供給設計院交互手段外，更重要的是提供了獨立于任何商業平臺的普適性數字鐵路資產，這種資產格式完全公開透明且完全滿足國際開放地理空間信息聯盟（OGC）標準的數據產品，可以定制配置到任何GIS平臺上進行完整表達。

三維數字鐵路資產按照空間數據庫的組織結構進行組織，不僅可以用于信息管理系統中的查詢、分析決策等拓展開發，更能有效利用空間數據庫的GIS表達優勢，實現空間定位、空間分析及可視化管理能力，應用潛力巨大。歸結三維數字鐵路資產的主要技術特征如下：

（1）統一的數字地球空間，有容乃大，可以保障一條或多條線路資產的完整表達；

（2）包含地理環境、地物環境并與其實現完整融合；

（3）參數化、自動化建模手段快速提供線路模型實體，參數驅動模型變更；

（4）高度普適性的空間數據庫存儲，分析查詢、表達與管理完全信息化組織。

3 孿生數字鐵路資產的構成內容

數字鐵路資產的構成應該包括與鐵路有關的一切空間要素與信息內容，地上、地面、地下的要素，過去、現在甚至將來規劃的地物，都可以是資產的一部分，而對空間的范疇定義也沒有約束，可以是周邊幾十米，也可能需要整個路網甚至是世界范圍內的地物環境支撐。

以三維選線設計系統為例，集成了分別來自網絡的廣泛存在的GIS網絡地圖資源數據和來自工程實際測量的精度更高的測量數據，實現了不同來源空間數據的有機融合與統一表達。

3.1 集成到三維數字地球空間中的網絡GIS數據來源

（1）各類網絡地圖的在線與離線支持。包括Google地圖、百度地圖、微軟地圖、天地圖在內的多達13種地圖類型數據的在線實時支持與離線應用。這些地圖數據直接來源于服務提供商，數據與服務商的發布保持同步更新。實際上，基于平臺的GIS通用性，只要遵從OGC制定的GIS協議（WMS、WFS、WCS）的所有網絡地圖數據，都可以補充到數字地球空間中來，為三維選線設計提供豐富的底圖支持。

（2）全國地質層在線數據。基本比例尺是1∶200000，部分地區可以達到1∶50 000的實際精度。地質層數據的接入，為開展鐵路、公路這種大區域工程地質優先選線提供了重要的設計依據（見圖2）。

圖2 基于網絡地質圖層資料開展的三維選線設計效果

（3）全國重要地質鉆孔檔案數據庫。可以方便地調取、查詢新中國成立以來全國各地開展的100多萬件重要地質鉆孔的檔案信息記錄、翔實的條柱狀圖數據等，為工程設計提供便利化的空間信息共享支持。

（4）全球陸地區域的水準地形數據。基于NASA ASTER GDEM全球大地高程地形數據與國際重力場模型EGM2008自主加工生產的全球水準高程數據，地形格網平均間距約30 m，對項目前期規劃選線、調水選線有極高的利用價值。

（5）全國行政區劃、重要交通線路、河流等國家測繪局公開發布的GIS地理數據，為三維地理環境提供了開放的社會地理信息支持。

有了上述來源于網絡的空間數據支持，就可以實現為大區域工程規劃選線設計提供無圖紙、無測量的初始地理環境，完全避免了項目初期對地形圖紙的投入與設計依賴。

3.2 通過自主開發接入的工程測量數據

（1）工程地形圖數據。包括工程用電子地形圖或測量高程數據的直接支持。

（2）地貌數據。包括正射影像數據與下載的地圖數據加載。

（3）地物數據。各類調繪數據，也可以從地形圖中提取建筑物、池塘、電力線等分類要素并實現定制的三維表達，也可利用開發的沿線地物三維移動調查系統來構建地物數據庫資產。

（4）地質鉆孔數據。可以為工程實際地質鉆孔數據提供地質分層的立柱實體表達并附有地質分層屬性數據。

（5）海量機載LiDAR點云數據。通過預構建生成地形高程模型支持。

（6）地面LiDAR點云數據。直接以點云陣列表達掃描實體的樣式。

（7）傾斜攝影實景模型。通過預構建生成分布式網絡模型高效地實現LOD表達。

（8）地物模型。包括幾何模型與BIM模型，按定位、定姿的方式進行一致的空間表達。

通過上述的開發，三維選線設計系統可以接入各類空間數據資源，從而為構建三維數字鐵路提供了豐富的地理環境資產支撐。

4 三維數字鐵路資產的智能化、自動化構建

鐵路模型資產是三維孿生數字鐵路資產的核心資產，其處于既有與將有的邊界生命期。在三維選線設計系統中，三維數字鐵路的構建有別于BIM計算機輔助設計的手段［6-7］，依賴的3D GIS的數據資源與空間分析能力，借助工程設計人員的經驗實現的自動批量化零部件建模，體現了相較于傳統CAD設計手段的智能化水平，也為大規模線性工程建模提供了人力難以達成的效率優勢。

三維選線設計系統具備如下的自動化、參數化、智能化設計能力：

（1）平縱面設計。在直觀的三維地理環境上勾繪線路交點線后，系統會自動根據速度設定為各交點配設曲線半徑、緩長與超高，生成線路基線；根據基線從地理環境中提取縱斷面地面線后自動設計最優的坡度線［5］；然后自動生成線路三維軌面模型與接觸網模型供橋梁、隧道插旗參照。

（2）站場參數化設計與自動建模。對線路上的車站，選擇中心里程點，可以自動沿基線生成站場模型，包括最多配置12條到發線軌道及6座站臺模型、2個廣場、站房等各類站場設施的建模表達。

（3）橋梁隧道自動插旗與自動命名。在上述軌面模型的基礎上自動根據地形分割出橋梁、隧道，建立起相應的構件模型，并且根據橋梁、隧道所在位置通過WebGIS查詢其所屬行政區域名稱為橋梁隧道快捷命名。

（4）路基的自動化參數化建模。在上述橋梁、隧道、站場區域之外，系統程序會自動進行路基對象分割提取，并基于默認參數組生成各個對象的三維模型。

設計過程以自動設計作為默認成果，設計人員既可以進行三維交互調整，也可以通過參數化精細設置，對各類對象的參數化調整完成后，通過刷新命令即可以完成對象模型的調整（見圖3）。

圖3 路基模型的參數化與建模效果

所有模型零件都作為普適性的模型資源獨立存在，通過空間數據庫進行統一組織，對象的屬性存放于數據庫中，從而保障了三維數字鐵路產品的普適性與全生命周期BIM構件的屬性完整性。

在三維數字鐵路產品的構建過程中，除了自動拉坡、橋梁隧道自動插旗與自動命名、基于空間分析的自動建模等智能化功能外，體現智能設計的實現環節還有：

（1）自動排水溝順流設計。自動對路基設置排水口，確立排水出口且保障溝中不會積水。

（2）自動配設擋土墻。默認智能化地配設路堤、路塹的擋土墻，也可以以參數化進行配置。

（3）自動柵欄設置。根據規范按照地形坡度自動布設不同規格的欄片與立柱。

（4）自動行政區域表生成。在聯網情況下可以自動對線路里程計算提取精確到鄉鎮一級的行政區域里程分界表。

（5）自動統計工程數量。自動計算線路方案200多項統計數據，其中絕大部分是精密的空間計算成果，如用地面積有圖幅面積與表面面積2種數據。

（6）橋梁隧道二維插旗標識碼生成。可借助移動終端掃描實現對橋梁隧道主要信息解讀與定位。

三維數字鐵路的資產構建方案可以便捷地向其他線性工程進行拓展，三維線路設計系統提供了包括鐵路、地鐵、公路、云軌、河道及電力線工程的設計與建模能力，從而為所有線性工程的數字化、智能化服務提供了實施生命載體（見圖4）。

5 三維數字鐵路與BIM的集成

當前通過三維線路設計系統自動生成的線路構件模型相當于鐵路BIM聯盟LOD2.0的精度標準，如要對部分重要工點進行細化表達與應用，就需要接入更高級別的人工BIM模型。

目前BIM模型與GIS信息集成仍有很大的技術困難［8］，尚未形成成熟的批量化集成技術，主要原因有以下5點：

（1）BIM模型格式不開放。“ABC”（Autodesk、Bentley、Catia）所代表的商業集團無法提供一個公開的BIM模型格式，造成了BIM應用效益與潛能大大受限。國際學術界正在試圖通過buildingSMART聯盟提供IFC交換格式擴展來實現公路、鐵路BIM模型共享交換，但從IFC已經20多年的蹣跚歷程與當前各大平臺對IFC的支持能力綜合來講，這個實現過程可能會持續相當長的時間。

（2）BIM模型數據的輕量化處理。BIM模型的粒度太細，體形不大但數據體量很大，在GIS中需要輕量化處理才能保障資產集成綜合的應用效率。

（3）BIM模型的碎片化處理。超過一定長度剛體的BIM模型在數字地球空間中，一定是無法準確地實現與鄰近構件的銜接［2］。因此需要將模型碎片化分割，如對超過一定長度的橋梁、隧道、路基拆分成若干個模型。

（4）BIM模型的用戶空間化轉換。當前BIM模型絕大多數按照工程坐標構建，這種大坐標難以滿足GIS的模型符號化定位、定姿表達的要求。

（5）BIM模型左右坐標系變換。GIS采用國際上通用的右手坐標系、而國內相當部分工程圖采用的是左手坐標系，導致地理上的事實左偏向的長大線路模型，在工程圖上表現為右偏，基于這種工程圖而建立起來的BIM模型，自然存在與GIS空間符號化定義不匹配的問題，需要通過程序開發實現對模型坐標系的反轉。

要實現線路BIM模型的批量化集成，就首先需要解析BIM模型的格式，以“ABC”為設計建模平臺的BIM模型資產，在資產的兼容性方面還存在著商業壟斷的顯著弊端，成為BIM與數字鐵路資產融合的主要障礙。

6 三維數字鐵路全生命周期應用產品體系建設

三維數字鐵路資產產品體系主要包括2個部分：（1）資產采集、構建及集成部分；（2）資產全生命周期應用部分。三維數字鐵路資產產品體系構成見圖5。其中，藍色為已經完成的產品，綠色為正在研發的產品，紅色為規劃的產品。

6.1 三維數字鐵路資產構建與集成部分

（1）地理數據采集應用系統（RailGIS）提供各類網絡空間數據資源采集與處理、建模的能力，包括重要鉆孔數據采集、離線地圖資源下載、全球地形采集、水準地形生產等，為三維選線提供廣泛的離線及實時在線數據支持。

（2）三維選線設計系統（RIM Designer）在三維數字地球上提供最關鍵的三維交互選線設計手段與實時參數化線路建模能力，實現孿生數字鐵路“所設即所得”的高效資產構建手段。

（3）大屏協同方案設計系統（RIM CoDesigner）規劃的在三維選線設計系統上提供橋梁、隧道、路基、站場等站前專業的分布式設計終端機，實現各專業面向同一項目的實時協同設計能力，從而實現“像發射衛星一樣”開展多專業方案級協同設計的理想追求。

（4）三維線調系統（RIM Survey）實現道路沿線建筑物、水域、地類、管線、特殊構筑物及物種的信息采集并以直觀的三維形式進行表達，提供了語言輸入、現場采拍、二維碼定位、手薄輸出等要素采集管理，資產具備脫離工程空間的全生命周期價值。

（5）BIM集成系統（RBIM System）實現人工精細化BIM模型向數字鐵路資產的富集，從而達成綜合的全生命周期應用效果。當前正在解決BIM模型符號化轉換與集成應用開發，后期將圍繞BIM與GIS的綜合應用提供業務管理能力。

三維數字鐵路資產構建后，可以作為智能交通的實施載體，除了普適性的全生命周期應用能力外，更具備廣泛地外延與拓展能力，主要表現為可以接入廣泛的IoT感知與控制設備實現三維可視化的管理［4，9］，如接入視頻設備，可以在場景中直接實現對攝像頭的操作以實現對現場畫面的拍攝控制；通過接入GPS定位設備，還可以實現與三維場景聯動的巡查定位管理等［10］，從而為數字交通走向智能交通奠定了堅實的實踐基礎。

6.2 產品體系

為了拓展三維數字鐵路面向建設、設計、施工、監理、運維單位的全生命周期業務應用能力，三維數字鐵路資產也提供了完備的產品體系來滿足行業鏈各種應用場景的需要：

（1）三維數字鐵路桌面瀏覽系統（RIM Viewer）提供給資產應用單位進行資產查閱及二次開發拓展桌面應用的系統，系統附帶三維選線設計系統所有統計、分析及模擬、地物構建能力。

（2）三維數字鐵路網絡應用系統（WebRIM）將采集與構建的數字資產發布到網絡，讓許可人員可以分布式地通過瀏覽器訪問這些直觀的資產并取得網絡應用能力，如開展遠程三維方案論證、直觀方案匯演、查詢工程數量、提取地物及開展進度管理、監控管理、風險監測管理等。目前構建的內部網絡應用系統已經實現近40多個工程項目的資產發布與遠程業務功能應用。

（3）三維數字鐵路移動端應用系統（RIM Mobile）移動端應用系統是以三維數字鐵路產品在移動設備上的表達與應用系統，提供三維數字鐵路漫游、分析、信息查詢與量測功能等以資產管理及業務應用為主的能力。移動端除了能夠提供三維線路資產的展示，也能開發定制的移動業務，如在現場以圖文、音頻形式錄入施工日志、進行人員安全防范監控管理、禁止無關人員進行相關作業區的風險警示等。

（4）三維數字鐵路VR應用系統（RIM VR）將三維數字鐵路資產發布到頭戴式VR設備中，實現第一人稱展示三維數字鐵路模型場景，讓體驗者在視覺上、聽覺上、觸覺上實現與項目工地現場的交互，讓領導決策人員可以非常直觀地體驗設計效果（見圖6），也可以將工程災害現場搬到應急指揮的會議現場，讓指揮人員身臨其境地體驗現場災害效果從而確立科學的應急指揮決策。

（5）三維數字鐵路增強現實系統（RIM AR）可將整條三維數字鐵路以大地空間坐標裝載到AR眼鏡中，實現走到哪看到哪的線路三維模型效果，線路工程建成前可以直觀地展示建成后與地物疊加的場景，建成后也可以展示沿線各種構件的維護信息，同時可以進行拍照、聲音、手勢等現場交互操作，實現現場信息化管理。

圖6 三維數字鐵路VR應用系統

（6）三維數字鐵路云應用平臺（RIM Cloud）旨在構建類似網絡地圖開放式API接口，吸引行業內資深的設計、施工、運維開發服務商，利用豐富的三維鐵路數字資產，開發模塊化的微服務應用，再通過在云平臺上發布這些微服務，通過云平臺向方方面面的應用商提供菜單式業務訂制服務，讓應用部門無須軟、硬件配置，無須耗費財力人力構建模型即可便利地利用孿生數字鐵路資產及各方面的服務。如某科研開發公司具備20年的深基坑監測經驗與手段，通過云平臺將其監測業務改造后發布，另一項目擬開展此類業務，只需要通過云平臺訂閱這項業務，接入IoT監測設備即可以便利、直觀地開展監測業務。

三維數字鐵路產品在各種應用端上的發布實現，一方面證明了數字資產的普適性，另一方面為行業鏈各單位各類業務的訂制開發提供了基礎環境，從而形成了包括三維數字鐵路產品與各類應用端的全生命周期技術服務體系，為全行業從BIM熱潮中回到數字鐵路工程這個大主線上來，充分挖掘三維數字鐵路的智能化業務創造了條件。

7 結束語

當前交通行業正在挖掘數字工程智能化建造、運維的潛能，更需要有三維數字鐵路資產作為依附的載體［11］，不只為線路的智能化提供可視化的管理場景，GIS領域強大的空間分析能力與豐富的地理環境數據支持也能夠為智能交通建設提供寬廣的潛能挖掘空間。