基于3D GIS+BIM的鐵路站場調(diào)車防護系統(tǒng)應(yīng)用研究

黃 超，鄧永祁，羅 浩

（湖南中車時代通信信號有限公司，長沙 410005）

地理信息資源是社會發(fā)展所必需的重要信息資源，在人類生產(chǎn)、生活過程中，80%以上的信息都與地理空間位置有關(guān)。為迎接信息時代的挑戰(zhàn)，中國國家鐵路集團有限公司提出了“數(shù)字鐵路”戰(zhàn)略，在全路信息數(shù)字化過程中，創(chuàng)建國內(nèi)鐵路地理信息系統(tǒng)（RGIS），以滿足鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)對地理信息資源進行運用和空間化管理的迫切需求。隨著國內(nèi)信息化建設(shè)不斷縱深發(fā)展，基于二維地圖數(shù)據(jù)的地理信息部分弊端亦凸顯出來。它在表現(xiàn)地理三維空間位置上不夠直觀，不能有效展示鐵路沿線周邊真實環(huán)境、細(xì)部真實紋理等信息，管理者無法從整體上根據(jù)真實、全面的鐵路地理信息做出最佳決策。

伴隨著信息化、遙感測繪技術(shù)不斷提升，地理信息系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。傾斜攝影是近年來國際測繪領(lǐng)域逐漸發(fā)展起來的高新技術(shù)，它顛覆了正射影像只能從垂直角度拍攝的局限性，通過多臺傳感器從多角度采集影像，將用戶引入到符合人眼視覺的真實世界。通過站場傾斜攝影建立高質(zhì)量的站場三維GIS模型，結(jié)合BIM技術(shù)為站場調(diào)車管理提供有力三維支撐。

BIM屬于一種依托于工程數(shù)字化模型的高新技術(shù)，通過對建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，從而完成建筑模型的建立。通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性5大特點。

1 站場防護現(xiàn)狀

隨著鐵路機車不斷增多，站場機車調(diào)車作業(yè)難度不斷加大。目前已通過在機車加裝安全防護插件，地面建立平面調(diào)車防護系統(tǒng)，采集機車收到的實時信息、機車位置信息、站場機車信號數(shù)據(jù)、道岔、軌道區(qū)段數(shù)據(jù)等信息。

而這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用大多是以列表或者文本的形式展示，無法通過圖形實體化的直觀方式為調(diào)度人員及管理人員直觀展示站場當(dāng)前的調(diào)車作業(yè)情況，無法了解機車周邊真實環(huán)境、細(xì)部真實紋理，無法為管理者根據(jù)當(dāng)前狀況快速做出相應(yīng)決策提供直觀依據(jù)，將會給鐵路運輸安全和站場調(diào)車作業(yè)管理造成一定影響。

2 技術(shù)方案詳細(xì)描述

在現(xiàn)有二維站場調(diào)車防護系統(tǒng)建設(shè)成的基礎(chǔ)上，運用3D GIS、BIM、遙感、測繪、軟件工程等技術(shù)手段，通過站場數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)集成、應(yīng)用集成，將鐵路站場各種資源數(shù)字化，形成一個可以虛擬現(xiàn)實的鐵路漫游系統(tǒng)，實現(xiàn)鐵路站場立體化、可視化、全局化管理。多維GIS立體化展示效果如圖1所示。

圖1 多維GIS立體化展示效果Fig.1 Multi-dimensional GIS display effect

該多維站場調(diào)車防護系統(tǒng)包括二維和三維展示界面，以全景影像、VR視角等方式展示站場多維實景，通過浸入式的直觀視角方式為站場機車調(diào)度人員及管理人員直觀展示機車運行周邊真實環(huán)境、細(xì)部真實紋理；同時基于GIS技術(shù)的強大空間分析功能為機車調(diào)度的規(guī)劃管理者提供更加友好實用的決策支持手段，解決數(shù)據(jù)分離、機車調(diào)車作業(yè)顯示抽象、無法獲取細(xì)部紋理等問題。

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層以及展示層。數(shù)據(jù)層包括GIS數(shù)據(jù)單元、BIM數(shù)據(jù)單元和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，通過對數(shù)據(jù)的收集、處理和存放，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和分類存儲；服務(wù)層包括公共組件單元、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)單元和GIS多維服務(wù)單元；應(yīng)用層包括系統(tǒng)管理單元、應(yīng)用集成單元和全景數(shù)據(jù)展示單元，包括各應(yīng)用模塊的集成，對站場圖形、地理信息、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則進行管理；展示層為客戶終端，用于桌面終端和移動終端展示。

系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall logic structure of the system

為完成GIS數(shù)據(jù)和BIM數(shù)據(jù)的采集，建立數(shù)據(jù)層的GIS數(shù)據(jù)單元，需對站場進行數(shù)據(jù)采集。

1）提前對站場區(qū)域范圍進行航線規(guī)劃，綜合飛行控制距離、站場地形地貌、站臺建筑物分布、測量精度等因素進行航線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)定。利用站場的空窗期對站場進行航拍數(shù)據(jù)采集。站場數(shù)據(jù)采集主要元素包括：站場各股道、道岔、信號機、站臺、土擋等。

2）數(shù)據(jù)后處理

首先對飛控系統(tǒng)生產(chǎn)的位置數(shù)據(jù)進行篩選整合，過濾掉不符合要求、錯誤點數(shù)據(jù)。

其次，對空間三角測量計算?？罩腥怯嬎阒饕谟谧詣?、準(zhǔn)確地估算出每副輸入影像的位置、角元素，對影像定位信息嚴(yán)格配準(zhǔn)，獲得航測缺失的影像信息?？罩腥菧y量計算是后期數(shù)據(jù)處理過程的重要一步，同時它也是三維重建計算的基礎(chǔ)。

在地心坐標(biāo)系（World Geodetic System 1984，WGS 84）下進行三維重建計算。

模型精修及單體化處理。由于在數(shù)據(jù)處理過程中錯誤的影像匹配或者較差的飛行姿態(tài)造成站場元素變形（結(jié)構(gòu)紋理扭曲、破面缺面等）、懸浮物、丟失部件等情況。通過人工對模型進行精修重建，使得站場要素完整，滿足人眼視覺感官和后期三維GIS應(yīng)用的需要。BIM模型庫用于存儲站場內(nèi)各股道、道岔、機車等關(guān)鍵元素的結(jié)構(gòu)和其他相關(guān)的參數(shù)信息。

因為站場中并非所有元素是靜態(tài)的，站場中信號機色燈存在變化，道岔開叉情況也是變動的。并且站場中根據(jù)機車車型的不同，其機車模型也是各有不同。因此需對該類模型進行單體化處理。通過利用信號機、道岔等對應(yīng)的矢量面，對傾斜攝影模型進行切割，把連續(xù)的三角面片網(wǎng)從物理上分隔開，從而實現(xiàn)單體化。對分離的單體化模型進行精細(xì)化修編重建，再融合到三維模型中。

3）采用3D GIS+BIM技術(shù)建立鐵路站場三維模型

通過以上步驟完成GIS數(shù)據(jù)單元和BIM數(shù)據(jù)單元的搭建，以三維建模及貼圖的方式完成站場的立體可視化。模型完成搭建之后效果如圖3所示。應(yīng)用層的應(yīng)用集成單元包括以下幾個模塊。

圖3 站場三維模型Fig.3 Three-dimensional model of station (yard)

運行監(jiān)測模塊：對非站場運行的機車運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，包括機車實速、限速、公里標(biāo)、LKJ時間、當(dāng)前位置等信息。

調(diào)防監(jiān)測模塊：當(dāng)機車進入站場后，對機車調(diào)車作業(yè)進行實時監(jiān)測，包括機車前方調(diào)車信號機色燈、解鎖狀態(tài)、聯(lián)鎖狀態(tài)、前方距離等信息。

報警監(jiān)控模塊：對機車關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量進行提前告警，包括實時設(shè)備質(zhì)量預(yù)警、實時空間預(yù)警、機車歷史記錄查看和報警處理。實時設(shè)備告警預(yù)警：基于BIM模型集成機車設(shè)備歷史運維、局內(nèi)各段設(shè)備運維大數(shù)據(jù)信息，融合現(xiàn)場設(shè)備運行監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)生成優(yōu)化的運維方案，實現(xiàn)預(yù)防性、預(yù)測性的主動式運維管理，提前消除設(shè)備故障；實時空間告警預(yù)警：基于BIM模型集成站場建筑空間、機車流動信息，融合實時采集的車流監(jiān)測信息，自動識別調(diào)車作業(yè)擁擠的紅熱區(qū)域，生成消除擁堵的預(yù)警管理方案，實施動態(tài)的智能調(diào)車作業(yè)管理。

作業(yè)監(jiān)測模塊：對進入站場區(qū)域的機車進行周期檢測判斷，對超期未檢測機車進行預(yù)警。

文件管理模塊：對機車運行文件進行自動、手動下載管理。

應(yīng)用層的全景展示單元包括：通過機車GPS模塊下發(fā)的位置信息與BIM模型進行關(guān)聯(lián)及糾偏，進行機車在站場運行的三維復(fù)現(xiàn)，實現(xiàn)機車在站場內(nèi)的三維空間查找、定位和顯示，達(dá)到機車在站場建筑、股道BIM模型之間實現(xiàn)切換和場景移動式漫游，查看機車在站場內(nèi)的調(diào)車作業(yè)運行狀況，查看機車當(dāng)前實時狀態(tài)，查看機車前方信號機色燈燈值，查看機車前方道岔開岔情況，對站場內(nèi)所有機車進行動態(tài)監(jiān)控；通過機車TSC設(shè)備將機車監(jiān)控狀態(tài)和能耗數(shù)據(jù)信息下發(fā)至地面服務(wù)器，通過數(shù)據(jù)處理和邏輯分析，實現(xiàn)對機車關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量非動態(tài)監(jiān)測，掌握機車的運行信息。多維站場調(diào)車防護系統(tǒng)在機車站場調(diào)車作業(yè)的二三維聯(lián)動展示效果如圖4所示。

圖4 站場二三維聯(lián)動效果Fig.4 Effect drawing of two-dimensional and three-dimensional linkage of the station

展示層包括客戶端單元和移動端單元?？蛻舳送ㄟ^瀏覽器的方式訪問多維調(diào)車防護系統(tǒng)，移動端單元則是用戶通過手機APP的方式訪問系統(tǒng)，查看機車在三維站場中的調(diào)車作業(yè)情況。系統(tǒng)以大屏作為主要展示媒介，以移動端為輔助來查看站場內(nèi)機車、信號機、道岔等調(diào)車作業(yè)實際情況，了解機車周邊真實環(huán)境、細(xì)部真實紋理，為調(diào)度指揮中心進行站場內(nèi)機車調(diào)度提供直觀依據(jù)，其整體應(yīng)用展示效果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用展示層Fig.5 System application display layer

綜上所述，通過3D GIS+BIM的站場調(diào)車防護系統(tǒng)，在原有二維站場調(diào)車防護系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，增加虛擬現(xiàn)實的三維站場漫游子系統(tǒng)，使用戶以第一視角沉浸式查看站場內(nèi)的機車運轉(zhuǎn)實際情況，能有更真實逼真的交互體驗，為用戶提供三維真實場景并作出最佳決策，通過這種方式解決二維站場防護系統(tǒng)存在的弊端。

3 結(jié)束語

該種基于GIS+BIM的調(diào)車防護系統(tǒng)，應(yīng)用了GIS和BIM技術(shù)的可視化特性，可以非常直觀、便捷地查詢機車在站場內(nèi)的調(diào)車作業(yè)情況，了解機車周圍的真實環(huán)境和細(xì)部紋理，為站場調(diào)車管理提供有力三維支撐，顯著優(yōu)越于二維的運維平臺。