鐵路橋梁信息化施工管理平臺研發與應用

齊成龍

（中國鐵路設計集團有限公司 土建院，天津 300308）

現有鐵路工程的粗放式建造模式存在資源高消耗、勞動力短缺、信息集成度不高等突出問題。隨著物聯網（IoT，Internet of Things）、移動互聯、大數據等技術的飛速發展和規模化應用，智能建造引領了新一輪的建造業革命。為解決上述問題，鐵路行業大力推動IoT、大數據、人工智能等技術同交通基礎設施建設的深度融合，以建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）為核心，開展鐵路三維數字化施工管理。

為推動鐵路工程信息化、智能化施工管理與控制模式的發展，國內不少學者進行了大量的研究。倪葦[1]依托新建西十（西安—十堰）高速鐵路項目，對基于地理信息系統（GIS，Geographic Information System）+BIM的設計成果綜合應用平臺進行探究，以CityMaker作為基礎GIS平臺，通過多源地形融合、多專業BIM設計成果集成、BIM與地形融合等關鍵技術研究，實現BIM設計成果與真實地形場景的無縫融合，對GIS平臺進行二次開發，實現BIM設計成果展示、結構樹解析、設計方案優化、三維空間分析等功能；伍軍等人[2]基于BIM技術在橋梁工程信息化管理的研究現狀，提出“面向服務的架構+面向對象的編程”方法，采用微服務架構，融合應用BIM、GIS、IoT技術，構建面向對象和服務的橋梁工程信息管理平臺，并應用于鹽城特大橋的施工管理全過程；馬白虎等人[3]將現代四維施工管理理論引入到橋梁施工期間信息化管理的過程中，以橋梁BIM為載體，融合進度、質量、安全、制造和監測等管理信息，研發了平塘大橋BIM施工項目管理信息平臺及移動終端，構建平塘特大橋建設期BIM項目管理信息平臺，實現大橋建設期的遠程、動態、可視化管理。

中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）2019年7月頒布的《鐵路工程建設信息化應用技術規程(征求意見稿)》[4]明確規定了新建線路應將信息化內容納入招標文件、施工單位應將信息化內容納入施工組織設計，并對鐵路工程各個專業的信息化提出了具體要求。綜上，本文針對鐵路橋梁三維數字化建設管理需求，開展解決方案研究，設計鐵路橋梁信息化施工管理平臺并開展工程化應用，相關成果不僅滿足了國鐵集團信息化技術路線的要求，同時也為傳統勘察設計企業拓展多元業務領域、實現轉型升級提供了借鑒。

1 平臺設計

1.1 平臺整體架構

鐵路橋梁信息化施工管理平臺整體架構如圖1所示，分為數據采集層、數據資源層、服務層、應用層、訪問層。其中，數據采集層負責本平臺與外部自動化加工設備、監控設備、工程機械車輛的關聯，作為其統計分析的原始數據入口；數據資源層將平臺所需數據分為空間和屬性兩類，前者以三維模型的形式呈現，后者以非幾何信息的形式附屬于三維空間，存儲于服務器和數據庫中，并基于防火墻保障信息安全；服務層是對業務邏輯獨立化的封裝，每個服務都是獨立的模塊，從邏輯層面為系統功能的實現提供技術支撐，包括三維地理信息服務、數據管理服務等；應用層是平臺功能的直接外在表現形式，包括綜合管理、技術管理、現場管理等模塊；訪問層為終端用戶提供通過不同終端和網絡的訪問方式。

圖1 平臺整體架構

1.2 邏輯架構設計

1.2.1 邏輯架構分區

為實現上述系統功能，本文利用Spring Cloud技術框架，開發具備微服務架構特性的分布式系統[5]，將業務功能分解到離散的服務中，從而降低系統耦合性，提高平臺運行的穩定性。本文采用的微服務架構與常規的單體式應用開發模式相比，具有以下優勢：

（1） 通過將巨大單體式應用分解為多個服務的方法解決復雜性問題；

（2）使得分解后每個服務的開發手段、開發環境相對獨立，提高了開發自由度；

（3）允許每個微服務獨立部署，提高部署效率。

（4）使得每個服務獨立擴展，增強了系統開發的彈性。

采用微服務架構的平臺邏輯架構如圖2所示，可劃分為6個區域：客戶端區、轉發區、后臺系統區、渠道區、文件區、數據區，圖2中給出了各邏輯分區之間的數據交互流程。

圖2 平臺邏輯架構

1.2.2 邏輯工作流程

本文分別從業務請求、文件管理、第三方服務的角度，介紹平臺的邏輯工作流程。

（1）業務請求

用戶發起對本平臺的網絡訪問請求后，前置代理服務器Nginx將請求轉發至前端服務器[6]；用戶登錄客戶端進行具體的施工管理業務操作，發起后臺業務請求，請求發送至網關服務器；由網關服務器將不同業務請求轉發至服務集群的不同業務服務器處理；網關具備檢測請求來源、均衡分發請求的功能，保證系統安全和高效率。該業務請求流程實現了橋梁施工過程中的進度、質量、安全管理等功能。

（2）文件管理

客戶端向OSS（Open Storage Service）系統傳輸所需存儲的文件，從OSS系統獲取文件訪問地址，并返回客戶端，實現平臺的文件管理業務流程[7]。

（3）第三方服務

平臺邏輯架構的渠道模塊利用第三方廠商開放的API和SDK開發對應功能接口，接入第三方設備，進行通信管理，實現遠程模型輕量化管理、視頻監控、機械設備數據收集與統計分析等功能。

2 關鍵技術

2.1 三維場景緩存預處理

由于三維BIM數據量龐大，遠程加載效率低，為提高應用整體性能，本文采用基于流的場景加載優化方法，如圖3所示，包括場景構建、數據存儲和場景加載3個步驟。流式加載的基本思想是將一個完整的[8]、難以一次性處理的計算任務分解成若干個小任務，從而降低計算負荷。

圖3 基于流的場景優化加載方法

為實現B/S架構下的流式加載目標，需要在將三維數據發布為三維服務之前先對三維場景的數據組成（如影像數據、地形數據、模型數據）進行預處理，預處理的本質是為影像、地形或模型數據創建分層緩存，填充場景加載步驟中的緩存池。

例如，對影像數據進行預處理，即將影像數據簡化成不同分辨率圖像的集合，通過重采樣的方法，建立一系列不同分辨率的圖層，每個圖層分割存儲，并建立相應的空間索引機制，從而提高縮放瀏覽影像時的顯示速度。

2.2 基于工程結構分解的數據管理

為對現場橋梁工程對象進行有效的信息化管理，本文通過達索BIM平臺創建橋梁三維信息模型，以IFC中間格式為媒介，通過SuperMap-GIS系統轉化為GIS數據，讀入BIM后，同一個橋梁工程構件的GIS模型繼承了原有BIM的GlobalID屬性值，由于該屬性值具備唯一性，從而實現了跨平臺的模型數據轉換[9]及工程結構分解。

本文基于GlobalID對橋梁構件的唯一性進行識別并分類，從而進行全橋施工信息化管理。橋梁結構構件是施工過程中開展進度、質量、安全、經營分析管理的基本元素。平臺通過對其相應屬性值的讀取、賦值操作實現管理功能[10]。

（1）基于工程結構分解的進度管理

后臺數據庫中，每個構件都包含進度屬性，平臺根據各構件的當前進度屬性值修改模型顏色，實現三維可視化的進度管理功能，根據構件進度屬性值統計分析某一時間點或時間段內的項目進展情況，并與各構件預期施工目標進行比較，實現進度計劃的實時跟蹤預警功能[11]。

（2）基于工程結構分解的經營分析

平臺的分部分項工程量清單計價表如圖4所示，包含清單項目編號、計算字段（開展工程計價時所需關聯的橋梁構件幾何屬性）、計量單位、綜合單價等。

圖4 分部分項工程量清單

在經營分析統計時，單個橋梁構件可能會關聯多個計價清單，因此，平臺為每個橋梁構件增加“分部分項工程數量清單編號列表”屬性。技術人員通過移動端或瀏覽器端完成全橋構件的施工進度填報后，平臺根據各構件的施工進度情況，過濾當前尚未完成的構件，提取已完成構件的“分部分項工程數量清單編號列表”屬性值，遍歷各清單編號，根據每個清單的計算字段提取構件屬性值，將該屬性值與綜合單價進行運算，完成全橋工程量統計。

3 平臺應用

長清黃河特大橋位于我國山東省境內，為新建鄭州至濟南鐵路工程（山東段）跨黃河主槽而設，主橋為1 080 m多塔雙索面預應力混凝土矮塔斜拉橋，采用塔墩固結、塔梁分離的半漂浮結構體系，主梁為預應力混凝土結構，橋塔采用鋼筋混凝土結構，橋塔根部設置型鋼，斜拉索采用扇形布置，橋上鋪設CRTSⅢ型板式無砟軌道。目前，本文設計研發的鐵路橋梁信息化施工管理平臺已在鄭濟（鄭州—濟南）鐵路長清黃河特大橋項目中投入使用，運行狀況良好。

3.1 進度管理

本平臺可實現在三維直觀環境下的項目進度情況展示，用不同顏色區分各構件在某一時間點的4種施工狀態（“進行”“完成”“預期”“階段”），如圖5所示。

圖5 進度管理示意

平臺以后臺數據庫中各構件的進度屬性數據為基準，經過統計分析后，根據前端用戶需要，以餅狀圖、直方圖、趨勢圖的形式展示項目總進度、關鍵節點工程進度、項目月計劃完成情況，年計劃、月計劃與實際對比情況，日、周、月形象進度等。

3.2 工程質量及安全管理

平臺通過三維標注的方式在GIS空間將具體問題與相關構件關聯，用戶選擇相應構件后，可以屬性對話框的方式查詢具體問題描述、問題附件及當前整改情況，如圖6所示。

圖6 三維場景下的質量及安全問題查詢

本平臺通過趨勢圖、餅狀圖展示全橋問題類型、整改率，并在現場大屏端滾動展示全橋安全通知、安全資料、問題列表情況。

3.3 經營分析管理

平臺按月對當前項目的經營狀況進行統計分析，以直方圖的形式展示其計劃完成產值和實際完成產值，以餅狀圖的形式對當前項目的已完成和未完成產值情況進行對比分析，如圖7所示。

圖7 經營分析統計結果展示

3.4 數字工地功能

平臺與環境監測設備、門禁設備、員工打卡設備、視頻監控設備進行數據關聯，獲取設備數據，在后臺服務程序中進行統計分析，如圖8所示。

圖8 環境監測數據統計分析

4 結束語

本文基于BIM和GIS技術設計并開發了鐵路橋梁信息化施工管理平臺，介紹了平臺的總體架構和功能設計，利用微服務技術進行邏輯架構設計，研發三維場景緩存預處理及基于工程結構分解的數據管理等關鍵技術，并在鄭濟鐵路長清黃河特大橋項目中進行深入探索和實踐，取得了良好的試用效果，該平臺可提高施工現場的生產效率、管理效率及決策能力，為交通行業基礎設施高質量發展提供借鑒和思路。