一種面向鐵路竣工文件管理的電子沙盤系統(tǒng)研發(fā)

張 恒 賈豐品 范登科 趙 磊 王宏祥 陳金鑫 朱宏偉 李 超

(1.中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300308; 2.軌道交通勘察設(shè)計國家地方聯(lián)合工程實驗室，天津 300308; 3.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031; 4.北京品源專利代理有限公司天津分公司，天津 300308; 5.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081)

引言

竣工文件作為鐵路工程建設(shè)的真實記錄，是對鐵路項目進(jìn)行監(jiān)督、管理、驗收以及后續(xù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)、維修的主要依據(jù)，是鐵路建設(shè)成果的反映。竣工文件承載了從項目立項到竣工驗收全過程的各類信息，是鐵路工程驗收的重要資料[1-2]。竣工文件的高效管理，能夠?qū)こ踢\(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修和后期質(zhì)量跟蹤回溯起到重要作用。

目前，大部分單位仍采用文檔、文件夾的形式對竣工文件進(jìn)行管理，并以磁盤刻錄、移動硬盤存儲的方式進(jìn)行移交，缺乏有效的信息化管理系統(tǒng)對電子檔案進(jìn)行組織、描述、檢索和數(shù)據(jù)服務(wù)[3]。為了對竣工文件進(jìn)行有效存儲與快速檢索，國內(nèi)眾多學(xué)者使用數(shù)據(jù)庫技術(shù)構(gòu)建項目建設(shè)檔案管理系統(tǒng)。王曉波對電網(wǎng)工程檔案資料的內(nèi)容和規(guī)范進(jìn)行梳理，并采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫構(gòu)建檔案管理系統(tǒng)[4]；潘定坤對鐵路竣工驗收過程中所需的電子施工日志進(jìn)行管理，從電子施工日志的架構(gòu)、功能及應(yīng)用等方面構(gòu)建電子施工日志系統(tǒng)[5]。然而，這種方式在可視化層面不夠直觀，文件之間的關(guān)聯(lián)度較低。此外，還有部分學(xué)者基于BIM等三維模型與資料管理進(jìn)行結(jié)合，創(chuàng)建出以三維模型為基礎(chǔ)的竣工交付資料管理系統(tǒng)。王婷等提出基于BIM 5D技術(shù)的施工資源動態(tài)管理方法，通過將進(jìn)度、成本、物料管控等信息與BIM模型進(jìn)行整合，實現(xiàn)施工資源的可視化動態(tài)管理[6-7]；李營等制定基于無人機(jī)遙感影像信息分類體系，建立相應(yīng)的影像解譯數(shù)據(jù)庫和制圖符號，并將分類體系應(yīng)用于竣工環(huán)保驗收工作[8]。這種方式雖然實現(xiàn)了竣工文件間、竣工文件和三維模型間的關(guān)聯(lián)，但存在對竣工文件的描述不夠、資料的檢索效率低、施工過程資料無法溯源等缺點(diǎn)，導(dǎo)致難以在實際項目中開展應(yīng)用。

針對竣工文件表達(dá)不直觀、指向性差等問題，面向竣工文件的可視化管理，研發(fā)一種電子沙盤系統(tǒng)，并基于鐵路竣工文件開展實驗分析，以期有效增強(qiáng)竣工文件地指向性和直觀性，提升竣工驗收地便利性。

1 面向鐵路竣工文件管理的電子沙盤系統(tǒng)研發(fā)

1.1 總體思路

課題技術(shù)路線見圖1，具體闡述如下。

圖1 面向鐵路竣工文件管理的電子沙盤系統(tǒng)研發(fā)技術(shù)路線

(1)竣工驗收調(diào)研。根據(jù)鹽通、陽大、昌景黃等鐵路建設(shè)項目，對竣工驗收的管理方法和內(nèi)容進(jìn)行調(diào)研。同時，結(jié)合竣工驗收的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行分析，整理竣工文件管理的需求。

(2)竣工文件應(yīng)用情景分析。通過對觀感驗收、靜態(tài)驗收等應(yīng)用情景進(jìn)行分析，梳理出竣工文件管理的難點(diǎn)在于多專業(yè)資料的集成性，以及龐雜竣工文件的指向性。

(3)建立竣工文件領(lǐng)域模型。采用微服務(wù)、數(shù)據(jù)中臺、EF框架等技術(shù)，建立竣工文件的領(lǐng)域模型。根據(jù)竣工文件的特征設(shè)計數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，并對數(shù)據(jù)表之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計，對部分竣工文件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲。

(4)竣工文件集成。研究鐵路信息模型的三維建模技術(shù)，并將竣工文件與鐵路信息模型進(jìn)行融合，構(gòu)建鐵路三維場景。

(5)竣工文件查詢服務(wù)。針對地形圖、影像等地理信息數(shù)據(jù)，根據(jù)竣工文件在數(shù)據(jù)庫中的查詢方式和元數(shù)據(jù)描述字段，聯(lián)合三維模型的編碼規(guī)則，研究竣工文件與三維模型在不同粒度的對應(yīng)和關(guān)聯(lián)關(guān)系，設(shè)計竣工驗收資料與模型的掛接方式，并基于WPF等技術(shù)對電子沙盤進(jìn)行深化研發(fā)，實現(xiàn)竣工驗收資料的一體化管理。同時，研究面向竣工驗收的空間數(shù)據(jù)組織與管理方式，研究Restful API的數(shù)據(jù)查詢接口封裝方法，為竣工文件驗收提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

1.2 竣工文件管理需求調(diào)研分析

通過分析鐵路建設(shè)項目驗收管理相關(guān)法規(guī)、工作管理流程及資料管理需求，面向鐵路工程靜態(tài)驗收、動態(tài)驗收、初步驗收與安全評估、正式驗收的竣工驗收管理全過程，研究鐵路建設(shè)項目竣工驗收資料管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類、功能架構(gòu)、技術(shù)要求及管理需求，提出竣工驗收資料管理系統(tǒng)的研發(fā)需求。

(1)通過行業(yè)調(diào)研與項目訪談，調(diào)研國內(nèi)外鐵路、公路等領(lǐng)域工程竣工驗收信息化管理現(xiàn)狀，深入分析鐵路建設(shè)既有法規(guī)、管理辦法對竣工驗收工作管理流程及資料管理的相關(guān)規(guī)定，梳理當(dāng)前鐵路竣工驗收工作不同階段的管理流程，及相應(yīng)的資料需求。

(2)調(diào)研建設(shè)項目檔案信息化管理、基于三維模型的資料管理、數(shù)據(jù)挖掘等信息技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，根據(jù)現(xiàn)狀分析對相關(guān)技術(shù)的特征進(jìn)行歸納總結(jié)，分析信息技術(shù)對于鐵路竣工驗收管理工作的支撐作用。

(3)分析國鐵建設(shè)管理部竣工驗收管理工作特點(diǎn)與職責(zé)范圍，研究既有鐵路信息化管理系統(tǒng)對于鐵路竣工驗收管理工作的支撐程度，并提出鐵路竣工驗收信息化管理面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)一步提出面向建設(shè)管理部工作需求的鐵路竣工驗收管理信息化、數(shù)字化提升需求。

在鐵路行業(yè)，針對竣工驗收工作，頒布了鐵檔史〔2018〕29號《中國鐵路總公司鐵路建設(shè)項目檔案管理辦法》、鐵總檔史〔2015〕356號《鐵路歸檔文件整理規(guī)范》、鐵建設(shè)〔2008〕23號《鐵路建設(shè)項目竣工驗收交接辦法》、鐵檔史〔2011〕110號《鐵路竣工項目資料驗收辦法》、TB 10443—2010《鐵路建設(shè)項目資料管理規(guī)程》、發(fā)改基礎(chǔ)[2015]2830號《鐵路建設(shè)項目國家驗收實施辦法》、鐵建設(shè)〔2012〕107號《高速鐵路竣工驗收辦法》、鐵建設(shè)〔2008〕23號《鐵路建設(shè)項目竣工驗收交接辦法》、TB 10760—2021《高速鐵路工程靜態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》、TB 10761—2013《高速鐵路工程動態(tài)驗收技術(shù)規(guī)范》、Q/CR472—2015《高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試及運(yùn)行試驗技術(shù)規(guī)范》、國鐵工程監(jiān)〔2020〕28號《鐵路工程建設(shè)項目竣工驗收監(jiān)管指導(dǎo)意見》等辦法和規(guī)范文件[9-12]，對項目竣工文件工作提出了具體強(qiáng)制性要求。規(guī)定了竣工驗收的材料內(nèi)容、驗收條件、職責(zé)分工、強(qiáng)調(diào)建設(shè)項目應(yīng)積極采用信息化手段實現(xiàn)文件形式、流轉(zhuǎn)到歸檔的全過程控制，項目檔案應(yīng)采用信息化管理，分類參照紙質(zhì)檔案分類，與紙質(zhì)檔案保持一致并建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，這些規(guī)范和管理辦法都為我國鐵路建設(shè)過程中資料管理的內(nèi)容和方式提供了依據(jù)。

1.3 竣工文件數(shù)據(jù)庫設(shè)計

竣工驗收資料數(shù)據(jù)庫主要用于存儲竣工驗收相關(guān)的結(jié)構(gòu)化屬性數(shù)據(jù)，主要包括工點(diǎn)數(shù)據(jù)庫和竣工文件數(shù)據(jù)庫兩部分。竣工文件數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)見圖2。其中，工點(diǎn)數(shù)據(jù)庫存儲線路全線工點(diǎn)的基本信息。由于竣工文件大多數(shù)以紙質(zhì)文件進(jìn)行存儲，電子資料主要包括施工日志、檢驗批和工程影像，以施工日志為例，闡述竣工文件數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法；以工點(diǎn)數(shù)據(jù)庫設(shè)計為例，闡述竣工文件數(shù)據(jù)庫設(shè)計方法。

圖2 竣工文件數(shù)據(jù)庫整體結(jié)構(gòu)

按照內(nèi)容可分為工點(diǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)計數(shù)據(jù)、項目數(shù)據(jù)等，其中工點(diǎn)數(shù)據(jù)又可進(jìn)一步細(xì)化為橋梁數(shù)據(jù)、路基數(shù)據(jù)、隧道數(shù)據(jù)和斜井?dāng)?shù)據(jù)，數(shù)據(jù)表設(shè)計采用單向繼承、層層展開的方式，上一級表格提供下一級表格的索引，下一級表格對上一級表格進(jìn)行信息的補(bǔ)充和細(xì)化。

以橋梁數(shù)據(jù)表設(shè)計為例，闡述數(shù)據(jù)庫的設(shè)計方法。橋梁屬性結(jié)構(gòu)見圖3，橋梁工點(diǎn)可細(xì)化為下部結(jié)構(gòu)、上部結(jié)構(gòu)和附屬結(jié)構(gòu)。其中，下部結(jié)構(gòu)的總結(jié)點(diǎn)設(shè)置為每個橋墩，上部結(jié)構(gòu)的總結(jié)點(diǎn)設(shè)置為梁段，采用工點(diǎn)ID與工點(diǎn)表關(guān)聯(lián)；每個橋墩包含多層基礎(chǔ)和多根樁，由于樁的一致性較高，為了節(jié)省數(shù)據(jù)量，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，暫不對每根樁單獨(dú)建記錄，基礎(chǔ)與橋墩通過橋墩ID關(guān)聯(lián)；梁分為簡支梁和連續(xù)梁，連續(xù)梁又被分為多個梁塊，以梁段ID關(guān)聯(lián)，此外，為滿足二維填報的繪圖要求，還需記錄梁截面參數(shù)，采用梁段ID與梁段表關(guān)聯(lián)。

圖3 橋梁屬性結(jié)構(gòu)分類

1.4 鐵路竣工驗收三維場景生成

基于鐵路信息模型的竣工驗收三維場景生成過程見圖4，主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和三維場景生成2個步驟，具體闡述如下。

圖4 鐵路竣工驗收三維場景生成過程

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包含基礎(chǔ)地理場景數(shù)據(jù)、鐵路工程實體模型數(shù)據(jù)、工程建設(shè)數(shù)據(jù)等3部分，這些數(shù)據(jù)是構(gòu)建三維場景的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)與支撐。其中，基礎(chǔ)地理場景數(shù)據(jù)包括地形、影像、矢量、注記等數(shù)據(jù)；鐵路工程實體模型用于對鐵路工程要素進(jìn)行三維展示，包括主體工程、重難點(diǎn)工程、臨時設(shè)施、附屬設(shè)施；工程建設(shè)數(shù)據(jù)是記錄施工過程中的數(shù)據(jù)，包括竣工驗收所需要的施工日志、檢驗批、工程影像等數(shù)據(jù)。

(2)三維場景生成。三維場景的生成主要分為3個步驟：符號化表達(dá)、數(shù)據(jù)組織、場景優(yōu)化。符號化表達(dá)主要包括三維模型點(diǎn)符號實例化表達(dá)、注記符號表達(dá)；數(shù)據(jù)組織是對三維場景中的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理，包括對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，以及基于語義的三維模型組織；場景優(yōu)化是對三維場景的效率進(jìn)行優(yōu)化，包括地形影像數(shù)據(jù)的優(yōu)化，以及模型數(shù)據(jù)的優(yōu)化。

1.5 電子沙盤系統(tǒng)研發(fā)

WPF(Windows Presentation Foundation)是微軟推出的用于構(gòu)建桌面客戶端應(yīng)用程序的UI框架，具有應(yīng)用程序模型、控件、圖形、布局、數(shù)據(jù)綁定和安全性等功能，提供了統(tǒng)一的編程模型、語言和框架，真正做到了分離界面設(shè)計人員與開發(fā)人員的工作[13]。此外，與ActiveX技術(shù)只能在IE瀏覽器上調(diào)用相比，使用WPF技術(shù)搭建軟件能夠在不同的瀏覽器中進(jìn)行調(diào)用(如Chrome、Firefox、Edge等)[14-15]，因此，選擇WPF技術(shù)構(gòu)建電子沙盤的整體框架，包括UI界面設(shè)計、后臺算法實現(xiàn)等方面。

基于WPF技術(shù)構(gòu)建竣工驗收電子沙盤，系統(tǒng)整體架構(gòu)見圖5。

圖5 基于WPF的電子沙盤整體架構(gòu)

數(shù)據(jù)資源層用于數(shù)據(jù)存儲。其中，部分設(shè)計數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行三維可視化，從而便于設(shè)計數(shù)據(jù)的直觀展示，如將二維的施工圖文件轉(zhuǎn)換成三維模型，將用地類型數(shù)據(jù)以空間矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。部分結(jié)構(gòu)化的施工過程數(shù)據(jù)則可以用數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，例如施工日志、檢驗批、合同文本等。

應(yīng)用層指竣工驗收過程中的相關(guān)應(yīng)用，主要包括觀感驗收和靜態(tài)驗收。三維場景中，無人機(jī)視頻和無人機(jī)影像等數(shù)據(jù)可用于觀感驗收，如路橋隧等工點(diǎn)表面裂紋等觀感驗收；還可對鐵路沿線聲屏障的數(shù)量和位置進(jìn)行監(jiān)測，輔助環(huán)水保驗收。靜態(tài)驗收方面，將靜態(tài)驗收數(shù)據(jù)與三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，能夠相互查詢，從而有效輔助靜態(tài)驗收。

瀏覽層是指平臺的訪問方式，可通過web瀏覽器、桌面端以及移動端等3種方式進(jìn)行訪問。

在數(shù)據(jù)存儲方面，將高精度地形、影像等涉密數(shù)據(jù)通過加密方式存儲在本地，竣工驗收等屬性數(shù)據(jù)則存儲在云端服務(wù)器，兩者通過WebAPI的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)請求與響應(yīng)，基于WebAPI的竣工驗收數(shù)據(jù)查詢方式見圖6。

圖6 基于WebAPI竣工驗收數(shù)據(jù)查詢

2 案例實驗與分析

某高速鐵路長約226 km，設(shè)計時速350 km，沿線多為山區(qū)地形，地理地質(zhì)復(fù)雜、橋隧比高。該建設(shè)項目在竣工驗收時，需要進(jìn)行外業(yè)檢查與內(nèi)業(yè)檢查兩項工作，其中外業(yè)檢查包括對鐵路沿線危險源的識別、路橋隧等工點(diǎn)的觀感驗收等方面的內(nèi)容，而內(nèi)業(yè)檢查需要查閱竣工圖、施工日志、檢驗批等竣工文件。常規(guī)外業(yè)檢查中，均為現(xiàn)場派人進(jìn)行野外調(diào)查，其難點(diǎn)在于效率低下且危險山區(qū)不易調(diào)查，內(nèi)業(yè)檢查的難點(diǎn)在于竣工圖查閱不直觀、竣工文件指向不明確。由于電子沙盤具有直觀明確、可視化效果好等特點(diǎn)，因此項目研發(fā)竣工驗收電子沙盤，使用電子沙盤開展竣工文件管理的優(yōu)勢見表1。

表1 使用電子沙盤開展竣工驗收的優(yōu)勢分析

電子沙盤主要包括場景瀏覽和基于實體模型的信息查詢。三維場景瀏覽部分以漫游飛行、全景影像、模型剖切、地形透明等方式對全線、部分工點(diǎn)進(jìn)行三維展示，通過將設(shè)計數(shù)據(jù)以空間化方式進(jìn)行集成，便于設(shè)計資料的形象化、直觀化表達(dá)。基于實體模型的屬性信息查詢，則通過將屬性信息與三維實體模型相掛接，增加竣工驗收基礎(chǔ)資料數(shù)據(jù)的指向性和查詢效率。在具體實現(xiàn)層面，電子沙盤界面采用WPF技術(shù)研發(fā)，同時在軟件界面中嵌入html動態(tài)頁面，以增加界面的美觀性和信息的動態(tài)實時性。

2.1 竣工圖查詢

在竣工驗收階段，需要對竣工圖紙進(jìn)行檢查，竣工圖往往以二維圖紙的形式存檔，以pdf的格式進(jìn)行電子存檔。由于專業(yè)性強(qiáng)、不直觀等原因，導(dǎo)致竣工圖信息無法充分表達(dá)。通過構(gòu)建電子沙盤的方法，能夠根據(jù)竣工圖紙直接生成三維模型，直觀展示圖紙的幾何信息。此外，通過將建筑部件的材質(zhì)、用料、物理等信息以屬性的形式進(jìn)行存儲，能夠直觀對建筑部件進(jìn)行查詢。通過點(diǎn)擊三維場景中某一個構(gòu)件，即可在屬性窗口中顯示該構(gòu)件的屬性信息，例如橋梁的材質(zhì)、類型、結(jié)構(gòu)、編碼、幾何尺寸等信息，結(jié)構(gòu)屬性查詢結(jié)果見圖7。

圖7 橋梁結(jié)構(gòu)屬性查詢

此外，也可以將竣工圖文件存儲到數(shù)據(jù)庫，并通過模型編碼、數(shù)據(jù)庫外鍵鏈接等方式與三維模型相關(guān)聯(lián)。通過點(diǎn)擊某個構(gòu)件，即可查看該工點(diǎn)的施工圖信息。如在三維場景中點(diǎn)擊鉆孔樁，顯示整個橋梁的設(shè)計圖紙信息，竣工圖文件查詢效果見圖8。

圖8 橋梁竣工圖查詢

2.2 竣工文件查詢

竣工驗收內(nèi)業(yè)檢查時，涉及大量文件的查閱，如施工過程中的施工日志、檢驗批、工程影像等數(shù)據(jù)。常規(guī)方式是對紙質(zhì)文件進(jìn)行歸檔、電子文件以文件和文件夾的形式進(jìn)行存放，這種方式不直觀、指向性弱。使用電子沙盤可以將竣工文件與鐵路工程實體模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，所建立的數(shù)字資產(chǎn)便于在后期運(yùn)營維護(hù)中查詢使用。竣工文件查詢結(jié)果見圖9。

圖9 竣工文件查詢

2.3 危險源識別

鐵路隧道洞口周邊地質(zhì)條件惡劣，邊仰坡高陡，在雨水、地震等外界誘發(fā)因素和巖體本身不穩(wěn)定狀態(tài)的共同作用下，會形成圍巖、落石、崩塌等危險事件。常規(guī)檢測方法是通過外業(yè)人員調(diào)查，但受隧道洞口地形地質(zhì)環(huán)境的影響，容易出現(xiàn)漏檢的情況。通過在三維場景中集成無人機(jī)拍視頻、高精度傾斜實景三維建模等數(shù)據(jù)，可以直觀地查看隧道洞口危險源的位置和分布情況，有助于有針對性采取防護(hù)措施。某隧道洞口的危險源識別情況見圖10。

圖10 隧道洞口危險源識別

3 結(jié)語

為了解決竣工文件表達(dá)不直觀、指向性差等問題，提出基于鐵路信息模型的竣工文件管理方法。通過構(gòu)建鐵路竣工驗收電子沙盤，將竣工文件進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲，并與鐵路信息模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而增強(qiáng)了竣工文件的指向性。研究成果體現(xiàn)在以下3個方面。

(1)針對竣工圖紙專業(yè)性強(qiáng)、信息表達(dá)不直觀等問題，通過三維自動建模、三維場景生成等技術(shù)研發(fā)電子沙盤系統(tǒng)，實現(xiàn)竣工圖紙的三維可視化表達(dá)，并將幾何、原材料、物理等屬性信息存儲至數(shù)據(jù)庫，提升鐵路工程實體屬性信息的查詢效率。

(2)針對竣工文件指向性弱、關(guān)系不明確等問題，將竣工文件存儲至數(shù)據(jù)庫，并通過模型編碼、數(shù)據(jù)表外鍵等方式與實體模型建立關(guān)聯(lián)，形成鐵路工程數(shù)字資產(chǎn)，提升了運(yùn)維階段資料查閱的便利性。

(3)針對竣工驗收外業(yè)檢查效率低下、艱險山區(qū)環(huán)境危險惡劣等問題，通過在電子沙盤系統(tǒng)中集成無人機(jī)實景三維數(shù)據(jù)，實現(xiàn)危險源分布位置和嚴(yán)重程度的快速識別，有助于快速防護(hù)。

在下一步的工作中，將使用知識圖譜等工具構(gòu)建竣工文件管理知識管理體系，對竣工文件之間的關(guān)系進(jìn)行顯式化表達(dá)，并通過知識推理等方法實現(xiàn)語義級智能搜索。