BIM+鐵路精細化管控平臺的設計和應用

張敬涵，李佳玉，解亞龍

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

高速鐵路工程建設項目具有投資規模大、實施周期長、信息總量大等特點，新興信息技術的發展及與鐵路行業現有技術的深度融合，是提升鐵路工程建設效率、保障建設質量、降低成本的重要手段。因此，鐵路相關行業制定了建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）統一發展規劃，針對BIM 在鐵路行業的典型應用，有計劃、分階段地開展BIM 應用研究和實施工作[1]。BIM 在鐵路建設工程的推廣應用已成為行業發展的必然趨勢[2]。

鐵路BIM 技術在工程建設中起到了提高施工效率、降低施工成本及優化資源配置的良好效果。BIM技術的優點主要是展示方式直觀、便于模擬優化、便于協同工作[3]，可結合鐵路設計行業的狀況，進行信息交流與資源交互，建立工程相關的數據資源庫并在工程推進的過程中逐漸對其完善，滿足工程數據資源共享的需求[4]。但BIM 也具有一定的單一性和局限性，目前，尚未有覆蓋中國鐵路行業的完整的BIM 標準、成熟的鐵路專用BIM 軟件及鐵路軟件架構庫[5]，且BIM 與其他技術還未完全融合貫通、互相關聯，因此，單一的BIM 技術并不能完全滿足鐵路建設施工需求。

本文將BIM 技術與物聯網、云計算、大數據等技術相結合，設計了基于BIM+的鐵路精細化管控平臺（簡稱：平臺）。該平臺的應用，可進一步提升鐵路工程建設技術水平及信息化管理的能力。

1 平臺設計

1.1 平臺構成

平臺總體架構采用私有云+公用端的模式，以BIM 數據為核心，集成物聯網、大數據和云存儲等技術，通過模型和工程數據進行施工過程全生命周期管控，將施工建設各個時期信息進行整合。同時，客戶端、服務器與數據庫作為數據媒介，服務并支撐私有云和公用端的業務應用，平臺構成如圖1所示。

圖1 BIM+鐵路精細化管控平臺構成

（1）公用端包括工程模型、電子沙盤及進度質量安全數據，用于數據的可視化展示，實現業務應用。

（2）私有云用于存儲BIM、現場數據及協同數據，供各應用端進行調用。

（3）客戶端、服務器與數據庫共同支撐模型展示與人機交互功能。其中，客戶端負責展示與輸出數據；服務器負責接收、處理數據；數據庫用于數據和模型的存儲。

1.2 邏輯架構

平臺可劃分為數據層、接口層、服務層、模型層和應用層，邏輯架構如圖2所示。

圖2 BIM+鐵路精細化管控平臺邏輯架構

（1）數據層：包含原始數據、模型數據及地理信息數據，負責處理和存儲接口層、模型層和應用層傳輸的各類數據。

（2）接口層：分為結構化數據接口、非結構化數據接口和數據同步接口，為服務層提供統一的數據接口，進行數據的解析、提取和集成。

（3）服務層：為應用層和模型層提供服務，主要分為渲染服務、權限服務、模型處理服務和分析服務[6]。其中，渲染服務包括BIM 的展示和瀏覽；權限服務包括數據的讀取控制及修改控制；模型處理服務包括模型的存儲、查詢、提取、更新及比對；分析服務包括數據的通用性能分析。

（4）模型層：用于分層存儲BIM，并對模型進行輕量化及優化，以減小CPU 負載、內存負載和網絡負載，實現精準調用。模型層為應用層的具體功能提供三維可視化服務，支持應用層的各類業務智能化管理。

（5）應用層：通過讀取、調用數據庫數據，對BIM 和各類數據進行三維展示，實現平臺業務數據的輸入與輸出。按不同建設管理目標對工程的模塊與功能進行劃分，實現電子沙盤 、進度管理、施工組織（簡稱：施組）管理、資料查詢等功能應用。

1.3 技術架構

平臺采用Java 數據庫連接（JDBC，Java Data Base Connectivity）技術和模型-視圖-控制器（MVC，Model View Controller）設計模式。其中，MVC 設計模式用于鏈接后端MySQL 數據庫和Tomcat 服務器；JDBC 用于打通資源數據、數據服務、應用服務與Web 服務，再由Web 服務將數據和應用輸出到互聯網端進行展示和應用。平臺技術架構如圖3所示。

圖3 BIM+鐵路精細化管控平臺技術架構

平臺基于面向服務的架構（SOA，Service-Oriented Architecture）進行前后端分離、模塊化設計和服務化設計，分離了數據層和控制層；通過中間件構件設計、高擴展設計和高可用性設計形成Java開源生態圈；通過性能擴展性設計和高響應速度設計實現動靜分離機制。

平臺由前端和后臺組成：

（1）后臺采用MySQL 數據庫，并基于Tomcat服務器進行應用發布，傳輸動態資源數據和靜態資源數據，實現數據服務和應用服務，同時，服務將數據反饋回到MySQL 數據庫，處理生成新數據后再由Tomcat 服務器進行發布；

（2）前端采用Html、Css 等瀏覽器原生支持的技術進行客戶端的應用構建，包括瀏覽器端平臺界面、模型應用、業務應用和系統調用服務，可在保證平臺性能的同時，給予良好的用戶體驗，實現高效開發。

2 平臺功能

平臺的功能主要有電子沙盤、進度跟蹤、施組優化及施工方案模擬。該平臺以施工進度為主線、數據信息為基礎、成本控制為核心，實現了施工過程的實時、多方位和多節點管理。

2.1 電子沙盤

BIM 施工建設電子沙盤提供不同的投影模式，可使用戶從高處對整個場景進行全局性的觀察，以不同的角度和距離俯瞰整個區域，且具有放大、縮小、平移、旋轉等基本操作功能。同時，電子沙盤提供天空背景和環境效果，可增強場景的真實感，便于用戶對地形、地貌進行分析及對整體、局部地形進行觀察。

通過電子沙盤，用戶可從大數據的角度解析施工數據需求，對施工過程數據進行梳理和統計，從項目基本信息、進度、安全、質量等多個維度對鐵路施工的整體建設精準把控。

2.2 進度跟蹤

進度跟蹤是將施工計劃進度、實際進度數據與BIM 模型相掛接，將空間信息、時間信息、質量安全信息整合在一個模型中，并對一些重要的施工環節、工藝工法進行模擬和分析，以提高計劃可行性，實現實施成果的預見性和可追溯性。在施工單元BIM 中，可將實際進度與計劃進度進行比對，并在三維動態模型上展示，實現進度偏差分析和施工進度滯后預警。

進度跟蹤功能有助于用戶在項目施工過程中合理制定施工計劃、精確掌握施工進度、優化施工資源及科學布置場地，可對整個工程的質量和安全進行統一管理和控制，有效縮短工期、降低成本、提高工程質量。

2.3 施組優化

平臺基于計劃編制的算法、BIM 與甘特圖結合的形象進度展示方法，將工作分解結構（WBS，Work Breakdown Structure）與工程實體結構自動掛接，實現鐵路施組優化決策設計。此外，利用BIM 技術進行施工資源配置優化，以施組計劃為輔助，與工程中傳統方法技術相結合，充分發揮各自的優勢，可有效解決施組和資源配置優化問題，使施組編排更優化、資源利用更合理，從而達到降低施工成本的目的，為鐵路施工精細化管理打下堅實基礎。

2.4 施工方案模擬

施工方案模擬可對重點施工單元分別建立地形模型、場地布置模型、構筑物模型、結構模型和機電各專業模型等。模型的精細度為LOD350 及以上，模型單元的建立、傳輸、交付和解讀信息包含模型的幾何造型、幾何精度、信息深度及基本信息附加。對施工過程中的具體工藝工法進行模擬，可根據模擬結果預判可能的結果，及時調整工藝工法的選擇，優化總體施工效率。

3 平臺特色

3.1 大體量模型輕量化融合

平臺可將BIM、地理信息系統（GIS，Geographic Information System）及航拍大體量數據標準化，將不同標準的數據進行拆分和重組，形成統一可視化數據，為平臺的應用層提供準確、全面的有力支撐。

平臺實現輕量化的方式是將三維模型瓦片化。通常一個瓦片由級別、橫坐標和縱坐標唯一標識，每個瓦片表示的像素寬度和高度是固定不變的，隨著級別增高，每一級的瓦片數量指數性增多，每一個瓦片所覆蓋的地理范圍減少但像素寬和高不變，從而使得模型信息更加清晰明確，實現大體量影像數據、高程數據和BIM 的輕量化。

3.2 多源數據動態更新

平臺通過統一數據源解析過程，保證數據動態更新。具體流程為：

（1）從BIM 中提取出屬性信息數據，賦予其唯一標識定義；

（2）將屬性信息數據進行流化處理，傳入BIM 流數據庫，發布BIM 服務；

（3）生成一份GIS 模型文件，將其存儲到GIS數據庫，發布GIS 服務；

（4）BIM 服務與GIS 服務經過認證后，統一由GIS+BIM 應用服務器發布到客戶瀏覽器。通過該技術，當數據動態更新時，業務數據可通過唯一標識得以繼承，使得模型版本控制更精準。

3.3 多期影像自動校準

平臺通過導入無人機定期巡檢形成的傾斜攝影影像，可自動生成模型，對新采集的影像自動進行位置配準及視口嵌套更新，并按日期排列對齊。通過多期影像自動校準技術可有效解決影像定位配準時的應用難題，包括人工分揀不及時、工作量大、相似區段地物無明顯特征等問題，從而有效提高施工效率、降低人工成本。

4 平臺應用

平臺已成功應用于京雄（北京—雄安）城際鐵路站前七標雄安特大橋項目的建設，實現了鐵路工程建設施工精細化管控的目標。

4.1 應用概況

京雄城際鐵路是完善京津冀區域高速鐵路網結構的重要鐵路線路[7]，七標主要工程為雄安特大橋。平臺實施采用多層分布式應用部署，通過數據層實現關系型數據與非關系型數據的存儲[8]，包括施工組織、檢驗批、工程影像、施工進度、地形數據、BIM、傾斜攝影等數據；通過服務層授權認證接口服務、地理信息服務及BIM 圖形引擎服務；通過應用層實現綜合展示、進度跟蹤、施組優化、工單派發等功能。

4.2 應用效果

（1）模型深化：對雄安特大橋設計模型按照施工需求深化為施工模型，以m 為單位進行拆分，對模型進行組裝后形成整體模型，并創建重要節點LOD400 級模型，可對細部構造進行展示。

（2）施工單元劃分：將雄安特大橋項目的施工分部、分項的方法與 BIM 技術相結合，提出基于BIM 的工程單元劃分原則；根據工程施工單元劃分原則，提出施工單元劃分方法；在此基礎上，根據編碼體系，實現施工單元的分類和編碼。

（3）進度跟蹤推演：以終端采集的雄安特大橋工程進度數據為基礎，進行歷史數據的綜合分析，挖掘重點信息；通過進度推演算法和進度紅線報警，可快速直觀地反映進度滯后的原因和位置，從而實現工程項目 WBS 與 BIM 的自動關聯、基于位置的計劃編制與資源配置、施工進度采集、進度跟蹤與控制及基于 BIM 的計劃進度形象展示等功能。

（4）施組優化：通過BIM+技術，以系統工程學、控制論和信息論為理論基礎，實現信息集成和矩陣式結構管理，對雄安特大橋項目的施組情況進行動態、量化管理和有效優化。

（5）分布式電子沙盤：基于雄安特大橋BIM單元，通過多層分布式應用部署，實現電子沙盤虛擬場景與橋梁真實場景的融合，通過統一標準的經度、緯度、海拔等地理信息坐標體系，實現精準定位和時空動態分析。

（6）精細化管理：將雄安特大橋工程的每一個BIM 構件作為一個施工單元，結合施工經驗，通過平臺掌握每個工點的詳細情況，從而完成特大橋整體的多方位、精細化管理。

5 結束語

本文提出的BIM+鐵路精細化管控平臺結合物聯網、大數據、云存儲等技術，將三維模型與施工信息關聯，實現電子沙盤、進度跟蹤、施組優化及施工方案模擬等多種功能，從而以專業化和科學化的管理手段，對項目施工建設期的進度、成本、質量、資源、安全等方面進行動態和量化管理，可有效控制風險因素，保證鐵路全生命周期涉及到的各方參與人員高效協同工作，最終對項目建設實現精細化管理。下一步，還須針對鐵路管理領域的深度要求，構建完善的精細化管理體系，進一步提升鐵路工程建設水平。