基于BIM+GIS 的鐵路工程電子沙盤系統的設計與實現

李飛，鮑榴，楊威，劉紅良，張旭

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.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）

鐵路建設屬于大型基建項目，具有規模大、標準高、周期長、建設速度快、管理分散、協調關系復雜等特點[1]。隨著中國高速鐵路建造技術的不斷革新，建設過程中產生了具有規模龐大、時空關聯、冗余度高、多維標量等特征的多源異構數據[2]。在單一信息組織模式下，不同組織機構與建設環節存在信息交換差異，且因建設、施工、監理等單位及各業務主管部門不同側重點的數據需求，使得數據的分析、組織和溯源非常困難[3-4]。文獻[5—7]提出建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）與地理信息系統（GIS，Geographic Information Systems）的數據轉換及融合方法，為鐵路工程建設領域研究BIM 與GIS 的深入融合提供了一定的借鑒。隨著電子沙盤應用的不斷深入，在鐵路行業逐漸形成了基于BIM+GIS 的全生命周期管理模式[8-9]，為鐵路工程電子沙盤關鍵技術突破及全生命周期應用提供了思路。

本文針對鐵路工程建設全過程，采用數據組織編碼、施組動態跟蹤、安全風險綜合評判等技術，構建面向全生命周期管理的鐵路工程電子沙盤系統（簡稱：電子沙盤系統），為鐵路工程建設提供一種高效自然的三維可視化交互方式，為鐵路建設場景提供立體、全方位、多角度的直觀表達，也為各建設參與者提供一種感知交互、精準分析與輔助決策的管理手段，以進一步提高鐵路工程建設質量與管控效率。

1 系統設計

1.1 總體架構

本文以鐵路工程建設管理業務需求為導向，采用基于B/S 的架構體系，以面向鐵路工程建設三維可視管理為目標，從編碼規范、虛擬建造、數據集成、分析應用等方面構建電子沙盤系統。該系統依托中國鐵路主數據中心，對計算、存儲、網絡等資源進行統一分配管理，為其平穩運行提供統一的底層支撐環境。電子沙盤系統總體架構如圖1 所示。

圖1 電子沙盤系統總體架構

電子沙盤系統融合BIM、GIS、大數據等技術，基于電子沙盤制作、BIM 建模、矢量數據制作等標準，接入鐵路沿線地理信息模型、結構物及周邊環境的BIM，構建鐵路工程項目三維仿真場景，并通過數據共享接口，集成鐵路工程管理平臺關于鐵路項目進度、質量、安全等方面的業務數據，實現對鐵路工程項目全線的三維可視化管理與數字化控制。

1.2 邏輯架構

電子沙盤系統從邏輯上劃分為設施層、數據層、服務層、應用層及用戶層，邏輯架構如圖2 所示。

圖2 電子沙盤系統邏輯架構

1.2.1 設施層

設施層以中國鐵路主數據中心為支撐，配置存儲、計算、網絡、安全等數據資源，保證系統高性能、高可靠運行。

1.2.2 數據層

數據層主要通過BIM 數據庫、GIS 數據庫、多媒體數據庫等，將設計數據、建設業務數據、BIM數據、GIS 數據和影像資料數據等進行統一存儲，為應用功能的實現提供數據支撐。

1.2.3 服務層

服務層包含了電子沙盤系統運行所需的公共基礎服務。基于GIS 平臺搭建電子沙盤系統的基礎運行環境，根據地理信息服務接口及數據標準化接口將多源多維數據融合集成到電子沙盤中，對鐵路工程建設業務中涉及的三維數字模型進行設計開發，為上層應用提供基礎。

1.2.4 應用層

應用層包含了支撐鐵路工程電子沙盤業務的功能主體，主要分為智能化展示和數字化施工2 部分。其中，智能化展示包括隧道工程、橋梁工程、路基工程的專題圖展示及精細場景展示；數字化施工包括進度管理、質量管理、安全管理及智慧工地等。

1.2.5 用戶層

支持各級用戶通過電腦瀏覽器、智能終端、調度指揮中心大屏等不同方式訪問電子沙盤系統。

2 系統功能

電子沙盤系統主要包含智能化展示功能和數字化施工功能。其中，智能化展示是以BIM 為基礎，結合GIS 技術集成鐵路工程全線地形地貌、鐵路構筑物模型、各類專題信息等數據，重點體現鐵路工程特點、重難點工程關鍵技術與主要風險、規劃方案比選、大臨工程選址等設計思想與意圖；數字化施工是以鐵路項目建設需求為導向，對鐵路工程智能建造過程數據進行分析比對，構建滿足鐵路工程建設需求的進度寫實、質量分析、安全預警等業務功能，提升鐵路工程建設質量和管控效率。具體體現在以下幾個方面。

2.1 面向多專業應用場景的時空數據管理

電子沙盤系統面向鐵路工程的不同應用場景及服務需求，形成項目全線、隧道、橋梁、路基、大臨、地質、環保等專題圖和虛擬建造。以項目全線、隧道、橋梁專題為例。

（1）項目全線專題主要集成鐵路工程項目全線信息、施工計劃安排、生態敏感區、橋隧工程分布等信息，通過三維場景對線路走向、方案比選等設計要素進行展示，實現對鐵路工程建設的一覽統籌。

（2）隧道專題主要展示鐵路工程項目全線隧道基本信息及重難點控制性隧道的工程概況、工期安排、主要風險、圍巖級別、技術支撐等信息。基于地質模型關聯風險與圍巖信息，實現對隧道重點信息的精細化管理與展示。

（3）橋梁專題主要集成鐵路工程項目全線橋梁基本信息，重點控制系統橋梁的工程概況、工期安排等，通過三維場景實現對橋梁工程建設關鍵技術與主要風險的展示，展現鐵路橋梁工程設計思想與選址的意圖。

2.2 基于數據預測推演的形象進度管理

通過BIM+GIS 技術對隧道、橋梁等專業施工進度數據進行管理，將工程實體構件編碼與BIM 編碼進行關聯，形成唯一的身份標識號，通過透明度及色系表達變化來展示工程進度，實現（線）路、橋（梁）、隧（道）等專業施工進度的三維可視化管理。隧道三維形象進度如圖3 所示。

圖3 隧道三維形象進度

結合《鐵路工程實體結構分解指南》和《鐵路工程WBS 工項分解指南》，通過指導性、實施性施工組織形象進度、計劃與方案管理，創建橋隧形象進度圖，建立橋隧進度預警方法，構建指導性和實施性施組進度推演方式，實現了基于BIM 的虛擬建造和施組推演，保障工程建設進度有序推進。

2.3 基于BIM+物聯網的質量溯源管理

將BIM 技術與傳感器、無線射頻及二維碼識別等物聯網技術在質量管控中集成應用，以物聯網自動采集為工程質量數據源頭，對工程建設全過程質量進行把控，形成以BIM 為載體的質量溯源機制，如隱蔽工程影像追溯、隧道斷面質量控制等，以進一步保障鐵路工程建設質量。

（1）通過工程影像系統，收集隧道工程隱蔽工程影像及圖片資料，利用EBS 編碼關聯的形式，在電子沙盤模型中進行查看，形成模型和影像資料集成，輔助現場質量管理。

（2）在隧道質量管控方面，將點云模型與BIM 相結合，通過關鍵工序質量動態分析，分析判識初支平整度、二襯厚度超欠挖情況，指導優化后續工序，從而強化斷面質量控制。隧道斷面質量分析如圖4 所示。

圖4 隧道斷面輪廓分析三維視圖

2.4 自動感知預判風險的安全管理

以風險識別和研判為切入點，通過終端采集軟件監測風險發生的時間、位置和級別，進行風險分析、預警分發、快速定位風險源，實現安全風險全面掌控，提高工程項目安全管理水平。

以隧道超前地質預報預警為例，通過將信息與BIM 結合，對地震波反射、掌子面素描法的結果利用顏色進行危險等級標注，對發生預警點快速定位，使施工管理人員通過查看模型快速了解施工現場的安全情況，保障隧道施工安全，如圖5 所示。

圖5 隧道超前地質預報預警

2.5 面向多因素管控的智慧工地管理

電子沙盤系統根據現場不同方面的管控需求，對“人、機、料、法、環”等要素在施工過程中產生的數據進行全面采集，以時空耦合數據為呈現手段，實現集感知、分析、服務、應急、監管“五位一體”的現場施工智能化管理。

（1）在邊坡監測方面，通過埋設相關監測傳感器，結合三維場景，實時監測路基、隧道洞口滑坡體位移變化情況，建立完善預警預報體制。

（2）在人機定位方面，通過定位裝置實時反映人員、機械等空間位置信息，同時可自動獲取開挖掌子面、仰拱、二襯的位置，根據圍巖類型進行超標預警，保障工地人員和設備安全。

（3）在人工智能監控方面，基于BIM 對安全監控點位進行集成，運用智能識別系統，對重大危險因素及違規行為進行預報警提醒，使管理者對重點關注點位的現場情況一目了然。

3 關鍵技術

3.1 基于BIM 的多源數據組織編碼應用體系

本文依據鐵路工程建設管理業務數據需求，結合《鐵路地理信息分類與編碼》《基礎地理信息要素分類與代碼》等標準文件及鐵路BIM 聯盟發布的系列BIM 標準，創新構建基于BIM 的鐵路工程建設數據編碼應用體系，實現BIM 數據、GIS 數據、建設業務數據等多源多維數據的統一組織與管理，實現不同類型工況實體的快速識別及定位，為鐵路工程BIM 應用系統的建立與完善奠定基礎。

3.2 BIM 與GIS 三維數據融合加載技術

針對BIM 與GIS 數據格式及坐標系不統一問題，本文通過BIM 軟件生成IFC 或dgn 格式，轉換成GIS 軟件支持的udb 格式，并依托超圖桌面端程序iDesktop，進行數據輕量化處理，實現BIM 與GIS 數據的轉換。為了實現Web 端的遠程訪問與調用，將UDB 格式切片成S3m 數據格式進行發布，并按類型或圖層進行分類管理[10]，提升數據在電子沙盤系統的加載和瀏覽性能。

為實現BIM、地質、點云等數據模型的融合，通過三維GIS 平臺對其相關模型的幾何單元、坐標、屬性等進行統一轉換處理，實現在球面曲率影響下的三維模型和地理數據精確匹配，避免渲染時產生的裂縫和漏洞，實現基于三維GIS 平臺的數據組織與分析。

3.3 施組動態跟蹤及預警技術

基于電子施工日志、工程調度、現場監測實時進度數據，構建多維數據一致的信息采集技術體系。以橋梁工程為例，基于施工日志、樁基檢測、運架梁管理等現場施工數據采集分析，準確掌握橋梁施工狀態；通過工程分解結構（EBS，Engineering Breakdown Structure）與數據編碼，將橋梁施工進度數據與BIM 進行關聯，驅動模型圖元變色，實現鐵路工程專業進度的三維形象化展示；根據制運架梁的時效性進度分析，結合施組推演技術，判斷橋梁工期是否影響鋪軌施工的紅線進度預警，通過施組動態調整，實現工期節點及施工資源的最優匹配，輔助現場施工。

3.4 數據物聯感知分析技術

在鐵路工程建設中，面向路、橋、隧、軌（道）、四電、站房等主體專業及大臨工程（拌和站、試驗室、板場、梁場等）產生的多源多維數據，構建基于人工智能融合物聯網技術的數據采集分析技術，建立覆蓋工、料、機等關鍵要素的鐵路行業質量管控體系，實現施工現場質量信息的遠程采集、自動研判和閉環追溯。采用數據聚合、抽取、冗余識別、異常檢測等技術，對現場產生的海量數據進行組織處理，形成可供計算分析的有效數據[11]，實現基于BIM 的多源海量數據的融合分析，為基于泛在感知的質量分析表達及決策提供數據基礎。

3.5 多維度實時數據安全風險綜合評判技術

基于鐵路工程實體分解標準，結合北斗系統及地面基站、工程測量控制網，形成能精準定位的統一時空體系，為一線施工提供精準空間位置服務。通過實時接入施工現場安全數據，融合數據編碼應用體系標準，建立危險源辨識、安全隱患預警、基坑形變監測等數據可視化分析模型，實現鐵路工程安全業務數據在三維場景中的精準匹配與可視化呈現，并構建以隧道安全為代表的鐵路工程安全預警分析技術，做到事前預防、事中管控、事后追蹤，有效減少現場安全事故。

4 應用效果

電子沙盤系統已在京張（北京—張家口）、京雄（北京—雄安）等多個鐵路工程項目中進行了應用實踐，依托電子沙盤系統開展全線建設管理和精益化的施工應用，以BIM 為數據承載體，集成設計、施工過程信息，構建了基于BIM 的三維數字資產，實現的效果如下。

（1）提出面向鐵路工程建設全要素的“一張圖”建設管理創新模式，應用數據融合、特征提取、規則映射等數據分析方法，構建以BIM、GIS、傾斜攝影等多源異構數據為基準的鐵路工程空間管理模型，形成以工程項目管理為核心的多參建方協同應用數據環境。

（2）結合各參建單位進度、質安、投資等多元化項目管理需求，提出工程實體單元化數字建造方法，以進度、質安、投資等數據為基準，建立涵蓋多專業、多層級的業務管理模型，為工程建設服務群體提供互饋協同的共享機制。

（3）實現BIM、GIS 技術與鐵路工程業務數據有機融合表達，形成基于“業務流+數據流”的系統分析、服務反饋、共享協同的應用機制，支撐建立項目、階段、任務、專業間的立體協同體系。

5 結束語

本文設計的基于BIM+GIS 的鐵路工程電子沙盤系統以服務現場施工需求為導向，從進度、質量、安全等工程建設管理角度開展功能性應用，通過數據間的共享和多參建方間的協同運作，實現互聯協同、感知共享、智能分析、輔助決策等功能，以及工程建設數據多角度、多維度、多尺度的綜合分析應用，提高現場“人、機、料、法、環”等全要素管理水平，形成了面向竣工交付的數字資產，為鐵路工程全生命周期管理奠定應用基礎。后續將結合數字孿生技術開展數字孿生鐵路研究，實現鐵路工程建設“描述—診斷—預測—決策”的智能化管理，進一步提高進度、質量、安全等施工管控水平。