徐狄軍，周 鑫，王芬旗

(寧波市測繪設計研究，浙江寧波315042)

一、引 言

據(jù)統(tǒng)計，目前中國已有36個城市正在建設和籌建自己的軌道交通。其中，北京、上海、廣州在改建或進一步完善城市地鐵系統(tǒng)。2010年全國軌道交通運營里程1 708.4 km，地鐵站點1131個。據(jù)國家發(fā)改委消息，2015年，全國軌道交通運營里程將達到約3000 km。寧波、深圳、南京、武漢等城市也在動工興建或擬建地鐵及輕軌交通。然而，在地鐵帶給人們方便快捷的同時，由于地鐵車站施工周期長，車站建設期加重了交通壓力，極大地影響了人們的日常工作和生活。同時，地鐵車站管網(wǎng)建設是整個地鐵車站建設中重要的組成部分，車站管網(wǎng)布置錯綜復雜。在車站設計階段，管網(wǎng)設計任務重，協(xié)調工作量大;在施工階段，管網(wǎng)施工周期長，材料浪費大;運行維護階段，管網(wǎng)信息量大，統(tǒng)籌管理困難。

近年來，可視化、信息化技術在各行各業(yè)廣泛推廣使用，將其應用在工程建設中是工程建設未來的發(fā)展趨勢，許多國內外軟件企業(yè)都在大力開發(fā)輔助工程建設軟件來搶占該領域的先機。如果將可視化、信息化技術應用在地鐵管網(wǎng)建設中，用可視化、信息化的手段對地鐵車站管網(wǎng)從設計到施工，再到后期運營維護進行全面管理，即可有效地解決地鐵管網(wǎng)建設中存在的設計任務重、協(xié)調工作量大、施工效率低、信息海量等諸多問題。

因此，開發(fā)三維輔助軟件系統(tǒng)將可視化、信息化技術應用在地鐵管網(wǎng)建設中，協(xié)同管網(wǎng)設計，指導管網(wǎng)施工，輔助管網(wǎng)運維管理，對地鐵管網(wǎng)的建設和發(fā)展意義深遠。為了使整個軌道交通建設工程設計和施工更快速、更智能、更具成本效益，故提出軌道交通信息模型的全生命周期管理(rail transit information modeling lifecycle management，RIM)，用來輔助軌道交通的建設。

二、目的和意義

RIM以三維仿真技術和GIS為基礎，進行適應性的二次開發(fā)，提供基于二三維一體化的RIM系統(tǒng)，為地鐵管網(wǎng)協(xié)同設計、現(xiàn)場安裝即時調整和運維信息快速更新及查詢等提供信息管理平臺。

RIM可將地鐵車站管網(wǎng)的二維設計圖紙轉換成三維可視化模型進行查錯糾偏，對設計圖紙進行優(yōu)化，有效地避免了管網(wǎng)施工中由于設計原因造成的工期拖延和資源浪費，并能用可視化的手段指導管網(wǎng)施工，還可以即時查詢管網(wǎng)設計信息。同時，用信息化、可視化的管理手段對地鐵車站管網(wǎng)系統(tǒng)進行運維管理，有效地解決了在軌道交通運維階段信息量大、管理復雜等問題，大大提高了地鐵車站管網(wǎng)建設的效率，對軌道交通的建設和發(fā)展意義重大。

三、研究綜述和理論提出

通過調查研究發(fā)現(xiàn)國內外三維仿真、GIS、激光掃描等技術在軌道交通領域的應用已經(jīng)初見成果。由于軌道交通的地理分布特性，大量的信息分散在各處，只有借助GIS強大的空間信息處理功能，才能實現(xiàn)高效的管理。通過分析軌道交通工程對象系統(tǒng)的特性，以及對GIS知識的充分掌握，研究和開發(fā)相應的應用系統(tǒng)，將分散在各處的空間信息通過GIS統(tǒng)一的平臺進行管理。

然而，已有的系統(tǒng)都是針對一些特定的需求而開發(fā)的，它們在城市軌道交通的某一方面的應用取得了一定的效果，如線網(wǎng)規(guī)劃、施工監(jiān)測等。如果能夠將這些系統(tǒng)在軌道交通項目全生命期內進行集成，實現(xiàn)以三維仿真技術和GIS為核心，先進測繪技術為手段，多種信息技術相結合的城市軌道交通全生命期的信息管理體系，就成了項目組的研究目標。

項目組正式提出的RIM理論，是指項目全生命周期內綜合應用三維仿真、激光掃描、GIS和物聯(lián)網(wǎng)等信息技術進行設計協(xié)同管理、施工精細管理和運營智能管理的過程。結合GIS技術、先進測繪技術、計算機輔助設計技術創(chuàng)造性地提出了RIM的理論體系，主要包含了建設RIM體系架構、RIM設計與施工標準、RIM質量檢測技術規(guī)程和RIM運營指南等。以三維仿真技術和GIS為核心，依托ERP和云技術等建立起“RIM平臺”，將設計協(xié)同管理、施工精細管理和運營智能管理等服務部署在云端。通過RIM技術，將設計、施工和運營等多源異構數(shù)據(jù)進行超細粒度分解，用于多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，方便信息流轉、管理和調度。

四、總體思路

RIM的研究對象涉及軌道交通工程建設的多個階段，即項目前期、設計、施工和運營維護等，項目參與方涉及建設方、設計方、施工方、監(jiān)理方、咨詢方和運維方等，專業(yè)組成包括土木工程、建筑、結構、暖通、空調、給排水、電力、電信和通信信號等。RIM項目組結合各單位優(yōu)勢，發(fā)揮項目組成員的特長，該研究主要采用跨學科研究法和系統(tǒng)科學研究法。

1.理論分析與實證分析相結合

以信息管理和GIS相關理論為基礎，同時結合城市軌道交通的實際情況進行實證分析，從實踐中尋求問題，在理論中尋求答案。

2.分析到綜合的方法

研究思路都是先對系統(tǒng)內部的各個子系統(tǒng)和要素進行分析，然后再進行綜合，進而得出完整的結論。

RIM主要研究內容分別為RIM理論研究、RIM技術研究、RIM數(shù)據(jù)應用研究和RIM軟件開發(fā)。針對上述研究內容，制定了一整套完善的研究步驟，具體如圖1所示。

圖1 研究步驟

五、研究過程及成果應用

1.軟件開發(fā)

(1)需求分析

系統(tǒng)采用二三維一體化平臺作為基礎平臺，采用B/S和C/S混合架構進行系統(tǒng)構建，對軌道交通的三維管線和三維站場的設計進行現(xiàn)狀虛擬。采用C#語言，在Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境中進行開發(fā)。在系統(tǒng)開發(fā)過程中還使用OpenGL技術，使三維可視化更加出色。

(2)組織架構

系統(tǒng)整體框架采用三層架構，分別為數(shù)據(jù)層、邏輯層和業(yè)務應用層。數(shù)據(jù)層包括二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、關系數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。系統(tǒng)邏輯層基于模型加載、三維驅動及數(shù)據(jù)分析完成對具體應用業(yè)務的實現(xiàn)。為保證系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)的安全性，系統(tǒng)采用后臺行為監(jiān)聽線程，完成對數(shù)據(jù)的保護及用戶權限日志的動態(tài)驗證功能。

(3)系統(tǒng)開發(fā)

系統(tǒng)使用方包括建設管理方、設計方及施工方，涉及數(shù)據(jù)量大、信息多，因此采用B/S+C/S的混合模式。對系統(tǒng)中三維部分的操作及相關應用使用C/S，以保障數(shù)據(jù)安全，數(shù)據(jù)順暢運行，且不受網(wǎng)絡帶寬、瀏覽器負載等方面的影響。其他相關的業(yè)務管理功能則使用B/S模式，體現(xiàn)其即時性、方便性的操作特點。如圖2所示。

圖2 軌道交通RIM管理系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.設計階段

(1)協(xié)同設計

設計、創(chuàng)建和管理包含來自多個數(shù)據(jù)源的詳細數(shù)據(jù)和聚合數(shù)據(jù)的多維結構，這些數(shù)據(jù)源(如關系數(shù)據(jù)庫)都存在于內置計算支持的單個統(tǒng)一邏輯模型中。RIM可以嵌入主流應用程序中，不增加工作人員的負擔。

(2)三維管線綜合設計

三維管線綜合設計采用的技術方案為:將所有管線的設計信息納入RIM系統(tǒng)，確定總體的排布方案和排布原則，根據(jù)安裝要求，確定管線綜合排布的空間層次分配，根據(jù)交叉點管線沖突整體調整管線高度，解決了沖突點標高問題，又減少了管線的翻彎。

3.施工階段

利用先進測繪技術，實時獲取施工現(xiàn)場信息，快速響應形成施工模型，將施工模型和設計模型導入RIM系統(tǒng)，進行分析比對，生成施工質量檢測報告。通過施工模型和設計模型的反復比對，制定進一步施工措施，進行返工或變更設計。主要包括:

1)配準技術:捕捉點云數(shù)據(jù)的管線中心線、建筑角點等特征點，提取出兩模型上某一對應的特征面來配準信息模型。根據(jù)特征點、特征面求出3組對應點對并計算坐標變換矩陣;把得到的變換矩陣應用于簡化前的原始點云模型來實現(xiàn)模型的預配準。也可利用測量控制點對測繪數(shù)據(jù)和建筑信息模型進行配準。如圖3所示。

圖3 激光點云數(shù)據(jù)和軌道信息模型配準

2)碰撞分析:以點線為基礎，根據(jù)信息模型與點云的包絡關系，把激光掃描的建筑物施工環(huán)境與信息模型協(xié)調起來;利用點云數(shù)據(jù)可視化功能，加上與信息模型的集成，將精確的錯誤查找與基于硬沖突、軟沖突、空間沖突管理相結合。保存在項目中發(fā)現(xiàn)的所有碰撞的完整記錄、分類，并可以通過搜索、定位等手段查看碰撞記錄，對其進行標注等。

4.運維階段

基于RIM的軌道交通設施資產(chǎn)及運營維護管理系統(tǒng)，利用整合后的軌道交通信息模型，將設施資產(chǎn)管理與設備運維管理集成到三維可視化平臺中，并結合物聯(lián)網(wǎng)技術，使用手持設備及芯片(或二維碼)，進行現(xiàn)場管理，如圖4所示。其功能主要包括設施資產(chǎn)管理、設備運維管理、應急預案管理等。

圖4 基于RIM的設備管理(二維碼)

基于數(shù)據(jù)庫的管理系統(tǒng)調用的是邏輯關聯(lián)的信息，如設施三維模型與設施使用手冊、運行參數(shù)、保養(yǎng)周期等，消除查閱紙質文件的不便;運維工單與維修人員和備品備件庫存管理聯(lián)動;應急工單與應急人員和物資聯(lián)動，提高了運營可靠性和應急處理能力。

六、創(chuàng)新點及關鍵技術

1.創(chuàng)新點

(1)RIM理念創(chuàng)新

RIM理念貫穿了整個軌道交通工程全生命周期，包括項目前期的地下管線普查詳查、地下管線遷移(規(guī)劃放(驗)線、地形修測)、軌道交通站點設計、施工和運營維護管理。

(2)粗粒度工程信息的分解與復合技術

通過RIM技術，將工程設計、施工和運營等多源異構數(shù)據(jù)進行超細粒度分解，通過有效的篩選，進行相關信息的復合，用于多專業(yè)協(xié)同作業(yè)，方便信息流轉、共享、使用與管理，成功解決了軌道交通工程建設全生命周期內產(chǎn)生的粗粒度的多源異構信息難以貫穿全生命周期的難題。

(3)基于激光點云的設計與空間相互匹配技術

設計到施工的匹配，設計和施工協(xié)同，以及三維施工放樣;施工到設計的匹配，三維原位檢測及監(jiān)測，以及三維施工精度檢測，成功解決了由設計到施工、由施工到更新設計的虛實空間匹配難題。

2.關鍵技術

(1)數(shù)據(jù)倉庫技術

數(shù)據(jù)倉庫是一個面向主題的、集成的、相對穩(wěn)定的、反映歷史變化的數(shù)據(jù)集合，用于支持管理決策。

在RIM系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)倉庫技術的應用可以針對系統(tǒng)中所相互關聯(lián)、相互支持、相互協(xié)同的空間數(shù)據(jù)(二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù))、對象數(shù)據(jù)(管線數(shù)據(jù)、建筑數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù))、屬性數(shù)據(jù)(材質數(shù)據(jù)、規(guī)格數(shù)據(jù)、維護數(shù)據(jù))、歷史數(shù)據(jù)(變更數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù))、操作數(shù)據(jù)(日志數(shù)據(jù)、調用數(shù)據(jù))等多源數(shù)據(jù)進行有機整合和關聯(lián)，在一個較全面和完善的動態(tài)信息應用的基礎上，用于支持本系統(tǒng)所需要的二三維數(shù)據(jù)管理、三維空間分析、快速修改、應急管理、輔助施工、輔助運維、資產(chǎn)管理等具體功能的實現(xiàn)。

(2)二三維設計信息的聯(lián)動體系

在本系統(tǒng)中，無論是二維CAD圖紙的信息還是三維模型信息，均是基于數(shù)據(jù)庫存儲的，通過三維引擎實現(xiàn)了二三維設計信息的聯(lián)動體系，即“一處修改，多處關聯(lián)變化”的二三維信息互逆，在修改二維信息時三維模型信息也關聯(lián)變化，同樣在修改三維模型時二維設計信息也隨之變化。二三維設計信息的聯(lián)動體系實現(xiàn)了局部快速修改功能，適應了不同設計階段反復修改的設計特點，節(jié)約了設計階段耗時，同時也為施工階段現(xiàn)場設計變更提供了便利的修改窗口。

七、結束語

寧波市地鐵規(guī)劃線路共6條，其中1、2號線已經(jīng)全面應用RIM技術，后續(xù)建設項目也將應用RIM技術。RIM技術在寧波地鐵中的使用加快了建設效率，縮短了施工周期，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益，填補了軌道交通工程建設領域的一項空白。

RIM技術在寧波市地鐵中的使用，起到了試點示范的作用，在實際工程應用中促進了軌道交通工程設計、施工和運營維護管理方式的升級轉型，為在全國軌道交通工程建設引入RIM技術提供了可靠參考。

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