高文峰

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

近年來，中國鐵路及城市軌道交通進入快速發(fā)展建設時期[1]，一些大型的既有車站成為制約鐵路發(fā)展的瓶頸，急需改造。既有鐵路大型車站改造工藝流程復雜，且工程管理現狀為“紙質”、“手工”、“分散” 和“基礎”式的管理，與現代化鐵路建設管理要求不相匹配， 迫切需要標準化、信息化和網格化的管理系統(tǒng)[2]，以提高管理效率。3DGIS集成了鐵路信息模型和BIM模型，能為大型車站改造工程提供虛擬的仿真地理環(huán)境，為改造方案的備選提供輔助決策。因此，構建鐵路大型車站信息化模型系統(tǒng)對提高大型車站改造效率和安全性具有重要的意義[3-4]。

鐵路建設項目管理信息系統(tǒng)將調度指揮、管理決策、應急管理以及現場監(jiān)控等作為重點管理內容[5]，不僅可以將傳統(tǒng)的沙盤匯報模式轉換為真三維場景，還可對施工建設進度進行管理和實時監(jiān)控，對施工過程中的拆遷順序和車流分配調度管理進行模擬，實現宏觀和微觀的統(tǒng)一[6]。

1 鐵路模型分類

鐵路信息化模型可以分為三個部分：三維場景模型、車站構筑物模型、鐵路結構和設備模型。

(1)三維場景模型

主要用于展示車站周邊的地形地貌，以及與周邊交通、建筑、環(huán)境間的空間位置分布關系和互通關系；同時也是其它模型的載體，可通過精確的空間位置來展示三維場景模型和車站模型的相互關系。航天航空數據、DOM、DEM是構建三維場景模型的主要數據源[7]。

(2)車站構筑物模型

主要包括車站相關的建筑物，如站房、雨棚、站臺和相關建筑物(防護圍墻或柵欄、應急通道、限高架等)。車站構筑物模型是樞紐改造的重要組成部分，可分為重新裝修、結構改造、重新設計修建三種情況。車站構筑物模型制作主要采用空、地一體化的方式，利用航空攝影測量技術獲取立體模型，在立體模型中采集結構線，根據結構線生成“白”模，再將現場拍攝的真彩色紋理照片粘貼在對應的結構面上，從而形成精確的三維單體化模型。

(3)鐵路結構和設備模型

鐵路自身結構包括路基、橋梁、隧道、涵洞、救生梯等，相關的設備包括道床、道砟、枕木、軌道板(高鐵)，鋼軌、道岔、信號燈、電桿、電線等。鐵路結構和設備模型的構建需借助設計參數(如橋梁、隧道、路基的設計參數)進行三維建模；相關設備設施主要根據設備的幾何結構進行三維建模。

2 鐵路信息化模型的特點

(1)組件化

為了充分利用鐵路信息化模型進行精細管理，必須對模型進行組件化；通常按照工程系統(tǒng)的分解結構(Engineering Breakdown Structure，EBS)進行分解，例如：橋梁的樁基、橋墩、橋臺，鐵路的軌道、軌道板、道床，都應作為單獨的組件嵌入到鐵路信息化模型中。通過優(yōu)化設計，建立鐵路行業(yè)的獨立構件，可以提高鐵路中線的附加信息值[8]。

(2)信息化

三維模型的每個組件都有對應的屬性信息，可通過語義分析對模型或者模型的組件進行管理。這也是鐵路信息化模型的最主要特征之一。

(3)標準化

是鐵路信息化模型的基礎，目前主要參考的標準包括：鐵路聯(lián)盟發(fā)布的鐵路工程信息模型的分類編碼、語義和數據交換三個標準。

(4)精確化

是鐵路信息化模型的基本要求之一。所構建三維模型的表面物理結構須與建筑物的實際結構基本一致，其物理尺寸誤差必須控制在一定的范圍之內，紋理結構與實際的紋理結構須保持基本一致，通過輪廓和紋理能夠直觀地區(qū)分其明顯特征(見圖1)。

圖1 基于傾斜攝影測量的哈爾濱車站三維場景構建

3 鐵路信息化模型系統(tǒng)構建

3.1 鐵路信息化模型構建

(1)三維場景模型構建

構建三維場景模型的主要目的是為鐵路信息化模型搭建基礎地理信息平臺，從宏觀層面展示鐵路信息化模型和周邊環(huán)境的空間地理關系及鐵路車站改造過程的影響范圍；利用航空攝影測量技術(包括數碼航空攝影測量、傾斜攝影測量、激光雷達測量及無人機攝影測量等)獲取研究范圍內的正射及傾斜航空影像數據，通過傳統(tǒng)航空攝影測量技術處理及傾斜攝影技術處理，得到數字正攝影像(DOM)和數字高程模型(DEM)，在三維地理信息系統(tǒng)中疊加生成車站周邊三維地理場景模型。

在建筑物密集區(qū)，為了更加直觀地展示車站與周邊建筑物的關系，需要構建周邊建筑物的三維模型。根據建筑物的空間位置、影響范圍、重要性以及實際需求，分別建立“白”模和“精”模(如圖2所示)，或者利用傾斜攝影測量技術，建立整個區(qū)域的建筑物三維模型(如圖1所示)。

圖2 哈站周邊建筑物的“白”模和“精”模

(2)車站構筑物模型構建

車站構筑物模型是車站工程改造的重要組成部分和施工組織管理的重點。車站構筑物主要包括車站相關的建筑物、與鐵路相交的橋梁等。為了達到可視化效果和效率的平衡，根據管理需求，構建不同精細程度的車站構筑物模型。上跨或者下鉆的構筑物(如橋梁、隧道等)需要建立精確的物理幾何模型(如圖3所示)，用于分析構筑物和鐵路之間的空間關系；對于車站，需要利用設計資料和BIM設計軟件建立站房BIM模型(如圖4所示)，用于施工組織管理、空間分析及應急管理等。

圖3 基于地面激光掃描技術的霽虹橋精細模型

圖4 站房BIM模型(部分)

(3)鐵路結構和設備模型

鐵路結構和設備模型是鐵路信息化的重點。這類模型都有嚴格的設計參數和物理幾何尺寸，也是改造過程中的重點對象，需要將其空間地理位置、幾何尺寸、安裝姿態(tài)及與線路之間的相對位置關系精確地展現出來，圖5展示了信號機參數模型與軌道模型之間的空間相對位置關系。

圖5 基于參數的信號機和軌道模型構建及其空間相對位置關系

在建模過程中或者建模后，需要對鐵路結構和設備模型進行信息化，即編輯模型以及模型組件的屬性信息。同類數據需要建立統(tǒng)一的屬性集，比如建筑物需要根據收集到的資料建立諸如建筑物名、建造年代、建筑物面積、權屬人等屬性字段，以方便在鐵路綜合信息管理系統(tǒng)中對各種模型進行查詢管理。

3.2 鐵路信息化模型系統(tǒng)集成

模型集成是展示站場環(huán)境整體效果的基礎。BIM和GIS都有其自身的局限性，需要將二者結合使用[10-12]。目前，通用的集成方法是以三維地理信息平臺為管理平臺，將各種地理信息數據和模型數據集成在一起，并開發(fā)相應的管理功能。常用的三維管理平臺有Skyline、SuperMap、ArcGIS、CityMaker等。三維場景模型都帶有精確的地理坐標，可以直接按照地理坐標導入三維地理信息系統(tǒng)中。對于單體化的模型來說，可采用模型矢量導入表對各種模型進行組織、顯示和管理。以BIM模型為例，制作模型導入表，包括模型編號、地理坐標、姿態(tài)參數等；采用BIM建模時的模型編碼作為模型的唯一標識。地理坐標計算包括從三維模型坐標到三維地理空間坐標的轉換、三個姿態(tài)參數(Yaw、Pitch、Roll)的計算。通過對地理坐標(X、Y、Z)和姿態(tài)參數的準確計算，可將建筑物三維模型構件無縫集成到在3DGIS平臺中，集成效果如圖6所示。

圖6 建筑物模型與3DGIS集成

在集成后的鐵路信息化模型系統(tǒng)中，針對鐵路車站改造工程的需求，可定制開發(fā)各種管理功能，如資料查詢、地物量測、安全監(jiān)控、施組計劃編寫、安全檢查、進度管理等功能。

4 鐵路信息化模型的應用

基于信息化模型構建的鐵路信息化管理系統(tǒng)能夠實現車站改造管理的信息化、智能化，提高管理效率。以下從最常用的施工組織、形象進度管理、征拆管理等方面對鐵路信息化模型在車站改造中的應用進行探討。

4.1 施工組織管理

傳統(tǒng)的工程管理軟件信息化水平較低，制約了鐵路工程管理水平的提高[13]。這種方式制定的施工計劃與工程對象模型、地理信息等沒有關聯(lián)，無法實現對工程進度形象化的預演，也不能直觀地查詢任意時間點的工程全貌。

為了實現進度計劃的可視化、形象化管理，需將信息化模型與工程分解子項關聯(lián)起來。為了實現對海量工程信息的有效管理，采用二維圖形符號與三維模型相結合的方式來表達工程的進展(見圖7、圖8)。

圖7 工程對象的圖形化表達

圖8 工程對象的三維實體模型表達

4.2 形象進度管理

施工計劃的形象化表達分兩個方面：一是施工計劃編制時的工程對象形象化表達，二是施工計劃查詢時的形象化表達。形象化計劃編制和查詢都需要建立圖形、模型對象與工程元素的一一對應關系。在數據制作階段，根據施工計劃拆分和裁切二維圖形和模型，對每個圖元和模型進行編碼，建立該編碼和EBS編碼的對應關系，以及形象化圖形模型數據和施工計劃邏輯數據的對應關系，通過圖元和模型來修改施組計劃邏輯數據，也可使用施組計劃邏輯數據來驅動圖形和模型。通過拖動時間條，可實時查看任意時間點的計劃進度，由此實現3D模型向4D模型的轉變(見圖9)。

圖9 4D模型進度示意

4.3 征拆管理

通常情況下，車站改造建設時間長，總投資大，參與建設部門多，而且大部分車站都處于城市中心，改造困難較大，對項目管理水平提出了更高的要求。利用鐵路信息模型系統(tǒng)建立拆改方案管理數據庫，對站房拆改方案進行綜合展示、管理和分析，為參建各方提供一個公共、形象直觀的溝通交流平臺；另一方面，可對方案進行模擬、對比分析等，結合三維矢量和BIM模型進行新建工程與拆改工程的時空關系表達，可優(yōu)化拆改方案，提高項目管理水平和效益(如圖10所示)。

圖10 站場軌道拆改方案對比(圖中紅色為新建方案，藍色為既有線路軌道)

4.4 資料管理

圍繞質量、安全、進度、投資等管理內容開展信息化系統(tǒng)子模塊的應用，記錄和存儲工程實施過程中產生的各類數據，為建設管理提供信息化服務。在工程竣工時，從過程數據中提取重要信息，與GIS數據、BIM模型一起進行資料移交，為后續(xù)的運維管理提供數據。

5 結論

以鐵路信息化模型技術服務于鐵路車站改造為目標，分別闡述了鐵路信息化模型的特點、鐵路信息化模型系統(tǒng)的構建方法、鐵路信息化模型系統(tǒng)在鐵路車站改造中的應用。以哈爾濱樞紐改造為例，通過將鐵路車站改造范圍內的構筑物(部件)數字化，加入屬性信息，構建鐵路信息化模型，并將三維地理模型、鐵路信息化模型通過3DGIS進行集成管理，按照施工組織對施工建設過程進行精細化管理；利用三維實景模型與虛擬模型相結合的方式，真實還原建設過程，推演施工組織過程的合理性，發(fā)現存在的各種風險，優(yōu)化施工組織，防范施工風險，提高現場管理信息化水平[14-15]。