林國(guó)慶，閔世平

(中國(guó)中鐵科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 611731)

0 引 言

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)交通網(wǎng)絡(luò)提出了更迫切的要求，建設(shè)現(xiàn)代化的交通網(wǎng)絡(luò)是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的必然要求，因此我國(guó)的隧道建設(shè)作為交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分也在不斷地發(fā)展當(dāng)中。目前我國(guó)的隧道建設(shè)數(shù)量不斷增長(zhǎng)，長(zhǎng)隧道的建設(shè)也在以往的基礎(chǔ)上有所增加，施工難度也在不斷地加大。如何保證隧道施工的安全、質(zhì)量與進(jìn)度是隧道建設(shè)各方共同關(guān)注的問(wèn)題[1]。

近年來(lái)，隨著我國(guó)“信息化”和“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的提出和大力推進(jìn)，信息化技術(shù)在隧道施工過(guò)程中的應(yīng)用得到不斷深入，在隧道施工的安全、質(zhì)量和進(jìn)度等方面起到了一定的促進(jìn)作用[2]。

現(xiàn)行的信息化系統(tǒng)大多是基于單機(jī)或者單服務(wù)器的二維信息化管理系統(tǒng)，但隨著信息化技術(shù)的飛速發(fā)展，各類(lèi)信息化新技術(shù)、新設(shè)備、新軟件在隧道施工中得到更廣泛的應(yīng)用[3]，伴隨而來(lái)的是，數(shù)據(jù)量快速增長(zhǎng)，大量類(lèi)型各異的三維信息化數(shù)據(jù)的出現(xiàn)，各類(lèi)信息化技術(shù)及系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行造成的數(shù)據(jù)不共享等問(wèn)題，諸如此類(lèi)的問(wèn)題已然成為信息化技術(shù)在隧道施工中得以更深入廣泛應(yīng)用的瓶頸，亟待盡早思考和解決。

(1)三維信息化數(shù)據(jù)的展示、查詢(xún)與應(yīng)用問(wèn)題。目前，隨著隧道建設(shè)項(xiàng)目在勘察、設(shè)計(jì)、施工中越來(lái)越多的使用新技術(shù)、新設(shè)備，隨之產(chǎn)生了越來(lái)越多的三維信息化數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的二維信息化系統(tǒng)已經(jīng)如法滿(mǎn)足三維數(shù)據(jù)的展示、查詢(xún)與應(yīng)用，且二維信息化系統(tǒng)，對(duì)信息的展示不直觀，信息表述效率低下，因此需要采用一種簡(jiǎn)便高效、所見(jiàn)即所得的三維信息化展示、查詢(xún)和應(yīng)用手段。

(2)多源信息化數(shù)據(jù)集成管理、共享與應(yīng)用問(wèn)題。隧道施工涉及設(shè)計(jì)、建設(shè)、施工、監(jiān)理等多家單位，信息來(lái)源于多方，且各方對(duì)隧道施工過(guò)程產(chǎn)生的各類(lèi)信息都有很強(qiáng)的分享需求；同時(shí)，施工中涉及的數(shù)據(jù)包括安全、質(zhì)量與進(jìn)度等信息，如何通過(guò)各種信息間的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，提供更加全面的信息，從而為施工的安全、質(zhì)量、進(jìn)度等的決策提供支持的需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。但目前隧道施工中的信息化系統(tǒng)，大多為獨(dú)立運(yùn)營(yíng)模式，在實(shí)際工作中需要不斷切換各系統(tǒng)使用所需數(shù)據(jù)，且各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)大多無(wú)法共享，影響了決策的客觀與全面，也大大降低了各方間的協(xié)作效率和工作質(zhì)量。因此需要一個(gè)靈活方便的基于網(wǎng)絡(luò)共享的信息化數(shù)據(jù)管理集成平臺(tái)。

(3)海量異構(gòu)信息化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、運(yùn)算與應(yīng)用問(wèn)題。隨著隧道施工新技術(shù)、新設(shè)備以及物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，隧道施工產(chǎn)生的信息化數(shù)據(jù)量呈爆炸式增長(zhǎng)，達(dá)到TB級(jí)甚至PB級(jí)，數(shù)據(jù)類(lèi)型包括影像、視頻、文本、網(wǎng)頁(yè)等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理與單機(jī)運(yùn)算方式已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與運(yùn)算要求。因此對(duì)于這些海量異構(gòu)的信息化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、運(yùn)算與應(yīng)用需要一種更加強(qiáng)大且快速的基于大數(shù)據(jù)的軟硬件架構(gòu)體系。

為有效解決以上問(wèn)題，需要利用三維GIS技術(shù)[4]，實(shí)現(xiàn)隧道信息的三維展示、查詢(xún)與應(yīng)用，通過(guò)搭建三維隧道施工虛擬場(chǎng)景，并將隧道施工過(guò)程中的安全、質(zhì)量與進(jìn)度信息數(shù)據(jù)與三維地理坐標(biāo)相關(guān)聯(lián)，通過(guò)一個(gè)統(tǒng)一的三維場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)多源隧道施工信息的集成管理，并通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)多服務(wù)器對(duì)三維海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算、存儲(chǔ)與共享，開(kāi)發(fā)基于三維場(chǎng)景的隧道施工空間大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工海量異構(gòu)信息的高效存儲(chǔ)、組織、管理與共享。

1 三維隧道施工場(chǎng)景搭建

三維地理信息系統(tǒng)(3D GIS)，是將地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，它將GIS的空間查詢(xún)、分析和決策功能與逼真的三維可視化功能有機(jī)地結(jié)合在一起，增強(qiáng)了GIS系統(tǒng)的可視化效果和三維空間分析能力，是進(jìn)行全方位、多層次、多要素時(shí)空分析的基礎(chǔ)[5]。

隨著隧道勘察設(shè)備的提升，航測(cè)、無(wú)人機(jī)、三維激光掃描儀等新設(shè)備的出現(xiàn)，勘察成果已經(jīng)實(shí)現(xiàn)三維采集與制作，設(shè)計(jì)人員也已基于三維成果進(jìn)行BIM三維設(shè)計(jì)，提供三維BIM設(shè)計(jì)成果。因此二維信息系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足隧道施工項(xiàng)目的管理，需引入三維地理信息系統(tǒng)，搭建三維隧道施工場(chǎng)景平臺(tái)。

1.1 施工數(shù)據(jù)分析

隧道施工項(xiàng)目，涉及項(xiàng)目的勘察階段、設(shè)計(jì)階段及施工階段，因此需要對(duì)隧道涉及的這些階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一集成與管理。對(duì)施工中涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析如下。

(1)勘察階段數(shù)據(jù)：地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地形圖、地質(zhì)三維BIM模型數(shù)據(jù)、地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)、環(huán)保、水文等矢量數(shù)據(jù)以及相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)。

(2)設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)圖紙及資料，設(shè)計(jì)BIM模型數(shù)據(jù)。

(3)施工階段數(shù)據(jù)：安全、質(zhì)量、進(jìn)度等施工業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及施工圖檔文件等數(shù)據(jù)。

1.2 施工數(shù)據(jù)處理

對(duì)各階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后，可總結(jié)歸納為3類(lèi)：空間幾何數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)。其中存在數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、坐標(biāo)系不統(tǒng)一的問(wèn)題。

數(shù)據(jù)格式包含：各種軟件制作生成的BIM模型數(shù)據(jù)，地形數(shù)據(jù)，影像數(shù)據(jù)，矢量數(shù)據(jù)等。

坐標(biāo)系包括：WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)系、工程獨(dú)立坐標(biāo)系、CGCS2000大地參考系下的投影坐標(biāo)系等。

三維地理信息系統(tǒng)軟件使用超圖地理信息軟件，數(shù)據(jù)處理的大致流程入如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理大致流程

1.2.1 格式轉(zhuǎn)換

首先對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，使用SuperMap iDesktop 9D使之形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，存入超圖文件型數(shù)據(jù)源UDB中，形成超圖空間數(shù)據(jù)集。

1.2.2 投影轉(zhuǎn)換

利用已知控制點(diǎn)推算各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換參數(shù)，將不同坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為WGS1984經(jīng)緯度坐標(biāo)系，方便系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一加載、疊加顯示。

1.2.3 數(shù)據(jù)入庫(kù)

利用SuperMap iDesktop 9D將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一存入空間數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.2.4 緩存制作

對(duì)地形、影像、三維模型配置場(chǎng)景后生成利于在Web上傳輸?shù)腟3M緩存。生成緩存的時(shí)候需要通盤(pán)考慮模型使用場(chǎng)景，用于優(yōu)化生成緩存涉及的各類(lèi)參數(shù)。

1.2.5 數(shù)據(jù)發(fā)布

利用SuperMap iServer發(fā)布制作好的三維場(chǎng)景，如圖2所示。

圖2 三維隧道施工場(chǎng)景

2 空間大數(shù)據(jù)技術(shù)

隧道施工項(xiàng)目為線性工程，跨度大，因此隧道施工過(guò)程中涉及的數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類(lèi)型多樣，對(duì)于海量異構(gòu)的隧道三維信息模型與施工過(guò)程中的安全、質(zhì)量與進(jìn)度信息的集成管理，傳統(tǒng)的基于單服務(wù)器的二維GIS空間服務(wù)已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足海量施工數(shù)據(jù)的集成管理和共享需求[6]，因此需要采用先進(jìn)的空間大數(shù)據(jù)技術(shù)。

空間大數(shù)據(jù)技術(shù)是通過(guò)先進(jìn)的IT大數(shù)據(jù)技術(shù)與GIS內(nèi)核技術(shù)進(jìn)行深度融合，為海量空間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)、計(jì)算的能力，從而大幅度提升海量空間數(shù)據(jù)的管理能力[7]。

2.1 空間大數(shù)據(jù)支撐技術(shù)

當(dāng)前主流的大數(shù)據(jù)技術(shù)都基于Linux操作系統(tǒng)，這需要GIS基礎(chǔ)軟件支持跨平臺(tái)技術(shù)，同時(shí)在基礎(chǔ)云計(jì)算環(huán)境中也能為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算提供資源的管理和運(yùn)維能力。

跨平臺(tái)主要是指程序語(yǔ)言、軟件或硬件設(shè)備可以在多種作業(yè)系統(tǒng)或不同硬件架構(gòu)的電腦上運(yùn)作。即在一個(gè)熟悉的平臺(tái)上面開(kāi)發(fā)的軟件或者程序，直接可以在其他平臺(tái)上正常的運(yùn)行顯示而不需要對(duì)其原始文件或者原始代碼進(jìn)行修改。基于跨平臺(tái)技術(shù)的軟件產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足不同的技術(shù)環(huán)境、行業(yè)應(yīng)用和用戶(hù)需求。

云計(jì)算的出現(xiàn)，帶來(lái)了彈性伸縮、按需訪問(wèn)、資源池化、可實(shí)例化和成本低廉的計(jì)算資源，為解決當(dāng)今時(shí)代GIS面臨的挑戰(zhàn)提供了新的思路，使得云GIS技術(shù)逐漸成為當(dāng)前GIS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。云GIS指的是由地理空間科學(xué)驅(qū)動(dòng)并通過(guò)時(shí)空原則進(jìn)行優(yōu)化的云計(jì)算模式，使分布式計(jì)算環(huán)境中的地理空間科學(xué)發(fā)現(xiàn)和云計(jì)算成為可能。其實(shí)質(zhì)是將GIS的平臺(tái)、軟件和地理空間信息方便、高效地部署到以云計(jì)算為支撐的“云”基礎(chǔ)設(shè)施之上，以彈性的、按需獲取的方式提供最廣泛的基于Web的服務(wù)。

2.2 空間大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

空間大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)是通過(guò)對(duì)分布式文件系統(tǒng)和分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的支持來(lái)提升更海量空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)能力；通過(guò)融合業(yè)界主流的分布式計(jì)算框架，來(lái)為傳統(tǒng)空間分析算子擴(kuò)展分布式計(jì)算的能力；同時(shí)將SOA的服務(wù)架構(gòu)繼續(xù)實(shí)現(xiàn)功能解耦，通過(guò)更為精簡(jiǎn)的微服務(wù)架構(gòu)進(jìn)行服務(wù)拆分，并實(shí)現(xiàn)微服務(wù)的資源精準(zhǔn)匹配和REST API的外部調(diào)用；最后在各個(gè)終端加強(qiáng)和擴(kuò)展大數(shù)據(jù)可視化的能力。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)主要涉及所有的空間數(shù)據(jù)格式以及大數(shù)據(jù)技術(shù)體系中常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，如Oracle、HDFS、MongoDB集群等等，它們存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)既可以用于數(shù)據(jù)分析，也來(lái)自分析產(chǎn)生的中間數(shù)據(jù)和最終成果數(shù)據(jù)。

2.3 空間大數(shù)據(jù)計(jì)算

空間大數(shù)據(jù)分析計(jì)算技術(shù)的核心是對(duì)傳統(tǒng)地理空間分析算子擴(kuò)展其分布式計(jì)算處理能力，也就是希望通過(guò)業(yè)界主流的分布式計(jì)算框架與GIS平臺(tái)基礎(chǔ)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)深度融合。目前主流的大數(shù)據(jù)計(jì)算框架以Hadoop的MapReduce和Spark為主。

基于Spark框架空間大數(shù)據(jù)組件，從內(nèi)核擴(kuò)展Spark空間數(shù)據(jù)模型，不僅基于分布式計(jì)算技術(shù)重構(gòu)已有的空間分析算法，大幅提升海量空間數(shù)據(jù)分析的效率，并且針對(duì)大數(shù)據(jù)研發(fā)一系列新的空間分析算法，可直接嵌入到Spark內(nèi)運(yùn)行，解決空間大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用難題。

2.4 空間大數(shù)據(jù)可視化

基于傳統(tǒng)的顯示方式，可視化的性能要依賴(lài)的數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢(xún)效率、顯示硬件的效率等等都無(wú)法保證空間大數(shù)據(jù)正常地顯示。這種情況下，需要GIS軟件具備快速查詢(xún)和柵格化的能力，即在服務(wù)端根據(jù)瀏覽的范圍和比例尺等信息快速地在大量空間數(shù)據(jù)中進(jìn)行查詢(xún)，并快速地渲染為柵格圖片，以WebGIS的方式發(fā)布并最終呈現(xiàn)給用戶(hù)。要支持這種能力，就需要基于空間大數(shù)據(jù)分析處理技術(shù)，并行地進(jìn)行查詢(xún)和柵格化出圖的任務(wù)。這基本解決了靜態(tài)的空間大數(shù)據(jù)的顯示性能問(wèn)題。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的可視化主要利用分布式集群所提供的更多的資源，發(fā)揮GPU、大內(nèi)存等單機(jī)設(shè)備的高效的運(yùn)算能力，不斷突破系統(tǒng)硬件資源的限制來(lái)提高時(shí)空大數(shù)據(jù)的可視化性能，同時(shí)支撐多種可視化展現(xiàn)效果[8]。

3 隧道施工空間大數(shù)據(jù)平臺(tái)

根據(jù)空間大數(shù)據(jù)技術(shù)，隧道施工空間大數(shù)據(jù)管理平臺(tái)以云計(jì)算框架為基礎(chǔ)，使用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺(tái)軟硬件的分布式彈性部署，采用超圖空間大數(shù)據(jù)GIS服務(wù)引擎，把隧道施工中的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)入平臺(tái)分布式非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB中，通過(guò)超圖空間數(shù)據(jù)服務(wù)器iServer進(jìn)行分布式部署發(fā)布，通過(guò)集成的Spark模塊實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)分布式計(jì)算，并使用JavaScript編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道的安全、質(zhì)量、進(jìn)度的在線填報(bào)、管理、統(tǒng)計(jì)、分析。整體平臺(tái)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 平臺(tái)整體框架

3.1 支撐層

本平臺(tái)使用VMware vSphere對(duì)基礎(chǔ)硬件進(jìn)行虛擬化，達(dá)到按需擴(kuò)展分配的要求，充分發(fā)揮硬件的性能。

3.2 數(shù)據(jù)層

本平臺(tái)使用的數(shù)據(jù)包括關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)兩種。其中，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)采用PostgreSQL，用作存儲(chǔ)矢量空間數(shù)據(jù)、BIM構(gòu)件屬性數(shù)據(jù)、工程文檔地址數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)采用分布式的MongoDB，用作存儲(chǔ)BIM模型緩存、地形影像緩存等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

PostgreSQL主要實(shí)現(xiàn)在分布式框架下的SQL空間查詢(xún)功能，通過(guò)PostgreSQL數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)改造傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，雖然會(huì)造成一定的數(shù)據(jù)冗余，但是可以極大地彌補(bǔ)NOSQL數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)據(jù)查詢(xún)方便的不足。

支持瓦片大數(shù)據(jù)的MongoDB分布式集群，用于構(gòu)建分布式瓦片數(shù)據(jù)庫(kù)。

3.3 服務(wù)層

服務(wù)層采用超圖iServer空間大數(shù)據(jù)服務(wù)器，是基于高性能GIS內(nèi)核的云GIS應(yīng)用服務(wù)器，提供了空間大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、空間大數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)流數(shù)據(jù)處理等Web服務(wù)，并內(nèi)置Spark運(yùn)行庫(kù)，降低大數(shù)據(jù)環(huán)境部署門(mén)檻。該平臺(tái)，按照分布式集群的方式進(jìn)行部署，基礎(chǔ)環(huán)境使用Linux操作系統(tǒng)。將SuperMap iServer基礎(chǔ)應(yīng)用程序、包含大數(shù)據(jù)分析服務(wù)的擴(kuò)展模塊部署在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，選擇基于分布式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)作為大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境。利用該平臺(tái)，對(duì)海量影像、矢量及BIM模型進(jìn)行切圖并生成緩存的工作，結(jié)果表明分布式計(jì)算比傳統(tǒng)計(jì)算模式性能提升20倍，大大提高了運(yùn)算速度，節(jié)省了時(shí)間。分布式部署架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于iServer的分布式平臺(tái)部署架構(gòu)

3.4 應(yīng)用層

本平臺(tái)應(yīng)用層基于WebGL網(wǎng)絡(luò)3D繪圖協(xié)議與JavaScript編程技術(shù)以及超圖的iClient技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維GIS客戶(hù)端開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用于構(gòu)建無(wú)插件、跨操作系統(tǒng)、跨瀏覽器的三維GIS應(yīng)用程序。該系統(tǒng)平臺(tái)主要功能包括：三維模型管理，隧道施工進(jìn)度、安全、質(zhì)量管理，地表分析，分布式數(shù)據(jù)庫(kù)管理，智能統(tǒng)計(jì)分析決策，用戶(hù)及權(quán)限管理等功能。圖5所示為各功能模塊截圖。

圖5 隧道施工大數(shù)據(jù)管理應(yīng)用平臺(tái)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文結(jié)合現(xiàn)階段隧道施工項(xiàng)目信息化管理中存在的諸多問(wèn)題，利用3DGIS技術(shù)構(gòu)建高精度的隧道施工三維場(chǎng)景，直觀的三維管理界面大大簡(jiǎn)化了施工人員的管理工作[9]。再利用以IT大數(shù)據(jù)與GIS內(nèi)核技術(shù)為核心的空間大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建隧道施工大數(shù)據(jù)管理云平臺(tái)，集成管理施工項(xiàng)目涉及的勘察、設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中的各類(lèi)海量信息與數(shù)據(jù)。平臺(tái)的分布式部署框架，大大提高了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析能力，大大節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，提供了工作效率。平臺(tái)有效的解決隧道施工項(xiàng)目海量異構(gòu)信息化數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用問(wèn)題，為隧道工程開(kāi)展3DGIS與大數(shù)據(jù)技術(shù)的推廣應(yīng)用提供的一套解決方案，提高了隧道施工管理的信息化水平。