解亞龍，郭 祥，劉 偉，俸 凰

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，至2020 年底，鐵路營業(yè)里程已達14.6 萬km，因而，將鐵路客站等重要基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，是提高鐵路運營管理水平，實現(xiàn)鐵路“又好又快發(fā)展”目標(biāo)的重要舉措?，F(xiàn)階段，除新建線路外，鐵路還有大量的既有線路，其原始數(shù)據(jù)均為計算機輔助設(shè)計（CAD，Computer Aided Design）數(shù)據(jù)，如仍沿用手工作業(yè)模式，既無法保證建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）所需數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，也無法適應(yīng)大批量作業(yè)的需求。因此，鐵路行業(yè)亟需研究高效先進的技術(shù)，實現(xiàn)BIM 的自動化生成。

目前，BIM 自動化生成的相關(guān)研究主要集中在圖紙識別方面。例如：李正敏等人[1]提出的工程圖文本信息的提取方法；王爾健等人[2]提出的區(qū)域劃分法，即結(jié)合矢量分析識別工程圖上的幾何形狀關(guān)系；李黨等人[3]提出的集中提高智能識別建筑平面圖形精度及正確率的方法；汪同慶等人[4]提出的基于數(shù)據(jù)交換格式（DXF，Data Exchange Format）文件的幾何特征識別方法；儲節(jié)磊等人[5]對于無固定起點、無精確尺寸、無統(tǒng)一比例的平面矢量圖形，提出了相似性比較識別方法。這些既有工作對于研究鐵路BIM 自動化生成技術(shù)，尤其是二維圖紙信息的數(shù)字化提取方法，提供了有益借鑒。然而，現(xiàn)有的研究在鐵路BIM 自動化快速建模方面尚不充分，結(jié)合市場需求，本文著重研究鐵路客站BIM 自動化生成技術(shù)。

1 技術(shù)體系

鐵路客站BIM 自動化生成的基本過程包括二維圖紙數(shù)據(jù)采集、匹配BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫、自動化生成BIM、快速布置和優(yōu)化BIM。圍繞生成過程的實現(xiàn)，本文從以下方面提出了鐵路客站BIM 自動化生成技術(shù)體系主要內(nèi)容，如圖1 所示。

圖1 鐵路客站BIM 自動化生成技術(shù)體系主要內(nèi)容

1.1 鐵路客站二維圖紙自動分析識別

通過分析二維圖紙的關(guān)鍵信息，實現(xiàn)BIM 所需數(shù)據(jù)的自動獲取[6]，按照一定的結(jié)構(gòu)分類標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)，為自動構(gòu)建構(gòu)件庫和BIM自動化生成提供支持。

1.2 鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)管理解決方案

通過建立完整的數(shù)據(jù)倉庫，可以沉淀二維數(shù)據(jù)資產(chǎn)，并將鐵路客站建設(shè)過程的多維數(shù)據(jù)與BIM 相關(guān)聯(lián)。具體為，鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)管理為BIM自動化生成提供數(shù)據(jù)支持，同時BIM 自動化生成技術(shù)為鐵路客站BIM 多維數(shù)據(jù)管理提供數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)等。

1.3 鐵路客站BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫

根據(jù)鐵路BIM 聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，分專業(yè)、分類別全方面實現(xiàn)客站標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，以期為BIM 自動化生成提供構(gòu)件支持，同時也為鐵路客站BIM 快速布置及優(yōu)化提供模型標(biāo)準(zhǔn)支持。

1.4 鐵路客站BIM 自動化生成

根據(jù)鐵路客站BIM 物理和功能特性，結(jié)合二維圖紙分析讀取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和BIM 建模方法，將數(shù)據(jù)的二維幾何表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為三維幾何表現(xiàn)形式，實現(xiàn)建模的快速、規(guī)范、可調(diào)整，為鐵路客站BIM 構(gòu)件的快速布置及優(yōu)化提供深度學(xué)習(xí)樣本支持。

1.5 鐵路客站BIM 快速布置及優(yōu)化

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件特性，完成構(gòu)件間邏輯判斷，通過扣減規(guī)則及自動碰撞檢測實現(xiàn)BIM 的自動組裝和優(yōu)化路徑，進一步完善BIM 的準(zhǔn)確度，形成共享知識和信息資源。

2 關(guān)鍵技術(shù)

鐵路客站BIM 自動化生成關(guān)鍵技術(shù)主要包括二維圖紙智能識別技術(shù)、模型自動化生成技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動布置與優(yōu)化技術(shù)、BIM 數(shù)據(jù)庫建構(gòu)技術(shù)等?？紤]到BIM 數(shù)據(jù)庫建構(gòu)技術(shù)較為成熟，本文僅對前3 項關(guān)鍵技術(shù)進行深度研究。鐵路客站BIM 自動化生成技術(shù)流程如圖2 所示。

圖2 鐵路客站BIM 自動化生成技術(shù)流程

2.1 二維圖紙智能識別技術(shù)

二維圖紙智能識別指多專業(yè)構(gòu)件實體對象的自動識別。二維圖紙轉(zhuǎn)換為模型數(shù)據(jù)需要的“翻譯”工作體量龐大，實現(xiàn)二維圖紙中墻、板、柱、梁、風(fēng)管、給排水管、暖通水管、橋梁、路基等對象的智能識別是解決這一問題的關(guān)鍵。根據(jù)二維圖紙內(nèi)容特點，本文提出基于DXF 的數(shù)據(jù)讀取[7-8]、矢量圖形識別和圖形巡徑模糊識別的二維圖紙智能識別技術(shù)，智能識別的關(guān)鍵技術(shù)如圖3 所示。其中，基于DXF 的數(shù)據(jù)讀取技術(shù)主要用于二維圖紙點數(shù)據(jù)、文字數(shù)據(jù)和塊數(shù)據(jù)的識別采集；矢量圖形識別技術(shù)主要用于表數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)的識別采集；圖形巡徑模糊識別技術(shù)主要用于幾何數(shù)據(jù)的識別采集。通過自動分析和獲取二維圖紙的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，為后續(xù)將數(shù)據(jù)的二維幾何表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為三維幾何表現(xiàn)形式奠定基礎(chǔ)。

圖3 二維圖紙智能識別的關(guān)鍵技術(shù)

2.2 模型自動化生成技術(shù)

鐵路客站BIM 自動化生成技術(shù)是將二維圖紙中提取的模型所需關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行解析[9-10]，自動判斷其類型、參數(shù)，并將其與標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫相結(jié)合，進而實現(xiàn)二維表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為三維表現(xiàn)形式。模型自動化生成技術(shù)包括三維引擎顯示、二維和三維聯(lián)動交互等，模型自動化生成技術(shù)的主要內(nèi)容如圖4 所示。

圖4 模型自動化生成技術(shù)主要內(nèi)容

（1）同源異構(gòu)表現(xiàn)技術(shù)主要用于二維點數(shù)據(jù)、文字數(shù)據(jù)、表數(shù)據(jù)與三維模型數(shù)據(jù)的聯(lián)動和實時傳輸，實現(xiàn)真實數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型相關(guān)數(shù)據(jù)的目的。

（2）數(shù)據(jù)庫由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和算法數(shù)據(jù)2 大類組成。數(shù)據(jù)庫建構(gòu)以網(wǎng)狀數(shù)據(jù)庫為主，不僅可以支持以項目級別存儲數(shù)據(jù)，也可以支持以專業(yè)級別、構(gòu)件級別的存儲數(shù)據(jù)，更有利于深度學(xué)習(xí)算法的實現(xiàn)。

（3）標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫包含建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、給排水、電氣等構(gòu)件資源。標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫中的構(gòu)件需要進行預(yù)分類，并在圖元數(shù)據(jù)中將其視為一個集合進行處理，以提高對標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的識別效率。此外，在根據(jù)BIM 關(guān)鍵數(shù)據(jù)自動匹配標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫的過程中，由于原始的二維圖紙的標(biāo)準(zhǔn)化程度易受到制圖人習(xí)慣的影響，因此BIM 自動化生成是一個不斷學(xué)習(xí)和更新的過程。

（4）三維引擎顯示，即模型點擊渲染后可自動渲染，或者通過色卡、光源等調(diào)整后進行渲染。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動布置與優(yōu)化技術(shù)

構(gòu)件快速布置和優(yōu)化技術(shù)是用于正向三維設(shè)計的重要技術(shù)，涉及模型參數(shù)化、設(shè)計邏輯規(guī)則、扣減規(guī)則和碰撞檢測等，是人工智能（AI，Artificial Intelligence）與數(shù)字建筑相結(jié)合的典型應(yīng)用,其核心是對碰撞、避讓等規(guī)則的深度學(xué)習(xí)和AI 審圖。結(jié)合鐵路客站工程特點，基于數(shù)據(jù)庫中構(gòu)件的物理特性和功能特性的數(shù)字化表達，建立BIM 構(gòu)件之間的邏輯關(guān)系，可實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件的自動布置及優(yōu)化，如圖5所示。

圖5 鐵路客站標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動布置與優(yōu)化實現(xiàn)過程

在技術(shù)實現(xiàn)特點方面，為了保證標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動布置效率與效果，從以下兩方面入手：（1）結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫—數(shù)據(jù)庫—三維顯示耦合作用機理，建立建筑物的構(gòu)件、位置和數(shù)據(jù)處理相關(guān)關(guān)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)動約束和動態(tài)更新；（2）通過完整和具備邏輯關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，以云計算的方式實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)處理能力，繼而實現(xiàn)由圖形處理器（GPU，Graphics Processing Unit）與中央處理器（CPU，Central Processing Unit）共同處理、以大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動布置與優(yōu)化。此外，考慮到模型數(shù)據(jù)量龐大的特性，將流程化算法和邏輯化算法拆分為單點算法，觸發(fā)快速調(diào)用算法機制，繼而確保多通道數(shù)據(jù)處理能力。

3 應(yīng)用效果

本文研究的BIM 自動化生成技術(shù)已應(yīng)用于我國某鐵路客站工程管理信息化實踐中，應(yīng)用效果如下。

3.1 實現(xiàn)施工現(xiàn)場三維可視化

應(yīng)用二維圖紙智能識別技術(shù)采集該工程項目的電子圖紙數(shù)據(jù)信息，基于預(yù)先建成的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫和BIM 多維數(shù)據(jù)倉庫及相關(guān)算法，將二維圖紙數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型數(shù)據(jù)；利用BIM 的三維可視化效果實現(xiàn)三維展現(xiàn)，使得施工現(xiàn)場平面布置效果與現(xiàn)場盡量保持一致，如圖6 所示。此外，利用BIM 自動化生成技術(shù)得到的三維模型，能夠與設(shè)計參數(shù)及管理要求等相關(guān)數(shù)據(jù)實時關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了鐵路客站數(shù)字模型與可視化模型的實時、高度集成，形成對工程項目及其內(nèi)部要素關(guān)系的有效模擬。借助于BIM 的三維可視化效果，能夠使工程管理人員和專業(yè)技術(shù)人員充分掌握相關(guān)設(shè)計信息，輔助提高工程施工人員的作業(yè)能力。

圖6 某項目施工現(xiàn)場示意

3.2 提高BIM 建模效率與準(zhǔn)確性

應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件自動布置和優(yōu)化技術(shù)，有效解決了構(gòu)件扣減和碰撞優(yōu)化問題，顯著減少了構(gòu)件之間的人工匹配操作，提高了鐵路客站BIM 建模效率與準(zhǔn)確性，提升了鐵路客站BIM 建模自動化水平。隨著應(yīng)用規(guī)模的擴大、深度學(xué)習(xí)算法的持續(xù)改進，以及AI 技術(shù)的更新迭代，BIM 自動化生成技術(shù)的應(yīng)用將進一步降低鐵路客站BIM 建模的邊際成本。

3.3 提升鐵路客站施工管理質(zhì)量

通過建立BIM、模擬現(xiàn)場場景和管理活動，能夠支持管理人員和專業(yè)技術(shù)人員對鐵路客站建設(shè)的交通組織、大型設(shè)備配置、材料堆場、臨建設(shè)施使用等主要階段的管理進行優(yōu)化，使工程施工合理有序。通過將三維模型與鐵路客站安全風(fēng)險預(yù)控、質(zhì)量跟蹤管理等應(yīng)用的融合，增強工程安全管理、質(zhì)量管理的全面性和即時性，有效促進質(zhì)量管理優(yōu)化和安全管理優(yōu)化。

3.4 推動鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件體系建設(shè)

利用基于數(shù)據(jù)庫構(gòu)件的物理特性和功能特性的數(shù)字化表達方式，構(gòu)建鐵路客站標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫，有助于推動鐵路BIM 標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件體系建設(shè)，實現(xiàn)鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件資源的共建、共享；有助于促進標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件與客站產(chǎn)業(yè)化、建筑工業(yè)化的深度融合，以及工程建設(shè)科技成果的工程應(yīng)用，進而推動鐵路客站建設(shè)向標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、信息化和工業(yè)化轉(zhuǎn)型升級。

4 結(jié)束語

實現(xiàn)鐵路客站BIM 自動化生成對于提升鐵路工程建設(shè)管理水平、降低施工成本意義重大。要實現(xiàn)鐵路客站BIM 自動化生成技術(shù)完全自主可控和大規(guī)模推廣應(yīng)用，還需要進一步加強對三維顯示、深度學(xué)習(xí)等相關(guān)基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)算法的研究，同時，結(jié)合鐵路客站工程建設(shè)管理的需求和特點，加快研發(fā)BIM 自動化生成相關(guān)軟件產(chǎn)品，與既有的鐵路工程管理信息系統(tǒng)融合，在實踐中不斷優(yōu)化和改進相關(guān)軟件的功能及性能。