張敬涵，李佳玉，解亞龍

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

高速鐵路工程建設(shè)項目具有投資規(guī)模大、實(shí)施周期長、信息總量大等特點(diǎn)，新興信息技術(shù)的發(fā)展及與鐵路行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)的深度融合，是提升鐵路工程建設(shè)效率、保障建設(shè)質(zhì)量、降低成本的重要手段。因此，鐵路相關(guān)行業(yè)制定了建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）統(tǒng)一發(fā)展規(guī)劃，針對BIM 在鐵路行業(yè)的典型應(yīng)用，有計劃、分階段地開展BIM 應(yīng)用研究和實(shí)施工作[1]。BIM 在鐵路建設(shè)工程的推廣應(yīng)用已成為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢[2]。

鐵路BIM 技術(shù)在工程建設(shè)中起到了提高施工效率、降低施工成本及優(yōu)化資源配置的良好效果。BIM技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要是展示方式直觀、便于模擬優(yōu)化、便于協(xié)同工作[3]，可結(jié)合鐵路設(shè)計行業(yè)的狀況，進(jìn)行信息交流與資源交互，建立工程相關(guān)的數(shù)據(jù)資源庫并在工程推進(jìn)的過程中逐漸對其完善，滿足工程數(shù)據(jù)資源共享的需求[4]。但BIM 也具有一定的單一性和局限性，目前，尚未有覆蓋中國鐵路行業(yè)的完整的BIM 標(biāo)準(zhǔn)、成熟的鐵路專用BIM 軟件及鐵路軟件架構(gòu)庫[5]，且BIM 與其他技術(shù)還未完全融合貫通、互相關(guān)聯(lián)，因此，單一的BIM 技術(shù)并不能完全滿足鐵路建設(shè)施工需求。

本文將BIM 技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了基于BIM+的鐵路精細(xì)化管控平臺（簡稱：平臺）。該平臺的應(yīng)用，可進(jìn)一步提升鐵路工程建設(shè)技術(shù)水平及信息化管理的能力。

1 平臺設(shè)計

1.1 平臺構(gòu)成

平臺總體架構(gòu)采用私有云+公用端的模式，以BIM 數(shù)據(jù)為核心，集成物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云存儲等技術(shù)，通過模型和工程數(shù)據(jù)進(jìn)行施工過程全生命周期管控，將施工建設(shè)各個時期信息進(jìn)行整合。同時，客戶端、服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)媒介，服務(wù)并支撐私有云和公用端的業(yè)務(wù)應(yīng)用，平臺構(gòu)成如圖1所示。

圖1 BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺構(gòu)成

（1）公用端包括工程模型、電子沙盤及進(jìn)度質(zhì)量安全數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)的可視化展示，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用。

（2）私有云用于存儲BIM、現(xiàn)場數(shù)據(jù)及協(xié)同數(shù)據(jù)，供各應(yīng)用端進(jìn)行調(diào)用。

（3）客戶端、服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫共同支撐模型展示與人機(jī)交互功能。其中，客戶端負(fù)責(zé)展示與輸出數(shù)據(jù)；服務(wù)器負(fù)責(zé)接收、處理數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)庫用于數(shù)據(jù)和模型的存儲。

1.2 邏輯架構(gòu)

平臺可劃分為數(shù)據(jù)層、接口層、服務(wù)層、模型層和應(yīng)用層，邏輯架構(gòu)如圖2所示。

圖2 BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺邏輯架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)層：包含原始數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)及地理信息數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)處理和存儲接口層、模型層和應(yīng)用層傳輸?shù)母黝悢?shù)據(jù)。

（2）接口層：分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接口、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)接口和數(shù)據(jù)同步接口，為服務(wù)層提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析、提取和集成。

（3）服務(wù)層：為應(yīng)用層和模型層提供服務(wù)，主要分為渲染服務(wù)、權(quán)限服務(wù)、模型處理服務(wù)和分析服務(wù)[6]。其中，渲染服務(wù)包括BIM 的展示和瀏覽；權(quán)限服務(wù)包括數(shù)據(jù)的讀取控制及修改控制；模型處理服務(wù)包括模型的存儲、查詢、提取、更新及比對；分析服務(wù)包括數(shù)據(jù)的通用性能分析。

（4）模型層：用于分層存儲BIM，并對模型進(jìn)行輕量化及優(yōu)化，以減小CPU 負(fù)載、內(nèi)存負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)用。模型層為應(yīng)用層的具體功能提供三維可視化服務(wù)，支持應(yīng)用層的各類業(yè)務(wù)智能化管理。

（5）應(yīng)用層：通過讀取、調(diào)用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，對BIM 和各類數(shù)據(jù)進(jìn)行三維展示，實(shí)現(xiàn)平臺業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的輸入與輸出。按不同建設(shè)管理目標(biāo)對工程的模塊與功能進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)電子沙盤 、進(jìn)度管理、施工組織（簡稱：施組）管理、資料查詢等功能應(yīng)用。

1.3 技術(shù)架構(gòu)

平臺采用Java 數(shù)據(jù)庫連接（JDBC，Java Data Base Connectivity）技術(shù)和模型-視圖-控制器（MVC，Model View Controller）設(shè)計模式。其中，MVC 設(shè)計模式用于鏈接后端MySQL 數(shù)據(jù)庫和Tomcat 服務(wù)器；JDBC 用于打通資源數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)用服務(wù)與Web 服務(wù)，再由Web 服務(wù)將數(shù)據(jù)和應(yīng)用輸出到互聯(lián)網(wǎng)端進(jìn)行展示和應(yīng)用。平臺技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺技術(shù)架構(gòu)

平臺基于面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA，Service-Oriented Architecture）進(jìn)行前后端分離、模塊化設(shè)計和服務(wù)化設(shè)計，分離了數(shù)據(jù)層和控制層；通過中間件構(gòu)件設(shè)計、高擴(kuò)展設(shè)計和高可用性設(shè)計形成Java開源生態(tài)圈；通過性能擴(kuò)展性設(shè)計和高響應(yīng)速度設(shè)計實(shí)現(xiàn)動靜分離機(jī)制。

平臺由前端和后臺組成：

（1）后臺采用MySQL 數(shù)據(jù)庫，并基于Tomcat服務(wù)器進(jìn)行應(yīng)用發(fā)布，傳輸動態(tài)資源數(shù)據(jù)和靜態(tài)資源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，同時，服務(wù)將數(shù)據(jù)反饋回到MySQL 數(shù)據(jù)庫，處理生成新數(shù)據(jù)后再由Tomcat 服務(wù)器進(jìn)行發(fā)布；

（2）前端采用Html、Css 等瀏覽器原生支持的技術(shù)進(jìn)行客戶端的應(yīng)用構(gòu)建，包括瀏覽器端平臺界面、模型應(yīng)用、業(yè)務(wù)應(yīng)用和系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)，可在保證平臺性能的同時，給予良好的用戶體驗，實(shí)現(xiàn)高效開發(fā)。

2 平臺功能

平臺的功能主要有電子沙盤、進(jìn)度跟蹤、施組優(yōu)化及施工方案模擬。該平臺以施工進(jìn)度為主線、數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)、成本控制為核心，實(shí)現(xiàn)了施工過程的實(shí)時、多方位和多節(jié)點(diǎn)管理。

2.1 電子沙盤

BIM 施工建設(shè)電子沙盤提供不同的投影模式，可使用戶從高處對整個場景進(jìn)行全局性的觀察，以不同的角度和距離俯瞰整個區(qū)域，且具有放大、縮小、平移、旋轉(zhuǎn)等基本操作功能。同時，電子沙盤提供天空背景和環(huán)境效果，可增強(qiáng)場景的真實(shí)感，便于用戶對地形、地貌進(jìn)行分析及對整體、局部地形進(jìn)行觀察。

通過電子沙盤，用戶可從大數(shù)據(jù)的角度解析施工數(shù)據(jù)需求，對施工過程數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理和統(tǒng)計，從項目基本信息、進(jìn)度、安全、質(zhì)量等多個維度對鐵路施工的整體建設(shè)精準(zhǔn)把控。

2.2 進(jìn)度跟蹤

進(jìn)度跟蹤是將施工計劃進(jìn)度、實(shí)際進(jìn)度數(shù)據(jù)與BIM 模型相掛接，將空間信息、時間信息、質(zhì)量安全信息整合在一個模型中，并對一些重要的施工環(huán)節(jié)、工藝工法進(jìn)行模擬和分析，以提高計劃可行性，實(shí)現(xiàn)實(shí)施成果的預(yù)見性和可追溯性。在施工單元BIM 中，可將實(shí)際進(jìn)度與計劃進(jìn)度進(jìn)行比對，并在三維動態(tài)模型上展示，實(shí)現(xiàn)進(jìn)度偏差分析和施工進(jìn)度滯后預(yù)警。

進(jìn)度跟蹤功能有助于用戶在項目施工過程中合理制定施工計劃、精確掌握施工進(jìn)度、優(yōu)化施工資源及科學(xué)布置場地，可對整個工程的質(zhì)量和安全進(jìn)行統(tǒng)一管理和控制，有效縮短工期、降低成本、提高工程質(zhì)量。

2.3 施組優(yōu)化

平臺基于計劃編制的算法、BIM 與甘特圖結(jié)合的形象進(jìn)度展示方法，將工作分解結(jié)構(gòu)（WBS，Work Breakdown Structure）與工程實(shí)體結(jié)構(gòu)自動掛接，實(shí)現(xiàn)鐵路施組優(yōu)化決策設(shè)計。此外，利用BIM 技術(shù)進(jìn)行施工資源配置優(yōu)化，以施組計劃為輔助，與工程中傳統(tǒng)方法技術(shù)相結(jié)合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，可有效解決施組和資源配置優(yōu)化問題，使施組編排更優(yōu)化、資源利用更合理，從而達(dá)到降低施工成本的目的，為鐵路施工精細(xì)化管理打下堅實(shí)基礎(chǔ)。

2.4 施工方案模擬

施工方案模擬可對重點(diǎn)施工單元分別建立地形模型、場地布置模型、構(gòu)筑物模型、結(jié)構(gòu)模型和機(jī)電各專業(yè)模型等。模型的精細(xì)度為LOD350 及以上，模型單元的建立、傳輸、交付和解讀信息包含模型的幾何造型、幾何精度、信息深度及基本信息附加。對施工過程中的具體工藝工法進(jìn)行模擬，可根據(jù)模擬結(jié)果預(yù)判可能的結(jié)果，及時調(diào)整工藝工法的選擇，優(yōu)化總體施工效率。

3 平臺特色

3.1 大體量模型輕量化融合

平臺可將BIM、地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）及航拍大體量數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，將不同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分和重組，形成統(tǒng)一可視化數(shù)據(jù)，為平臺的應(yīng)用層提供準(zhǔn)確、全面的有力支撐。

平臺實(shí)現(xiàn)輕量化的方式是將三維模型瓦片化。通常一個瓦片由級別、橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)唯一標(biāo)識，每個瓦片表示的像素寬度和高度是固定不變的，隨著級別增高，每一級的瓦片數(shù)量指數(shù)性增多，每一個瓦片所覆蓋的地理范圍減少但像素寬和高不變，從而使得模型信息更加清晰明確，實(shí)現(xiàn)大體量影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)和BIM 的輕量化。

3.2 多源數(shù)據(jù)動態(tài)更新

平臺通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)源解析過程，保證數(shù)據(jù)動態(tài)更新。具體流程為：

（1）從BIM 中提取出屬性信息數(shù)據(jù)，賦予其唯一標(biāo)識定義；

（2）將屬性信息數(shù)據(jù)進(jìn)行流化處理，傳入BIM 流數(shù)據(jù)庫，發(fā)布BIM 服務(wù)；

（3）生成一份GIS 模型文件，將其存儲到GIS數(shù)據(jù)庫，發(fā)布GIS 服務(wù)；

（4）BIM 服務(wù)與GIS 服務(wù)經(jīng)過認(rèn)證后，統(tǒng)一由GIS+BIM 應(yīng)用服務(wù)器發(fā)布到客戶瀏覽器。通過該技術(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)動態(tài)更新時，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可通過唯一標(biāo)識得以繼承，使得模型版本控制更精準(zhǔn)。

3.3 多期影像自動校準(zhǔn)

平臺通過導(dǎo)入無人機(jī)定期巡檢形成的傾斜攝影影像，可自動生成模型，對新采集的影像自動進(jìn)行位置配準(zhǔn)及視口嵌套更新，并按日期排列對齊。通過多期影像自動校準(zhǔn)技術(shù)可有效解決影像定位配準(zhǔn)時的應(yīng)用難題，包括人工分揀不及時、工作量大、相似區(qū)段地物無明顯特征等問題，從而有效提高施工效率、降低人工成本。

4 平臺應(yīng)用

平臺已成功應(yīng)用于京雄（北京—雄安）城際鐵路站前七標(biāo)雄安特大橋項目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了鐵路工程建設(shè)施工精細(xì)化管控的目標(biāo)。

4.1 應(yīng)用概況

京雄城際鐵路是完善京津冀區(qū)域高速鐵路網(wǎng)結(jié)構(gòu)的重要鐵路線路[7]，七標(biāo)主要工程為雄安特大橋。平臺實(shí)施采用多層分布式應(yīng)用部署，通過數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)與非關(guān)系型數(shù)據(jù)的存儲[8]，包括施工組織、檢驗批、工程影像、施工進(jìn)度、地形數(shù)據(jù)、BIM、傾斜攝影等數(shù)據(jù)；通過服務(wù)層授權(quán)認(rèn)證接口服務(wù)、地理信息服務(wù)及BIM 圖形引擎服務(wù)；通過應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)綜合展示、進(jìn)度跟蹤、施組優(yōu)化、工單派發(fā)等功能。

4.2 應(yīng)用效果

（1）模型深化：對雄安特大橋設(shè)計模型按照施工需求深化為施工模型，以m 為單位進(jìn)行拆分，對模型進(jìn)行組裝后形成整體模型，并創(chuàng)建重要節(jié)點(diǎn)LOD400 級模型，可對細(xì)部構(gòu)造進(jìn)行展示。

（2）施工單元劃分：將雄安特大橋項目的施工分部、分項的方法與 BIM 技術(shù)相結(jié)合，提出基于BIM 的工程單元劃分原則；根據(jù)工程施工單元劃分原則，提出施工單元劃分方法；在此基礎(chǔ)上，根據(jù)編碼體系，實(shí)現(xiàn)施工單元的分類和編碼。

（3）進(jìn)度跟蹤推演：以終端采集的雄安特大橋工程進(jìn)度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的綜合分析，挖掘重點(diǎn)信息；通過進(jìn)度推演算法和進(jìn)度紅線報警，可快速直觀地反映進(jìn)度滯后的原因和位置，從而實(shí)現(xiàn)工程項目 WBS 與 BIM 的自動關(guān)聯(lián)、基于位置的計劃編制與資源配置、施工進(jìn)度采集、進(jìn)度跟蹤與控制及基于 BIM 的計劃進(jìn)度形象展示等功能。

（4）施組優(yōu)化：通過BIM+技術(shù)，以系統(tǒng)工程學(xué)、控制論和信息論為理論基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)信息集成和矩陣式結(jié)構(gòu)管理，對雄安特大橋項目的施組情況進(jìn)行動態(tài)、量化管理和有效優(yōu)化。

（5）分布式電子沙盤：基于雄安特大橋BIM單元，通過多層分布式應(yīng)用部署，實(shí)現(xiàn)電子沙盤虛擬場景與橋梁真實(shí)場景的融合，通過統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)度、緯度、海拔等地理信息坐標(biāo)體系，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和時空動態(tài)分析。

（6）精細(xì)化管理：將雄安特大橋工程的每一個BIM 構(gòu)件作為一個施工單元，結(jié)合施工經(jīng)驗，通過平臺掌握每個工點(diǎn)的詳細(xì)情況，從而完成特大橋整體的多方位、精細(xì)化管理。

5 結(jié)束語

本文提出的BIM+鐵路精細(xì)化管控平臺結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云存儲等技術(shù)，將三維模型與施工信息關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)電子沙盤、進(jìn)度跟蹤、施組優(yōu)化及施工方案模擬等多種功能，從而以專業(yè)化和科學(xué)化的管理手段，對項目施工建設(shè)期的進(jìn)度、成本、質(zhì)量、資源、安全等方面進(jìn)行動態(tài)和量化管理，可有效控制風(fēng)險因素，保證鐵路全生命周期涉及到的各方參與人員高效協(xié)同工作，最終對項目建設(shè)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。下一步，還須針對鐵路管理領(lǐng)域的深度要求，構(gòu)建完善的精細(xì)化管理體系，進(jìn)一步提升鐵路工程建設(shè)水平。