王芬旗,柳 婷,宗二凱

(1. 寧波市測繪和遙感技術(shù)研究院,浙江 寧波 315042; 2. 寧波市自然資源和規(guī)劃調(diào)查監(jiān)測中心,浙江 寧波 315042; 3. 寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司,浙江 寧波 315040)

軌道交通對(duì)提升城市公共交通供給質(zhì)量和效率、緩解城市交通擁堵、引導(dǎo)優(yōu)化城市空間結(jié)構(gòu)布局、改善城市環(huán)境、提升城市品質(zhì),具有重要作用。而軌道交通規(guī)劃選線是軌道交通建設(shè)的關(guān)鍵,發(fā)揮著提綱挈領(lǐng)的作用,是推動(dòng)軌道交通建設(shè)順利實(shí)施的重要保障和落實(shí)投資決策的重要依據(jù)[1]。

為積極應(yīng)對(duì)國家對(duì)軌道交通建設(shè)規(guī)劃審批政策,扎實(shí)做好寧波軌道交通第三輪建設(shè)規(guī)劃報(bào)批的前期準(zhǔn)備,通過密切關(guān)注國內(nèi)外數(shù)字化技術(shù)動(dòng)態(tài),發(fā)現(xiàn)數(shù)字孿生城市這一新技術(shù)便于平時(shí)優(yōu)化軌道交通規(guī)劃選線方案,提升效率、減少紕漏。

本文以寧波市軌道交通第三輪建設(shè)規(guī)劃為例,論證現(xiàn)階段靜態(tài)、多時(shí)態(tài)的數(shù)字孿生城市對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)需求的適用性,闡述數(shù)字孿生城市統(tǒng)一大場景建設(shè)方法。

1 理論和實(shí)踐探索

2011年,美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室和NASA合作提出了數(shù)字孿生技術(shù),它是充分利用物理模型和物聯(lián)網(wǎng)傳感器采集的傳感器數(shù)據(jù)和運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù),集成多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間映射,以反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體的功能、實(shí)時(shí)狀態(tài)和演變趨勢。短短幾年,數(shù)字孿生技術(shù)概念便迅速從航天拓展到制造業(yè)、城市規(guī)劃建設(shè)和城鄉(xiāng)社會(huì)治理等領(lǐng)域,成為城市數(shù)字化轉(zhuǎn)型必選的通用路徑[2]。

2018年4月20日,《雄安新區(qū)規(guī)劃綱要》中提出了數(shù)字孿生城市理念[3]。2020年7月,全國科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)批準(zhǔn)“數(shù)字孿生城市”為大數(shù)據(jù)新詞。2021年3月13日,“探索建設(shè)數(shù)字孿生城市”列入國家“十四五”規(guī)劃綱要。隨著數(shù)字孿生與實(shí)景三維中國、地理信息系統(tǒng)(GIS)、激光掃描(SLAM)、建筑信息模型(BIM)、城市信息模型(CIM)[4]和大數(shù)據(jù)等多種信息技術(shù)不斷交叉融合,數(shù)字孿生城市正在成為智慧城市的升級(jí)[5]。同時(shí)數(shù)字孿生城市是非常復(fù)雜的系統(tǒng),應(yīng)堅(jiān)持統(tǒng)籌協(xié)調(diào)、邊建邊用,其應(yīng)用于軌道交通選線是良好契機(jī)。

城市現(xiàn)代化中軌道交通是重點(diǎn)。數(shù)字孿生城市與現(xiàn)代化城市是共生關(guān)系,數(shù)字孿生城市相關(guān)信息技術(shù),如BIM、GIS等先進(jìn)測繪技術(shù)[6]在軌道交通領(lǐng)域里,同樣是巨大的變革動(dòng)力,在軌道交通設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維管理過程中發(fā)揮了巨大作用[7]。設(shè)計(jì)階段,建立軌道交通站點(diǎn)BIM模型,利用IFC規(guī)則統(tǒng)合多源BIM形成標(biāo)準(zhǔn)格式,提升軌道交通信息模型(RIM)協(xié)同效率等[8];施工階段,利用激光掃描(SLAM)、測量機(jī)器人等結(jié)合站點(diǎn)和盾構(gòu)BIM模型實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化施工[9];運(yùn)維階段,利用BIM和GIS等技術(shù),建立軌道交通信息模型(軌道交通站點(diǎn)和盾構(gòu)模型、地形地貌模型、地下管線模型和地質(zhì)三維模型等)實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維管理。軌道交通信息模型(RIM)已形成一套較完整、覆蓋面較廣的理論體系[10],如圖1所示。

圖1 數(shù)字化設(shè)計(jì)協(xié)同

BIM技術(shù)在軌道交通規(guī)劃選線階段具有較大局限性,尚未真正實(shí)現(xiàn)軌道交通全生命周期管理。因此,研究利用數(shù)字孿生城市進(jìn)行軌道交通規(guī)劃選線[11],是滿足從宏觀到微觀的選線要求,探索實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)貫穿式迭代升級(jí),打通軌道交通全生命周期管理的最初關(guān)鍵一環(huán)。

2 現(xiàn)狀與需求分析

2.1 現(xiàn)狀分析

(1)軌道交通建設(shè)責(zé)任重大。它是城市擴(kuò)容的重要支撐、帶動(dòng)外圍組團(tuán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的交通生命線和構(gòu)建適應(yīng)國土空間總體規(guī)劃的基礎(chǔ)。軌道交通規(guī)劃選線應(yīng)遵循“適應(yīng)總體規(guī)劃、促進(jìn)城鎮(zhèn)發(fā)展、兼顧社會(huì)效率和運(yùn)營效益”的原則。

(2)軌道交通建設(shè)復(fù)雜性強(qiáng)。它呈現(xiàn)多層次、多維度、多階段、多專業(yè)特點(diǎn),如全程管理包括前期選線、初步設(shè)計(jì)、勘察設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維等,建設(shè)開發(fā)涉及地上交通、建(構(gòu))筑物和地下空間。軌道交通線路穿越復(fù)雜城市空間,包括地上、地下空間,線路選擇考慮因素較多,如工程投資、客流量、拆遷量、文物保護(hù)等多方面,傳統(tǒng)線路規(guī)劃方法難以發(fā)現(xiàn)一些潛在問題,如地下線路與地下管線、建筑樁基的沖突。

2.2 需求分析

理想狀態(tài)下,數(shù)字孿生城市與物理城市通過雙向映射、動(dòng)態(tài)交互、實(shí)時(shí)連接,實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃建設(shè)一張圖、城市治理虛實(shí)一盤棋及城市服務(wù)情景一站式。在城市規(guī)劃和建設(shè)領(lǐng)域,利用數(shù)字孿生城市進(jìn)行軌道交通規(guī)劃選線,要做好需求調(diào)研,兼顧需要和可能,循序漸進(jìn)推進(jìn)[12]。

用于城市軌道交通選線的數(shù)字孿生城市可以是靜態(tài)、多時(shí)態(tài)的,不一定要求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的,能真實(shí)、直觀、準(zhǔn)確地在數(shù)字孿生城市中表達(dá)選線方案,足不出戶即可多視角、全方位地反復(fù)驗(yàn)證規(guī)劃選線方案,能有效代替辛苦現(xiàn)場踏勘工作,并能將地上建筑、地下管線與線路站點(diǎn)結(jié)合展示,為軌道交通規(guī)劃線路提供可視化解決方案。

利用數(shù)字孿生城市進(jìn)行軌道交通規(guī)劃選線,要做好地上、地表、地下等多源數(shù)據(jù)現(xiàn)狀調(diào)研,構(gòu)建自然資源、規(guī)劃、建設(shè)、地質(zhì)、建筑、市政、公共服務(wù)和城市運(yùn)行等多領(lǐng)域的數(shù)據(jù)資源體系,以實(shí)景三維中國和CIM平臺(tái)為底板,深化實(shí)景三維模型、城市信息模型(CIM)、建筑信息模型(BIM)、地下管線模型等數(shù)據(jù)一體化應(yīng)用[13]。

3 選線流程與條件

寧波市軌道交通第三輪建設(shè)規(guī)劃包含了6號(hào)線一期、7號(hào)線和8號(hào)線等,主要分布于寧波中心城區(qū)。7號(hào)線范圍如圖2所示。

圖2 7號(hào)線實(shí)景三維建模作業(yè)范圍

3.1 流 程

軌道交通選線流程:首先依據(jù)國土空間規(guī)劃和線網(wǎng)規(guī)劃明確功能定位;然后與自然資源和規(guī)劃部門對(duì)接落實(shí)項(xiàng)目用地;最后對(duì)重要節(jié)點(diǎn)反復(fù)推敲,穩(wěn)定線站位方案。

軌道交通規(guī)劃選線方法主要分為定性、定量和空間模型分析。其中,空間模型分析主要包括利用高分辨率航空影像、數(shù)字高程模型構(gòu)建地形地貌模型展示整體城市布局;利用實(shí)景三維模型構(gòu)建線路周邊真實(shí)三維場景[14],全面展示建筑、道路、水系、植被等要素;利用地下管線模型,輔助地下管線避讓、改遷;建立線路方案的二維數(shù)據(jù)建庫實(shí)現(xiàn)精確落圖;建立線路三維模型庫,直觀展示線路方案;搭建軌道交通選線平臺(tái),承載選線場景、線路多方案比選、錄制巡航視頻,輔助選線工作優(yōu)化方案和遠(yuǎn)程會(huì)議評(píng)審。

3.2 條 件

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)主要包括調(diào)查(普查)數(shù)據(jù)、測繪遙感數(shù)據(jù)、線路方案、國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)等。

(1)調(diào)查(普查)數(shù)據(jù):包括全國國土調(diào)查及年度變更調(diào)查數(shù)據(jù)、地理國情普查數(shù)據(jù)、地下空間普查數(shù)據(jù)(管線)。

(2)測繪遙感數(shù)據(jù):包括遙感影像、寧波市控制網(wǎng)成果、NBCORS服務(wù)系統(tǒng)、1∶2000的DEM、寧波大市區(qū)DOM、1∶2000地形圖數(shù)據(jù)、竣工圖數(shù)據(jù)、POI(地名、路名、河名)數(shù)據(jù)。

(3)線路方案:包括軌道交通路線方案CAD圖、軌道交通建設(shè)規(guī)劃圖。

(4)國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù):包括“三區(qū)三線”、控制性詳細(xì)規(guī)劃、規(guī)劃控制線(道路紅線、建筑紅線、河道藍(lán)線、城市紫線等)、規(guī)劃路網(wǎng)數(shù)據(jù)。

(5)大數(shù)據(jù):包括手機(jī)信令數(shù)據(jù)、城市居民職住OD數(shù)據(jù)等城市運(yùn)行大數(shù)據(jù)資料。

3.2.2 數(shù)學(xué)基礎(chǔ)

為實(shí)現(xiàn)各種數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理和調(diào)用,采用北京時(shí)間,統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)、投影和高程基準(zhǔn)。

(1)坐標(biāo)系統(tǒng):CGCS2000。

(2)投影:高斯-克呂格投影,投影分帶采用高斯3°分帶(中央經(jīng)線為東經(jīng)123°)。

(3)高程基準(zhǔn):正常高系統(tǒng),高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。

4 建設(shè)方法

4.1 數(shù)字孿生城市大場景構(gòu)建

(1)地形地貌建模。地形地貌模型能直觀展示地形地貌空間分布、城市形態(tài),形成真實(shí)的三維地理環(huán)境。利用1∶2000 DEM和高分辨率衛(wèi)星影像制作地形地貌模型。地形地貌建模流程如圖3所示。

圖3 地形地貌建模技術(shù)流程

(2)實(shí)景三維建模與更新。傾斜航空攝影地面分辨率為5 cm,航空攝影像片旁向重疊度為70%～80%,航向重疊度為75%～85%。根據(jù)攝影測量原理,對(duì)獲得的傾斜影像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、多視角聯(lián)合平差、模型重建、實(shí)景三維模型修改、檢查等過程,如圖4—圖5所示。

圖4 實(shí)景三維模型

圖5 三維實(shí)景模型制作技術(shù)流程

通過實(shí)景三維建模能真實(shí)反映規(guī)劃選線作業(yè)區(qū)內(nèi)建筑、交通、水系、植被等地物的主要特征和結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)大場景下的真實(shí)地貌展示,其中對(duì)建筑物的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何建模,能反映其基本輪廓和結(jié)構(gòu);表面紋理基本反映建筑物的顏色、質(zhì)地。通過航空影像監(jiān)測發(fā)現(xiàn)變化圖斑,再進(jìn)行實(shí)景三維模型定期更新以保證現(xiàn)勢性,如圖6所示,灰色為更新區(qū)域。

圖6 實(shí)景三維模型更新

4.2 數(shù)字孿生城市軌道交通二三維選線

傳統(tǒng)選線需要內(nèi)外業(yè)反復(fù)驗(yàn)證,選線工作人員需要理清繁雜的資料,且進(jìn)行大量外業(yè)踏勘工作。受客觀條件的約束,如軍事禁區(qū)、居民區(qū)廠區(qū)圍墻內(nèi)部的信息難以采集,造成采集遺漏。在集成了多類型數(shù)據(jù)數(shù)字孿生平臺(tái)上可以全面采集信息、極大地簡化選線流程,提高設(shè)計(jì)效率,也能有效地避免設(shè)計(jì)缺陷。

制作軌道交通二維數(shù)據(jù)庫并整體落圖于數(shù)字孿生城市統(tǒng)一大場景中。二維數(shù)據(jù)庫包括基于軌道交通選線方案的CAD圖紙,在圖紙中整理出站臺(tái)、站點(diǎn)結(jié)構(gòu)邊線(含出入口)、軌道中心線、盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)邊線等圖層,如圖7所示。同時(shí),整理出沿線兩側(cè)各500 m范圍內(nèi)規(guī)劃路網(wǎng)、河道、地名地址等數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換成矢量文件。

圖7 軌道交通線路二維數(shù)據(jù)

數(shù)字孿生城市中實(shí)景三維模型是現(xiàn)狀全要素的真實(shí)體現(xiàn),將二維數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型相結(jié)合即為規(guī)劃與現(xiàn)狀結(jié)合,將多個(gè)維度輔助線路合理規(guī)劃,精準(zhǔn)地避讓房屋、建筑、橋梁,減少返工量,有效縮短建設(shè)時(shí)間。二三維選線過程如圖8—圖9所示。

圖8 二三維選線過程(變更前)

4.3 數(shù)字孿生城市軌道交通三維選線

(1)軌道交通信息模型。參照《城市地下空間三維建模技術(shù)規(guī)范》(GB/T 41447—2022)要求構(gòu)建細(xì)節(jié)層次為LOD3的軌道交通信息模型[15],發(fā)布至數(shù)字孿生城市統(tǒng)一大場景,如圖10所示。

圖10 軌道交通信息模型

(2)地下管線建模。根據(jù)地下管線測繪數(shù)據(jù)庫、管線BIM模型、管線圖紙,構(gòu)建地下管線建模,包括管線、管點(diǎn)、走向及管線附屬設(shè)施的位置等,展示至數(shù)字孿生城市統(tǒng)一大場景中,輔助軌道交通選線,如圖11所示。

圖11 數(shù)字孿生城市軌道交通站點(diǎn)

將地上空間、地下空間的實(shí)景三維模型、軌道交通信息模型及地下管線模型等多個(gè)尺度場景統(tǒng)籌構(gòu)建,實(shí)現(xiàn)一體化瀏覽與管理,從而夯實(shí)軌道交通選線相關(guān)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。在縱橫交替之間,數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性顯示清晰,為復(fù)雜環(huán)境下軌道交通管線的遷改,提供可視化解決方案。

(3)三維輔助選線過程。軌道交通選線工作的復(fù)雜在于不僅規(guī)劃宏觀層面上整條線路走向,還要考慮微觀層面每個(gè)出入口的設(shè)置,以及地上、地下空間的沖突避讓。如結(jié)合三維輔助選線發(fā)現(xiàn)圖12中站點(diǎn)出入口設(shè)置明顯是不合理,圖13中地下空間的重要管線和距離均清晰地展示。

圖12 推敲站點(diǎn)出入口位置

圖13 軌道交通盾構(gòu)避讓地下管線

4.4 大數(shù)據(jù)支撐選線決策

利用實(shí)時(shí)人口大數(shù)據(jù),可以直觀地了解寧波城區(qū)實(shí)時(shí)人口密度分布情況及一天內(nèi)的人口流動(dòng)變化,為軌道交通前期規(guī)劃提供決策支撐?；诖髷?shù)據(jù)的區(qū)域出行信息,可以判斷區(qū)域交通流量是否平衡,輔助交通站點(diǎn)進(jìn)行選址、選線及線路調(diào)整,如圖14所示。

圖14 交通出行分析

區(qū)域交通起止點(diǎn)出行分析的統(tǒng)計(jì)單元格為網(wǎng)格、小區(qū)、規(guī)劃地塊,數(shù)據(jù)內(nèi)容為起點(diǎn)、終點(diǎn)、耗時(shí)、里程、分時(shí)段。

4.5 錄制視頻

巡航視頻適用于匯報(bào)、評(píng)審和報(bào)批等多種服務(wù)場景,由數(shù)字孿生城市軌道交通選線場景、解說配音和全局同步地圖導(dǎo)航組成,如圖15所示。在保證視頻清晰度和會(huì)議流暢性的前提下,巡航視頻畫幅大小宜定為1280×720像素,速度為25.00 FPS,格式為MP4。為達(dá)到良好視覺效果,巡航設(shè)置參數(shù)為:巡航高度250 m、巡航速度25 m/s及俯視角度45°。

圖15 巡航視頻截圖

5 評(píng)價(jià)和展望

在真實(shí)、全面反映城市現(xiàn)狀和軌道交通規(guī)劃的數(shù)字孿生城市中,各相關(guān)方足不出戶,在辦公室、會(huì)議室內(nèi)即可全方位、多角度地了解軌道交通選線與周邊環(huán)境,通過鼠標(biāo)放大、縮小切換,實(shí)現(xiàn)全要素展示,能夠輔助從宏觀到微觀的全過程選線決策。

結(jié)合數(shù)字孿生城市全景式和全要素特點(diǎn),在規(guī)劃選線階段,全面審視方案,提前發(fā)現(xiàn)問題,提高選線科學(xué)性;在設(shè)計(jì)階段,輔助各專業(yè)進(jìn)行地鐵站內(nèi)管線綜合,協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì);在施工階段,進(jìn)行構(gòu)件級(jí)別的虛擬建造提升施工精細(xì)管理水平和地下管線改遷;在運(yùn)維階段,模型構(gòu)件信息與真實(shí)資產(chǎn)一一對(duì)應(yīng),實(shí)現(xiàn)運(yùn)營維護(hù)的可視化。數(shù)字孿生城市真正實(shí)現(xiàn)了軌道交通規(guī)劃選線、設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)維的全生命周期管理,為數(shù)字孿生城市拓展其他應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。