王曉明，曹玉新，李金武，陳 超

（1.中電建鐵路建設投資集團有限公司，北京 100070；2.北京華科軟科技有限公司，北京 100048）

城市地上地下環(huán)境較為復雜，對地鐵盾構施工活動造成較多的限制，給施工管理帶來極大的挑戰(zhàn)。而傳統(tǒng)的施工管理方式已經(jīng)無法滿足日益擴增的地鐵盾構施工需求，亟須通過運用先進數(shù)字化技術手段實現(xiàn)智慧化施工管理應用。因此，開展基于多源異構數(shù)據(jù)融合的地鐵盾構施工管理平臺建設關鍵技術與應用研究具有重要意義。

江玉生[1]等通過早期對于信息化技術應用落地的探索，開發(fā)了盾構施工實時管理與風險監(jiān)控系統(tǒng)集成平臺，實現(xiàn)了對于盾構掘進參數(shù)及耗材量的實時監(jiān)控管理及預警；陳文遠[2]等開發(fā)了盾構集群遠程監(jiān)控與智能化決策支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過可視化與識別算法技術對盾構施工進行了圖表展示以及實時數(shù)據(jù)的智能化識別；程佳琛[3]研發(fā)的盾構施工監(jiān)控管理平臺可以對盾構參數(shù)進行實時監(jiān)控，并對施工質量及監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合管控；瞿文婷等[4]基于BIM 技術，結合物聯(lián)網(wǎng)等信息手段建立了具備施工管理、管片跟蹤、盾構監(jiān)控等功能模塊的數(shù)字化隧道施工管理平臺；陳卓[5]等運用BIM 技術對地鐵隧道盾構進行了規(guī)劃設計與分析，并基于BIM 打造了可用于施工管理、動態(tài)監(jiān)控及實時監(jiān)測的數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)；孫振川等[6]建立了集智能監(jiān)測、綜合分析、協(xié)同管理等功能于一體的隧道掘進機工程大數(shù)據(jù)管理平臺，旨在提升施工效率與智能化管理水平；Borrmann，A.等[7]通過集成BIM 與GIS（Geographic Information System）地理信息系統(tǒng)，建立了多維度地從幾何到語義信息關聯(lián)的綜合盾構信息模型，以實現(xiàn)對于施工過程的模擬與分析；Nini?，J.等[8]則構建了能夠提供不同模型信息精確度以實現(xiàn)從設計到施工分析的盾構集成管理平臺。

上述研究有的方案強調(diào)的是實時管控與預警，但是對于施工前期盾構相關模型建立的準確性以及周圍場景數(shù)據(jù)采集的真實性存疑，導致最終效果產(chǎn)生較大偏差；有的方案則在平臺數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)架構及系統(tǒng)功能等方面存在一定的局限性，并且平臺使用維護成本高，難以滿足多層級管理模式的需求，影響了其后續(xù)的可持續(xù)發(fā)展。針對上述所提到的缺陷問題，致力于實現(xiàn)數(shù)字化、集成化、智慧化的地鐵盾構施工管理模式，基于對BIM 模型、地理信息、三維場景以及傳感監(jiān)測信息等多源異構數(shù)據(jù)的融合，開展數(shù)據(jù)采集、信息存儲、交互分析、平臺架構設計、功能模塊建設等關鍵技術的研究，打造集成綜合信息模型、貫穿業(yè)務多維度以及數(shù)據(jù)有機結合生態(tài)化，且能夠滿足和適應未來項目復雜施工需求的地鐵盾構施工管理平臺。

1 技術應用路線

1）利用自主研發(fā)的可內(nèi)置于平臺的轉換插件實現(xiàn)將不同來源格式的地鐵盾構相關BIM 模型轉換為統(tǒng)一格式。

2）采用自主研發(fā)的輕量化引擎技術在平臺上將大體量BIM 模型處理成輕量化格式并在Web端發(fā)布成輕量化數(shù)據(jù)服務。

3）利用平臺的輕量化引擎實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)，如BIM 模型、地理信息數(shù)據(jù)、三維場景數(shù)據(jù)及傳感監(jiān)測數(shù)據(jù)的融合，以搭建地鐵盾構工程項目應用管理所需要的三維場景模型。

4）在平臺上開發(fā)建設滿足盾構施工管理的監(jiān)測、分析、仿真驗算等各項功能模塊以及應用于綜合分析、工程監(jiān)控及動態(tài)預警的智慧決策。

2 平臺關鍵技術應用

該平臺技術研究遵循WebService、Osgb+xml、HTML/HTML5、Canvas、Threejs、SpringMVN、Flow/Bizx、RESTful、OGC/I3S/IFC 等Web 開發(fā)框架、信息交互和數(shù)據(jù)標準。首先采用模型轉換插件將來源于不同軟件廠商的地鐵項目BIM 模型統(tǒng)一轉換為通用的IFC 格式，然后通過輕量化引擎技術對大體量的BIM 模型進行輕量化處理并得到壓縮后重新拼裝的輕量化模型。而后通過多源異構數(shù)據(jù)融合技術將BIM 輕量化模型信息與三維地形、激光點云、地下勘探等地理信息以及傾斜攝影、遙感影像等場景信息，還有相關傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)庫關聯(lián)與融合。平臺采用WebGL 技術作為三維繪圖協(xié)議標準，該標準允許將JavaScript和OpenGL ES 2.0 結合在一起，通過統(tǒng)一標準的OpenGL 接口增加OpenGL ES 2.0 的一個JavaScript 綁定使得WebGL 可以為HTML5 Canvas 提供三維加速渲染，從而實現(xiàn)在Web 端交互式地鐵盾構施工三維場景的輕量化渲染效果。

此外，根據(jù)用戶對于不同階段項目中物體模型的細節(jié)層次要求，采用LOD 技術根據(jù)物體模型的節(jié)點在顯示環(huán)境中所處的位置和重要度，決定物體渲染的資源分配，降低非重要物體的面數(shù)和細節(jié)度，從而獲得高效率的渲染運算。動態(tài)加載技術的使用更是實現(xiàn)了根據(jù)物體距離相機的遠近自動調(diào)度物體模型數(shù)據(jù)，通過計算動態(tài)加載或遮擋剔除模型頂點和面數(shù)，保障系統(tǒng)正常運行的同時，減少內(nèi)存中數(shù)據(jù)加載量。通過對多源異構數(shù)據(jù)間的關聯(lián)與融合應用，構建綜合信息模型，加快推動數(shù)據(jù)和業(yè)務融合，并朝著滿足信息量增加的需求方向發(fā)展，把業(yè)務橫向和縱向進行了多維度的打通和貫穿，從而使得各孤立的數(shù)據(jù)和業(yè)務成為一套有機的生態(tài)系統(tǒng)。

3 平臺功能模塊設計與應用

智慧數(shù)字化地鐵盾構施工管理平臺包括智能監(jiān)控、綜合分析、協(xié)同管理以及智慧掘進四大業(yè)務功能模塊。用戶通過在首頁選擇地鐵盾構項目，點擊就可進入對應項目的功能模塊界面。

3.1 智能監(jiān)控

智能監(jiān)控模塊是為了實現(xiàn)對于地鐵隧道掘進施工關鍵數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測與管控。該模塊包含四塊子系統(tǒng)的監(jiān)控，分別為盾構主界面、泡沫系統(tǒng)、其他系統(tǒng)以及導向系統(tǒng)。盾構主界面根據(jù)設定刷新時間以獲取最新的盾構器數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)主要包括位移、土艙壓力、螺旋機、刀盤、鉸接油缸壓力、設備橋拖拉壓力以及進度等相關數(shù)據(jù)；泡沫系統(tǒng)提供混合液罐、空氣及泡沫原液數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控；其他系統(tǒng)包括對于鉸接系統(tǒng)、油脂系統(tǒng)以及注漿及膨潤土系統(tǒng)的實時監(jiān)控；導向系統(tǒng)則提供有關盾構切口里程、盾尾里程、俯仰角、滾動角等數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。該模塊可實現(xiàn)對多種類型盾構施工狀態(tài)的有效監(jiān)控管理，方便用戶隨時隨地通過PC 端或移動端加載查看盾構的施工狀態(tài)數(shù)據(jù)，對施工進行指導，及時處理異常情況，減少操作錯誤風險，從而提高盾構施工效率，保障施工進度與安全。

3.2 綜合分析

綜合分析模塊主要提供導向參數(shù)、掘進參數(shù)、綜合參數(shù)、施工圖平面、施工縱斷面圖、管片姿態(tài)以及地面沉降七大分析功能。導向參數(shù)、掘進參數(shù)及綜合參數(shù)主要提供對于盾構工況數(shù)據(jù)的分析，而通過施工平面圖用戶可以查看盾構掘進的線路走向、監(jiān)測點以及地表信息等，同時可以查看隧道的報警點及報警程度。施工縱斷面圖則為用戶提供查看地層信息、勘探孔位置以及風險源位置的功能。因此，通過對盾構施工情況的數(shù)字化、圖像化表達，能夠使用戶更加直觀立體地了解施工情況，并且經(jīng)過對業(yè)務數(shù)據(jù)的綜合對比分析，為用戶在施工過程中的決策提供有力支持。

3.3 協(xié)同管理

協(xié)同管理模塊包括基本信息、決策分析、風險管理、設備管理、施工管理、測量管理、基礎數(shù)據(jù)、系統(tǒng)工具、系統(tǒng)監(jiān)控及系統(tǒng)管理十大功能。①基本信息包含工程分布、綜合臺賬以及項目看板，主要用于展示在建項目、歸檔項目、盾構類型數(shù)量、分布情況等統(tǒng)計信息，方便用戶全面掌握盾構市場情況；②決策分析則針對項目施工風險點、進度風險情況以及設備使用預警提供決策分析服務，有利于用戶把控資源調(diào)度與進度情況，實現(xiàn)高品質高效率的決策；③風險管理包含工程風險、參數(shù)預警、沉降預警、姿態(tài)預警等功能，通過這些功能所搭建的風險防控及預警體系，用戶能夠全面掌控施工與質量風險；④設備管理則是針對盾構等相關設備資源提供臺賬管理、維修管理及方案管理功能，便于對設備進行全壽命周期的管理，確保設備的良好運行狀態(tài)；⑤施工管理主要包括進度、工序、質量、方案、地質、人才的綜合管理以及施工報表，將施工信息實時傳達給相關負責人，便于其把控施工階段的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)數(shù)字化、集成化的施工管理方式；⑥測量管理則是提供相關測量數(shù)據(jù)、測量設備以及測量人員的跟蹤管理，確保測量工作的準確性與安全性；⑦基礎數(shù)據(jù)用于提供BIM 模型、地理信息、三維場景以及相關項目歷史數(shù)據(jù)等信息；⑧系統(tǒng)工具則為平臺的版本管理、附件管理及二次開發(fā)提供相應的接口分配，便于進行應用擴展；⑨系統(tǒng)監(jiān)控則為用戶提供在線人數(shù)、定時任務、數(shù)據(jù)監(jiān)控、服務監(jiān)控及緩存監(jiān)控功能，方便后臺管理人員掌握系統(tǒng)的實時使用情況；⑩系統(tǒng)管理則是為整個協(xié)同管理模塊提供用戶管理、角色分配、菜單管理及部門管理功能，實現(xiàn)協(xié)同管理過程中的權限分配與職級責任劃分，以滿足各層級、各部門的管理業(yè)務需求，提升精細化管理水平，確保項目施工的順利進行。

3.4 智慧掘進

智慧掘進主要為盾構施工提供參數(shù)優(yōu)化、姿態(tài)控制、參數(shù)預警、參數(shù)分析以及模型應用的功能服務。①參數(shù)優(yōu)化是根據(jù)歷史的盾構施工數(shù)據(jù)，運用神經(jīng)網(wǎng)絡等算法對參數(shù)進行預測，給出優(yōu)化后的參數(shù)值以指導掘進朝著更加高效準確的方向邁進；②姿態(tài)控制則是對盾構設備的姿態(tài)進行全方位的實時監(jiān)控，確保盾構能夠以最高效率掘進；③參數(shù)預警則是通過將關鍵參數(shù)的變化規(guī)律與異常事件進行關聯(lián)性分析探索，建立關聯(lián)關系，以確保施工過程中能夠對參數(shù)的變化做出積極響應，預防異常事件的發(fā)生；④參數(shù)分析是對不同項目、不同設備的施工參數(shù)進行統(tǒng)計、分析、挖掘，以獲取關鍵參數(shù)的參考值，為在建項目或待建項目提供可靠的施工參考依據(jù)；⑤模型應用則是基于前面所述的多源異構數(shù)據(jù)融合，將BIM 模型、地理信息、三維場景等集成實現(xiàn)渲染展示，為施工管理提供多維度、高精度的三維可視化效果。這些功能有助于實現(xiàn)對施工真實數(shù)據(jù)進行規(guī)律性總結，并且基于規(guī)律預測可能存在的設備故障與施工風險，提高整體施工管理水平。

4 結論

數(shù)字化技術的飛速發(fā)展為工程項目的管理帶來了新契機，基于多源異構數(shù)據(jù)融合的平臺架構設計能夠通過關鍵技術的開發(fā)應用，有效地整合所有項目相關的數(shù)據(jù)資源，構建綜合信息模型，針對傳統(tǒng)施工在資源調(diào)配、過程管控以及協(xié)同管理方面的缺陷問題，提出了相應的基于信息模型的數(shù)字化解決方式，打破了信息孤島，實現(xiàn)了地鐵盾構業(yè)務多維度全方位的打通與貫穿，建立起了一套數(shù)據(jù)與業(yè)務有機結合的生態(tài)系統(tǒng)體系，以適應滿足未來地鐵項目施工日益增長的復雜需求。之后，會根據(jù)實際項目的需求情況，對當前管理平臺的各個功能模塊進行完善，提升平臺的綜合效能，為數(shù)字化技術的研究與應用帶來更多的價值。