轨道交通信息模型的全生命周期管理研究及应用

2015-12-11徐狄军王芬旗

测绘通报 2015年5期

徐狄军，周鑫，王芬旗

(宁波市测绘设计研究，浙江宁波315042)

一、引言

据统计，目前中国已有36个城市正在建设和筹建自己的轨道交通。其中，北京、上海、广州在改建或进一步完善城市地铁系统。2010年全国轨道交通运营里程1 708.4 km，地铁站点1131个。据国家发改委消息，2015年，全国轨道交通运营里程将达到约3000 km。宁波、深圳、南京、武汉等城市也在动工兴建或拟建地铁及轻轨交通。然而，在地铁带给人们方便快捷的同时，由于地铁车站施工周期长，车站建设期加重了交通压力，极大地影响了人们的日常工作和生活。同时，地铁车站管网建设是整个地铁车站建设中重要的组成部分，车站管网布置错综复杂。在车站设计阶段，管网设计任务重，协调工作量大;在施工阶段，管网施工周期长，材料浪费大;运行维护阶段，管网信息量大，统筹管理困难。

近年来，可视化、信息化技术在各行各业广泛推广使用，将其应用在工程建设中是工程建设未来的发展趋势，许多国内外软件企业都在大力开发辅助工程建设软件来抢占该领域的先机。如果将可视化、信息化技术应用在地铁管网建设中，用可视化、信息化的手段对地铁车站管网从设计到施工，再到后期运营维护进行全面管理，即可有效地解决地铁管网建设中存在的设计任务重、协调工作量大、施工效率低、信息海量等诸多问题。

因此，开发三维辅助软件系统将可视化、信息化技术应用在地铁管网建设中，协同管网设计，指导管网施工，辅助管网运维管理，对地铁管网的建设和发展意义深远。为了使整个轨道交通建设工程设计和施工更快速、更智能、更具成本效益，故提出轨道交通信息模型的全生命周期管理(rail transit information modeling lifecycle management，RIM)，用来辅助轨道交通的建设。

二、目的和意义

RIM以三维仿真技术和GIS为基础，进行适应性的二次开发，提供基于二三维一体化的RIM系统，为地铁管网协同设计、现场安装即时调整和运维信息快速更新及查询等提供信息管理平台。

RIM可将地铁车站管网的二维设计图纸转换成三维可视化模型进行查错纠偏，对设计图纸进行优化，有效地避免了管网施工中由于设计原因造成的工期拖延和资源浪费，并能用可视化的手段指导管网施工，还可以即时查询管网设计信息。同时，用信息化、可视化的管理手段对地铁车站管网系统进行运维管理，有效地解决了在轨道交通运维阶段信息量大、管理复杂等问题，大大提高了地铁车站管网建设的效率，对轨道交通的建设和发展意义重大。

三、研究综述和理论提出

通过调查研究发现国内外三维仿真、GIS、激光扫描等技术在轨道交通领域的应用已经初见成果。由于轨道交通的地理分布特性，大量的信息分散在各处，只有借助GIS强大的空间信息处理功能，才能实现高效的管理。通过分析轨道交通工程对象系统的特性，以及对GIS知识的充分掌握，研究和开发相应的应用系统，将分散在各处的空间信息通过GIS统一的平台进行管理。

然而，已有的系统都是针对一些特定的需求而开发的，它们在城市轨道交通的某一方面的应用取得了一定的效果，如线网规划、施工监测等。如果能够将这些系统在轨道交通项目全生命期内进行集成，实现以三维仿真技术和GIS为核心，先进测绘技术为手段，多种信息技术相结合的城市轨道交通全生命期的信息管理体系，就成了项目组的研究目标。

项目组正式提出的RIM理论，是指项目全生命周期内综合应用三维仿真、激光扫描、GIS和物联网等信息技术进行设计协同管理、施工精细管理和运营智能管理的过程。结合GIS技术、先进测绘技术、计算机辅助设计技术创造性地提出了RIM的理论体系，主要包含了建设RIM体系架构、RIM设计与施工标准、RIM质量检测技术规程和RIM运营指南等。以三维仿真技术和GIS为核心，依托ERP和云技术等建立起“RIM平台”，将设计协同管理、施工精细管理和运营智能管理等服务部署在云端。通过RIM技术，将设计、施工和运营等多源异构数据进行超细粒度分解，用于多专业协同作业，方便信息流转、管理和调度。

四、总体思路

RIM的研究对象涉及轨道交通工程建设的多个阶段，即项目前期、设计、施工和运营维护等，项目参与方涉及建设方、设计方、施工方、监理方、咨询方和运维方等，专业组成包括土木工程、建筑、结构、暖通、空调、给排水、电力、电信和通信信号等。RIM项目组结合各单位优势，发挥项目组成员的特长，该研究主要采用跨学科研究法和系统科学研究法。

1.理论分析与实证分析相结合

以信息管理和GIS相关理论为基础，同时结合城市轨道交通的实际情况进行实证分析，从实践中寻求问题，在理论中寻求答案。

2.分析到综合的方法

研究思路都是先对系统内部的各个子系统和要素进行分析，然后再进行综合，进而得出完整的结论。

RIM主要研究内容分别为RIM理论研究、RIM技术研究、RIM数据应用研究和RIM软件开发。针对上述研究内容，制定了一整套完善的研究步骤，具体如图1所示。

图1 研究步骤

五、研究过程及成果应用

1.软件开发

(1)需求分析

系统采用二三维一体化平台作为基础平台，采用B/S和C/S混合架构进行系统构建，对轨道交通的三维管线和三维站场的设计进行现状虚拟。采用C#语言，在Visual Studio 2010集成开发环境中进行开发。在系统开发过程中还使用OpenGL技术，使三维可视化更加出色。

(2)组织架构

系统整体框架采用三层架构，分别为数据层、逻辑层和业务应用层。数据层包括二维数据、三维数据、关系数据和文件数据。系统逻辑层基于模型加载、三维驱动及数据分析完成对具体应用业务的实现。为保证系统操作数据的安全性，系统采用后台行为监听线程，完成对数据的保护及用户权限日志的动态验证功能。

(3)系统开发

系统使用方包括建设管理方、设计方及施工方，涉及数据量大、信息多，因此采用B/S+C/S的混合模式。对系统中三维部分的操作及相关应用使用C/S，以保障数据安全，数据顺畅运行，且不受网络带宽、浏览器负载等方面的影响。其他相关的业务管理功能则使用B/S模式，体现其即时性、方便性的操作特点。如图2所示。

图2 轨道交通RIM管理系统的实现

2.设计阶段

(1)协同设计

设计、创建和管理包含来自多个数据源的详细数据和聚合数据的多维结构，这些数据源(如关系数据库)都存在于内置计算支持的单个统一逻辑模型中。RIM可以嵌入主流应用程序中，不增加工作人员的负担。

(2)三维管线综合设计

三维管线综合设计采用的技术方案为:将所有管线的设计信息纳入RIM系统，确定总体的排布方案和排布原则，根据安装要求，确定管线综合排布的空间层次分配，根据交叉点管线冲突整体调整管线高度，解决了冲突点标高问题，又减少了管线的翻弯。

3.施工阶段

利用先进测绘技术，实时获取施工现场信息，快速响应形成施工模型，将施工模型和设计模型导入RIM系统，进行分析比对，生成施工质量检测报告。通过施工模型和设计模型的反复比对，制定进一步施工措施，进行返工或变更设计。主要包括:

1)配准技术:捕捉点云数据的管线中心线、建筑角点等特征点，提取出两模型上某一对应的特征面来配准信息模型。根据特征点、特征面求出3组对应点对并计算坐标变换矩阵;把得到的变换矩阵应用于简化前的原始点云模型来实现模型的预配准。也可利用测量控制点对测绘数据和建筑信息模型进行配准。如图3所示。

图3 激光点云数据和轨道信息模型配准

2)碰撞分析:以点线为基础，根据信息模型与点云的包络关系，把激光扫描的建筑物施工环境与信息模型协调起来;利用点云数据可视化功能，加上与信息模型的集成，将精确的错误查找与基于硬冲突、软冲突、空间冲突管理相结合。保存在项目中发现的所有碰撞的完整记录、分类，并可以通过搜索、定位等手段查看碰撞记录，对其进行标注等。

4.运维阶段

基于RIM的轨道交通设施资产及运营维护管理系统，利用整合后的轨道交通信息模型，将设施资产管理与设备运维管理集成到三维可视化平台中，并结合物联网技术，使用手持设备及芯片(或二维码)，进行现场管理，如图4所示。其功能主要包括设施资产管理、设备运维管理、应急预案管理等。

图4 基于RIM的设备管理(二维码)

基于数据库的管理系统调用的是逻辑关联的信息，如设施三维模型与设施使用手册、运行参数、保养周期等，消除查阅纸质文件的不便;运维工单与维修人员和备品备件库存管理联动;应急工单与应急人员和物资联动，提高了运营可靠性和应急处理能力。

六、创新点及关键技术

1.创新点

(1)RIM理念创新

RIM理念贯穿了整个轨道交通工程全生命周期，包括项目前期的地下管线普查详查、地下管线迁移(规划放(验)线、地形修测)、轨道交通站点设计、施工和运营维护管理。

(2)粗粒度工程信息的分解与复合技术

通过RIM技术，将工程设计、施工和运营等多源异构数据进行超细粒度分解，通过有效的筛选，进行相关信息的复合，用于多专业协同作业，方便信息流转、共享、使用与管理，成功解决了轨道交通工程建设全生命周期内产生的粗粒度的多源异构信息难以贯穿全生命周期的难题。

(3)基于激光点云的设计与空间相互匹配技术

设计到施工的匹配，设计和施工协同，以及三维施工放样;施工到设计的匹配，三维原位检测及监测，以及三维施工精度检测，成功解决了由设计到施工、由施工到更新设计的虚实空间匹配难题。

2.关键技术

(1)数据仓库技术

数据仓库是一个面向主题的、集成的、相对稳定的、反映历史变化的数据集合，用于支持管理决策。

在RIM系统中，数据仓库技术的应用可以针对系统中所相互关联、相互支持、相互协同的空间数据(二维数据、三维数据)、对象数据(管线数据、建筑数据、设备数据)、属性数据(材质数据、规格数据、维护数据)、历史数据(变更数据、维修数据、状态数据)、操作数据(日志数据、调用数据)等多源数据进行有机整合和关联，在一个较全面和完善的动态信息应用的基础上，用于支持本系统所需要的二三维数据管理、三维空间分析、快速修改、应急管理、辅助施工、辅助运维、资产管理等具体功能的实现。

(2)二三维设计信息的联动体系

在本系统中，无论是二维CAD图纸的信息还是三维模型信息，均是基于数据库存储的，通过三维引擎实现了二三维设计信息的联动体系，即“一处修改，多处关联变化”的二三维信息互逆，在修改二维信息时三维模型信息也关联变化，同样在修改三维模型时二维设计信息也随之变化。二三维设计信息的联动体系实现了局部快速修改功能，适应了不同设计阶段反复修改的设计特点，节约了设计阶段耗时，同时也为施工阶段现场设计变更提供了便利的修改窗口。