基于广义六面体的站场数字路基模型构建方法研究

柯子翊，蒲浩，李伟，李长淮，魏方华，王鹏

基于广义六面体的站场数字路基模型构建方法研究

柯子翊1，蒲浩1，李伟1，李长淮2，魏方华2，王鹏2

(1. 中南大学 土木工程学院 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075；2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司 轨道交通工程信息化国家重点实验室，陕西 西安 710043)

建立具有连续空间表达的站场数字路基模型是实现站场专业BIM的基础核心问题。以站场的平纵横设计资料为基础数据，提出基于离散断面的数字路基模型的构建方法，实现站场下部结构信息模型的连续空间表达和高效的信息提取。建立邻接异构断面的构体原则，提出“广义六面体”法刻画不同构体状态下的空间封闭几何体模型；研究具有多级拓扑结构的体模型的剖切算法，实现了任意断面的快速提取；编制了原型程序，并利用独李北站算例进行测试分析，应用表明该方法可实现站场数字路基模型的高效构建与信息查询。

铁路站场；BIM；广义六面体；构体原则；断面提取

建筑信息模型(Building Information Model，简称BIM)，是对任意建筑物的物理表现和功能特性作出共享的数字化表达，并可为决策提供可靠的基础[1]。铁路工程项目投资巨大，且涉及到线路、站场、桥梁、隧道、涵渠、通信、信号和电力等诸多专业，应用BIM技术可提高铁路工程多专业的协同设计质量和生产效率，推动其全生命周期的信息化发展[2]。站场专业是铁路站后专业的“龙头”，是连接站前与站后专业的纽带[3]，其承担着将铁路工程各专业间的异同数据进行整理、分析及传递的重任，因此站场的BIM技术是实现铁路工程信息化的核心和突破口。经过近年来相关研究人员在铁路设计、施工及运营等方面应用BIM技术的探索[4−7]，铁路工程建设领域的BIM技术有了一定的雏形，实现BIM技术的基础的核心问题锁定在建立连续的三维信息化空间模型[8]。因此，针对站场的BIM技术应用问题，本文重点探讨站场下部结构数字化的空间连续表达模型，即数字路基模型的构建方法。当前的站场数字化设计一般通过设定一系列采样桩号，将设备的平面几何形位与纵断面高程信息投影到横断面上，再进行详细的横断面设计，即试图利用离散式的断面化的数据表达设备的空间布设情况。断面化的数据可以一定程度上刻画复杂路基结构的三维空间展布情况，为构建站场信息化的连续表达奠定基础。基于断面数据进行空间体模型构建的技术在地学领域已有广泛的研究，例如邓飞等[9]以二维地质剖面为输入，定义了一种由上、下层界面和闭合边界面组成的三维地质体块，可将三维地质模型应用体块集合进行表达；薛林福等[10]基于剖面把单元模型组装成具有不同深度范围、详细程度的三维模型；陈国良等[11]提出了一种基于交叉剖面数据划分单元格进行三维建模的方法，能有效利用多方向的剖面数据参与模型构建。类似地，站场数字路基模型的构建也可根据离散的断面序列，进行分块的单元化的建模，但由于站场的多个断面间由设备紧密关联着，且每个断面本身具有多路基体、多填料分区、多填料分层的组织架构。对此，本文针对模型构建与分析过程中的特点提出以下5点解决方法：1) 针对站场多断面、多体、多区、多层的组织架构提出如图1所示的“分断面−分体−分区−分层”的拓扑结构；2) 针对拓扑结构和断面间的设备关联性提出用于识别对应拓扑区域并判断构体状态的构体原则；3) 针对站场对应拓扑区域的不同构体状态，提出适配异构体表达的广义六面体单元结构；4) 针对多层次的拓扑结构和广义六面体单元的高效构建、连接与管理问题，建立具有索引系统和包围盒系统的数据结构，形成站场的连续数字化空间表达；5) 针对分块的单元化的站场数字路基模型的信息查询与分析问题，设计单元剖切、参数继承、集成归并的截面提取算法。现有使用中南大学与中铁第一勘察设计研究院合作开发的RSCAD站场软件设计的大量数字化资料[12]，利用这些平纵横设计资料，归纳整理离散的断面序列，基于本项研究提出的“广义六面体”法，可以建立站场的连续空间数字表达，并利用多层次体模型的剖切算法快速定位并提取截面，进而实现站场任意位置的设备分布及填料信息的查询分析。本研究促进了站场专业的信息化建设，并为实现站场BIM化的高效管理和辅助决策提供了坚实的基础。

图1 横断面数据的4层拓扑结构

1 数据源及预处理

建立站场下部结构的数字模型的数据来源于对设备的平面、纵断面和横断面设计成果。站场设备泛指所有为站场作业服务的部件。

站场设备可按照其空间形位划分为点式、线式和面式设备。点式设备通常指由中心点定位的设备，例如警信等，对于站场下部结构空间形位的影响甚微，本文不做重点探讨。线式设备主要指由蜿蜒起伏的中心线定位的设备，例如股道、水沟等，将确定一定范围内的站场模型的高程变化。面式设备主要指由多个边界点围合成一定区域进行定位的设备，例如场坪、房屋等，将决定其覆盖范围内站场模型的几何表现。

为合理地支承站场设备，需要设计相应的路基结构。站场的路基结构主要通过横断面设计进行表达，经过下述4步主要流程，获得离散的断面化的设计数据：

1) 首先甄选出线式或面式设备发生变化的一系列特征里程，设置为初始桩号序列，通过外业实测或数模内插得到各桩号的地面线数据；

2) 通过对断面进行横向坡度变化的设计，将其划分成多个路基体，进而将各体中基准设备的高程推导至整个断面范围，从而获得各体的路基面线和边坡线，完成外轮廓设计；

3) 以特定设备为分界标准设计填料辅助线将体分隔为多个填料分区，各分区内的最高等级设备将决定其填料标准；

4) 按照填料标准设定的填料类型和坡率，设计填料分层线将各填料分区层层细分形成多个填料分层，完成路基结构的内轮廓设计。

在断面化表达的路基结构中，将获取的地面线数据，以及设计的路基面线、边坡线、填料辅助线和分层线数据统称为边界线，通过四条边界线的相互围合，形成各体、区、层区域，各区域中也将包含线式或面式设备在断面上的特征信息。

原始的断面化的数据中记录的边界线的点的坐标采用的是局部的相对路基体中心位置的坐标系，需将其先转换成符合建模需求的一系列三维空间坐标系下的离散断面。

2 站场数字路基模型构建及应用 流程

如图2所示，本文分3阶段分别阐述了前期的数据源分析及预处理流程、数字路基模型的构建流程和应用模型进行任意断面插值的流程。

通过第1部分对数据源的整理分析和预处理，可以获取设备的空间控制点坐标，以及路基结构的离散断面序列。基于这些数据，数字路基模型的构建主要按照以下4步进行：

1) 基于离散断面序列和设备间的关联，制定构体原则，判别邻接断面间体、区、层的匹配情况，及相应的构体状态；

2) 针对断面化的路基结构，利用如图3所示的流程进行六面体模型的构建，同时为建立统一的处理机制，提出一种广义六面体的结构单元，用于适配不同的构体状态下可能产生的异构情况；

图2 站场数字路基模型构建与信息提取流程图

图3 六面体图形的构建

3) 为高效地管理广义六面体单元，构建一种包含了拓扑关系的编号系统；同时为迅捷地定位及查询信息，嵌套了对应单元的长方体包围盒；

4) 根据“分断面−分体−分区−分层”的拓扑关系，将广义六面体单元依次连接，构成完善的数字路基模型。

基于构建的站场数字路基模型，主要的应用需求是从模型中快速提取任意位置的断面信息，因此文章按照判断相交、分块剖切、组织断面的步骤创建全新的断面并查询信息。

3 广义六面体法建模步骤

站场数字路基模型主要基于离散断面序列进行构建，邻接断面的构体过程通常是将前后两侧的4组边界线对应相连，形成上、下、左、右侧的4个面，再匹配前、后侧的围合区域，组成一个六 面体。

实际的断面中，边界线不一定是线段，而邻接断面间对应的边界线也不一定共面，因此构成的6个侧面一般不是平面。为构建兼容任意异构状态的建模算法，本文引入广义面的概念以归纳复杂的情况，建模的基本单元则被定义为广义六面体单元，通过建立统一的处理逻辑，可提高算法的执行效率与鲁棒性。

其中广义面泛指一类能够表征空间形位的几何元素，当其空间维度及图形的封闭状态不一致时，具体表现的图形也会相应变化，表1简明阐述了广义面的几种不同表达。

表1 广义面的几种表现图形

建模的一般流程是由系列断面构建系列的广义六面体单元，多个广义六面体单元的集合形成数字路基模型。其中关键的步骤是制定邻接断面间的构体原则，构建广义六面体单元，以及设计适配的数据结构。

3.1 构体原则

针对断面数据多体、区、层的特点，以体、区、层作为不同细节的建模单元。在实际进行单元划分的过程中邻接断面间的某些区域不能直接匹配时，需制定相应的构体原则，满足在任意状态下的实体模型的构建。

针对体、区、层数量不一致，体、区中心设备不一致，体设备不相关，层级不一致，对应层级的填料类型不一致等情况，制定的构体原则处理流程如图4所示。

输入邻接断面数据，通过构体原则的处理流程，最终可得到4种不同的构体状态，分别是：完全同构，尖灭到最右边线，尖灭到上下边线，以及无连接关系。

3.2 广义六面体单元的构建

针对上述4种不同的构体状态，广义六面体单元的构建过程存在一定差异，为详述不同状态下各单元的构建原理，将断面上的体、区、层分别定义为T，Q和C，并定义区域的上下左右侧分别为t，s，l和r，再将其中的设备序列表示为E，并定义设备序列的最左侧和最右侧元素分别为E.L和E.R。

1) 当邻接断面的体、区、层的数量及类型均一致时，构体状态为完全同构，由邻接断面的前后对应点直接相连，形成4个侧面，与前后断面上的边界面闭合构成广义六面体单元。

图4 构体原则处理流程图

2) 当邻接断面的体或区数量不一致时，构体状态为尖灭到左右边线，须考虑设备的空间分布：判断新增的体或区的设备序列是否包含对侧的体或区的设备序列的最左或最右侧的元素，若包含最左侧，则向左边界线尖灭，反之向右尖灭。以路基体为例：

3) 当邻接断面的层的数量或属性不一致时，构体状态为尖灭到上下边线，优先满足分层的层级对应，再满足填料类型对应，按照保证高层级、高等级填料位于上层的原则，将其所在的分层向对侧的上边界线进行尖灭处理，反之则向对侧的下边界线进行尖灭处理。以层级一致时填料类型不一致的情况为例，设层级为F，填料类型的等级为G：

4) 当邻接断面间未出现任何相同的设备，构体状态为无连接关系，则无法构建广义六面体单元，在模型上即表现为在该位置上几何体处于断开 状态。

上述4类构体状态下的广义六面体单元构建结果在图5分别进行展示。

3.3 数据结构

为将广义六面体单元高效地存储并连接形成数字路基模型，需设计适配的数据结构。本文主要从2个方面对广义六面体单元进行记录：拓扑关系与几何表达。

从拓扑关系的角度出发，如图6所示，先定义统一的抽象类Geometry：

1) 为确保元素可被唯一检索，在Geometry中定义了自身的唯一标识符(GUID)；

2) 记录其所属的高一空间维度的元素的GUID；

3) 记录其父级层次及所有子级层次的GUID；

4) 部分元素中记录其所有关联设备的GUID。

此外，本文引入了由拓扑层次生成的标记序列作为GUID的后缀(PosFix)。例如用于表达填料分层层次的元素的PosFix可由“断面桩号+体号+区号+层号”进行表示，从而可通过GUID直接解译出其父级的断面、体、区的信息。

(a) 完全同构；(b) 尖灭到左右边线；(c) 尖灭到上下边线；(d) 无连接关系

图6 “Geometry”抽象类

从几何表达的角度出发，需对Geometry进行泛化，描述具体的空间形位。基于广义六面体的概念，定义了如图7所示的数据结构：一个广义六面体(Solid)单元由6个广义面(Face)组成，广义面又需从二维的平面(Plane)出发，平面是由一系列控制顶点(Vertex)连成边界线(Wire)进而围合得到。

图7 广义面和广义六面体的数据结构UML图

使用上述定义的数据结构可将广义六面体单元高效地进行存储，并利用各单元间包含或邻接的拓扑关系，准确地连接形成数字路基模型。

4 断面提取算法研究

基于构建完成的数字路基模型，可应用模型在任意位置提取断面信息，从而推算出断面上各设备的空间形位，以及查询路基结构的填料情况。为高效地提取指定平面位置的相应断面，主要按照以下3步进行：1) 利用包围盒快速判断相交关系；2) 剖切“层”广义六面体单元；3) 组织断面并查询信息。

4.1 利用包围盒快速进行相交关系判断

如图8所示，数字路基模型的各广义六面体单元中除详细的拓扑层次关系以及基本的几何表达外，还进一步计算并记录了对应的长方体包围盒信息。包围盒技术可以确保相交测试算法的简单高效性。

基于包围盒信息，可以根据如图9所示的相交关系判断流程，快速甄别并记录与指定平面可能相交的广义六面体单元。由拓扑关系推断，若父单元的包围盒与给定平面不相交，则所有子单元均不与平面相交，即可跳过其判别过程，因此极大地缩短了相交关系的判断时间，提高算法的运算效率。

图9 相交关系判定流程

4.2 剖切“层”广义六面体单元

通过剖切平面与包围盒的相交判定，筛除了与剖切平面完全无关的广义六面体单元，得到了断面、体、区和层单元的记录集。

图10 剖切广义六面体单元

首先需对“层”单元进行剖切处理，当平面仅与包围盒相交而未与广义六面体相交时，不存在交集图形；反之，其相交运算可能产生有效的多边形的单元剖切面，如图10所示，将继承被剖切的“层”单元的设备分布与填料填筑信息。

4.3 组织断面并获取信息

通过对“层”广义六面体单元的剖切处理，得到了有效的剖面多边形序列，其对应的数据结构为前述的Plane。为获得完整的断面，如图11所示，需将层多边形按拓扑关系组织成区多边形，进而形成体多边形，最终构成剖切断面。

图11 由“层”剖面组织“断面”流程

断面内包含的设备分布与填料填筑信息也同样依据拓扑关系进行富集，记设备分布与填料填筑信息的集合为I，则：

经过前述操作，可在指定平面位置计算生成全新的断面，进而查询任意位置的设备分布信息及填料填筑情况。

5 案例分析

针对本研究提出的站场数字路基模型构建流程，基于复杂状态构体原则、广义六面体单元构建及剖切算法，开发了原型程序，并在独李北站中进行了测试应用。

独李北站位于陕西省三原县独李镇，是西安市阎良区至咸阳国际机场城际铁路上的一个车站。其核心设备包括2条正线，2条到发线，2个侧式站台，以及3条综合货场线和2条安全线。

基于.Net Framework 4.5.2，于Autodesk Revit 2018平台，笔者采用C#语言开发了站场数字路基模型构建程序，测试环境为Windows 10 64位，8G RAM，采用主频3.4 GHz、逻辑8核的Intel Core i7-6700 CPU。针对独李北站，程序的测试过程如下：

1) 通过读取二维设计成果Access数据库获取数据源，并进行坐标系转换等预处理操作，得到初始断面序列，独李北站从现场里程DK13+531.15至DK15+255共设计了64个断面；

(a) 独李北站数字路基模型(从上往下依次为着色、线框、部分细节)；(b)尖灭到左右边线；(c) 尖灭到上下边线；(d) 完全不相关部分断开

2) 将断面序列中的每2个邻接断面一组投入匹配关系判定模块，按照前述制定的构体原则，判断各区域的匹配区域及构体状态；

3) 按照构体状态构建各广义六面体单元，基于前述的数据结构组织成层、区、体、断面4个层次的广义六面体单元，组织“断面”单元形成如图12(a)所示的数字路基模型：其中里程DK14+733.2~766.1等出现尖灭到左右边线的情况(见图12(b))，里程DK13+725.6~781.5出现尖灭到上下边线的情况(见图12(c))，里程DK14+017.2~034出现完全不相关的区域(见图12(d))，程序针对特殊的连接情况均构建了合理的几何体；

4) 随机给定几个与数字路基模型相交的平面，判断相交的单元并剖切，组织形成断面，获取设备分布及填料信息；如图13，程序分别在DK13+ 676.8，DK14+314.9及DK15+086.3根据给定平面进行剖切并组织形成了合理的包含各类信息的 断面。

(a) 剖切断面DK13+676.8；(b) 剖切断面DK14+314.9；(c) 剖切断面DK15+086.3

针对独李北站的64个断面的数据创建了63组“断面”广义六面体单元模型，将程序的建模时间分为模型构建与模型绘制2部分进行统计，分别耗时为34.23 s和98.18 s。相较于设计人员的手工建模可能需耗费的至少几天的时间，且模型之间的拓扑关系及属性信息无法详尽地表达，自动建模程序的实现大幅度地降低了数字化模型的构建成本，增加了模型中信息的丰富程度，提高了BIM技术的应用效率。

6 结论

1) 制定了邻接断面间体、区、层的数量、设备分布或填料填筑等设计参数不一致时的构体原则，解决了差异情况下的邻接断面单元匹配问题。

2) 提出了一种广义六面体单元，以及利用该单元进行不同构体状态下的空间封闭几何体的构建方法。

3) 设计了基于4层拓扑结构，利用全局唯一标识符和包围盒进行管理的数据结构，实现了由独立单元高效组织形成数字路基模型。

4) 研究了基于站场数字路基模型，在任意指定平面位置提取相应断面的算法，利用包围盒快速判断相交关系。并通过各单元的剖切面继承单元的参数信息，做到插值断面的快速提取和信息查询。

在接下来的研究工作中，可将重点放在被路基结构支承的各种站场设备的详细空间表达，进而构建完善的铁路站场BIM模型。

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Research on the modeling method of railway station digital subgrade model based on general hexahedron

KE Ziyi1, PU Hao1, LI Wei1, LI Changhuai2, WEI Fanghua2, WANG Peng2

(1. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization, China Railway First Survey and Design Institute Group Ltd., Xi’an 710043, China)

Creation of the railway station Digital Subgrade Model (DSM) with continuous spatial representation is considered to be the key technique of achieving BIM in railway station domain. This paper utilized the design results of planar, vertical-section and cross-section of railway station, the modeling method for railway station DSM based on dispersed profile was proposed, the continuous spatial representation of digitalized railway station model and corresponding efficient information extraction were achieved, the modeling principle for adjoined isomerism profiles was established, a method using “General Hexahedron” was proposed to illustrate the solid models under different modeling status, furthermore, the dissection algorithm for solid model with multi-level topology was studied, the fast profile extraction on any given plane was accomplished, a prototype program had been built, a case study of Dulibei Railway Station was conducted, the practicability of this method to achieve the efficient modeling and querying of DSM was validated.

railway station; BIM; general hexahedron; modeling principle; profile intersection

U291.1

A

1672 − 7029(2019)08− 1913 − 10

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.08.007

2018−11−16

国家自然科学基金资助项目(51608543)；湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ3382)

李伟(1984−)，男，江西进贤人，副教授，博士，从事铁路线站数字化设计理论与方法研究；E−mail：leewei@csu.edu.cn

(编辑 涂鹏)