地铁工程项目多维信息集成监管系统设计与应用

王雪健，王家远，张育雨，张立杰，周小林

（1. 深圳大学 土木与交通工程学院，深圳 518060；2. 中澳BIM与智慧建造联合研究中心，深圳 518060；3. 中铁南方投资集团有限公司，深圳 518054；4. 深圳市斯维尔科技股份有限公司，深圳 518057）

随着城市建设的进程加快，地铁工程项目建设规模不断扩大。由于施工场地面积有限、人员较多、设备物资种类繁多、管理作业琐碎等特点[1-2]，使得该类工程项目监管难度较大。

当前，相关研究人员主要利用信息化手段解决地铁工程中出现的监管力度不强、监管手段落后等难题[3]。文献[4—6]应用建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）、地理信息系统（GIS，Geographic Information System ）及云计算技术进行项目施工过程的信息集成管理；文献[7—8]探讨了利用传感器、无线网络等物联网技术对施工现场作业进行安全管理的方法，为地铁工程建设项目监管模式的创新提供了途径。然而，当前地铁工程管理类信息系统的开发存在业务缺乏有效关联、数据难以有效集成、可视化展示数据不足、应用场景缺乏等问题，影响施工管理工作效率和质量。

为实现对地铁工程项目精细化管理的要求，须以GIS、BIM、物联网等技术为基础，有效开展地铁工程项目管理类系统的设计与应用，目标主要包括：（1）实现地铁工程项目管理多视图信息的整体概览；（2）实现多源异构数据集成的三维可视化展示；（3）实现数据驱动的安全管理模式；（4）建成数据互联互通的一体化管理系统。

本文结合地铁工程项目精细化管理和目标，构建地铁工程项目多维信息集成监管系统，实现对项目业务、空间信息等的一体化管控和可视化展示，提升地铁工程项目监管的信息化能力和服务水平。

1 系统设计

1.1 系统总体架构

考虑地铁工程建设管理业务的需求，以及地铁工程项目多维信息集成监管系统的性能、安全性、可扩展性等方面的要求，该系统总体架构如图1所示，分为基础设施层、数据资源层、服务应用层与展示层。

图1 地铁工程项目多维信息集成监管系统总体架构

1.1.1 基础设施层

基础设施层是施工现场对生产要素进行监控、量测和数据传输的基础支撑环境，旨在为系统应用提供稳定、可靠和高效的数据支撑。利用RFID标签、温度/湿度/压力传感器、火灾/烟雾报警器、三维激光雷达、视频摄像机、定位终端、基站等进行数据采集，实现对工地人员、机械、物资等信息的实时感知、监控和记录。同时，通过有线和无线网络，如超宽带（UWB，Ultra-Wideband）、5G移动通信、Wi-Fi、ZigBee、窄带物联网（NB-IoT，Narrowband Internet of Things）等进行数据传输和连接。此外，还利用无人机搭载相机设备和卫星遥感技术获取高精度的地理、地貌等影像数据，用于工地现场周边环境的三维建模，更准确地反映工地现场的实际情况。

1.1.2 数据资源层

数据资源层利用数据库、集成服务接口、云服务器和数据存储设备来管理系统所需的各类数据。MySQL数据库支持结构化数据的事务处理和数据分析，如业务应用数据和工程基础数据；MongoDB则用于大量非结构化数据的访问和查询，如GIS和BIM空间模型数据，具有高度可扩展性和灵活性，可应对大量非结构化数据的存储和处理需求；通过集成服务接口，不同类型的数据可在数据资源层中进行交换和处理；云服务器具有强大的计算和存储能力，可根据用户的需求提供不同的配置和服务；数据存储设备负责数据的持久化存储，确保数据的可靠性和安全性。

1.1.3 服务应用层

服务应用层主要提供面向服务的应用程序接口（API，Application Programming Interface），为用户提供交互功能，包括处理用户请求，调用底层的业务逻辑服务，组织服务响应并返回给用户等，可进一步细分为业务模块和应用支撑模块。

（1）业务模块是系统的核心部分，负责处理系统的业务逻辑并提供应用服务，包括面向可视化的应用服务、面向业务的主题服务、面向施工的监测服务和面向协同办公的服务。每种数据服务都以微服务的形式独立部署，通过RESTful Web Service 标准接口为系统及第三方提供数据读写服务。

（2）应用支撑模块为业务层提供支持，基于微服务架构的中间件（包括服务注册与发现、配置中心、服务网关、消息组件和分布式追踪与监控组件），可与其他技术组件进行集成，包括GIS引擎、流程引擎、规则引擎、数据引擎等，提供可扩展性，并实现对业务需求的快速响应。

1.1.4 展示层

展示层负责呈现系统的用户界面，包括Web端、指挥中心大屏、移动端等，集成相应技术和工具，并提供如决策分析、统计报表、GIS查询、BIM应用、信息通知等功能，以更好地监管施工进度、质量和安全等，同时，为地铁工程项目管理提供决策支持和参考依据。

1.2 系统技术架构

地铁工程项目多维信息集成监管系统采用B/S架构的前后端分离设计模式，将前端应用程序部署在浏览器端，后端服务部署在服务器端。前端应用程序由HTML、CSS、JavaScript、Angular、Antd、Echarts等Web技术栈组成，其中，Angular作为主要框架；Antd用于UI组件的设计；Echarts用于数据可视化，封装常用组件，在浏览器中配置Web 界面与UI效果。后端采用微服务架构，通过轻量级的Spring Boot和Spring Cloud框架来构建微服务应用程序，将每个功能模块微服务化，组合成一个完整的Web应用服务。服务器由API网关服务器、Web服务器、文件与模型服务器、数据库服务器组成，API网关与前端的Web应用集成，负责权限校验、负载均衡和缓存。

2 系统功能

地铁工程项目多维信息集成监管系统将各种数据源中的信息进行整合、分析和可视化展示，帮助地铁工程项目管理部门和管理人员对地铁工程建设情况进行全面监管和分析，功能主要包括以下几个方面。

2.1 多维信息可视化

地铁工程项目多维信息集成监管系统提供丰富的数据可视化、统计分析和预测分析等功能，协助用户对地铁工程的建设过程中的业务数据进行全面的监管。用户可通过多种数据指标的可视化展示和动态更新，直观地了解各项业务数据的情况，从而协调、管理各业务环节。同时，通过深入挖掘数据背后的规律和趋势，辅助用户提高管理决策的精准性和科学性。

如图2所示，基于不同区域、时段、业务，对在场人员分布、设备数量、项目进度、产值进度、质量安全问题处理、重大危险源等专题数据进行集成，以饼状图、柱状图、环形图、曲线图等形式进行可视化，多维度展示地铁工程项目所在区域相关管理内容的状态变化信息，使用户更加直观地了解地铁工程项目整体情况。

图2 多维信息可视化示意

2.2 多源异构数据集成的空间管理

基于BIM和GIS技术对地铁工程项目的多源异构数据进行集成与融合，有效实现多源异构数据集成的宏观和微观空间管理。

2.2.1 宏观空间管理

采用统一坐标参照系管理栅格影像和矢量图层，确保几何模型的空间位置和关系的正确表示。应用WebGIS引擎、BIM轻量化技术等支持模型在二维、三维空间的展示，在Web端实现区域面积规划、位置查询、显示和定位等功能。同时，提供模型三维空间分析工具，包括卷帘分析、剖切分析和几何量算等。例如，通过模型剖析，以可视化的方式展示地铁工程项目工地周边环境信息及内部设施结构布局等，并支持进一步的地理空间关系分析，如图3所示。

图3 宏观空间可视化示意

2.2.2 微观空间管理

支持BIM模型的查看，用户可详细地了解地铁工程实体模型及属性信息，应用BIM技术对项目施工现场进行模拟，支持施工作业计划的制定和施工工序的精细化管控，提高地铁工程施工现场的管理效率和质量。

2.3 施工安全管理

针对地铁工程设施与结构、周边环境等存在的重大风险源进行实时监测，支持各项安全指标的可视化显示及异常信息预警，以提升地铁工程项目施工现场的安全性，实时监测预警信息的可视化示意如图4所示。

图4 实时监测预警信息可视化示意

基于实时监测数据和累计的历史风险数据，通过分析数据间的关联和规律，快速地统计、预测和推断可能的风险隐患，并进一步生成应急预案和施工方案优化措施等，帮助管理者及时发现和处理潜在的风险源，并采取相应的预防措施和应急响应措施，最大限度地保障施工现场安全。

3 关键技术和方法

3.1 多源异构数据融合及可视化表达

本系统处理多源异构数据的核心是BIM与GIS数据的互融互通。为将不同专业和格式的BIM数据转换为GIS支持的格式，利用BIM和GIS数据标准之间的扩展和映射关系，建立了统一的数据组织和存储规则，保证两者数据模型在几何和属性信息融合及转换过程中的一致性。

为将BIM 与地形、地貌、地质、沿线周边环境等空间数据在三维场景中进行匹配，本文采用七参数模型计算地方独立坐标系与地理空间坐标系的转换参数，实现了模型、栅格、影像、倾斜摄影模型等坐标投影的自动转换和空间位置配准。

基于超图GIS软件SuperMap iDesktop，对BIM模型进行轻量化处理，包括外壳提取、三角网简化、删除子对象，以减小模型体积。利用细节层次（LOD，Level of Detail）和八叉树空间划分技术对三维场景数据进行分层组织，生成空间三维模型（S3M，Spatial 3D Model）缓存文件，并借助SuperMap iServer发布二维和三维地图应用服务，实现Web端三维场景数据的层次化动态加载和多尺度可视化展示。

3.2 微服务协作机制

微服务协作指一组微服务通过相互间的通信和交互，共同完成业务需求的过程。由于每个微服务都封装为一个特定的应用程序功能，因此，采用一种基于消息的通信来协调微服务间协作的机制，以便执行端到端的业务流程。利用微服务架构模式，在流程执行期间，客户端通过HTTP协议发送服务请求，微服务集群作为整个业务逻辑的控制器响应请求，将请求转换为消息，并发送到消息队列中，以协调多个微服务的调用。微服务按照消息队列订阅或接收消息，执行相应的业务逻辑，并将结果返回到队列中。消息处理完毕后，通过Socket等通信工具告知客户端。这样，每个微服务都可独立地处理其负责的任务，并通过消息队列与其他微服务进行通信和协调，确保系统业务流程的正确执行。

4 应用效果

本文设计的地铁工程项目多维信息集成监管系统已在深圳地铁14 号线工程上线运行。深圳地铁14号线从罗湖区岗厦北站到坪山区沙田站，共 17 个站点，全长50.34 km。该工程项目线路长、区域跨度大、沿线穿越环境复杂，各工区、工点涉及大量工程作业内容，现场人员、材料、机械、设备、环境等施工管理问题突出。本文系统上线以来，在对各个工区、工点施工管理方面取得了明显的效果。

（1）实现了对现场施工材料、机械设备、人员、环境等数据的实时监控量测，形成对施工进度、质量、成本、风险等建设业务数据的全面可视化监管，从整体上提高了地铁工程施工现场的安全性和管控效率。同时，以BIM、GIS等多源异构数据的宏/微观空间管理功能，满足管理人员对工程建设信息全面掌控的要求。

（2）实现了各部门之间业务数据的互联互通，满足了不同管理角色对工程数据的及时掌握和监管需要。微服务协作机制的应用提升了本系统的实用性、可扩展性和服务水平。

5 结束语

本文结合当前地铁工程项目建设的管理方式和目标，设计并研发了地铁工程项目多维信息集成监管系统，已成功应用于深圳地铁14号线工程，并从专题数据可视化显示、地理空间环境信息直观展示，以及施工安全风险管理等方面开展功能性应用，保障了各部门业务间的连续性，提高地铁工程项目一体化、精细化管理水平，具有推广价值。