数字铁路信息共享体系研究

张毅 中铁二院工程集团责任有限公司信息中心，成都 610031

数字铁路信息共享体系研究

张毅 中铁二院工程集团责任有限公司信息中心，成都 610031

数字铁路的建设需要解决勘察设计、建设施工、运营养护三大阶段的信息共享、综合利用问题。通过分析数字铁路的主要研究内容及关键技术, 阐述了数字铁路信息共享体系的构建,以及对建设数字铁路具有的重要指导意义。

数字铁路；三维；数字化

Digital Railway; 3D; Digitization

引言

近年来，我国加速推进国民经济信息化的进程，跨入了以“数字中国”、“数字城市”、“数字交通”为代表的信息技术高度集中与迅猛发展的数字时代。

数字铁路是“数字交通”的一个子集，它基于地理信息系统（GIS）、全球卫星定位系统（GPS）、遥感（R S）、物联网、虚拟现实、信息集成、分布式数据库、数据仓库、多媒体、海量数据处理及宽带通信等技术, 研究中国铁路基础设施及铁路环境的数字化标准体系。它通过对铁路的勘察设计、施工建设和运营养护三大阶段综合考虑，运用三维技术和协同管理理念将各阶段信息元按照统一的规范关联，构建一体化的信息共享体系，解决勘察设计、建设施工、运营养护三大阶段的“信息共享、综合利用”。

通过在信息共享体系上建立的数字集成平台和虚拟环境，可以对铁路的勘察、规划、设计和建设中的各种方案进行模拟、分析和研究，并在可视化的条件下提供决策支持，增强决策的科学性和预见性。同时在运营养护阶段，实现铁路服务资源和运力资源的全面管理和直观展示,对内支持运输组织、客货营销、经营管理等的需要, 对外支持旅客出行、货主与查询的直观展示, 并综合内外部信息为各级管理者提供可视化综合决策支持的铁路信息系统。

数字铁路研究与实施除了需要传统技术与现代新兴技术的融合与创新，也需要铁路行业各个部门的参与和配合，在管理理念上有所突破。要将勘察设计、施工和运营养护三大阶段综合考虑。勘察设计与施工所产生的成果，为后期的运营养护提供大量基础数据，是建立数字铁路的必备条件。

因此我们以研究及构建数字铁路为目标，梳理了勘察设计、施工和运营养护间的数据依赖关系（如图1），提出了三维数字铁路信息共享体系，以建立并完善一套符合中国铁路行业实情的三维数字勘察设计、施工及运营养护的整体工作模式和标准管理体系，并在此基础上完善与之配套的软硬件平台，让数字铁路的研究与构建更加科学化和系统化。

图1 各阶段数据依赖关系

1 建立三维勘察设计平台

在当今的工程建设行业和铁路工程领域，不断涌现的新技术和实践促成了铁路工程勘察设计的显著变革，尤其是以建筑信息模型[1]为核心理念的数字化三维技术的出现，给铁路工程建设行业，尤其是大型勘察设计企业生产率的提升提供了新的驱动力。先进的三维设计技术和全生命周期项目信息管理，可以帮助企业更准确、有效的控制勘察设计过程，极大地优化设计质量、缩短设计周期和成本。

数字化三维勘察设计首要任务是建立三维协同设计的工作模式、管理流程和设计标准。三维勘察设计相对于传统的二维设计而言，不是一个简单的升级，而是一种变革。三维协同设计模式将是一个各专业人员协同工作，数据实时更新及共享、权限统一管理和历史记录有序追溯的新型工作模式[2]。以协同理念建立的设计标准也将最大限度地保证三维设计数据的规范性和统一性，包括建模标准、数据交互标准、出图标准等。全新的三维勘察设计体系的建立，将为勘察设计企业设计质量的提升带来新的推动力。

在三维勘察设计体系的基础上，测绘与地勘专业分别建立地上和地下三维模型，提交至三维中心数据库。站前站后相关专业在三维中心数据库上可以依次获取基础数据，开展三维协同设计，最终形成的成果提交三维中心数据库统一管理。施工单位可以直接通过三维中心数据库获取勘察设计成果，指导后期数字化施工。整体流程如下：

图2 数字化三维勘察整体流程

三维勘察设计体系的关键是三维设计软件支撑平台建立。通过该软件支撑平台，可以疏通各专业间的数据传输通道，实现各专业三维设计资料互提过程的网络化和规范化；实现设计成果的三维实时漫游和集中管理[3]，并与三维中心数据库进行统一交互，最终形成三维设计专业知识库。整个体系结构中，软件层次关系如下图：

图3 软件层次关系图

2 建立铁路数字施工系统

铁路施工是衔接勘察设计与后期运营养护的关键环节。铁路数字化施工系统是指依托建立数字化地位基础平台、地理信息系统、遥感技术、工地现场数据采集系统、工地现场机械控制系统、全球定位系统等基础平台，整合工地信息资源，突破时间、空间的局限，建立一个开放信息环境。使业主、设计方、施工单位、监理单位之间能够进行实时信息交流。该系统是提高工作效率，提升工地管理水平，优化施工方案的最佳选择。

数字化施工系统由基础设施、控制系统和数据支持服务中心三部分构成：

图4 数字化施工系统构成

基础设施：作为数字工地的基础，利用长期运行GNSS基准站为数字工地的所有现场数据采集提供基准，为决策者的指挥决策提供现场信息的支持，同时为项目完工后的系统提供基础平台。

控制系统：利用数字化工地定位控制和数字化机械控制系统，实时采集施工现场数据，实时监测施工质量。实现高效、快捷、科学地进行工程质量和进度控制，并提交完全透明化的验证结果，同时始终保持设计精度要求，最大程度避免了返工。

数据服务中心：贯穿于整个施工过程，从最初的施工设计三维数据的获取及转化，到施工现场的技术支持，再到施工结果数据的处理。主要职能是处理、收集、整理施工数据，建立动态信息管理系统，为工地管理者提供决策支持功能。

数字铁路施工[4]方案集施工设计、施工测量和数字化施工方法于一体，是一套完整的施工解决方案，它不仅依赖数字化手段整体性地解决工程施工问题并最大限度地利用信息资源，降低成本，减少人力需求，提高生产效率。

图5 数字化施工整体场景

3 建立运营养护三维信息共享平台

在勘察设计和项目施工阶段形成的各种三维模型和成果资料是后期运营养护的宝贵财富。通过规范项目建成后提交的竣工资料、三维数据类型及相关标准，实现三维资料与运营养护现有系统的数据互通，高效、准确地将前期三维地模、线路布置、建筑轮廓、相关安装设备的线路定位、规格型号、厂家等详细信息导入运营养护数据库中。根据提供的三维信息实现铁路整体状态虚拟展现，为列车运行仿真、运行控制、防灾监控等提供数据支持。运用“信息共享、综合利用”的发展思路，以三维项目资料和数据接口为载体，可以在本阶段利用地理信息平台，实现智能化的铁路管理和辅助决策功能。

图6 三维信息在运营养护的综合利用

3 结束语

基于建设全生命周期的数字铁路信息共享体系研究与构建，对推动整个铁路行业的技术创新、管理创新提供了很好的催化剂，并且有利于促进相关产业的又好又快发展，特别是物联网、云计算[5]、三网合一等新一代信息技术，以及数据加工服务、智能工程机械制造等，具体表现为：

1、以协同理念为基础的三维勘察设计新技术、新平台研究及运用，以及工作模式和管理理念的变更，有助于三维设计软件及辅助硬件产品的发展。大量的三维建模需求有助于三维测绘数据及三维基础模型加工服务行业的发展。针对铁路行业海量数据和高计算速度的需要，有助于高性能计算处理中心的建立和云计算技术的运用。

2、随着铁路数字化施工系统的推广及应用，将对工程机械制造、地理信息系统、遥感系统、全球定位系统等技术相关的产业带来新需求、新机遇。特别是工程机械制造产业，大量信息化、智能化的工程机械产品需求，为提升该产业的制造能力和技术水平，提供了推动力。

3、安全是运营养护阶段需要关注的核心问题之一。通过对物联网技术的研究及应用，升级相关运营养护设备和设施，包括具“内在智能”的传感器、移动终端、视频监控等系统，能采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、决策支持，实现“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化服务。既提高运营养护的安全性，又促进整个物联网产业的发展。而铁路数字化仿真对虚拟化技术、多媒体产业发展也具有深远影响。

可以预见，随着数字铁路及其信息共享体系研究的不断深入，将促进现代通信、定位、遥感遥测、空间地理信息系统、计算机、通信、数据库、虚拟仿真和其他相关技术的不断发展。数字铁路最终将会以交通工程勘探测量、规划、设计、建造、运营养护、管理决策等全过程的数字化、可视化、智能化的综合系统展现在我们面前。它将是“数字城市”之间连接的纽带，是“数字国家”的大动脉，它的研究及建立将为大众生活和国民经济发展提供可靠的基础设施服务。

[1]宝琦. 基于BIM的工业建筑协同设计[J].工业建筑. 2010(40):48

[2]Autodesk BIM实施计划-实用的BIM实施框架[M]. 北京：中国建筑工业出版社.2010. 6；12-29

[3]闵阳. 数字铁路系统中三维可视化的研究[J]. 铁道勘测与设计. 2010(4):16

[4]张锡洲,吴彦君,赵毅. 数字化施工管理系统的研究及应用[J]. 石油化工自动化.2010 (3):25

[5]刘鹏. 云计算 [M]. 北京：电子工业出版社.2011.3；220-233

Research On Digital Railway Information Sharing Architecture

Zhang Yi CREEGC, Information Center, ChengDu 610031

Construction of digital railway needs to solve the information sharing and comprehensive utilization for the survey and design, construction, operation and maintenance. By analyzing the main research contents and key technologies, the information Sharing Architecture for digital railway is designed and given. These have important instruction function on construction of digital railway.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.141

张毅 计算机应用硕士 工程师 从事勘察设计软件和三维技术应用研究。