信息化模型技术在铁路车站改造中的应用研究

高文峰

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

近年来，中国铁路及城市轨道交通进入快速发展建设时期[1]，一些大型的既有车站成为制约铁路发展的瓶颈，急需改造。既有铁路大型车站改造工艺流程复杂，且工程管理现状为“纸质”、“手工”、“分散” 和“基础”式的管理，与现代化铁路建设管理要求不相匹配， 迫切需要标准化、信息化和网格化的管理系统[2]，以提高管理效率。3DGIS集成了铁路信息模型和BIM模型，能为大型车站改造工程提供虚拟的仿真地理环境，为改造方案的备选提供辅助决策。因此，构建铁路大型车站信息化模型系统对提高大型车站改造效率和安全性具有重要的意义[3-4]。

铁路建设项目管理信息系统将调度指挥、管理决策、应急管理以及现场监控等作为重点管理内容[5]，不仅可以将传统的沙盘汇报模式转换为真三维场景，还可对施工建设进度进行管理和实时监控，对施工过程中的拆迁顺序和车流分配调度管理进行模拟，实现宏观和微观的统一[6]。

1 铁路模型分类

铁路信息化模型可以分为三个部分：三维场景模型、车站构筑物模型、铁路结构和设备模型。

(1)三维场景模型

主要用于展示车站周边的地形地貌，以及与周边交通、建筑、环境间的空间位置分布关系和互通关系；同时也是其它模型的载体，可通过精确的空间位置来展示三维场景模型和车站模型的相互关系。航天航空数据、DOM、DEM是构建三维场景模型的主要数据源[7]。

(2)车站构筑物模型

主要包括车站相关的建筑物，如站房、雨棚、站台和相关建筑物(防护围墙或栅栏、应急通道、限高架等)。车站构筑物模型是枢纽改造的重要组成部分，可分为重新装修、结构改造、重新设计修建三种情况。车站构筑物模型制作主要采用空、地一体化的方式，利用航空摄影测量技术获取立体模型，在立体模型中采集结构线，根据结构线生成“白”模，再将现场拍摄的真彩色纹理照片粘贴在对应的结构面上，从而形成精确的三维单体化模型。

(3)铁路结构和设备模型

铁路自身结构包括路基、桥梁、隧道、涵洞、救生梯等，相关的设备包括道床、道砟、枕木、轨道板(高铁)，钢轨、道岔、信号灯、电杆、电线等。铁路结构和设备模型的构建需借助设计参数(如桥梁、隧道、路基的设计参数)进行三维建模；相关设备设施主要根据设备的几何结构进行三维建模。

2 铁路信息化模型的特点

(1)组件化

为了充分利用铁路信息化模型进行精细管理，必须对模型进行组件化；通常按照工程系统的分解结构(Engineering Breakdown Structure，EBS)进行分解，例如：桥梁的桩基、桥墩、桥台，铁路的轨道、轨道板、道床，都应作为单独的组件嵌入到铁路信息化模型中。通过优化设计，建立铁路行业的独立构件，可以提高铁路中线的附加信息值[8]。

(2)信息化

三维模型的每个组件都有对应的属性信息，可通过语义分析对模型或者模型的组件进行管理。这也是铁路信息化模型的最主要特征之一。

(3)标准化

是铁路信息化模型的基础，目前主要参考的标准包括：铁路联盟发布的铁路工程信息模型的分类编码、语义和数据交换三个标准。

(4)精确化

是铁路信息化模型的基本要求之一。所构建三维模型的表面物理结构须与建筑物的实际结构基本一致，其物理尺寸误差必须控制在一定的范围之内，纹理结构与实际的纹理结构须保持基本一致，通过轮廓和纹理能够直观地区分其明显特征(见图1)。

图1 基于倾斜摄影测量的哈尔滨车站三维场景构建

3 铁路信息化模型系统构建

3.1 铁路信息化模型构建

(1)三维场景模型构建

构建三维场景模型的主要目的是为铁路信息化模型搭建基础地理信息平台，从宏观层面展示铁路信息化模型和周边环境的空间地理关系及铁路车站改造过程的影响范围；利用航空摄影测量技术(包括数码航空摄影测量、倾斜摄影测量、激光雷达测量及无人机摄影测量等)获取研究范围内的正射及倾斜航空影像数据，通过传统航空摄影测量技术处理及倾斜摄影技术处理，得到数字正摄影像(DOM)和数字高程模型(DEM)，在三维地理信息系统中叠加生成车站周边三维地理场景模型。

在建筑物密集区，为了更加直观地展示车站与周边建筑物的关系，需要构建周边建筑物的三维模型。根据建筑物的空间位置、影响范围、重要性以及实际需求，分别建立“白”模和“精”模(如图2所示)，或者利用倾斜摄影测量技术，建立整个区域的建筑物三维模型(如图1所示)。

图2 哈站周边建筑物的“白”模和“精”模

(2)车站构筑物模型构建

车站构筑物模型是车站工程改造的重要组成部分和施工组织管理的重点。车站构筑物主要包括车站相关的建筑物、与铁路相交的桥梁等。为了达到可视化效果和效率的平衡，根据管理需求，构建不同精细程度的车站构筑物模型。上跨或者下钻的构筑物(如桥梁、隧道等)需要建立精确的物理几何模型(如图3所示)，用于分析构筑物和铁路之间的空间关系；对于车站，需要利用设计资料和BIM设计软件建立站房BIM模型(如图4所示)，用于施工组织管理、空间分析及应急管理等。

图3 基于地面激光扫描技术的霁虹桥精细模型

图4 站房BIM模型(部分)

(3)铁路结构和设备模型

铁路结构和设备模型是铁路信息化的重点。这类模型都有严格的设计参数和物理几何尺寸，也是改造过程中的重点对象，需要将其空间地理位置、几何尺寸、安装姿态及与线路之间的相对位置关系精确地展现出来，图5展示了信号机参数模型与轨道模型之间的空间相对位置关系。

图5 基于参数的信号机和轨道模型构建及其空间相对位置关系

在建模过程中或者建模后，需要对铁路结构和设备模型进行信息化，即编辑模型以及模型组件的属性信息。同类数据需要建立统一的属性集，比如建筑物需要根据收集到的资料建立诸如建筑物名、建造年代、建筑物面积、权属人等属性字段，以方便在铁路综合信息管理系统中对各种模型进行查询管理。

3.2 铁路信息化模型系统集成

模型集成是展示站场环境整体效果的基础。BIM和GIS都有其自身的局限性，需要将二者结合使用[10-12]。目前，通用的集成方法是以三维地理信息平台为管理平台，将各种地理信息数据和模型数据集成在一起，并开发相应的管理功能。常用的三维管理平台有Skyline、SuperMap、ArcGIS、CityMaker等。三维场景模型都带有精确的地理坐标，可以直接按照地理坐标导入三维地理信息系统中。对于单体化的模型来说，可采用模型矢量导入表对各种模型进行组织、显示和管理。以BIM模型为例，制作模型导入表，包括模型编号、地理坐标、姿态参数等；采用BIM建模时的模型编码作为模型的唯一标识。地理坐标计算包括从三维模型坐标到三维地理空间坐标的转换、三个姿态参数(Yaw、Pitch、Roll)的计算。通过对地理坐标(X、Y、Z)和姿态参数的准确计算，可将建筑物三维模型构件无缝集成到在3DGIS平台中，集成效果如图6所示。

图6 建筑物模型与3DGIS集成

在集成后的铁路信息化模型系统中，针对铁路车站改造工程的需求，可定制开发各种管理功能，如资料查询、地物量测、安全监控、施组计划编写、安全检查、进度管理等功能。

4 铁路信息化模型的应用

基于信息化模型构建的铁路信息化管理系统能够实现车站改造管理的信息化、智能化，提高管理效率。以下从最常用的施工组织、形象进度管理、征拆管理等方面对铁路信息化模型在车站改造中的应用进行探讨。

4.1 施工组织管理

传统的工程管理软件信息化水平较低，制约了铁路工程管理水平的提高[13]。这种方式制定的施工计划与工程对象模型、地理信息等没有关联，无法实现对工程进度形象化的预演，也不能直观地查询任意时间点的工程全貌。

为了实现进度计划的可视化、形象化管理，需将信息化模型与工程分解子项关联起来。为了实现对海量工程信息的有效管理，采用二维图形符号与三维模型相结合的方式来表达工程的进展(见图7、图8)。

图7 工程对象的图形化表达

图8 工程对象的三维实体模型表达

4.2 形象进度管理

施工计划的形象化表达分两个方面：一是施工计划编制时的工程对象形象化表达，二是施工计划查询时的形象化表达。形象化计划编制和查询都需要建立图形、模型对象与工程元素的一一对应关系。在数据制作阶段，根据施工计划拆分和裁切二维图形和模型，对每个图元和模型进行编码，建立该编码和EBS编码的对应关系，以及形象化图形模型数据和施工计划逻辑数据的对应关系，通过图元和模型来修改施组计划逻辑数据，也可使用施组计划逻辑数据来驱动图形和模型。通过拖动时间条，可实时查看任意时间点的计划进度，由此实现3D模型向4D模型的转变(见图9)。

图9 4D模型进度示意

4.3 征拆管理

通常情况下，车站改造建设时间长，总投资大，参与建设部门多，而且大部分车站都处于城市中心，改造困难较大，对项目管理水平提出了更高的要求。利用铁路信息模型系统建立拆改方案管理数据库，对站房拆改方案进行综合展示、管理和分析，为参建各方提供一个公共、形象直观的沟通交流平台；另一方面，可对方案进行模拟、对比分析等，结合三维矢量和BIM模型进行新建工程与拆改工程的时空关系表达，可优化拆改方案，提高项目管理水平和效益(如图10所示)。

图10 站场轨道拆改方案对比(图中红色为新建方案，蓝色为既有线路轨道)

4.4 资料管理

围绕质量、安全、进度、投资等管理内容开展信息化系统子模块的应用，记录和存储工程实施过程中产生的各类数据，为建设管理提供信息化服务。在工程竣工时，从过程数据中提取重要信息，与GIS数据、BIM模型一起进行资料移交，为后续的运维管理提供数据。

5 结论

以铁路信息化模型技术服务于铁路车站改造为目标，分别阐述了铁路信息化模型的特点、铁路信息化模型系统的构建方法、铁路信息化模型系统在铁路车站改造中的应用。以哈尔滨枢纽改造为例，通过将铁路车站改造范围内的构筑物(部件)数字化，加入属性信息，构建铁路信息化模型，并将三维地理模型、铁路信息化模型通过3DGIS进行集成管理，按照施工组织对施工建设过程进行精细化管理；利用三维实景模型与虚拟模型相结合的方式，真实还原建设过程，推演施工组织过程的合理性，发现存在的各种风险，优化施工组织，防范施工风险，提高现场管理信息化水平[14-15]。