基于3D GIS+BIM的铁路站场调车防护系统应用研究

黄 超，邓永祁，罗 浩

（湖南中车时代通信信号有限公司，长沙 410005）

地理信息资源是社会发展所必需的重要信息资源，在人类生产、生活过程中，80%以上的信息都与地理空间位置有关。为迎接信息时代的挑战，中国国家铁路集团有限公司提出了“数字铁路”战略，在全路信息数字化过程中，创建国内铁路地理信息系统（RGIS），以满足铁路各业务系统对地理信息资源进行运用和空间化管理的迫切需求。随着国内信息化建设不断纵深发展，基于二维地图数据的地理信息部分弊端亦凸显出来。它在表现地理三维空间位置上不够直观，不能有效展示铁路沿线周边真实环境、细部真实纹理等信息，管理者无法从整体上根据真实、全面的铁路地理信息做出最佳决策。

伴随着信息化、遥感测绘技术不断提升，地理信息系统得到越来越广泛的应用。倾斜摄影是近年来国际测绘领域逐渐发展起来的高新技术，它颠覆了正射影像只能从垂直角度拍摄的局限性，通过多台传感器从多角度采集影像，将用户引入到符合人眼视觉的真实世界。通过站场倾斜摄影建立高质量的站场三维GIS模型，结合BIM技术为站场调车管理提供有力三维支撑。

BIM属于一种依托于工程数字化模型的高新技术，通过对建筑的数据化、信息化模型整合，从而完成建筑模型的建立。通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性5大特点。

1 站场防护现状

随着铁路机车不断增多，站场机车调车作业难度不断加大。目前已通过在机车加装安全防护插件，地面建立平面调车防护系统，采集机车收到的实时信息、机车位置信息、站场机车信号数据、道岔、轨道区段数据等信息。

而这些数据的应用大多是以列表或者文本的形式展示，无法通过图形实体化的直观方式为调度人员及管理人员直观展示站场当前的调车作业情况，无法了解机车周边真实环境、细部真实纹理，无法为管理者根据当前状况快速做出相应决策提供直观依据，将会给铁路运输安全和站场调车作业管理造成一定影响。

2 技术方案详细描述

在现有二维站场调车防护系统建设成的基础上，运用3D GIS、BIM、遥感、测绘、软件工程等技术手段，通过站场数据采集、数据加工、数据集成、应用集成，将铁路站场各种资源数字化，形成一个可以虚拟现实的铁路漫游系统，实现铁路站场立体化、可视化、全局化管理。多维GIS立体化展示效果如图1所示。

图1 多维GIS立体化展示效果Fig.1 Multi-dimensional GIS display effect

该多维站场调车防护系统包括二维和三维展示界面，以全景影像、VR视角等方式展示站场多维实景，通过浸入式的直观视角方式为站场机车调度人员及管理人员直观展示机车运行周边真实环境、细部真实纹理；同时基于GIS技术的强大空间分析功能为机车调度的规划管理者提供更加友好实用的决策支持手段，解决数据分离、机车调车作业显示抽象、无法获取细部纹理等问题。

该系统包括数据层、服务层、应用层以及展示层。数据层包括GIS数据单元、BIM数据单元和业务数据单元，通过对数据的收集、处理和存放，实现数据的集成和分类存储；服务层包括公共组件单元、业务应用服务单元和GIS多维服务单元；应用层包括系统管理单元、应用集成单元和全景数据展示单元，包括各应用模块的集成，对站场图形、地理信息、数据、系统以及数据业务规则进行管理；展示层为客户终端，用于桌面终端和移动终端展示。

系统总体逻辑结构如图2所示。

图2 系统总体逻辑结构Fig.2 Overall logic structure of the system

为完成GIS数据和BIM数据的采集，建立数据层的GIS数据单元，需对站场进行数据采集。

1）提前对站场区域范围进行航线规划，综合飞行控制距离、站场地形地貌、站台建筑物分布、测量精度等因素进行航线规划和参数设定。利用站场的空窗期对站场进行航拍数据采集。站场数据采集主要元素包括：站场各股道、道岔、信号机、站台、土挡等。

2）数据后处理

首先对飞控系统生产的位置数据进行筛选整合，过滤掉不符合要求、错误点数据。

其次，对空间三角测量计算。空中三角计算主要在于自动、准确地估算出每副输入影像的位置、角元素，对影像定位信息严格配准，获得航测缺失的影像信息。空中三角测量计算是后期数据处理过程的重要一步，同时它也是三维重建计算的基础。

在地心坐标系（World Geodetic System 1984，WGS 84）下进行三维重建计算。

模型精修及单体化处理。由于在数据处理过程中错误的影像匹配或者较差的飞行姿态造成站场元素变形（结构纹理扭曲、破面缺面等）、悬浮物、丢失部件等情况。通过人工对模型进行精修重建，使得站场要素完整，满足人眼视觉感官和后期三维GIS应用的需要。BIM模型库用于存储站场内各股道、道岔、机车等关键元素的结构和其他相关的参数信息。

因为站场中并非所有元素是静态的，站场中信号机色灯存在变化，道岔开叉情况也是变动的。并且站场中根据机车车型的不同，其机车模型也是各有不同。因此需对该类模型进行单体化处理。通过利用信号机、道岔等对应的矢量面，对倾斜摄影模型进行切割，把连续的三角面片网从物理上分隔开，从而实现单体化。对分离的单体化模型进行精细化修编重建，再融合到三维模型中。

3）采用3D GIS+BIM技术建立铁路站场三维模型

通过以上步骤完成GIS数据单元和BIM数据单元的搭建，以三维建模及贴图的方式完成站场的立体可视化。模型完成搭建之后效果如图3所示。应用层的应用集成单元包括以下几个模块。

图3 站场三维模型Fig.3 Three-dimensional model of station (yard)

运行监测模块：对非站场运行的机车运行状态进行实时监测，包括机车实速、限速、公里标、LKJ时间、当前位置等信息。

调防监测模块：当机车进入站场后，对机车调车作业进行实时监测，包括机车前方调车信号机色灯、解锁状态、联锁状态、前方距离等信息。

报警监控模块：对机车关键设备质量进行提前告警，包括实时设备质量预警、实时空间预警、机车历史记录查看和报警处理。实时设备告警预警：基于BIM模型集成机车设备历史运维、局内各段设备运维大数据信息，融合现场设备运行监测数据，动态生成优化的运维方案，实现预防性、预测性的主动式运维管理，提前消除设备故障；实时空间告警预警：基于BIM模型集成站场建筑空间、机车流动信息，融合实时采集的车流监测信息，自动识别调车作业拥挤的红热区域，生成消除拥堵的预警管理方案，实施动态的智能调车作业管理。

作业监测模块：对进入站场区域的机车进行周期检测判断，对超期未检测机车进行预警。

文件管理模块：对机车运行文件进行自动、手动下载管理。

应用层的全景展示单元包括：通过机车GPS模块下发的位置信息与BIM模型进行关联及纠偏，进行机车在站场运行的三维复现，实现机车在站场内的三维空间查找、定位和显示，达到机车在站场建筑、股道BIM模型之间实现切换和场景移动式漫游，查看机车在站场内的调车作业运行状况，查看机车当前实时状态，查看机车前方信号机色灯灯值，查看机车前方道岔开岔情况，对站场内所有机车进行动态监控；通过机车TSC设备将机车监控状态和能耗数据信息下发至地面服务器，通过数据处理和逻辑分析，实现对机车关键设备质量非动态监测，掌握机车的运行信息。多维站场调车防护系统在机车站场调车作业的二三维联动展示效果如图4所示。

图4 站场二三维联动效果Fig.4 Effect drawing of two-dimensional and three-dimensional linkage of the station

展示层包括客户端单元和移动端单元。客户端通过浏览器的方式访问多维调车防护系统，移动端单元则是用户通过手机APP的方式访问系统，查看机车在三维站场中的调车作业情况。系统以大屏作为主要展示媒介，以移动端为辅助来查看站场内机车、信号机、道岔等调车作业实际情况，了解机车周边真实环境、细部真实纹理，为调度指挥中心进行站场内机车调度提供直观依据，其整体应用展示效果如图5所示。

图5 系统应用展示层Fig.5 System application display layer

综上所述，通过3D GIS+BIM的站场调车防护系统，在原有二维站场调车防护系统功能的基础上，增加虚拟现实的三维站场漫游子系统，使用户以第一视角沉浸式查看站场内的机车运转实际情况，能有更真实逼真的交互体验，为用户提供三维真实场景并作出最佳决策，通过这种方式解决二维站场防护系统存在的弊端。

3 结束语

该种基于GIS+BIM的调车防护系统，应用了GIS和BIM技术的可视化特性，可以非常直观、便捷地查询机车在站场内的调车作业情况，了解机车周围的真实环境和细部纹理，为站场调车管理提供有力三维支撑，显著优越于二维的运维平台。