一种面向铁路竣工文件管理的电子沙盘系统研发

张 恒 贾丰品 范登科 赵 磊 王宏祥 陈金鑫 朱宏伟 李 超

(1.中国铁路设计集团有限公司，天津 300308; 2.轨道交通勘察设计国家地方联合工程实验室，天津 300308; 3.西南交通大学地球科学与环境工程学院，成都 610031; 4.北京品源专利代理有限公司天津分公司，天津 300308; 5.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081)

引言

竣工文件作为铁路工程建设的真实记录，是对铁路项目进行监督、管理、验收以及后续设备养护、维修的主要依据，是铁路建设成果的反映。竣工文件承载了从项目立项到竣工验收全过程的各类信息，是铁路工程验收的重要资料[1-2]。竣工文件的高效管理，能够对工程运营养护维修和后期质量跟踪回溯起到重要作用。

目前，大部分单位仍采用文档、文件夹的形式对竣工文件进行管理，并以磁盘刻录、移动硬盘存储的方式进行移交，缺乏有效的信息化管理系统对电子档案进行组织、描述、检索和数据服务[3]。为了对竣工文件进行有效存储与快速检索，国内众多学者使用数据库技术构建项目建设档案管理系统。王晓波对电网工程档案资料的内容和规范进行梳理，并采用关系型数据库构建档案管理系统[4]；潘定坤对铁路竣工验收过程中所需的电子施工日志进行管理，从电子施工日志的架构、功能及应用等方面构建电子施工日志系统[5]。然而，这种方式在可视化层面不够直观，文件之间的关联度较低。此外，还有部分学者基于BIM等三维模型与资料管理进行结合，创建出以三维模型为基础的竣工交付资料管理系统。王婷等提出基于BIM 5D技术的施工资源动态管理方法，通过将进度、成本、物料管控等信息与BIM模型进行整合，实现施工资源的可视化动态管理[6-7]；李营等制定基于无人机遥感影像信息分类体系，建立相应的影像解译数据库和制图符号，并将分类体系应用于竣工环保验收工作[8]。这种方式虽然实现了竣工文件间、竣工文件和三维模型间的关联，但存在对竣工文件的描述不够、资料的检索效率低、施工过程资料无法溯源等缺点，导致难以在实际项目中开展应用。

针对竣工文件表达不直观、指向性差等问题，面向竣工文件的可视化管理，研发一种电子沙盘系统，并基于铁路竣工文件开展实验分析，以期有效增强竣工文件地指向性和直观性，提升竣工验收地便利性。

1 面向铁路竣工文件管理的电子沙盘系统研发

1.1 总体思路

课题技术路线见图1，具体阐述如下。

图1 面向铁路竣工文件管理的电子沙盘系统研发技术路线

(1)竣工验收调研。根据盐通、阳大、昌景黄等铁路建设项目，对竣工验收的管理方法和内容进行调研。同时，结合竣工验收的相关规范进行分析，整理竣工文件管理的需求。

(2)竣工文件应用情景分析。通过对观感验收、静态验收等应用情景进行分析，梳理出竣工文件管理的难点在于多专业资料的集成性，以及庞杂竣工文件的指向性。

(3)建立竣工文件领域模型。采用微服务、数据中台、EF框架等技术，建立竣工文件的领域模型。根据竣工文件的特征设计数据库表结构，并对数据表之间进行关联，实现数据库设计，对部分竣工文件进行数据库存储。

(4)竣工文件集成。研究铁路信息模型的三维建模技术，并将竣工文件与铁路信息模型进行融合，构建铁路三维场景。

(5)竣工文件查询服务。针对地形图、影像等地理信息数据，根据竣工文件在数据库中的查询方式和元数据描述字段，联合三维模型的编码规则，研究竣工文件与三维模型在不同粒度的对应和关联关系，设计竣工验收资料与模型的挂接方式，并基于WPF等技术对电子沙盘进行深化研发，实现竣工验收资料的一体化管理。同时，研究面向竣工验收的空间数据组织与管理方式，研究Restful API的数据查询接口封装方法，为竣工文件验收提供数据服务。

1.2 竣工文件管理需求调研分析

通过分析铁路建设项目验收管理相关法规、工作管理流程及资料管理需求，面向铁路工程静态验收、动态验收、初步验收与安全评估、正式验收的竣工验收管理全过程，研究铁路建设项目竣工验收资料管理系统的数据分类、功能架构、技术要求及管理需求，提出竣工验收资料管理系统的研发需求。

(1)通过行业调研与项目访谈，调研国内外铁路、公路等领域工程竣工验收信息化管理现状，深入分析铁路建设既有法规、管理办法对竣工验收工作管理流程及资料管理的相关规定，梳理当前铁路竣工验收工作不同阶段的管理流程，及相应的资料需求。

(2)调研建设项目档案信息化管理、基于三维模型的资料管理、数据挖掘等信息技术发展现状，根据现状分析对相关技术的特征进行归纳总结，分析信息技术对于铁路竣工验收管理工作的支撑作用。

(3)分析国铁建设管理部竣工验收管理工作特点与职责范围，研究既有铁路信息化管理系统对于铁路竣工验收管理工作的支撑程度，并提出铁路竣工验收信息化管理面临的挑战，进一步提出面向建设管理部工作需求的铁路竣工验收管理信息化、数字化提升需求。

在铁路行业，针对竣工验收工作，颁布了铁档史〔2018〕29号《中国铁路总公司铁路建设项目档案管理办法》、铁总档史〔2015〕356号《铁路归档文件整理规范》、铁建设〔2008〕23号《铁路建设项目竣工验收交接办法》、铁档史〔2011〕110号《铁路竣工项目资料验收办法》、TB 10443—2010《铁路建设项目资料管理规程》、发改基础[2015]2830号《铁路建设项目国家验收实施办法》、铁建设〔2012〕107号《高速铁路竣工验收办法》、铁建设〔2008〕23号《铁路建设项目竣工验收交接办法》、TB 10760—2021《高速铁路工程静态验收技术规范》、TB 10761—2013《高速铁路工程动态验收技术规范》、Q/CR472—2015《高速铁路联调联试及运行试验技术规范》、国铁工程监〔2020〕28号《铁路工程建设项目竣工验收监管指导意见》等办法和规范文件[9-12]，对项目竣工文件工作提出了具体强制性要求。规定了竣工验收的材料内容、验收条件、职责分工、强调建设项目应积极采用信息化手段实现文件形式、流转到归档的全过程控制，项目档案应采用信息化管理，分类参照纸质档案分类，与纸质档案保持一致并建立关联关系，这些规范和管理办法都为我国铁路建设过程中资料管理的内容和方式提供了依据。

1.3 竣工文件数据库设计

竣工验收资料数据库主要用于存储竣工验收相关的结构化属性数据，主要包括工点数据库和竣工文件数据库两部分。竣工文件数据库整体结构见图2。其中，工点数据库存储线路全线工点的基本信息。由于竣工文件大多数以纸质文件进行存储，电子资料主要包括施工日志、检验批和工程影像，以施工日志为例，阐述竣工文件数据库的设计方法；以工点数据库设计为例，阐述竣工文件数据库设计方法。

图2 竣工文件数据库整体结构

按照内容可分为工点数据、设计数据、项目数据等，其中工点数据又可进一步细化为桥梁数据、路基数据、隧道数据和斜井数据，数据表设计采用单向继承、层层展开的方式，上一级表格提供下一级表格的索引，下一级表格对上一级表格进行信息的补充和细化。

以桥梁数据表设计为例，阐述数据库的设计方法。桥梁属性结构见图3，桥梁工点可细化为下部结构、上部结构和附属结构。其中，下部结构的总结点设置为每个桥墩，上部结构的总结点设置为梁段，采用工点ID与工点表关联；每个桥墩包含多层基础和多根桩，由于桩的一致性较高，为了节省数据量，简化数据结构，暂不对每根桩单独建记录，基础与桥墩通过桥墩ID关联；梁分为简支梁和连续梁，连续梁又被分为多个梁块，以梁段ID关联，此外，为满足二维填报的绘图要求，还需记录梁截面参数，采用梁段ID与梁段表关联。

图3 桥梁属性结构分类

1.4 铁路竣工验收三维场景生成

基于铁路信息模型的竣工验收三维场景生成过程见图4，主要包括基础数据处理和三维场景生成2个步骤，具体阐述如下。

图4 铁路竣工验收三维场景生成过程

(1)基础数据处理。基础数据包含基础地理场景数据、铁路工程实体模型数据、工程建设数据等3部分，这些数据是构建三维场景的数据基础与支撑。其中，基础地理场景数据包括地形、影像、矢量、注记等数据；铁路工程实体模型用于对铁路工程要素进行三维展示，包括主体工程、重难点工程、临时设施、附属设施；工程建设数据是记录施工过程中的数据，包括竣工验收所需要的施工日志、检验批、工程影像等数据。

(2)三维场景生成。三维场景的生成主要分为3个步骤：符号化表达、数据组织、场景优化。符号化表达主要包括三维模型点符号实例化表达、注记符号表达；数据组织是对三维场景中的数据进行组织和管理，包括对多源异构数据的融合，以及基于语义的三维模型组织；场景优化是对三维场景的效率进行优化，包括地形影像数据的优化，以及模型数据的优化。

1.5 电子沙盘系统研发

WPF(Windows Presentation Foundation)是微软推出的用于构建桌面客户端应用程序的UI框架，具有应用程序模型、控件、图形、布局、数据绑定和安全性等功能，提供了统一的编程模型、语言和框架，真正做到了分离界面设计人员与开发人员的工作[13]。此外，与ActiveX技术只能在IE浏览器上调用相比，使用WPF技术搭建软件能够在不同的浏览器中进行调用(如Chrome、Firefox、Edge等)[14-15]，因此，选择WPF技术构建电子沙盘的整体框架，包括UI界面设计、后台算法实现等方面。

基于WPF技术构建竣工验收电子沙盘，系统整体架构见图5。

图5 基于WPF的电子沙盘整体架构

数据资源层用于数据存储。其中，部分设计数据能够进行三维可视化，从而便于设计数据的直观展示，如将二维的施工图文件转换成三维模型，将用地类型数据以空间矢量数据进行存储。部分结构化的施工过程数据则可以用数据库进行存储，例如施工日志、检验批、合同文本等。

应用层指竣工验收过程中的相关应用，主要包括观感验收和静态验收。三维场景中，无人机视频和无人机影像等数据可用于观感验收，如路桥隧等工点表面裂纹等观感验收；还可对铁路沿线声屏障的数量和位置进行监测，辅助环水保验收。静态验收方面，将静态验收数据与三维模型进行关联，能够相互查询，从而有效辅助静态验收。

浏览层是指平台的访问方式，可通过web浏览器、桌面端以及移动端等3种方式进行访问。

在数据存储方面，将高精度地形、影像等涉密数据通过加密方式存储在本地，竣工验收等属性数据则存储在云端服务器，两者通过WebAPI的方式进行数据请求与响应，基于WebAPI的竣工验收数据查询方式见图6。

图6 基于WebAPI竣工验收数据查询

2 案例实验与分析

某高速铁路长约226 km，设计时速350 km，沿线多为山区地形，地理地质复杂、桥隧比高。该建设项目在竣工验收时，需要进行外业检查与内业检查两项工作，其中外业检查包括对铁路沿线危险源的识别、路桥隧等工点的观感验收等方面的内容，而内业检查需要查阅竣工图、施工日志、检验批等竣工文件。常规外业检查中，均为现场派人进行野外调查，其难点在于效率低下且危险山区不易调查，内业检查的难点在于竣工图查阅不直观、竣工文件指向不明确。由于电子沙盘具有直观明确、可视化效果好等特点，因此项目研发竣工验收电子沙盘，使用电子沙盘开展竣工文件管理的优势见表1。

表1 使用电子沙盘开展竣工验收的优势分析

电子沙盘主要包括场景浏览和基于实体模型的信息查询。三维场景浏览部分以漫游飞行、全景影像、模型剖切、地形透明等方式对全线、部分工点进行三维展示，通过将设计数据以空间化方式进行集成，便于设计资料的形象化、直观化表达。基于实体模型的属性信息查询，则通过将属性信息与三维实体模型相挂接，增加竣工验收基础资料数据的指向性和查询效率。在具体实现层面，电子沙盘界面采用WPF技术研发，同时在软件界面中嵌入html动态页面，以增加界面的美观性和信息的动态实时性。

2.1 竣工图查询

在竣工验收阶段，需要对竣工图纸进行检查，竣工图往往以二维图纸的形式存档，以pdf的格式进行电子存档。由于专业性强、不直观等原因，导致竣工图信息无法充分表达。通过构建电子沙盘的方法，能够根据竣工图纸直接生成三维模型，直观展示图纸的几何信息。此外，通过将建筑部件的材质、用料、物理等信息以属性的形式进行存储，能够直观对建筑部件进行查询。通过点击三维场景中某一个构件，即可在属性窗口中显示该构件的属性信息，例如桥梁的材质、类型、结构、编码、几何尺寸等信息，结构属性查询结果见图7。

图7 桥梁结构属性查询

此外，也可以将竣工图文件存储到数据库，并通过模型编码、数据库外键链接等方式与三维模型相关联。通过点击某个构件，即可查看该工点的施工图信息。如在三维场景中点击钻孔桩，显示整个桥梁的设计图纸信息，竣工图文件查询效果见图8。

图8 桥梁竣工图查询

2.2 竣工文件查询

竣工验收内业检查时，涉及大量文件的查阅，如施工过程中的施工日志、检验批、工程影像等数据。常规方式是对纸质文件进行归档、电子文件以文件和文件夹的形式进行存放，这种方式不直观、指向性弱。使用电子沙盘可以将竣工文件与铁路工程实体模型进行关联，所建立的数字资产便于在后期运营维护中查询使用。竣工文件查询结果见图9。

图9 竣工文件查询

2.3 危险源识别

铁路隧道洞口周边地质条件恶劣，边仰坡高陡，在雨水、地震等外界诱发因素和岩体本身不稳定状态的共同作用下，会形成围岩、落石、崩塌等危险事件。常规检测方法是通过外业人员调查，但受隧道洞口地形地质环境的影响，容易出现漏检的情况。通过在三维场景中集成无人机拍视频、高精度倾斜实景三维建模等数据，可以直观地查看隧道洞口危险源的位置和分布情况，有助于有针对性采取防护措施。某隧道洞口的危险源识别情况见图10。

图10 隧道洞口危险源识别

3 结语

为了解决竣工文件表达不直观、指向性差等问题，提出基于铁路信息模型的竣工文件管理方法。通过构建铁路竣工验收电子沙盘，将竣工文件进行数据库存储，并与铁路信息模型进行关联，从而增强了竣工文件的指向性。研究成果体现在以下3个方面。

(1)针对竣工图纸专业性强、信息表达不直观等问题，通过三维自动建模、三维场景生成等技术研发电子沙盘系统，实现竣工图纸的三维可视化表达，并将几何、原材料、物理等属性信息存储至数据库，提升铁路工程实体属性信息的查询效率。

(2)针对竣工文件指向性弱、关系不明确等问题，将竣工文件存储至数据库，并通过模型编码、数据表外键等方式与实体模型建立关联，形成铁路工程数字资产，提升了运维阶段资料查阅的便利性。

(3)针对竣工验收外业检查效率低下、艰险山区环境危险恶劣等问题，通过在电子沙盘系统中集成无人机实景三维数据，实现危险源分布位置和严重程度的快速识别，有助于快速防护。

在下一步的工作中，将使用知识图谱等工具构建竣工文件管理知识管理体系，对竣工文件之间的关系进行显式化表达，并通过知识推理等方法实现语义级智能搜索。