基于BIM+GIS 的铁路工程电子沙盘系统的设计与实现

李飞，鲍榴，杨威，刘红良，张旭

（1.北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路建设属于大型基建项目，具有规模大、标准高、周期长、建设速度快、管理分散、协调关系复杂等特点[1]。随着中国高速铁路建造技术的不断革新，建设过程中产生了具有规模庞大、时空关联、冗余度高、多维标量等特征的多源异构数据[2]。在单一信息组织模式下，不同组织机构与建设环节存在信息交换差异，且因建设、施工、监理等单位及各业务主管部门不同侧重点的数据需求，使得数据的分析、组织和溯源非常困难[3-4]。文献[5—7]提出建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）与地理信息系统（GIS，Geographic Information Systems）的数据转换及融合方法，为铁路工程建设领域研究BIM 与GIS 的深入融合提供了一定的借鉴。随着电子沙盘应用的不断深入，在铁路行业逐渐形成了基于BIM+GIS 的全生命周期管理模式[8-9]，为铁路工程电子沙盘关键技术突破及全生命周期应用提供了思路。

本文针对铁路工程建设全过程，采用数据组织编码、施组动态跟踪、安全风险综合评判等技术，构建面向全生命周期管理的铁路工程电子沙盘系统（简称：电子沙盘系统），为铁路工程建设提供一种高效自然的三维可视化交互方式，为铁路建设场景提供立体、全方位、多角度的直观表达，也为各建设参与者提供一种感知交互、精准分析与辅助决策的管理手段，以进一步提高铁路工程建设质量与管控效率。

1 系统设计

1.1 总体架构

本文以铁路工程建设管理业务需求为导向，采用基于B/S 的架构体系，以面向铁路工程建设三维可视管理为目标，从编码规范、虚拟建造、数据集成、分析应用等方面构建电子沙盘系统。该系统依托中国铁路主数据中心，对计算、存储、网络等资源进行统一分配管理，为其平稳运行提供统一的底层支撑环境。电子沙盘系统总体架构如图1 所示。

图1 电子沙盘系统总体架构

电子沙盘系统融合BIM、GIS、大数据等技术，基于电子沙盘制作、BIM 建模、矢量数据制作等标准，接入铁路沿线地理信息模型、结构物及周边环境的BIM，构建铁路工程项目三维仿真场景，并通过数据共享接口，集成铁路工程管理平台关于铁路项目进度、质量、安全等方面的业务数据，实现对铁路工程项目全线的三维可视化管理与数字化控制。

1.2 逻辑架构

电子沙盘系统从逻辑上划分为设施层、数据层、服务层、应用层及用户层，逻辑架构如图2 所示。

图2 电子沙盘系统逻辑架构

1.2.1 设施层

设施层以中国铁路主数据中心为支撑，配置存储、计算、网络、安全等数据资源，保证系统高性能、高可靠运行。

1.2.2 数据层

数据层主要通过BIM 数据库、GIS 数据库、多媒体数据库等，将设计数据、建设业务数据、BIM数据、GIS 数据和影像资料数据等进行统一存储，为应用功能的实现提供数据支撑。

1.2.3 服务层

服务层包含了电子沙盘系统运行所需的公共基础服务。基于GIS 平台搭建电子沙盘系统的基础运行环境，根据地理信息服务接口及数据标准化接口将多源多维数据融合集成到电子沙盘中，对铁路工程建设业务中涉及的三维数字模型进行设计开发，为上层应用提供基础。

1.2.4 应用层

应用层包含了支撑铁路工程电子沙盘业务的功能主体，主要分为智能化展示和数字化施工2 部分。其中，智能化展示包括隧道工程、桥梁工程、路基工程的专题图展示及精细场景展示；数字化施工包括进度管理、质量管理、安全管理及智慧工地等。

1.2.5 用户层

支持各级用户通过电脑浏览器、智能终端、调度指挥中心大屏等不同方式访问电子沙盘系统。

2 系统功能

电子沙盘系统主要包含智能化展示功能和数字化施工功能。其中，智能化展示是以BIM 为基础，结合GIS 技术集成铁路工程全线地形地貌、铁路构筑物模型、各类专题信息等数据，重点体现铁路工程特点、重难点工程关键技术与主要风险、规划方案比选、大临工程选址等设计思想与意图；数字化施工是以铁路项目建设需求为导向，对铁路工程智能建造过程数据进行分析比对，构建满足铁路工程建设需求的进度写实、质量分析、安全预警等业务功能，提升铁路工程建设质量和管控效率。具体体现在以下几个方面。

2.1 面向多专业应用场景的时空数据管理

电子沙盘系统面向铁路工程的不同应用场景及服务需求，形成项目全线、隧道、桥梁、路基、大临、地质、环保等专题图和虚拟建造。以项目全线、隧道、桥梁专题为例。

（1）项目全线专题主要集成铁路工程项目全线信息、施工计划安排、生态敏感区、桥隧工程分布等信息，通过三维场景对线路走向、方案比选等设计要素进行展示，实现对铁路工程建设的一览统筹。

（2）隧道专题主要展示铁路工程项目全线隧道基本信息及重难点控制性隧道的工程概况、工期安排、主要风险、围岩级别、技术支撑等信息。基于地质模型关联风险与围岩信息，实现对隧道重点信息的精细化管理与展示。

（3）桥梁专题主要集成铁路工程项目全线桥梁基本信息，重点控制系统桥梁的工程概况、工期安排等，通过三维场景实现对桥梁工程建设关键技术与主要风险的展示，展现铁路桥梁工程设计思想与选址的意图。

2.2 基于数据预测推演的形象进度管理

通过BIM+GIS 技术对隧道、桥梁等专业施工进度数据进行管理，将工程实体构件编码与BIM 编码进行关联，形成唯一的身份标识号，通过透明度及色系表达变化来展示工程进度，实现（线）路、桥（梁）、隧（道）等专业施工进度的三维可视化管理。隧道三维形象进度如图3 所示。

图3 隧道三维形象进度

结合《铁路工程实体结构分解指南》和《铁路工程WBS 工项分解指南》，通过指导性、实施性施工组织形象进度、计划与方案管理，创建桥隧形象进度图，建立桥隧进度预警方法，构建指导性和实施性施组进度推演方式，实现了基于BIM 的虚拟建造和施组推演，保障工程建设进度有序推进。

2.3 基于BIM+物联网的质量溯源管理

将BIM 技术与传感器、无线射频及二维码识别等物联网技术在质量管控中集成应用，以物联网自动采集为工程质量数据源头，对工程建设全过程质量进行把控，形成以BIM 为载体的质量溯源机制，如隐蔽工程影像追溯、隧道断面质量控制等，以进一步保障铁路工程建设质量。

（1）通过工程影像系统，收集隧道工程隐蔽工程影像及图片资料，利用EBS 编码关联的形式，在电子沙盘模型中进行查看，形成模型和影像资料集成，辅助现场质量管理。

（2）在隧道质量管控方面，将点云模型与BIM 相结合，通过关键工序质量动态分析，分析判识初支平整度、二衬厚度超欠挖情况，指导优化后续工序，从而强化断面质量控制。隧道断面质量分析如图4 所示。

图4 隧道断面轮廓分析三维视图

2.4 自动感知预判风险的安全管理

以风险识别和研判为切入点，通过终端采集软件监测风险发生的时间、位置和级别，进行风险分析、预警分发、快速定位风险源，实现安全风险全面掌控，提高工程项目安全管理水平。

以隧道超前地质预报预警为例，通过将信息与BIM 结合，对地震波反射、掌子面素描法的结果利用颜色进行危险等级标注，对发生预警点快速定位，使施工管理人员通过查看模型快速了解施工现场的安全情况，保障隧道施工安全，如图5 所示。

图5 隧道超前地质预报预警

2.5 面向多因素管控的智慧工地管理

电子沙盘系统根据现场不同方面的管控需求，对“人、机、料、法、环”等要素在施工过程中产生的数据进行全面采集，以时空耦合数据为呈现手段，实现集感知、分析、服务、应急、监管“五位一体”的现场施工智能化管理。

（1）在边坡监测方面，通过埋设相关监测传感器，结合三维场景，实时监测路基、隧道洞口滑坡体位移变化情况，建立完善预警预报体制。

（2）在人机定位方面，通过定位装置实时反映人员、机械等空间位置信息，同时可自动获取开挖掌子面、仰拱、二衬的位置，根据围岩类型进行超标预警，保障工地人员和设备安全。

（3）在人工智能监控方面，基于BIM 对安全监控点位进行集成，运用智能识别系统，对重大危险因素及违规行为进行预报警提醒，使管理者对重点关注点位的现场情况一目了然。

3 关键技术

3.1 基于BIM 的多源数据组织编码应用体系

本文依据铁路工程建设管理业务数据需求，结合《铁路地理信息分类与编码》《基础地理信息要素分类与代码》等标准文件及铁路BIM 联盟发布的系列BIM 标准，创新构建基于BIM 的铁路工程建设数据编码应用体系，实现BIM 数据、GIS 数据、建设业务数据等多源多维数据的统一组织与管理，实现不同类型工况实体的快速识别及定位，为铁路工程BIM 应用系统的建立与完善奠定基础。

3.2 BIM 与GIS 三维数据融合加载技术

针对BIM 与GIS 数据格式及坐标系不统一问题，本文通过BIM 软件生成IFC 或dgn 格式，转换成GIS 软件支持的udb 格式，并依托超图桌面端程序iDesktop，进行数据轻量化处理，实现BIM 与GIS 数据的转换。为了实现Web 端的远程访问与调用，将UDB 格式切片成S3m 数据格式进行发布，并按类型或图层进行分类管理[10]，提升数据在电子沙盘系统的加载和浏览性能。

为实现BIM、地质、点云等数据模型的融合，通过三维GIS 平台对其相关模型的几何单元、坐标、属性等进行统一转换处理，实现在球面曲率影响下的三维模型和地理数据精确匹配，避免渲染时产生的裂缝和漏洞，实现基于三维GIS 平台的数据组织与分析。

3.3 施组动态跟踪及预警技术

基于电子施工日志、工程调度、现场监测实时进度数据，构建多维数据一致的信息采集技术体系。以桥梁工程为例，基于施工日志、桩基检测、运架梁管理等现场施工数据采集分析，准确掌握桥梁施工状态；通过工程分解结构（EBS，Engineering Breakdown Structure）与数据编码，将桥梁施工进度数据与BIM 进行关联，驱动模型图元变色，实现铁路工程专业进度的三维形象化展示；根据制运架梁的时效性进度分析，结合施组推演技术，判断桥梁工期是否影响铺轨施工的红线进度预警，通过施组动态调整，实现工期节点及施工资源的最优匹配，辅助现场施工。

3.4 数据物联感知分析技术

在铁路工程建设中，面向路、桥、隧、轨（道）、四电、站房等主体专业及大临工程（拌和站、试验室、板场、梁场等）产生的多源多维数据，构建基于人工智能融合物联网技术的数据采集分析技术，建立覆盖工、料、机等关键要素的铁路行业质量管控体系，实现施工现场质量信息的远程采集、自动研判和闭环追溯。采用数据聚合、抽取、冗余识别、异常检测等技术，对现场产生的海量数据进行组织处理，形成可供计算分析的有效数据[11]，实现基于BIM 的多源海量数据的融合分析，为基于泛在感知的质量分析表达及决策提供数据基础。

3.5 多维度实时数据安全风险综合评判技术

基于铁路工程实体分解标准，结合北斗系统及地面基站、工程测量控制网，形成能精准定位的统一时空体系，为一线施工提供精准空间位置服务。通过实时接入施工现场安全数据，融合数据编码应用体系标准，建立危险源辨识、安全隐患预警、基坑形变监测等数据可视化分析模型，实现铁路工程安全业务数据在三维场景中的精准匹配与可视化呈现，并构建以隧道安全为代表的铁路工程安全预警分析技术，做到事前预防、事中管控、事后追踪，有效减少现场安全事故。

4 应用效果

电子沙盘系统已在京张（北京—张家口）、京雄（北京—雄安）等多个铁路工程项目中进行了应用实践，依托电子沙盘系统开展全线建设管理和精益化的施工应用，以BIM 为数据承载体，集成设计、施工过程信息，构建了基于BIM 的三维数字资产，实现的效果如下。

（1）提出面向铁路工程建设全要素的“一张图”建设管理创新模式，应用数据融合、特征提取、规则映射等数据分析方法，构建以BIM、GIS、倾斜摄影等多源异构数据为基准的铁路工程空间管理模型，形成以工程项目管理为核心的多参建方协同应用数据环境。

（2）结合各参建单位进度、质安、投资等多元化项目管理需求，提出工程实体单元化数字建造方法，以进度、质安、投资等数据为基准，建立涵盖多专业、多层级的业务管理模型，为工程建设服务群体提供互馈协同的共享机制。

（3）实现BIM、GIS 技术与铁路工程业务数据有机融合表达，形成基于“业务流+数据流”的系统分析、服务反馈、共享协同的应用机制，支撑建立项目、阶段、任务、专业间的立体协同体系。

5 结束语

本文设计的基于BIM+GIS 的铁路工程电子沙盘系统以服务现场施工需求为导向，从进度、质量、安全等工程建设管理角度开展功能性应用，通过数据间的共享和多参建方间的协同运作，实现互联协同、感知共享、智能分析、辅助决策等功能，以及工程建设数据多角度、多维度、多尺度的综合分析应用，提高现场“人、机、料、法、环”等全要素管理水平，形成了面向竣工交付的数字资产，为铁路工程全生命周期管理奠定应用基础。后续将结合数字孪生技术开展数字孪生铁路研究，实现铁路工程建设“描述—诊断—预测—决策”的智能化管理，进一步提高进度、质量、安全等施工管控水平。