地铁盾构施工管理平台关键技术及应用研究

王晓明，曹玉新，李金武，陈 超

（1.中电建铁路建设投资集团有限公司，北京 100070；2.北京华科软科技有限公司，北京 100048）

城市地上地下环境较为复杂，对地铁盾构施工活动造成较多的限制，给施工管理带来极大的挑战。而传统的施工管理方式已经无法满足日益扩增的地铁盾构施工需求，亟须通过运用先进数字化技术手段实现智慧化施工管理应用。因此，开展基于多源异构数据融合的地铁盾构施工管理平台建设关键技术与应用研究具有重要意义。

江玉生[1]等通过早期对于信息化技术应用落地的探索，开发了盾构施工实时管理与风险监控系统集成平台，实现了对于盾构掘进参数及耗材量的实时监控管理及预警；陈文远[2]等开发了盾构集群远程监控与智能化决策支持系统，该系统通过可视化与识别算法技术对盾构施工进行了图表展示以及实时数据的智能化识别；程佳琛[3]研发的盾构施工监控管理平台可以对盾构参数进行实时监控，并对施工质量及监测数据进行综合管控；瞿文婷等[4]基于BIM 技术，结合物联网等信息手段建立了具备施工管理、管片跟踪、盾构监控等功能模块的数字化隧道施工管理平台；陈卓[5]等运用BIM 技术对地铁隧道盾构进行了规划设计与分析，并基于BIM 打造了可用于施工管理、动态监控及实时监测的数据管控系统；孙振川等[6]建立了集智能监测、综合分析、协同管理等功能于一体的隧道掘进机工程大数据管理平台，旨在提升施工效率与智能化管理水平；Borrmann，A.等[7]通过集成BIM 与GIS（Geographic Information System）地理信息系统，建立了多维度地从几何到语义信息关联的综合盾构信息模型，以实现对于施工过程的模拟与分析；Ninić，J.等[8]则构建了能够提供不同模型信息精确度以实现从设计到施工分析的盾构集成管理平台。

上述研究有的方案强调的是实时管控与预警，但是对于施工前期盾构相关模型建立的准确性以及周围场景数据采集的真实性存疑，导致最终效果产生较大偏差；有的方案则在平台数据采集方式、数据架构及系统功能等方面存在一定的局限性，并且平台使用维护成本高，难以满足多层级管理模式的需求，影响了其后续的可持续发展。针对上述所提到的缺陷问题，致力于实现数字化、集成化、智慧化的地铁盾构施工管理模式，基于对BIM 模型、地理信息、三维场景以及传感监测信息等多源异构数据的融合，开展数据采集、信息存储、交互分析、平台架构设计、功能模块建设等关键技术的研究，打造集成综合信息模型、贯穿业务多维度以及数据有机结合生态化，且能够满足和适应未来项目复杂施工需求的地铁盾构施工管理平台。

1 技术应用路线

1）利用自主研发的可内置于平台的转换插件实现将不同来源格式的地铁盾构相关BIM 模型转换为统一格式。

2）采用自主研发的轻量化引擎技术在平台上将大体量BIM 模型处理成轻量化格式并在Web端发布成轻量化数据服务。

3）利用平台的轻量化引擎实现多源异构数据，如BIM 模型、地理信息数据、三维场景数据及传感监测数据的融合，以搭建地铁盾构工程项目应用管理所需要的三维场景模型。

4）在平台上开发建设满足盾构施工管理的监测、分析、仿真验算等各项功能模块以及应用于综合分析、工程监控及动态预警的智慧决策。

2 平台关键技术应用

该平台技术研究遵循WebService、Osgb+xml、HTML/HTML5、Canvas、Threejs、SpringMVN、Flow/Bizx、RESTful、OGC/I3S/IFC 等Web 开发框架、信息交互和数据标准。首先采用模型转换插件将来源于不同软件厂商的地铁项目BIM 模型统一转换为通用的IFC 格式，然后通过轻量化引擎技术对大体量的BIM 模型进行轻量化处理并得到压缩后重新拼装的轻量化模型。而后通过多源异构数据融合技术将BIM 轻量化模型信息与三维地形、激光点云、地下勘探等地理信息以及倾斜摄影、遥感影像等场景信息，还有相关传感器监测数据进行数据库关联与融合。平台采用WebGL 技术作为三维绘图协议标准，该标准允许将JavaScript和OpenGL ES 2.0 结合在一起，通过统一标准的OpenGL 接口增加OpenGL ES 2.0 的一个JavaScript 绑定使得WebGL 可以为HTML5 Canvas 提供三维加速渲染，从而实现在Web 端交互式地铁盾构施工三维场景的轻量化渲染效果。

此外，根据用户对于不同阶段项目中物体模型的细节层次要求，采用LOD 技术根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算。动态加载技术的使用更是实现了根据物体距离相机的远近自动调度物体模型数据，通过计算动态加载或遮挡剔除模型顶点和面数，保障系统正常运行的同时，减少内存中数据加载量。通过对多源异构数据间的关联与融合应用，构建综合信息模型，加快推动数据和业务融合，并朝着满足信息量增加的需求方向发展，把业务横向和纵向进行了多维度的打通和贯穿，从而使得各孤立的数据和业务成为一套有机的生态系统。

3 平台功能模块设计与应用

智慧数字化地铁盾构施工管理平台包括智能监控、综合分析、协同管理以及智慧掘进四大业务功能模块。用户通过在首页选择地铁盾构项目，点击就可进入对应项目的功能模块界面。

3.1 智能监控

智能监控模块是为了实现对于地铁隧道掘进施工关键数据的实时监测与管控。该模块包含四块子系统的监控，分别为盾构主界面、泡沫系统、其他系统以及导向系统。盾构主界面根据设定刷新时间以获取最新的盾构器数据。这些数据主要包括位移、土舱压力、螺旋机、刀盘、铰接油缸压力、设备桥拖拉压力以及进度等相关数据；泡沫系统提供混合液罐、空气及泡沫原液数据的实时监控；其他系统包括对于铰接系统、油脂系统以及注浆及膨润土系统的实时监控；导向系统则提供有关盾构切口里程、盾尾里程、俯仰角、滚动角等数据的实时监控。该模块可实现对多种类型盾构施工状态的有效监控管理，方便用户随时随地通过PC 端或移动端加载查看盾构的施工状态数据，对施工进行指导，及时处理异常情况，减少操作错误风险，从而提高盾构施工效率，保障施工进度与安全。

3.2 综合分析

综合分析模块主要提供导向参数、掘进参数、综合参数、施工图平面、施工纵断面图、管片姿态以及地面沉降七大分析功能。导向参数、掘进参数及综合参数主要提供对于盾构工况数据的分析，而通过施工平面图用户可以查看盾构掘进的线路走向、监测点以及地表信息等，同时可以查看隧道的报警点及报警程度。施工纵断面图则为用户提供查看地层信息、勘探孔位置以及风险源位置的功能。因此，通过对盾构施工情况的数字化、图像化表达，能够使用户更加直观立体地了解施工情况，并且经过对业务数据的综合对比分析，为用户在施工过程中的决策提供有力支持。

3.3 协同管理

协同管理模块包括基本信息、决策分析、风险管理、设备管理、施工管理、测量管理、基础数据、系统工具、系统监控及系统管理十大功能。①基本信息包含工程分布、综合台账以及项目看板，主要用于展示在建项目、归档项目、盾构类型数量、分布情况等统计信息，方便用户全面掌握盾构市场情况；②决策分析则针对项目施工风险点、进度风险情况以及设备使用预警提供决策分析服务，有利于用户把控资源调度与进度情况，实现高品质高效率的决策；③风险管理包含工程风险、参数预警、沉降预警、姿态预警等功能，通过这些功能所搭建的风险防控及预警体系，用户能够全面掌控施工与质量风险；④设备管理则是针对盾构等相关设备资源提供台账管理、维修管理及方案管理功能，便于对设备进行全寿命周期的管理，确保设备的良好运行状态；⑤施工管理主要包括进度、工序、质量、方案、地质、人才的综合管理以及施工报表，将施工信息实时传达给相关负责人，便于其把控施工阶段的各个环节，实现数字化、集成化的施工管理方式；⑥测量管理则是提供相关测量数据、测量设备以及测量人员的跟踪管理，确保测量工作的准确性与安全性；⑦基础数据用于提供BIM 模型、地理信息、三维场景以及相关项目历史数据等信息；⑧系统工具则为平台的版本管理、附件管理及二次开发提供相应的接口分配，便于进行应用扩展；⑨系统监控则为用户提供在线人数、定时任务、数据监控、服务监控及缓存监控功能，方便后台管理人员掌握系统的实时使用情况；⑩系统管理则是为整个协同管理模块提供用户管理、角色分配、菜单管理及部门管理功能，实现协同管理过程中的权限分配与职级责任划分，以满足各层级、各部门的管理业务需求，提升精细化管理水平，确保项目施工的顺利进行。

3.4 智慧掘进

智慧掘进主要为盾构施工提供参数优化、姿态控制、参数预警、参数分析以及模型应用的功能服务。①参数优化是根据历史的盾构施工数据，运用神经网络等算法对参数进行预测，给出优化后的参数值以指导掘进朝着更加高效准确的方向迈进；②姿态控制则是对盾构设备的姿态进行全方位的实时监控，确保盾构能够以最高效率掘进；③参数预警则是通过将关键参数的变化规律与异常事件进行关联性分析探索，建立关联关系，以确保施工过程中能够对参数的变化做出积极响应，预防异常事件的发生；④参数分析是对不同项目、不同设备的施工参数进行统计、分析、挖掘，以获取关键参数的参考值，为在建项目或待建项目提供可靠的施工参考依据；⑤模型应用则是基于前面所述的多源异构数据融合，将BIM 模型、地理信息、三维场景等集成实现渲染展示，为施工管理提供多维度、高精度的三维可视化效果。这些功能有助于实现对施工真实数据进行规律性总结，并且基于规律预测可能存在的设备故障与施工风险，提高整体施工管理水平。

4 结论

数字化技术的飞速发展为工程项目的管理带来了新契机，基于多源异构数据融合的平台架构设计能够通过关键技术的开发应用，有效地整合所有项目相关的数据资源，构建综合信息模型，针对传统施工在资源调配、过程管控以及协同管理方面的缺陷问题，提出了相应的基于信息模型的数字化解决方式，打破了信息孤岛，实现了地铁盾构业务多维度全方位的打通与贯穿，建立起了一套数据与业务有机结合的生态系统体系，以适应满足未来地铁项目施工日益增长的复杂需求。之后，会根据实际项目的需求情况，对当前管理平台的各个功能模块进行完善，提升平台的综合效能，为数字化技术的研究与应用带来更多的价值。