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數(shù)字鐵路信息共享體系研究

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數(shù)字鐵路的建設(shè)需要解決勘察設(shè)計、建設(shè)施工、運營養(yǎng)護(hù)三大階段的信息共享、綜合利用問題。通過分析數(shù)字鐵路的主要研究內(nèi)容及關(guān)鍵技術(shù), 闡述了數(shù)字鐵路信息共享體系的構(gòu)建,以及對建設(shè)數(shù)字鐵路具有的重要指導(dǎo)意義。

數(shù)字鐵路；三維；數(shù)字化

Digital Railway; 3D; Digitization

引言

近年來，我國加速推進(jìn)國民經(jīng)濟信息化的進(jìn)程，跨入了以“數(shù)字中國”、“數(shù)字城市”、“數(shù)字交通”為代表的信息技術(shù)高度集中與迅猛發(fā)展的數(shù)字時代。

數(shù)字鐵路是“數(shù)字交通”的一個子集，它基于地理信息系統(tǒng)（GIS）、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）、遙感（R S）、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、信息集成、分布式數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)倉庫、多媒體、海量數(shù)據(jù)處理及寬帶通信等技術(shù), 研究中國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及鐵路環(huán)境的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系。它通過對鐵路的勘察設(shè)計、施工建設(shè)和運營養(yǎng)護(hù)三大階段綜合考慮，運用三維技術(shù)和協(xié)同管理理念將各階段信息元按照統(tǒng)一的規(guī)范關(guān)聯(lián)，構(gòu)建一體化的信息共享體系，解決勘察設(shè)計、建設(shè)施工、運營養(yǎng)護(hù)三大階段的“信息共享、綜合利用”。

通過在信息共享體系上建立的數(shù)字集成平臺和虛擬環(huán)境，可以對鐵路的勘察、規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)中的各種方案進(jìn)行模擬、分析和研究，并在可視化的條件下提供決策支持，增強決策的科學(xué)性和預(yù)見性。同時在運營養(yǎng)護(hù)階段，實現(xiàn)鐵路服務(wù)資源和運力資源的全面管理和直觀展示,對內(nèi)支持運輸組織、客貨營銷、經(jīng)營管理等的需要, 對外支持旅客出行、貨主與查詢的直觀展示, 并綜合內(nèi)外部信息為各級管理者提供可視化綜合決策支持的鐵路信息系統(tǒng)。

數(shù)字鐵路研究與實施除了需要傳統(tǒng)技術(shù)與現(xiàn)代新興技術(shù)的融合與創(chuàng)新，也需要鐵路行業(yè)各個部門的參與和配合，在管理理念上有所突破。要將勘察設(shè)計、施工和運營養(yǎng)護(hù)三大階段綜合考慮?？辈煸O(shè)計與施工所產(chǎn)生的成果，為后期的運營養(yǎng)護(hù)提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，是建立數(shù)字鐵路的必備條件。

因此我們以研究及構(gòu)建數(shù)字鐵路為目標(biāo)，梳理了勘察設(shè)計、施工和運營養(yǎng)護(hù)間的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系（如圖1），提出了三維數(shù)字鐵路信息共享體系，以建立并完善一套符合中國鐵路行業(yè)實情的三維數(shù)字勘察設(shè)計、施工及運營養(yǎng)護(hù)的整體工作模式和標(biāo)準(zhǔn)管理體系，并在此基礎(chǔ)上完善與之配套的軟硬件平臺，讓數(shù)字鐵路的研究與構(gòu)建更加科學(xué)化和系統(tǒng)化。

圖1 各階段數(shù)據(jù)依賴關(guān)系

1 建立三維勘察設(shè)計平臺

在當(dāng)今的工程建設(shè)行業(yè)和鐵路工程領(lǐng)域，不斷涌現(xiàn)的新技術(shù)和實踐促成了鐵路工程勘察設(shè)計的顯著變革，尤其是以建筑信息模型[1]為核心理念的數(shù)字化三維技術(shù)的出現(xiàn)，給鐵路工程建設(shè)行業(yè)，尤其是大型勘察設(shè)計企業(yè)生產(chǎn)率的提升提供了新的驅(qū)動力。先進(jìn)的三維設(shè)計技術(shù)和全生命周期項目信息管理，可以幫助企業(yè)更準(zhǔn)確、有效的控制勘察設(shè)計過程，極大地優(yōu)化設(shè)計質(zhì)量、縮短設(shè)計周期和成本。

數(shù)字化三維勘察設(shè)計首要任務(wù)是建立三維協(xié)同設(shè)計的工作模式、管理流程和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。三維勘察設(shè)計相對于傳統(tǒng)的二維設(shè)計而言，不是一個簡單的升級，而是一種變革。三維協(xié)同設(shè)計模式將是一個各專業(yè)人員協(xié)同工作，數(shù)據(jù)實時更新及共享、權(quán)限統(tǒng)一管理和歷史記錄有序追溯的新型工作模式[2]。以協(xié)同理念建立的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)也將最大限度地保證三維設(shè)計數(shù)據(jù)的規(guī)范性和統(tǒng)一性，包括建模標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)交互標(biāo)準(zhǔn)、出圖標(biāo)準(zhǔn)等。全新的三維勘察設(shè)計體系的建立，將為勘察設(shè)計企業(yè)設(shè)計質(zhì)量的提升帶來新的推動力。

在三維勘察設(shè)計體系的基礎(chǔ)上，測繪與地勘專業(yè)分別建立地上和地下三維模型，提交至三維中心數(shù)據(jù)庫。站前站后相關(guān)專業(yè)在三維中心數(shù)據(jù)庫上可以依次獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，開展三維協(xié)同設(shè)計，最終形成的成果提交三維中心數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。施工單位可以直接通過三維中心數(shù)據(jù)庫獲取勘察設(shè)計成果，指導(dǎo)后期數(shù)字化施工。整體流程如下：

圖2 數(shù)字化三維勘察整體流程

三維勘察設(shè)計體系的關(guān)鍵是三維設(shè)計軟件支撐平臺建立。通過該軟件支撐平臺，可以疏通各專業(yè)間的數(shù)據(jù)傳輸通道，實現(xiàn)各專業(yè)三維設(shè)計資料互提過程的網(wǎng)絡(luò)化和規(guī)范化；實現(xiàn)設(shè)計成果的三維實時漫游和集中管理[3]，并與三維中心數(shù)據(jù)庫進(jìn)行統(tǒng)一交互，最終形成三維設(shè)計專業(yè)知識庫。整個體系結(jié)構(gòu)中，軟件層次關(guān)系如下圖：

圖3 軟件層次關(guān)系圖

2 建立鐵路數(shù)字施工系統(tǒng)

鐵路施工是銜接勘察設(shè)計與后期運營養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鐵路數(shù)字化施工系統(tǒng)是指依托建立數(shù)字化地位基礎(chǔ)平臺、地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、工地現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工地現(xiàn)場機械控制系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等基礎(chǔ)平臺，整合工地信息資源，突破時間、空間的局限，建立一個開放信息環(huán)境。使業(yè)主、設(shè)計方、施工單位、監(jiān)理單位之間能夠進(jìn)行實時信息交流。該系統(tǒng)是提高工作效率，提升工地管理水平，優(yōu)化施工方案的最佳選擇。

數(shù)字化施工系統(tǒng)由基礎(chǔ)設(shè)施、控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)支持服務(wù)中心三部分構(gòu)成：

圖4 數(shù)字化施工系統(tǒng)構(gòu)成

基礎(chǔ)設(shè)施：作為數(shù)字工地的基礎(chǔ)，利用長期運行GNSS基準(zhǔn)站為數(shù)字工地的所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集提供基準(zhǔn)，為決策者的指揮決策提供現(xiàn)場信息的支持，同時為項目完工后的系統(tǒng)提供基礎(chǔ)平臺。

控制系統(tǒng)：利用數(shù)字化工地定位控制和數(shù)字化機械控制系統(tǒng)，實時采集施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測施工質(zhì)量。實現(xiàn)高效、快捷、科學(xué)地進(jìn)行工程質(zhì)量和進(jìn)度控制，并提交完全透明化的驗證結(jié)果，同時始終保持設(shè)計精度要求，最大程度避免了返工。

數(shù)據(jù)服務(wù)中心：貫穿于整個施工過程，從最初的施工設(shè)計三維數(shù)據(jù)的獲取及轉(zhuǎn)化，到施工現(xiàn)場的技術(shù)支持，再到施工結(jié)果數(shù)據(jù)的處理。主要職能是處理、收集、整理施工數(shù)據(jù)，建立動態(tài)信息管理系統(tǒng)，為工地管理者提供決策支持功能。

數(shù)字鐵路施工[4]方案集施工設(shè)計、施工測量和數(shù)字化施工方法于一體，是一套完整的施工解決方案，它不僅依賴數(shù)字化手段整體性地解決工程施工問題并最大限度地利用信息資源，降低成本，減少人力需求，提高生產(chǎn)效率。

圖5 數(shù)字化施工整體場景

3 建立運營養(yǎng)護(hù)三維信息共享平臺

在勘察設(shè)計和項目施工階段形成的各種三維模型和成果資料是后期運營養(yǎng)護(hù)的寶貴財富。通過規(guī)范項目建成后提交的竣工資料、三維數(shù)據(jù)類型及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)三維資料與運營養(yǎng)護(hù)現(xiàn)有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通，高效、準(zhǔn)確地將前期三維地模、線路布置、建筑輪廓、相關(guān)安裝設(shè)備的線路定位、規(guī)格型號、廠家等詳細(xì)信息導(dǎo)入運營養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)庫中。根據(jù)提供的三維信息實現(xiàn)鐵路整體狀態(tài)虛擬展現(xiàn)，為列車運行仿真、運行控制、防災(zāi)監(jiān)控等提供數(shù)據(jù)支持。運用“信息共享、綜合利用”的發(fā)展思路，以三維項目資料和數(shù)據(jù)接口為載體，可以在本階段利用地理信息平臺，實現(xiàn)智能化的鐵路管理和輔助決策功能。

圖6 三維信息在運營養(yǎng)護(hù)的綜合利用

3 結(jié)束語

基于建設(shè)全生命周期的數(shù)字鐵路信息共享體系研究與構(gòu)建，對推動整個鐵路行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新、管理創(chuàng)新提供了很好的催化劑，并且有利于促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的又好又快發(fā)展，特別是物聯(lián)網(wǎng)、云計算[5]、三網(wǎng)合一等新一代信息技術(shù)，以及數(shù)據(jù)加工服務(wù)、智能工程機械制造等，具體表現(xiàn)為：

1、以協(xié)同理念為基礎(chǔ)的三維勘察設(shè)計新技術(shù)、新平臺研究及運用，以及工作模式和管理理念的變更，有助于三維設(shè)計軟件及輔助硬件產(chǎn)品的發(fā)展。大量的三維建模需求有助于三維測繪數(shù)據(jù)及三維基礎(chǔ)模型加工服務(wù)行業(yè)的發(fā)展。針對鐵路行業(yè)海量數(shù)據(jù)和高計算速度的需要，有助于高性能計算處理中心的建立和云計算技術(shù)的運用。

2、隨著鐵路數(shù)字化施工系統(tǒng)的推廣及應(yīng)用，將對工程機械制造、地理信息系統(tǒng)、遙感系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)等技術(shù)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)帶來新需求、新機遇。特別是工程機械制造產(chǎn)業(yè)，大量信息化、智能化的工程機械產(chǎn)品需求，為提升該產(chǎn)業(yè)的制造能力和技術(shù)水平，提供了推動力。

3、安全是運營養(yǎng)護(hù)階段需要關(guān)注的核心問題之一。通過對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究及應(yīng)用，升級相關(guān)運營養(yǎng)護(hù)設(shè)備和設(shè)施，包括具“內(nèi)在智能”的傳感器、移動終端、視頻監(jiān)控等系統(tǒng)，能采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C制，提供安全可控的實時在線監(jiān)測、定位追溯、報警聯(lián)動、調(diào)度指揮、預(yù)案管理、遠(yuǎn)程控制、決策支持，實現(xiàn)“高效、節(jié)能、安全、環(huán)保”的“管、控、營”一體化服務(wù)。既提高運營養(yǎng)護(hù)的安全性，又促進(jìn)整個物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而鐵路數(shù)字化仿真對虛擬化技術(shù)、多媒體產(chǎn)業(yè)發(fā)展也具有深遠(yuǎn)影響。

可以預(yù)見，隨著數(shù)字鐵路及其信息共享體系研究的不斷深入，將促進(jìn)現(xiàn)代通信、定位、遙感遙測、空間地理信息系統(tǒng)、計算機、通信、數(shù)據(jù)庫、虛擬仿真和其他相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展。數(shù)字鐵路最終將會以交通工程勘探測量、規(guī)劃、設(shè)計、建造、運營養(yǎng)護(hù)、管理決策等全過程的數(shù)字化、可視化、智能化的綜合系統(tǒng)展現(xiàn)在我們面前。它將是“數(shù)字城市”之間連接的紐帶，是“數(shù)字國家”的大動脈，它的研究及建立將為大眾生活和國民經(jīng)濟發(fā)展提供可靠的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)。

[1]寶琦. 基于BIM的工業(yè)建筑協(xié)同設(shè)計[J].工業(yè)建筑. 2010(40):48

[2]Autodesk BIM實施計劃-實用的BIM實施框架[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.2010. 6；12-29

[3]閔陽. 數(shù)字鐵路系統(tǒng)中三維可視化的研究[J]. 鐵道勘測與設(shè)計. 2010(4):16

[4]張錫洲,吳彥君,趙毅. 數(shù)字化施工管理系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J]. 石油化工自動化.2010 (3):25

[5]劉鵬. 云計算 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社.2011.3；220-233

Research On Digital Railway Information Sharing Architecture

Zhang Yi CREEGC, Information Center, ChengDu 610031

Construction of digital railway needs to solve the information sharing and comprehensive utilization for the survey and design, construction, operation and maintenance. By analyzing the main research contents and key technologies, the information Sharing Architecture for digital railway is designed and given. These have important instruction function on construction of digital railway.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.16.141

張毅 計算機應(yīng)用碩士 工程師 從事勘察設(shè)計軟件和三維技術(shù)應(yīng)用研究。