路宏遙 吳佳欣 李雅雯 陳 威 張 超

(上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620)

近年來(lái)，我國(guó)在鐵路建設(shè)領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展，根據(jù)鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃和中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，預(yù)計(jì)到2025年，我國(guó)鐵路線路總里程將達(dá)到17.5萬(wàn)km，其中高速鐵路里程將達(dá)到3.8萬(wàn)km[1]。鐵路運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展對(duì)車站信息管理水平提出了更高的要求，為避免傳統(tǒng)管理模式中存在的資料缺失與管理脫節(jié)等問(wèn)題，保證車站設(shè)施充分發(fā)揮效能，探索車站智能化信息管理模式勢(shì)在必行[2]。

從傳統(tǒng)管理方法的改進(jìn)，到信息化管理技術(shù)的摸索，相關(guān)學(xué)者在鐵路車站工程信息管理與應(yīng)用上一直在探尋更優(yōu)的管理模式。吳衛(wèi)民等人[3]提出了基于BIM的實(shí)時(shí)施工模型，將現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)行地鐵車站的施工模擬。陳一鑫等人[4]采用細(xì)化后的BIM模型，對(duì)車站關(guān)鍵的施工工藝進(jìn)行模擬。李玉梅[5]開(kāi)展了BIM平臺(tái)搭建與施工過(guò)程信息化應(yīng)用方面研究，為鐵路綜合項(xiàng)目提出了合理解決方案。曾紹武等人[6]建立了地鐵基礎(chǔ)三維信息模型，進(jìn)行成本分析與進(jìn)度控制，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)跟蹤控制施工過(guò)程中的質(zhì)量問(wèn)題。楊陳相[7]將BIM技術(shù)與實(shí)際工程相結(jié)合，應(yīng)用地鐵車站建筑結(jié)構(gòu)協(xié)同設(shè)計(jì)方法完成施工作業(yè)。李坤[8]將BIM技術(shù)應(yīng)用推廣到結(jié)構(gòu)計(jì)算和工程量統(tǒng)計(jì)的過(guò)程中，指導(dǎo)地鐵車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。既有的研究成果對(duì)鐵路車站的設(shè)計(jì)與建設(shè)提出了有效的解決方案，但仍存在一定的局限性，關(guān)于鐵路車站工程資料信息智能管理模式的研究不夠深入，難以實(shí)現(xiàn)工程全生命周期內(nèi)的信息綜合管理與交互。

為滿足鐵路車站智能信息管理水平的要求，本文引入BIM技術(shù)建立鐵路車站三維信息模型，實(shí)現(xiàn)可視化與信息化的鐵路車站工程資料管理，所有參與者在項(xiàng)目全生命周期內(nèi)能夠在模型中更新、查詢與調(diào)用數(shù)據(jù)，提高信息的準(zhǔn)確性和完整性。同時(shí)，接入虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)漫游與信息資料的交互共享，為車站管理部門提供一個(gè)高效的工程資料信息管理平臺(tái)，進(jìn)一步適應(yīng)鐵路現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)展要求。

1 鐵路車站智能信息管理體系現(xiàn)狀

鐵路車站信息管理是一個(gè)涉及多專業(yè)的復(fù)雜管理體系，包含站房、線路與軌道等主要結(jié)構(gòu)。其中，鐵路車站站房?jī)?nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)有售票廳、候車室、進(jìn)出站設(shè)備以及旅客服務(wù)設(shè)施等。鐵路線路作為供列車運(yùn)行的構(gòu)筑物，分為正線、站線與岔線等。軌道作為鐵路線路的重要組成部分，包括鋼軌、軌枕、扣件和道岔等主要部件。需管理的信息涉及工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)等全生命周期的多個(gè)階段，對(duì)鐵路車站智能信息管理模式提出了更高的要求。

1.1 既有鐵路車站信息管理弊端

1.2 BIM技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

在鐵路車站智能信息管理中引入BIM技術(shù)，主要有以下優(yōu)勢(shì)：

(1)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)三維可視化

傳統(tǒng)工程資料主要通過(guò)文字和照片的形式，以紙質(zhì)檔案和電子表格為載體進(jìn)行信息的存儲(chǔ)，難以有效指導(dǎo)鐵路車站的設(shè)計(jì)與施工，投入運(yùn)營(yíng)后無(wú)法為維保工作提供科學(xué)決策依據(jù)。BIM技術(shù)具備資源共享和協(xié)調(diào)各參與方完成專業(yè)任務(wù)的優(yōu)勢(shì)，基于BIM技術(shù)創(chuàng)建的三維可視化模型，能直觀地向不同階段、不同專業(yè)的從業(yè)人員展示構(gòu)件的空間布局和層級(jí)關(guān)系，其可視化特性貫穿于鐵路車站全生命周期。

(2)資料信息化存儲(chǔ)與調(diào)用

應(yīng)用BIM技術(shù)可實(shí)現(xiàn)工程資料的高度信息化，方便后期的保存與管理。充分利用各專業(yè)之間的信息互通，從而達(dá)到工程資料統(tǒng)一合理調(diào)配、高效準(zhǔn)確調(diào)取的效果，為后期工程資料整理、保管以及模型化關(guān)聯(lián)的工作效率提供保障。

(3)場(chǎng)景漫游與信息交互

將模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件中，與VR設(shè)備建立連接關(guān)系[9]，應(yīng)用技術(shù)手段將工程資料以虛擬現(xiàn)實(shí)的形式直觀呈現(xiàn)，決策者可在虛擬場(chǎng)景中漫游，實(shí)現(xiàn)直觀查看信息、科學(xué)輔助設(shè)計(jì)等。同時(shí)，利用智能傳感器實(shí)現(xiàn)視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)的相互結(jié)合，對(duì)操作人員發(fā)出振動(dòng)、聲音與標(biāo)識(shí)提示等，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵信息的綜合提醒。

所有統(tǒng)計(jì)學(xué)資料都采用SPSS 21.0專業(yè)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，計(jì)量資料以均數(shù)±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并采用方差分析。而所有的計(jì)數(shù)資料以率（n，%）表示，用x2檢驗(yàn)，P＜0.05評(píng)價(jià)為差異具有顯著性。

2 基于BIM技術(shù)的鐵路車站智能信息管理體系

2.1 三維建模流程與實(shí)現(xiàn)

本文以國(guó)內(nèi)某既有鐵路車站的改擴(kuò)建工程為例，基于Revit軟件建立車站三維信息模型，將初始模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，搭建一個(gè)數(shù)字化的三維空間，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)鐵路車站模型中各項(xiàng)信息的交互功能。車站三維建模流程如圖1所示。

圖1 車站三維建模流程圖

(1)創(chuàng)建地形

地形是整個(gè)鐵路車站三維模型的基礎(chǔ)，確定了場(chǎng)景的地理特征。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)周圍場(chǎng)景進(jìn)行布置，如河流的走向、道路的布局等。在創(chuàng)建地形階段，可同時(shí)設(shè)置自然條件，通過(guò)設(shè)置自然光源的強(qiáng)度、光照角度等參數(shù)信息對(duì)場(chǎng)景的自然條件進(jìn)行渲染。

(2)設(shè)置材質(zhì)、貼圖

三維模型建立時(shí)，需按照實(shí)際情況設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)，制定其命名標(biāo)準(zhǔn)。模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)后，可識(shí)別三維模型標(biāo)準(zhǔn)材質(zhì)并繼承其命名。將貼圖拖移到材質(zhì)的相應(yīng)位置，使所建立的模型場(chǎng)景具有真實(shí)感，達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。

(3)燈光烘焙

在虛擬站場(chǎng)環(huán)境中可設(shè)置日光光源，調(diào)整自然光源的強(qiáng)度與角度模擬室外的站場(chǎng)環(huán)境。在候車大廳中可設(shè)置點(diǎn)光源，調(diào)整點(diǎn)光源的位置參數(shù)模擬室內(nèi)站房。采用合理的光線布局，使車站不同位置的場(chǎng)景更具有空間感，有效提升鐵路車站整體的視覺(jué)效果。

2.2 模型數(shù)據(jù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)信息進(jìn)行匯總時(shí)，需將既有的紙質(zhì)資料轉(zhuǎn)化為適當(dāng)文件格式的電子資料，以便將其一并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。依據(jù)中國(guó)鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)將文件進(jìn)行分類歸檔，并將所導(dǎo)出的工程信息和貼圖等文件復(fù)制到工程目錄對(duì)應(yīng)的文件夾下，實(shí)現(xiàn)模型信息的數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入與存儲(chǔ)。

BIM技術(shù)人員可根據(jù)施工變更及設(shè)計(jì)深化，實(shí)時(shí)調(diào)整鐵路車站信息模型，所搭建的數(shù)據(jù)庫(kù)自動(dòng)檢測(cè)新工程信息的導(dǎo)入，逐步完善模型中尚未精確完善的信息，并更新項(xiàng)目文件面板下相應(yīng)的數(shù)據(jù)。車站工程資料信息量較多時(shí)，為使讀取資源更為快捷，可創(chuàng)建不同的文件夾將資源分類、分級(jí)存放，高效地實(shí)現(xiàn)工程信息的查詢、調(diào)用、更新與刪除等功能。

2.3 場(chǎng)景漫游與交互實(shí)現(xiàn)

基于VR技術(shù)的沉浸感與交互性特性，并借助外接設(shè)備，在搭建的三維模型場(chǎng)景中漫游，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景建模技術(shù)與交互漫游技術(shù)的結(jié)合。

硬件方面，功能實(shí)現(xiàn)主要包含VR頭戴設(shè)備、智能手柄與多功能傳感器等。VR頭戴設(shè)備利用人的左右眼獲取信息差異，通過(guò)大腦的視覺(jué)中樞產(chǎn)生立體感，引導(dǎo)操作者產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)。操作者通過(guò)智能手柄可直接與虛擬世界進(jìn)行交互信息。智能傳感器主要包含振動(dòng)、聲音等發(fā)生裝置，借助計(jì)算機(jī)及傳感器等技術(shù)，使用者能夠獲得視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與觸覺(jué)等體驗(yàn)。

軟件方面，實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景漫游主要通過(guò)Revit建立鐵路車站三維可視化模型，并導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，借助Unity3D第一人稱角色控制組件，在畫面中顯示手柄，進(jìn)行信息的直接交互。第一人稱組件的攝像機(jī)充當(dāng)了操作者眼睛的角色，為用戶抓取視圖，將游覽的內(nèi)容展示在顯示器上。開(kāi)發(fā)者可通過(guò)腳本在任何時(shí)間點(diǎn)切換主攝像機(jī)，通過(guò)有選擇性地渲染場(chǎng)景中的物體，達(dá)到更好的虛擬車站交互式自主漫游。

3 工程實(shí)際應(yīng)用

將BIM技術(shù)運(yùn)用到鐵路車站智能信息管理中，實(shí)現(xiàn)了利用三維可視化模型指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工和各階段工程信息與資料的快速存儲(chǔ)、調(diào)用與保存。與VR技術(shù)交互性相結(jié)合，將工程人員的視覺(jué)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)感知系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)，提升了鐵路現(xiàn)代化管理水平。

3.1 可視化建模指導(dǎo)施工

依據(jù)所提供的二維設(shè)計(jì)資料，完成鐵路車站三維建模，通過(guò)數(shù)字信息仿真，模擬出鐵路車站所具有的真實(shí)信息。調(diào)整三維模型的材質(zhì)、貼圖與場(chǎng)景燈光等，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的渲染，以虛擬的三維立體建筑模型展現(xiàn)出來(lái)。在工程施工的不同階段，工程人員可提前對(duì)車站結(jié)構(gòu)進(jìn)行直觀了解，避免因二維設(shè)計(jì)圖紙不能直觀展示建筑整體而影響施工進(jìn)度和精度的情況發(fā)生。某車站站廳的三維模型搭建、可視化模型渲染、施工實(shí)景和竣工實(shí)景如圖2～圖4所示。從圖中可以看出，基于BIM技術(shù)的鐵路車站智能信息管理體系可視化建模效果逼真，能有效指導(dǎo)車站施工，提高不同階段下施工人員對(duì)工程結(jié)構(gòu)整體認(rèn)知。

圖2 站廳可視化模型渲染圖

圖3 站廳施工實(shí)景圖

圖4 站廳竣工實(shí)景圖

3.2 工程資料隨時(shí)調(diào)用

各類工程信息數(shù)據(jù)經(jīng)分類歸檔、轉(zhuǎn)換格式后導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。所導(dǎo)入的二維數(shù)據(jù)經(jīng)處理，在虛擬車站中可實(shí)現(xiàn)立體化、多形式化調(diào)取查看。以車站內(nèi)部設(shè)施為例，對(duì)閘機(jī)、車站顯示屏和電梯等進(jìn)行信息調(diào)取，相關(guān)信息可通過(guò)文字、圖片與視頻等多形式更加直觀展現(xiàn)出來(lái)。

3.3 多場(chǎng)景漫游與信息交互

工程人員佩戴上VR眼鏡，通過(guò)操作智能手柄，在虛擬車站內(nèi)實(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，參與設(shè)計(jì)、施工與維保等人員可漫游在一個(gè)擁有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)與運(yùn)動(dòng)感知的虛擬車站中。如在優(yōu)化進(jìn)出站工程設(shè)計(jì)方面，操作人員根據(jù)需求，通過(guò)不同視角觀察車站不同位置的建筑信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷與不足，并根據(jù)真實(shí)漫游感受，提出更為便捷的進(jìn)出站與換乘方式，實(shí)現(xiàn)更好的客運(yùn)組織與管理等。

在模型適當(dāng)位置關(guān)聯(lián)信息后，可提前導(dǎo)入圖片、音頻與視頻信息，配合智能傳感器，實(shí)現(xiàn)提醒與警示等效果。以智能語(yǔ)音提示系統(tǒng)為例，當(dāng)工程人員漫游至候車大廳時(shí)，自動(dòng)播報(bào)車次信息與候車位置；漫游至不可停留危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，進(jìn)行安全警示并進(jìn)行振動(dòng)提醒，基于多感官，實(shí)現(xiàn)操作人員與車站模型的綜合交互操作。

4 結(jié)論

鐵路車站結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，設(shè)計(jì)、施工與運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)涉及專業(yè)較多，工程資料復(fù)雜，管理工作繁重。在鐵路車站信息管理中引入BIM技術(shù)，可滿足工程資料管理中的各項(xiàng)需求，減少工作人員的工作量，提高信息的準(zhǔn)確性與完整性。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與BIM技術(shù)結(jié)合，整合兩大技術(shù)的優(yōu)勢(shì)條件，搭建起車站智能信息管理系統(tǒng)。鐵路車站智能信息管理技術(shù)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了資料的交互共享和工程資料信息化、精細(xì)化的管理目標(biāo)，為鐵路車站的信息管理提供一種新的模式和思路。