周清華，楊璟林，李 純，張 軒

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055）

傳統(tǒng)的鐵路工程設(shè)計中，各專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)分散管理，邏輯關(guān)聯(lián)性不強，設(shè)計成果不易維護，且存在大量冗余信息，難以滿足鐵路智能化應(yīng)用的要求[1]。

北京—張家口高速鐵路（簡稱：京張高鐵）下穿長城，在長城腳下設(shè)置了地下車站，該車站是目前國內(nèi)埋深及提升高度最大、洞室群最復(fù)雜、單拱跨度最大的高速鐵路暗挖車站，面臨深埋車站舒適環(huán)境營造、防災(zāi)疏散救援保障、超大跨隧道和密集洞群穩(wěn)定支護、重要文物和環(huán)境保護等關(guān)鍵技術(shù)難題，對設(shè)計提出了更高要求，需要設(shè)計單位對設(shè)計理念和設(shè)計方法進行創(chuàng)新。京張高鐵是國內(nèi)第一條全線、全生命周期內(nèi)所有專業(yè)均應(yīng)用建筑信息建模（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)的智能高速鐵路，其重點工程—八達嶺地下站及隧道工程信息模型一致性表達是京張高鐵BIM技術(shù)應(yīng)用的重要內(nèi)容。

本文結(jié)合八達嶺地下站及隧道工程設(shè)計，重點研究鐵路工程信息模型分類編碼體系和設(shè)計過程管理，建立了無砟軌道、接觸網(wǎng)、軌旁設(shè)備、安全門、車站關(guān)鍵設(shè)施等工程對象的信息模型，并提出鐵路工程信息模型多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)一致性表達方法，實現(xiàn)不同專業(yè)多層級信息實體的強耦合關(guān)聯(lián)，以建立計算機支持的協(xié)同設(shè)計工作模式；同時，使用三維激光掃描技術(shù)，采集地下站和隧道竣工后的點云數(shù)據(jù)，研究海量點云數(shù)據(jù)高效檢索方法及信息模型無損轉(zhuǎn)換方法，實現(xiàn)設(shè)計信息模型與點云數(shù)據(jù)的無縫融合，通過將運營維護現(xiàn)場數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)進行對比分析，支持基礎(chǔ)設(shè)施信息模型的一致性檢測，為京張高鐵運營維護管理提供決策依據(jù)。

1 鐵路工程信息模型多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)一致性表達

BIM技術(shù)具有數(shù)字化、可視化、多維化、協(xié)同性、模擬性等特點，可貫穿應(yīng)用到鐵路工程全生命周期，支持廣泛的信息共享，方便鐵路工程項目各相關(guān)方協(xié)同開展工作，而實現(xiàn)鐵路工程信息模型中多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)一致性表達是BIM技術(shù)在鐵路智能建造中成功應(yīng)用的關(guān)鍵之一。

為了實現(xiàn)鐵路工程建筑信息建模中多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)一致性表達，需要制定統(tǒng)一的語義標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)和交付標(biāo)準(zhǔn)。國際標(biāo)準(zhǔn)中有BSDD（building SMART Data Dictionary）、IFC（Industry Foundation Classes） 和IDM（Information delivery manual），我國鐵路工程行業(yè)也發(fā)布了《鐵路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》、《鐵路四電工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》以及《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)》等標(biāo)準(zhǔn)[2-5]。

其中，《鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)》對IFC標(biāo)準(zhǔn)進行了擴展，涵蓋鐵路線路、軌道、路基、橋梁、隧道、站場、路基排水、地質(zhì)8個專業(yè)領(lǐng)域?！惰F路工程信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》采用了面分類法和線分類法結(jié)合的編碼方式，主要包括鐵路工程階段表、組織角色表、產(chǎn)品表、信息模型分類表、信息模型編碼表、專業(yè)領(lǐng)域表、工藝表、工法表、材料表、屬性表、地理信息表等，這些分類表準(zhǔn)確地描述了鐵路工程各專業(yè)多層級信息實體及其邏輯關(guān)系。依據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，定義了八達嶺地下站及隧道工程的全要素信息模型，實現(xiàn)所有專業(yè)對象信息表達的結(jié)構(gòu)化與規(guī)范化，描述其構(gòu)造及應(yīng)用方法，有利于設(shè)計信息的存儲和相關(guān)各方交流過程中的信息傳遞。

鐵路工程信息模型交付標(biāo)準(zhǔn)旨在支持特定業(yè)務(wù)流程便捷地交換信息，所交付的信息根據(jù)需求可以是多個存儲記錄集合的簡化。通過研究分類編碼、存儲和交付標(biāo)準(zhǔn)，將其應(yīng)用于八達嶺地下站及隧道工程中的無砟軌道、接觸網(wǎng)、軌旁設(shè)備、安全門、車站關(guān)鍵設(shè)施等工程對象的信息建模，計算機可自動識別各個專業(yè)的工程對象，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的檢查、驗證和統(tǒng)計分析，并保證各專業(yè)信息存儲的標(biāo)準(zhǔn)化，保證信息交換過程中信息準(zhǔn)確無誤且理解一致。

為了實現(xiàn)信息模型中多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性表達，需要建立一個開放共享的數(shù)據(jù)環(huán)境。中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司（簡稱：中鐵咨詢）自主研發(fā)了鐵路多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計軟件，內(nèi)置了相關(guān)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、共享設(shè)計資源和規(guī)范化工作流程，涵蓋設(shè)計資源管理、過程協(xié)同管理、成果管理、設(shè)計變更管理等方面。并為各專業(yè)設(shè)計人員定制了統(tǒng)一的工作空間，使專業(yè)設(shè)計人員能夠基于數(shù)據(jù)流引擎，使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源開展協(xié)同設(shè)計[6]，實現(xiàn)基于項目的資源共享以及基于公共數(shù)據(jù)環(huán)境的全過程協(xié)同工作，如圖1所示。

圖1 鐵路多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計平臺

在協(xié)同設(shè)計平臺的支持下，整個設(shè)計過程的相關(guān)信息都能被記錄下來，相關(guān)數(shù)據(jù)圖表均可供各專業(yè)設(shè)計人員進行查詢和統(tǒng)計分析。在傳統(tǒng)設(shè)計過程中，文件流轉(zhuǎn)流程往往較為復(fù)雜。而利用BIM技術(shù)對文件流轉(zhuǎn)流程進行優(yōu)化后，能夠讓各專業(yè)設(shè)計人員在同一個全要素信息模型上開展工作，可使很多原本串行的工作并行化；并在定制的流程引擎驅(qū)動下，使多專業(yè)配合工作成為基于全要素信息模型的直接數(shù)據(jù)交互，各專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系更為緊密，工作配合度更高，有助于減少差錯、遺漏和沖突，保證多專業(yè)設(shè)計成果匯總后，能夠形成高度一致的整體，促進設(shè)計質(zhì)量提升。

此外，這種協(xié)同工作方式還能讓年輕的技術(shù)人員更快、更深入地了解相關(guān)專業(yè)的設(shè)計意圖和思路，掌握不同專業(yè)間如何高效配合、如何有效解決沖突的方法和技巧。

針對京張高鐵八達嶺地下站及隧道工程，使用中鐵咨詢開發(fā)的鐵路多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計軟件，建立了八達嶺地下站及隧道工程全要素信息模型。各專業(yè)設(shè)計人員采用基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)模板的數(shù)據(jù)存儲方法，能夠便利地將各專業(yè)內(nèi)及不同專業(yè)間的內(nèi)在屬性及邏輯關(guān)系抽取出來，并利用計算機可識別的語言進行結(jié)構(gòu)化表達，實現(xiàn)了多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)的一致性表達。此外，采用統(tǒng)一模板解析的方式，可將全要素信息模型中各種對象（如無砟軌道、接觸網(wǎng)、軌旁設(shè)備、安全門、車站關(guān)鍵設(shè)施等）的幾何屬性與非幾何屬性以可視化形式集成展示，形成可交互編輯的參數(shù)化模型，如圖2所示。

圖2 全要素信息模型中各種對象可視化集成展示

通過定義數(shù)據(jù)模板，建立不同專業(yè)對象間的動態(tài)關(guān)聯(lián)；當(dāng)其中某一對象發(fā)生變化，與之關(guān)聯(lián)的其它專業(yè)對象會自動跟隨變化，從而保證不同專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)保持一致。

信息模型主要有5種解析表達方式：（1）基于點、線、面自動構(gòu)網(wǎng)技術(shù)，創(chuàng)建地形、地質(zhì)等要素的信息模型；（2）基于實體交并運算，創(chuàng)建隧道洞、門等實體；（3）基于復(fù)雜模板，創(chuàng)建洞身、排水溝等實體的信息模型；（4）基于基礎(chǔ)構(gòu)件單元進行批量布置，創(chuàng)建軌道、錨桿等實體的信息模型；（5）基于自定義的復(fù)雜裝配式方式，創(chuàng)建接觸網(wǎng)的信息模型。

實現(xiàn)工程信息模型中多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)一致性表達，可以基于所創(chuàng)建的全要素信息模型，將傳統(tǒng)上分散管理的各專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)實現(xiàn)集成展示，方便設(shè)計方案的對比和優(yōu)化，有助于提升設(shè)計效率和質(zhì)量。同時，在將設(shè)計成果完整地交付給后續(xù)的建造和運營維護方時，建造和運營維護人員可以在設(shè)計階段構(gòu)建的全要素信息模型上繼續(xù)補充施工和運營維護信息，為鐵路工程的智能化運營與維護提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2 運營維護階段基礎(chǔ)設(shè)施信息模型一致性檢測

鐵路基礎(chǔ)設(shè)施在投入使用之后，隨著服役時間的推移，會受到材料自身性能降低、外界自然環(huán)境長期侵蝕、自然災(zāi)害（地震、洪水等）破壞以及人為等不確定因素的影響，部分基礎(chǔ)設(shè)施的整體狀態(tài)會發(fā)生一些明顯的變化，造成運營維護階段的實際情況與建造交付時提供的信息模型不一致。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測部門往往要投入大量的人力、物力去檢測這類不一致的情況，且傳統(tǒng)上依靠人工巡檢是 “頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”的被動管理模式，存在工作量大、效率低、成本高、維護效果不理想的難題。

目前，三維激光掃描技術(shù)在國內(nèi)工程領(lǐng)域的應(yīng)用已十分廣泛，常用于全景測量，可快速獲取工程現(xiàn)狀的點云模型。利用八達嶺地下站及隧道洞內(nèi)高精度控制網(wǎng)，集成慣性導(dǎo)航、高精度授時設(shè)備和三維掃描儀，能夠快速完成地下站及隧道內(nèi)相關(guān)建筑、設(shè)施的尺寸以及三維空間信息的采集，生成能夠反映工程現(xiàn)狀的密集點云數(shù)據(jù)。

鑒于設(shè)計階段提供的全要素信息模型已實現(xiàn)了鐵路工程建造方案的三維數(shù)字化，所形成的數(shù)字孿生資產(chǎn)能夠更好地承載和傳遞各類工程對象在設(shè)計、施工，以及運營維護管理階段所需的幾何和屬性信息。為此，可將設(shè)計階段提供的全要素信息模型與能夠反映工程真實環(huán)境和現(xiàn)狀的海量點云數(shù)據(jù)融合起來，為鐵路運營維護階段基礎(chǔ)設(shè)施信息模型一致性檢測[7-9]提供支持，實現(xiàn)這2類數(shù)據(jù)的有效融合主要涉及點云檢索和數(shù)據(jù)融合2項關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 點云檢索

點云數(shù)據(jù)是鐵路現(xiàn)狀三維數(shù)據(jù)的重要來源之一，具有數(shù)據(jù)量大、分布不均勻等特點，但主要是表征目標(biāo)表面的海量點集合，缺少拓?fù)湫畔?。處理點云數(shù)據(jù)的一項重要任務(wù)就是建立離散點間的拓?fù)潢P(guān)系，以支持基于鄰域關(guān)系的快速數(shù)據(jù)查詢。

常見的空間索引一般是自頂向下、逐級劃分空間的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間索引，比較有代表性的是kd樹（k dimentional tree）和八叉樹（octree），對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別為二分查找樹和八叉樹[10-12]。這2種索引對近鄰搜索都十分有效，但用于海量數(shù)據(jù)搜索時速度極慢。為此，本文提出采用一種新的空間搜索結(jié)構(gòu)（SDS，Search Data Structure）。SDS的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)比較簡單，只包含2個數(shù)組，但其構(gòu)建方式十分巧妙，具體流程如圖3所示。

圖3 SDS構(gòu)建流程

（1）為點云數(shù)據(jù)建立索引，即有{1，···，np}，其中np為點p的索引編號。

（2）獲取點云數(shù)據(jù)的包圍盒。

（3）對點云數(shù)據(jù)進行空間劃分，建立立方體網(wǎng)格，并將所有點指定到對應(yīng)的網(wǎng)格，為每個點分配一個網(wǎng)格號boxid用于標(biāo)識，可表示為

其中，x,y和z為點坐標(biāo)；ny，ny分別為包圍盒在x,y軸方向上劃分的網(wǎng)格數(shù)量；d為每個網(wǎng)格的尺寸。

（4）根據(jù)網(wǎng)格劃分，將點云數(shù)據(jù)索引按規(guī)則指派到SDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，SDS結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意

SDS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要由2個數(shù)組組成：First和Next；First對應(yīng)于網(wǎng)格序號，每個元素保存一個網(wǎng)格內(nèi)所有點中最小的索引值；Next對應(yīng)于點云中所有的點序號，每個元素保存序號對應(yīng)點所處網(wǎng)格中索引值大于且緊鄰該點的索引，當(dāng)序號對應(yīng)的點為網(wǎng)格中最后一個點時，Next中保存值為-1。通過順序查詢Next數(shù)組，idPoint=Next[idPoint]，可快速地訪問一個網(wǎng)格中所有的點云?；赟DS結(jié)構(gòu)進行快速檢索的最近鄰搜索包含2個步驟：網(wǎng)格內(nèi)搜素和鄰域網(wǎng)格搜索，如圖5所示。

圖5 SDS最近鄰搜索流程

基于SDS結(jié)構(gòu)的最近鄰搜索流程為：

（1）定位查詢點網(wǎng)格：根據(jù)查詢點坐標(biāo)定位到點所在立方體網(wǎng)格的序號；

（2）網(wǎng)格內(nèi)搜索：計算查詢點到其所處網(wǎng)格內(nèi)部所有點的距離，并維護相關(guān)近鄰索引和距離數(shù)據(jù)；判斷是否需要搜索更大的范圍，若是即進入步驟（3），否則搜索過程結(jié)束；

（3）鄰域網(wǎng)格擴散和搜索：通過比較所獲取的領(lǐng)域搜索結(jié)果和搜索范圍對應(yīng)網(wǎng)格各個面的距離，判斷擴散方向,鄰域網(wǎng)格擴散規(guī)則如圖6所示，并在新的鄰域網(wǎng)格內(nèi)進行搜索；

圖6 近鄰搜索的鄰域擴散規(guī)則示意

（4）網(wǎng)格鄰域擴散判斷：結(jié)合之前所有的鄰域搜索結(jié)果，比較查詢點到當(dāng)前搜索范圍所對應(yīng)網(wǎng)格的各個面的距離，判斷是否需要將查詢范圍擴散至更大鄰域的網(wǎng)格區(qū)域；若還需擴散搜索范圍則返回步驟（3），否則搜索過程結(jié)束。

2.2 數(shù)據(jù)融合

鐵路工程全要素信息模型是一種細粒度數(shù)據(jù)模型，可應(yīng)用于鐵路全生命周期管理，但需要進一步與線路周邊宏觀的地理信息相結(jié)合，才能在鐵路工程建造和運營維護階段發(fā)揮出更大價值。GIS是一種可以兼容影像、矢量及點云等空間數(shù)據(jù)源的信息系統(tǒng)，能為鐵路運營維護提供多種空間查詢、定位以及分析功能。

為此，可將鐵路工程在設(shè)計階段生成的全要素信息模型轉(zhuǎn)換成為GIS可兼容的三角面片格式的模型（簡稱：GIS模型），用于實現(xiàn)點云數(shù)據(jù)和全要素信息模型的融合，具體的轉(zhuǎn)換過程為：

（1）從工程設(shè)計軟件中提取工程信息模型的完整信息，包括幾何點線面信息、紋理信息以及關(guān)聯(lián)屬性信息；

（2）將幾何模型轉(zhuǎn)換成三角面片模型，同時將紋理映射到三角面片上，保持原有模型的幾何外觀；

（3）將信息模型的非幾何屬性信息提取出來建立屬性數(shù)據(jù)庫。

一個鐵路工程中通常存在大量幾何形狀相同（或相似）的構(gòu)件，如軌枕、扣件、支柱、吊柱、梁、承臺等。為提升數(shù)據(jù)處理效率，減少數(shù)據(jù)存儲空間，將這些具有相同（或相似）幾何形狀的構(gòu)件的信息模型進行分類，并定義為共享單元，其它構(gòu)件定義為非共享單元。具體數(shù)據(jù)處理流程為：

（1）遍歷整個工程設(shè)計文件中所有構(gòu)件的信息模型，對其進行幾何轉(zhuǎn)換；對于非共享單元構(gòu)件，讀取其點、線、面數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為GIS模型；對于共享單元構(gòu)件，先查詢是否已進行過幾何轉(zhuǎn)換；若尚未進行過幾何轉(zhuǎn)換，則讀取其點、線、面數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換成GIS模型，并保存到數(shù)據(jù)庫中；若已進行過轉(zhuǎn)換，計算其空間三維位置(X,Y,Z)、姿態(tài)(φ,ω,γ)以及縮放比例 λ即可；

（2）對GIS模型構(gòu)建多層次細節(jié)模型（LOD）[12]，生成4種不同細節(jié)層次模型（LOD1、LOD2、LOD3、LOD4）；其中，LOD4為最精細的模型，LOD1為最簡略的模型，LOD1～LOD3是從LOD4抽象簡化后生成；

（3）提取信息模型紋理信息，將紋理映射到GIS模型三角面片上；根據(jù)信息模型的紋理貼圖所在面的位置信息，求解GIS模型三角面片對應(yīng)的紋理坐標(biāo)（U,V），在平臺中就可以將紋理映射到GIS模型上渲染顯示；

（4）提取信息模型中的非幾何屬性信息，建立屬性數(shù)據(jù)表，根據(jù)元素ID將屬性和幾何模型關(guān)聯(lián)起來；

（5）根據(jù)融合需求設(shè)置GIS模型偏移量，可以設(shè)置為直角坐標(biāo)偏移（X,Y,Z），也可以是球面坐標(biāo)偏移（B,L,H），在幾何模型中心坐標(biāo)加上偏移量，實現(xiàn)對信息模型幾何位置的平移。

三維激光掃描采集的現(xiàn)場點云數(shù)據(jù)反映了工程現(xiàn)狀，利用GIS將這些點云數(shù)據(jù)與經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換的信息模型進行疊加，可以查看現(xiàn)場與信息模型在幾何形狀上是否一致，如圖7所示。

圖7 隧道點云數(shù)據(jù)與信息模型融合顯示

由于點云數(shù)據(jù)是一系列可量測點的集合，還能從點云數(shù)據(jù)中獲取接觸網(wǎng)、軌旁設(shè)備的絕對坐標(biāo)位置以及各種尺寸參數(shù)。此外，通過進一步研究提取軌道參數(shù)、斷面參數(shù)的算法，還能夠夠?qū)崿F(xiàn)限界檢測、隧道橢圓度分析、軌道平順性分析等功能，為鐵路工務(wù)、供電、電務(wù)的運營維護提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

本文結(jié)合京張高鐵八達嶺地下站和隧道工程BIM應(yīng)用，基于鐵路工程BIM技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，重點研究多專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)一致性表達，構(gòu)建了八達嶺地下站和隧道工程的全要素信息模型，并利用鐵路多專業(yè)數(shù)字化協(xié)同設(shè)計軟件，搭建了一個多專業(yè)協(xié)同設(shè)計平臺，使傳統(tǒng)上離散的各專業(yè)設(shè)計數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)集成展示，方便設(shè)計方案的對比和優(yōu)化，有助于提升設(shè)計效率和質(zhì)量，實現(xiàn)鐵路工程的智能化建造。同時，提出將設(shè)計階段提供的全要素信息模型與能夠反映鐵路基礎(chǔ)設(shè)施運營維護階段真實狀況的海量三維點云數(shù)據(jù)融合起來，為京張高鐵運營維護階段基礎(chǔ)設(shè)施一致性檢測提供有力支持[13]。

為充分挖掘全要素信息模型在工程全生命周期的應(yīng)用價值，后續(xù)將開展自動化檢測算法研究，如基于全要素信息模型的鐵路中心線自動提取、基礎(chǔ)設(shè)施病害檢測等算法，將是下一階段的研究重點。