行业要闻

 

摘  要: 针对地铁车站建设与管理过程中存在的问题，提出了构建地铁车站三维辅助建设与管理系统，以数据库技术、网络技术和三维可视化建模技术为支撑，构建地铁车站( 包括土建、装修、设备和管网等) 三维全信息模型，通过数据层、逻辑层和业务应用层 3 层逻辑结构实现信息管理，以 B/S 和 C/S 相结合的方式实现交互操作，在明确系统基础功能、应用功能和拓展功能的基础上提炼系统所涉及的关键技术，形成由逻辑结构、网络结构、功能设计和关键技术构成的整体框架，为地铁工程全寿命周期管理提供三维全信息平台。

关键词: 地铁车站; 管理系统; 三维信息平台

 

      目前我国地铁在建设与管理过程中面临如下问题: ①设计阶段仍以二维设计为主，车站布置不直观; 涉及的工点院和专业较多，相关专业的调整都会引起其他专业设计边界的变化，配合起来既频且繁^［1］。②施工阶段管网安装顺序混乱，随意性强，安装空间不足或管网冲突时有发生，严重影响了工程造价和施工进度^{［2 －4］}。③运行维护阶段车站历史信息缺失或维修信息不能及时更新，信息可追溯性较差。基于属性管理的动态三维模拟技术可有效解决上述问题。在美国、欧洲和日本等发达国家，包括地铁和其他公共建筑在内的大型基础设施建设管理的全过程均已应用了三维数字化技术辅助设计、施工和管理^［5］。国内建筑业关于三维数字化技术的应用局限于数字化城市和效果宏观展示等层面，具有工程级应用的三维信息管理平台较少。目前国内地铁的三维数字化管理尚处于起步阶段，其应用也仅局限于少数设计院，三维设计软件主要以 Bently 公司的 Microstation 为主^［6］，覆盖面窄，且没有扩展至建设管理全过程。基于此，笔者提出构建地铁车站三维辅助建设与管理系统，实现辅助三维设计、现场设计变更快速修改和实时信息更新等功能，进行地铁工程全寿命周期管理探索，为国内地铁建设行业提供可借鉴的参考。

 

      基于二、三维一体化的地铁车站辅助建设与管理系统，为地铁车站协同设计、现场安装、即时调整和运维信息快速更新及查询等提供信息管理平台。预期实现的目标如下:

      ( 1) 自动生成三维模型。比例为 1: 1 的三维模型是工程应用的基础，也是属性管理、漫游浏览和交互操作的基础，系统读取标准化后的初始CAD 图纸，将信息存储于数据库中并自动生成三维模型。

      ( 2) 局部快速修改。二、三维一体化思想的核心是实现“一处修改，关联变化”，以保证信息的唯一性。系统采用构件库和数据工厂的 FEM模块以及轴线加工技术实现快速修改功能。

      ( 3) 强化用户体验。目前三维设计软件不易普及与推广，软件界面复杂、专业性过强和操作步骤繁复是其重要原因，因此交互界面友好性是该系统的重要目标之一。

      ( 4) 面向多数据集成。该系统数据源广泛，涉及建设与管理全过程，因此系统的开放性、兼容性和可扩展性要求较高。

      采用 3 层架构搭建整个系统的总体框架，分别为数据层、逻辑层和业务应用层^［7］。数据层包括二维数据、三维数据、关系数据和文件数据。系统逻辑层基于模型加载、三维驱动以及数据分析完成对具体应用业务的实现。为保证系统操作数据的安全性，系统采用后台行为监听线程完成对数据的保护以及用户权限日志的动态验证功能。系统逻辑结构图如图 1 所示。

      系统使用方包括建设管理方、设计方和施工方，涉及数据量大、信息多，因此采用 B/S 和 C/S相结合的模式^［8］。对系统中三维部分的操作及相关应用使用 C/S 模式，以保证数据安全，数据顺畅运行，且不受网络带宽、浏览器负载等方面的影响; 其他相关的业务管理功能则使用 B/S 模式，体现其即时性和方便性的操作特点。系统网络结构如图 2 所示。

      以统一规划、分步实施的原则为指导，将系统功能定位为基础功能、应用功能和拓展功能。基础功能主要是三维模型基础操作; 应用功能包含三维辅助设计、施工和运行维护; 拓展功能包括三维应急管理和后期资产管理。详细功能划分如图3 所示。

      三维模型是信息的载体，模型操作使信息得以调取和运转，是与其他应用功能和拓展功能关联的途径。具体内容包括: ①模型控制功能。模型控制功能包括三维模型导入导出，动态更新，土建层、管网层、装修层和设备层分层显示，动态三维标注和属性数据编辑等。②二、三维信息一体化管理。为了实现“一处修改，关联变化”的目标定位，系统需提供二、三维数据联动的功能。③模型分析。用于设计阶段的碰撞冲突分析和管网安装及设备维修阶段的空间距离测量分析。

      辅助设计体系包括辅助设计、辅助施工和辅助运行维护管理 3 个方面。

      ( 1) 辅助设计。构建协同三维环境，真正使整个项目的设计者能够在统一的工作对象和目标中工作，减少相互沟通和返工所用的时间。以直观的方式快速修改设计，模型的唯一性决定了二维图纸的唯一性，可提高设计效率。基于三维模型的各专业间碰撞冲突自动检测功能可提高设计质量。具体功能有 CAD 图纸二、三维全信息管理，局部设计与修改，碰撞冲突检测，路径漫游和三维标注等，如图 4 所示。

      ( 2) 辅助施工。该系统在施工阶段的用途主要体现在两个方面，一是在施工现场通过网络远程调用二、三维信息，指导现场管网布局与安装; 二是若现场环境与设计环境不符，可以迅速将现场信息反馈给设计人员，在三维环境下对设计信息进行变更，节约设计变更耗时，同时也可避免管网安装过程中实体管道的重复拆装，节约工程造价。

      ( 3) 辅助运行维护管理。地铁车站完工后，所有工程信息包括土建、管网、设备和装修信息均反映在三维模型中。在运维阶段能方便查询整体信息和局部属性信息。同时，各类设备更新或维修信息也能通过局部设计修改功能实时反映到三维模型中，保证三维模型与地铁车站实体的完全一致性。

      拓展功能主要用于地铁运行过程中，包括应急管理和资产管理两个方面。

      ( 1) 应急管理。应急管理主要用于地铁运行过程中基于真三维地铁车站环境的安全管理、日常安全教育和救援管理。具体功能体现在培训模拟演练，包括最佳疏散路径分析、事故影响区域分析、救援路径分析和事故响应调度^{［9 －10］}。

      ( 2) 资产管理。资产管理是在三维模型及属性操作的基础上实现的。结合地铁沿线周边土地开发和物业租赁经营情况，资产管理包括房屋管理、土地管理、租赁管理、维修管理和机车管理等内容。

 

      实现上述功能的技术分为 3 个层面，即基础技术、辅助支持技术和智能分析技术，技术支持体系如图 5 所示。

      基础技术是指搭建系统平台所必备的基础功能技术，在该平台中包括了对数据的管理以及信息系统基础功能。

      ( 1) 通用功能。它主要包含信息系统搭建所必需的基础性功能。系统对用户、权限和日志进行统一的用户操作封装; 系统应封装统一的报表制订功能，为用户提供统一的用户数据报表，同时系统还应该具备报表自定义功能; 系统还应封装工作流自定义功能，为用户设置个性化的工作流应用。

      ( 2) 三维数据管理。它主要包含对建筑模型、管网模型、设备模型、配件模型，以及模型材质库方面的数据管理。

      ( 3) 其他数据管理。它主要包括对 CAD 图纸和数据输出模板的管理。CAD 图纸管理包括实现 CAD 图纸的自动空间数据转换，并将转换结果保存于空间数据库; 同时系统为数据输出提供标准的输出模板，用户也可自定义数据模板，满足用户结果数据的输出需求。

      辅助支持主要包括系统对数据的设计能力以及三维平台所必备的三维引擎功能。

      ( 1) 数据工厂。数据工厂对系统最为重要的是 FEM 模块以及轴线设计。FEM 模块为系统封装了对 CAD 文档的分析与修改功能，通过系统的FEM 模块能快捷地实现对 CAD 图纸的归档、分析和模型变换等功能。轴线设计是三维管网辅助设计的核心，对轴线的规划与编辑是系统的核心技术。

      ( 2) 三维引擎。通过 ARCGIS 平台，完成对三维模型的加载、三维场景的构建以及用户与三维场景的交互操作。

      ( 3) 数据可视化。数据可视化是系统的最终展示方式，将三维场景作为系统数据的展示基础，并辅以多样化的、符合专业要求的统计图表，完成用户对数据的结果要求。