一种铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法

摘要

本发明涉及一种铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法。铁路及城市轨道交通工程呈带状分布，工程数据量大，参与专业众多，需建立高效稳定的协同设计平台。本发明沿工程全线里程建立带状连续的三维真实场景模型，对各专业的BIM三维模型与三维真实场景模型进行融合处理；在分布式数据库的管理模式下，对三维真实场景模型协同设计平台的全局数据库和各专业BIM设计平台的专业数据库进行管理；各专业BIM设计平台只将涉及协同设计的上下游数据及生成的BIM三维模型设计成果传输到三维真实场景模型协同设计平台上。本发明构建了沿工程全线里程的带状工程信息模型，将各专业交互数据集合在一个连续的三维真实场景中，实现协同设计。

说明书

技术领域

    本发明属于铁路及城市轨道交通建设的信息化技术领域，具体涉及一种铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法。

背景技术

BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型，）是指利用数字技术表达建筑项目（现在泛指工程项目）的几何、物理和功能信息，以及支持项目设计、施工、运营及管理全生命周期的技术、方法或过程。BIM具有可视化、协同性、模拟性、优化性和可出图性五大特点，它使得工程项目在设计、施工、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行；不但能模拟设计出真实场景的建筑物模型，还可以模拟不能在真实世界中进行操作的事物。在国内、外的建筑行业中，尤其是单体建筑中已经得到了成功的应用，但在铁路和城市轨道交通行业中基本没有涉及。

铁路和城市轨道交通项目是一个综合的系统工程，具有点多、线长、面广、投资规模大、技术性强、专业分工细、参加单位多、流程复杂等特点，有的工程还涉及运营中的即有线改造。一条铁路或城市轨道交通工程项目的建设，从勘测设计、施工到交付运营将构成一个庞大的系统，在这个系统内既有严格的分工，又有密切的协作，同时又相互制约。铁路和城市轨道交通工程与一般工民建筑的BIM技术开发与应用的差异化，具体体现在以下几个方面：

1、工程呈带状分布，沿途地理环境复杂：

全线工程的作业面呈带状分布，每个建设项目长度延绵从几十公里到上千公里，沿途穿山、越岭、跨河，工程地质、地形和环境复杂多变；而一般的工民建筑只是相对集中布置在一个区域，大部分工点是建在已经完成“三通一平”的简单地形上，地质和周围环境相对单纯。

2、工程数量巨大，数据海量：

通常一条铁路或城市轨道交通的建设投资都在几亿元以上，有的多达千亿以上。项目常常被划分成数个甚至数十个标段，工点数量更是巨大。无论是工程建筑信息还是工程地理信息数据都是海量的，这样的海量数据将需要一个有效的数据管理平台和数据管理模式来管理。

3、参加专业众多，需要协同设计：

在一个铁路项目的设计中通常需要有众多的专业协同工作，如：经调、行车、测绘、地质、线路、路基、轨道、桥梁、隧道、站场、机务、车辆、给排水、通信、信号、信息、电力、电化、房屋、暖通、环保、工程经济等专业。随着技术进步和建设标准的提高，这些专业不但技术上要求高，而且需要多专业间的密切配合协同设计，平行交叉作业繁多。

4、工程属性差异大，不易开发通用软件：

由于各专业工程内容的属性不同，其设计的表达方式也有所不同。如：土建工程中设计的表达方式主要是几何结构、受力分析、强度计算；四电工程中除了视觉层面的外，在设计上更多的表达方式是逻辑关系、负荷计算、信息规则；而对于轨道、路基、隧道、接触网等工程为沿线路走向连续延伸。因此，采用或开发一个通用的软件来解决这些个性化的需求在现阶段是不可能的。

5、专业间存在“信息孤岛”，现用软件大部分没有BIM接口：

在铁道勘察设计企业的信息化建设过程中，一开始各专业都是从本专业的需求出发，对勘察设计的软件和设备进行引进、开发或升级换代，在此过程中逐步形成了本专业的数据标准格式。随着信息化建设的深入，各设计专业也在逐步完善自己的专业数据库，加强了对数据的管理和维护，但没有从一个全局性的高度来规划和协调，使得各专业信息化的程度越深，专业间“信息孤岛”的现象越严重。另外，各专业正在使用的辅助设计软件在开发时大部分没有考虑与BIM软件的接口问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法，能建立可视化的、沿里程坐标完成的、带状的铁路及城市轨道交通全线工程信息模型，为各专业提供统一真实三维场景模型下的协同设计平台。

本发明所采用的技术方案是：

一种铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法，其特征在于：

由以下步骤实现：

步骤一：沿铁路或城市轨道交通工程全线里程，通过数字摄影测量工作站，建立带状连续的三维真实场景模型；

步骤二：建立各专业BIM三维模型坐标与里程坐标之间的转换，按照给定的设计高程和地理坐标，对各专业的BIM三维模型与三维真实场景模型进行融合处理；

步骤三：在分布式数据库的管理模式下，对三维真实场景模型协同设计平台的全局数据库和各专业BIM设计平台的专业数据库进行管理：

各专业将本专业的数据放置在本专业的数据库中，全局数据库对各专业数据进行统一索引和管理；各专业的BIM三维模型融入三维真实场景模型融合后，形成了三维真实场景模型协同设计平台。各专业已建立的独立BIM设计平台只将涉及协同设计的上、下游数据及各专业在设计过程中生成的BIM三维模型设计成果传输到三维真实场景模型协同设计平台上；当某专业需要其上游专业的数据时，直接从三维真实场景模型协同设计平台上获取。

步骤一中，数字摄影测量工作站从航片上采集工程全线里程区间内带状区域的地面三维信息，生成数字地面模型和正射影像，将正射影像映射到数字地面模型上，形成带状连续的三维真实场景模型。

步骤二中，将各专业的BIM三维模型放置到三维真实场景模型中时，指定各专业放置在三维真实场景模型中的BIM三维模型的比例尺、坐标系标准及模型族库的建立规则。

步骤三中，各专业的数据按照接口标准和规则放到全局数据库中，全局数据库统一采用Autodesk Revit格式数据；

专业间通过接口标准及权限来获取各自所需的信息。

    本发明具有以下优点：

    1、本发明成功的构建了一个完整的、沿全线里程建立的带状铁路工程信息模型，将各专业的分析与计算、图形与信息交互等数据集合在一个连续的三维真实场景中，并能对所有设计过程中的设计成果作出三维立体呈现。实现各专业在同一个全线真实三维场景模型下的协同设计，为各专业在设计中提供了一个完整、连续的工作平台，使工程技术人员对各种工程信息作出正确的理解和高效的应对。

2、采用分布式数据库的管理模式，解决了工程数量巨大、参与专业众多，工程建筑信息和工程地理信息数据海量的存储和管理问题。

3、使铁道工程设计人员的作业方式，将由绘图这种二维表达方式反映现实的三维铁道工程项目，逐步过渡到直接用虚拟的三维模型来反映现实的三维铁道工程项目，用数据模型来代替绘图。

附图说明

图1为真实场景协同设计平台示意图。

图2为现用专业软件上传数据库途径示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明所涉及的一种铁道工程真实场景模型协同设计平台的构建方法，利用航空遥感影像数据和地形数据，由计算机生成与现场一致的三维真实场景模型，将各专业的分析与计算、图形与信息交互、设计效果呈现等数据，按照里程坐标集成在一个带状连续的真实场景模型中，在分布式数据库的管理模式下，实现各专业在真实三维场景模型下的协同设计。

具体由以下步骤实现：

步骤一：沿工程全线里程，通过数字摄影测量工作站，建立带状连续的三维真实场景模型：

数字摄影测量工作站包含了完成上述模型建立任务的专门的硬件和软件设备。从航片上采集工程全线里程区间内带状区域的地面三维信息，生成数字地面模型和正射影像，将正射影像映射到数字地面模型上，形成带状连续的三维真实场景模型。

步骤二：对各专业的BIM三维模型与三维真实场景模型进行融合处理：

建立各专业（如站场、路基、桥梁、隧道等）BIM三维模型坐标与里程坐标之间的转换，按照给定的设计高程、地理坐标及其它规则，将各专业的BIM三维模型放置到三维真实场景模型中，对结合处的三维真实场景模型进行融合修改（如挖方、填方、地下隧道等），保证各专业BIM三维模型与三维真实场景模型的无缝贴合，形成各专业组合的三维真实场景模型。同时，指定各专业放置在三维真实场景模型中的BIM三维模型的比例尺、坐标系标准及模型族库的建立规则。

从三维真实场景模型协同设计平台上不但能量测对象的三维位置信息，而且还能反映对象的属性信息，如房屋的层高和新旧、地表植被类型、裸露地土壤类型等。对于地质专业的不良地质、滑坡、断层等信息，从航空的角度更容易判释。三维真实场景模型不但为设计提供了基础信息来源，同时也提供了一个空间平台，使得地理、地质、水文、城市规划、线路设计走向等各方面的空间数据，可以在统一的地理空间上同时表现出来。线路、地质、路基、桥梁、隧道、站场等多个专业都可以在这个空间里进行信息获取、信息挖掘、辅助设计、方案对比等工作。同时，各专业在设计过程中生成的BIM三维模型作为一种三维信息模型，可以在三维真实场景模型中呈现。

步骤三：在分布式数据库的管理模式下，实现各专业在三维真实场景模型协同设计平台中的协同设计：

（1）各专业BIM设计平台和三维真实场景模型协同设计平台的分工：

各专业已建立的独立的BIM设计平台，主要解决本专业作业中的分析与计算、模拟与仿真、族库的建立与调用、中间成果及最终成果的生成、设计效果呈现等纵向问题，针对每一项专业性强的设计内容还需要建立相应的设计子系统，同时还要考虑施工、运营维护等工程全生命周期BIM的条件。

三维真实场景模型协同设计平台为基础平台，其功能是管理基本的地形三维模型、地质模型，提供一个空间坐标基础和基本地学环境。三维真实场景模型协同设计平台上主要摆放各专业上、下游互提资料及设计过程中的设计效果呈现等数据。各专业的设计结果通过标准的Revit文件或GIS标准文件格式传输到三维真实场景模型协同设计平台上，并放置在三维真实场景模型中，供下游专业使用，当某专业需要其上游专业的模型数据时，直接从三维真实场景模型协同设计平台上获取。由于各专业是根据指定的比例尺、坐标系标准及模型族库的建立规则将BIM三维模型放置到三维真实场景模型中的，因此各专业提交的数据能准确融入到三维真实场景模型协同设计平台。三维真实场景模型协同设计平台主要解决的是数据共享、设计协同及视觉上设计效果呈现等横向问题。

故各专业的数据在本专业BIM设计平台上“重量化”，在三维真实场景模型协同设计平台上“轻量化”， 三维真实场景模型协同设计平台不需要存储和处理所有专业的所有数据，降低了数据存储量，提高了运行速度。

（2）分布式数据库的管理模式：

针对铁路和城市轨道交通工程数据量大及专业相对独立的特点，采用分布式数据库结构对全工程设计的数据进行管理。该数据库由全局数据库和若干个专业数据库组成。全局数据库存储项目、方案、坐标系、专业、设计人员、规则等具有全局性的数据，以数据索引统领各专业数据库，形成联系。各专业建立自己的专业数据库，存储本专业的数据，并将数据索引信息注册到全局数据库。各专业的数据按照接口标准放到全局数据库中，以完成数据发布，专业间通过接口标准及权限来获取各自所需的信息。

（3）各专业现用专业软件向全局数据库上传数据的途径：

对于各专业使用的独立专业软件，若无法直接连接到全局数据库上，可按下列三种途径来解决，

途径一：通过编写数据转换程序和本地数据管理程序，完成专业软件与三维真实场景模型协同设计平台的连接。数据转换程序将各专业的专业数据转换为标准接口数据，并存储到本地数据缓冲位置；本地数据管理程序实现对本地缓冲数据的发布。

途径二：修改现有软件，增加标准数据输出接口，通过本地数据管理程序发布数据。

途径三：重新编写专业软件，软件直接以标准接口输出数据，再由本地数据管理程序负责发布。甚至可以将发布程序直接写入专业软件，直接由专业软件发布。

如果现用专业设计软件能进行二次开发，则通过途径二进行软件改造，增加新的接口是最理想的方式；否则就应选择途径一编制新的转换程序，将数据按接口进行转换；而途径三由于要对既有软件进行更新换代，代价太大，不宜采用。

（4）中间互通软件和接口的选定：

由于各专业的工程内容属性不同，其设计的表达方式也就有所不同，适合采用的BIM软件也就不一致。在专业互提资料中，每个专业的上、下游专业通常也有好几个，如果没有一个通用的中间互通接口和标准，将导致接口过于复杂和接口设计困难。鉴于铁路和城市轨道交通工程设计中一直采用的是AutoCAD系统，各专业在该平台上开发和积累了大量的应用软件，设计人员对该系统也很熟悉；因此，为了使数据接口尽可能的减少和简化，各专业在设计时可以根据专业特点和属性采用个性化的BIM软件，但在进入三维真实场景平台互提资料和设计效果呈现时规定统一采用Autodesk Revit格式。这样，不论各专业采用哪种BIM软件，只需开发该软件与Revit的接口即可。同时开发Revit格式的三维模型数据与三维GIS模型数据的交换软件和制订数据接口标准，使Revit格式的三维模型数据导入之后能够完整保留其原来的各项属性，实现在三维真实场景平台上对各专业的三维模型属性进行查询、调用、编辑、增加、删除等操作。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。