基于三维选线的数字铁路资产构建与应用体系

韩元利

（中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063）

1 概述

自然世界任何对象的智能化进步均是以数字化、虚拟化过程为智能挖掘的载体［1］。假如电子地图没有实现对现实世界的描绘，精度再高的GPS也无法进行智能导航。同样没有建立一个完整的线路生命体，交通工程的智能化无论是表现手段还是智能深度都会极大受限。因此，构建智能铁路的基石，是实现铁路工程的数字化表达，从构建完整的、与地理环境高度融合的三维数字铁路开始［2-3］。

自20世纪90年代美国前副总统戈尔提出“数字地球”虚拟化物理世界的宏观构想开始，自然世界从物理态向数字态的演变历经了3个时代（见图1）［4］。

图1 物理世界数字化形成智慧体的发展过程

BIM在这个过程中承担了数字零部件的角色，是数字工程的一个元件子集，无法从空间统一保障、地理环境集成等方面保障数字交通作为系统性工程的实施条件。而对线性工程巨量零件系统的组织管理，则更要依赖工程控制论来布局管理，交通工程的智能化应体现和聚焦于线路工程作为系统性工程的整体智能上［5］。1座桥、1座隧道或1座车站都不足以体现甚至代表应以完整生命体存在的线路工程。

智能交通的核心任务首先就是构建孪生三维数字铁路资产［5］及围绕普适性的资产面向各类线路设计、建造、运维过程中的业务定制开发与智能化挖掘。基于10多年来在数字地球技术上开发三维选线设计系统的实践，论述了三维数字铁路的资产体系化构建与逐步拓展应用的技术路线，从中可以看出：地理环境融合与空间分析手段所带来的参数化、自动化、智能化设计与建模技术提供了比人工BIM构建更高效的大规模孪生数字铁路资产构建手段；完整的普适性的空间数据库资产比单纯的BIM更具备广泛的全生命周期应用价值。

2 三维选线设计系统

三维选线设计系统基于数字地球平台提供了“宏-微观”一体的三维实体选线“所设即所得”的实时设计能力，提供了宏观与细化选线设计的多种手段，提供了实时参数化构建桥梁、隧道、路基、站场的快速建模能力，广泛而丰富的地理信息为科学决策选线提供了全方位的地理信息支撑。系统利用GIS的空间分析能力提供了自动拉坡设计、自动桥隧插旗与命名、自动排水边沟疏流设计、面向BIM的构件三维匹配建模与精细化的工程数量统计功能，可应用于铁路、地铁、公路、电力、管线及河道的线路三维直观可视设计，构建的三维数字线路模型资产成果可用于网络发布、移动应用、VR/AR业务体验及BIM全生命周期应用开发。系统开发成果在渝宜铁路、苏锡常铁路等30多个铁路项目中得以应用并在网络数字铁路平台中实现发布式共享应用，高效地为各类铁路、公路项目提供了全生命周期的三维数字线路模型资产，为项目的投标、汇演决策提供了直观的决策能力。三维选线设计系统先后获得了中国铁建、国家铁路局、中国勘察设计协会等多项优秀工程软件一等奖。

三维选线设计系统能够研制成功，得益于遵从物理世界数字化的客观过程，沿袭数字地球→数字城市→数字工程一脉相承的技术理念［4］，以3D GIS的技术手段与空间观出发，整合各类地理环境资源，通过对线性工程开发自动化建模手段提供批量的零件模型形成线路实体，以空间数据库的组织形式实现整条线路工程模型在真实地理环境上完美融合叠加。

三维选线系统除提供给设计院交互手段外，更重要的是提供了独立于任何商业平台的普适性数字铁路资产，这种资产格式完全公开透明且完全满足国际开放地理空间信息联盟（OGC）标准的数据产品，可以定制配置到任何GIS平台上进行完整表达。

三维数字铁路资产按照空间数据库的组织结构进行组织，不仅可以用于信息管理系统中的查询、分析决策等拓展开发，更能有效利用空间数据库的GIS表达优势，实现空间定位、空间分析及可视化管理能力，应用潜力巨大。归结三维数字铁路资产的主要技术特征如下：

（1）统一的数字地球空间，有容乃大，可以保障一条或多条线路资产的完整表达；

（2）包含地理环境、地物环境并与其实现完整融合；

（3）参数化、自动化建模手段快速提供线路模型实体，参数驱动模型变更；

（4）高度普适性的空间数据库存储，分析查询、表达与管理完全信息化组织。

3 孪生数字铁路资产的构成内容

数字铁路资产的构成应该包括与铁路有关的一切空间要素与信息内容，地上、地面、地下的要素，过去、现在甚至将来规划的地物，都可以是资产的一部分，而对空间的范畴定义也没有约束，可以是周边几十米，也可能需要整个路网甚至是世界范围内的地物环境支撑。

以三维选线设计系统为例，集成了分别来自网络的广泛存在的GIS网络地图资源数据和来自工程实际测量的精度更高的测量数据，实现了不同来源空间数据的有机融合与统一表达。

3.1 集成到三维数字地球空间中的网络GIS数据来源

（1）各类网络地图的在线与离线支持。包括Google地图、百度地图、微软地图、天地图在内的多达13种地图类型数据的在线实时支持与离线应用。这些地图数据直接来源于服务提供商，数据与服务商的发布保持同步更新。实际上，基于平台的GIS通用性，只要遵从OGC制定的GIS协议（WMS、WFS、WCS）的所有网络地图数据，都可以补充到数字地球空间中来，为三维选线设计提供丰富的底图支持。

（2）全国地质层在线数据。基本比例尺是1∶200000，部分地区可以达到1∶50 000的实际精度。地质层数据的接入，为开展铁路、公路这种大区域工程地质优先选线提供了重要的设计依据（见图2）。

图2 基于网络地质图层资料开展的三维选线设计效果

（3）全国重要地质钻孔档案数据库。可以方便地调取、查询新中国成立以来全国各地开展的100多万件重要地质钻孔的档案信息记录、翔实的条柱状图数据等，为工程设计提供便利化的空间信息共享支持。

（4）全球陆地区域的水准地形数据。基于NASA ASTER GDEM全球大地高程地形数据与国际重力场模型EGM2008自主加工生产的全球水准高程数据，地形格网平均间距约30 m，对项目前期规划选线、调水选线有极高的利用价值。

（5）全国行政区划、重要交通线路、河流等国家测绘局公开发布的GIS地理数据，为三维地理环境提供了开放的社会地理信息支持。

有了上述来源于网络的空间数据支持，就可以实现为大区域工程规划选线设计提供无图纸、无测量的初始地理环境，完全避免了项目初期对地形图纸的投入与设计依赖。

3.2 通过自主开发接入的工程测量数据

（1）工程地形图数据。包括工程用电子地形图或测量高程数据的直接支持。

（2）地貌数据。包括正射影像数据与下载的地图数据加载。

（3）地物数据。各类调绘数据，也可以从地形图中提取建筑物、池塘、电力线等分类要素并实现定制的三维表达，也可利用开发的沿线地物三维移动调查系统来构建地物数据库资产。

（4）地质钻孔数据。可以为工程实际地质钻孔数据提供地质分层的立柱实体表达并附有地质分层属性数据。

（5）海量机载LiDAR点云数据。通过预构建生成地形高程模型支持。

（6）地面LiDAR点云数据。直接以点云阵列表达扫描实体的样式。

（7）倾斜摄影实景模型。通过预构建生成分布式网络模型高效地实现LOD表达。

（8）地物模型。包括几何模型与BIM模型，按定位、定姿的方式进行一致的空间表达。

通过上述的开发，三维选线设计系统可以接入各类空间数据资源，从而为构建三维数字铁路提供了丰富的地理环境资产支撑。

4 三维数字铁路资产的智能化、自动化构建

铁路模型资产是三维孪生数字铁路资产的核心资产，其处于既有与将有的边界生命期。在三维选线设计系统中，三维数字铁路的构建有别于BIM计算机辅助设计的手段［6-7］，依赖的3D GIS的数据资源与空间分析能力，借助工程设计人员的经验实现的自动批量化零部件建模，体现了相较于传统CAD设计手段的智能化水平，也为大规模线性工程建模提供了人力难以达成的效率优势。

三维选线设计系统具备如下的自动化、参数化、智能化设计能力：

（1）平纵面设计。在直观的三维地理环境上勾绘线路交点线后，系统会自动根据速度设定为各交点配设曲线半径、缓长与超高，生成线路基线；根据基线从地理环境中提取纵断面地面线后自动设计最优的坡度线［5］；然后自动生成线路三维轨面模型与接触网模型供桥梁、隧道插旗参照。

（2）站场参数化设计与自动建模。对线路上的车站，选择中心里程点，可以自动沿基线生成站场模型，包括最多配置12条到发线轨道及6座站台模型、2个广场、站房等各类站场设施的建模表达。

（3）桥梁隧道自动插旗与自动命名。在上述轨面模型的基础上自动根据地形分割出桥梁、隧道，建立起相应的构件模型，并且根据桥梁、隧道所在位置通过WebGIS查询其所属行政区域名称为桥梁隧道快捷命名。

（4）路基的自动化参数化建模。在上述桥梁、隧道、站场区域之外，系统程序会自动进行路基对象分割提取，并基于默认参数组生成各个对象的三维模型。

设计过程以自动设计作为默认成果，设计人员既可以进行三维交互调整，也可以通过参数化精细设置，对各类对象的参数化调整完成后，通过刷新命令即可以完成对象模型的调整（见图3）。

图3 路基模型的参数化与建模效果

所有模型零件都作为普适性的模型资源独立存在，通过空间数据库进行统一组织，对象的属性存放于数据库中，从而保障了三维数字铁路产品的普适性与全生命周期BIM构件的属性完整性。

在三维数字铁路产品的构建过程中，除了自动拉坡、桥梁隧道自动插旗与自动命名、基于空间分析的自动建模等智能化功能外，体现智能设计的实现环节还有：

（1）自动排水沟顺流设计。自动对路基设置排水口，确立排水出口且保障沟中不会积水。

（2）自动配设挡土墙。默认智能化地配设路堤、路堑的挡土墙，也可以以参数化进行配置。

（3）自动栅栏设置。根据规范按照地形坡度自动布设不同规格的栏片与立柱。

（4）自动行政区域表生成。在联网情况下可以自动对线路里程计算提取精确到乡镇一级的行政区域里程分界表。

（5）自动统计工程数量。自动计算线路方案200多项统计数据，其中绝大部分是精密的空间计算成果，如用地面积有图幅面积与表面面积2种数据。

（6）桥梁隧道二维插旗标识码生成。可借助移动终端扫描实现对桥梁隧道主要信息解读与定位。

三维数字铁路的资产构建方案可以便捷地向其他线性工程进行拓展，三维线路设计系统提供了包括铁路、地铁、公路、云轨、河道及电力线工程的设计与建模能力，从而为所有线性工程的数字化、智能化服务提供了实施生命载体（见图4）。

5 三维数字铁路与BIM的集成

当前通过三维线路设计系统自动生成的线路构件模型相当于铁路BIM联盟LOD2.0的精度标准，如要对部分重要工点进行细化表达与应用，就需要接入更高级别的人工BIM模型。

目前BIM模型与GIS信息集成仍有很大的技术困难［8］，尚未形成成熟的批量化集成技术，主要原因有以下5点：

（1）BIM模型格式不开放。“ABC”（Autodesk、Bentley、Catia）所代表的商业集团无法提供一个公开的BIM模型格式，造成了BIM应用效益与潜能大大受限。国际学术界正在试图通过buildingSMART联盟提供IFC交换格式扩展来实现公路、铁路BIM模型共享交换，但从IFC已经20多年的蹒跚历程与当前各大平台对IFC的支持能力综合来讲，这个实现过程可能会持续相当长的时间。

（2）BIM模型数据的轻量化处理。BIM模型的粒度太细，体形不大但数据体量很大，在GIS中需要轻量化处理才能保障资产集成综合的应用效率。

（3）BIM模型的碎片化处理。超过一定长度刚体的BIM模型在数字地球空间中，一定是无法准确地实现与邻近构件的衔接［2］。因此需要将模型碎片化分割，如对超过一定长度的桥梁、隧道、路基拆分成若干个模型。

（4）BIM模型的用户空间化转换。当前BIM模型绝大多数按照工程坐标构建，这种大坐标难以满足GIS的模型符号化定位、定姿表达的要求。

（5）BIM模型左右坐标系变换。GIS采用国际上通用的右手坐标系、而国内相当部分工程图采用的是左手坐标系，导致地理上的事实左偏向的长大线路模型，在工程图上表现为右偏，基于这种工程图而建立起来的BIM模型，自然存在与GIS空间符号化定义不匹配的问题，需要通过程序开发实现对模型坐标系的反转。

要实现线路BIM模型的批量化集成，就首先需要解析BIM模型的格式，以“ABC”为设计建模平台的BIM模型资产，在资产的兼容性方面还存在着商业垄断的显著弊端，成为BIM与数字铁路资产融合的主要障碍。

6 三维数字铁路全生命周期应用产品体系建设

三维数字铁路资产产品体系主要包括2个部分：（1）资产采集、构建及集成部分；（2）资产全生命周期应用部分。三维数字铁路资产产品体系构成见图5。其中，蓝色为已经完成的产品，绿色为正在研发的产品，红色为规划的产品。

6.1 三维数字铁路资产构建与集成部分

（1）地理数据采集应用系统（RailGIS）提供各类网络空间数据资源采集与处理、建模的能力，包括重要钻孔数据采集、离线地图资源下载、全球地形采集、水准地形生产等，为三维选线提供广泛的离线及实时在线数据支持。

（2）三维选线设计系统（RIM Designer）在三维数字地球上提供最关键的三维交互选线设计手段与实时参数化线路建模能力，实现孪生数字铁路“所设即所得”的高效资产构建手段。

（3）大屏协同方案设计系统（RIM CoDesigner）规划的在三维选线设计系统上提供桥梁、隧道、路基、站场等站前专业的分布式设计终端机，实现各专业面向同一项目的实时协同设计能力，从而实现“像发射卫星一样”开展多专业方案级协同设计的理想追求。

（4）三维线调系统（RIM Survey）实现道路沿线建筑物、水域、地类、管线、特殊构筑物及物种的信息采集并以直观的三维形式进行表达，提供了语言输入、现场采拍、二维码定位、手薄输出等要素采集管理，资产具备脱离工程空间的全生命周期价值。

（5）BIM集成系统（RBIM System）实现人工精细化BIM模型向数字铁路资产的富集，从而达成综合的全生命周期应用效果。当前正在解决BIM模型符号化转换与集成应用开发，后期将围绕BIM与GIS的综合应用提供业务管理能力。

三维数字铁路资产构建后，可以作为智能交通的实施载体，除了普适性的全生命周期应用能力外，更具备广泛地外延与拓展能力，主要表现为可以接入广泛的IoT感知与控制设备实现三维可视化的管理［4，9］，如接入视频设备，可以在场景中直接实现对摄像头的操作以实现对现场画面的拍摄控制；通过接入GPS定位设备，还可以实现与三维场景联动的巡查定位管理等［10］，从而为数字交通走向智能交通奠定了坚实的实践基础。

6.2 产品体系

为了拓展三维数字铁路面向建设、设计、施工、监理、运维单位的全生命周期业务应用能力，三维数字铁路资产也提供了完备的产品体系来满足行业链各种应用场景的需要：

（1）三维数字铁路桌面浏览系统（RIM Viewer）提供给资产应用单位进行资产查阅及二次开发拓展桌面应用的系统，系统附带三维选线设计系统所有统计、分析及模拟、地物构建能力。

（2）三维数字铁路网络应用系统（WebRIM）将采集与构建的数字资产发布到网络，让许可人员可以分布式地通过浏览器访问这些直观的资产并取得网络应用能力，如开展远程三维方案论证、直观方案汇演、查询工程数量、提取地物及开展进度管理、监控管理、风险监测管理等。目前构建的内部网络应用系统已经实现近40多个工程项目的资产发布与远程业务功能应用。

（3）三维数字铁路移动端应用系统（RIM Mobile）移动端应用系统是以三维数字铁路产品在移动设备上的表达与应用系统，提供三维数字铁路漫游、分析、信息查询与量测功能等以资产管理及业务应用为主的能力。移动端除了能够提供三维线路资产的展示，也能开发定制的移动业务，如在现场以图文、音频形式录入施工日志、进行人员安全防范监控管理、禁止无关人员进行相关作业区的风险警示等。

（4）三维数字铁路VR应用系统（RIM VR）将三维数字铁路资产发布到头戴式VR设备中，实现第一人称展示三维数字铁路模型场景，让体验者在视觉上、听觉上、触觉上实现与项目工地现场的交互，让领导决策人员可以非常直观地体验设计效果（见图6），也可以将工程灾害现场搬到应急指挥的会议现场，让指挥人员身临其境地体验现场灾害效果从而确立科学的应急指挥决策。

（5）三维数字铁路增强现实系统（RIM AR）可将整条三维数字铁路以大地空间坐标装载到AR眼镜中，实现走到哪看到哪的线路三维模型效果，线路工程建成前可以直观地展示建成后与地物叠加的场景，建成后也可以展示沿线各种构件的维护信息，同时可以进行拍照、声音、手势等现场交互操作，实现现场信息化管理。

图6 三维数字铁路VR应用系统

（6）三维数字铁路云应用平台（RIM Cloud）旨在构建类似网络地图开放式API接口，吸引行业内资深的设计、施工、运维开发服务商，利用丰富的三维铁路数字资产，开发模块化的微服务应用，再通过在云平台上发布这些微服务，通过云平台向方方面面的应用商提供菜单式业务订制服务，让应用部门无须软、硬件配置，无须耗费财力人力构建模型即可便利地利用孪生数字铁路资产及各方面的服务。如某科研开发公司具备20年的深基坑监测经验与手段，通过云平台将其监测业务改造后发布，另一项目拟开展此类业务，只需要通过云平台订阅这项业务，接入IoT监测设备即可以便利、直观地开展监测业务。

三维数字铁路产品在各种应用端上的发布实现，一方面证明了数字资产的普适性，另一方面为行业链各单位各类业务的订制开发提供了基础环境，从而形成了包括三维数字铁路产品与各类应用端的全生命周期技术服务体系，为全行业从BIM热潮中回到数字铁路工程这个大主线上来，充分挖掘三维数字铁路的智能化业务创造了条件。

7 结束语

当前交通行业正在挖掘数字工程智能化建造、运维的潜能，更需要有三维数字铁路资产作为依附的载体［11］，不只为线路的智能化提供可视化的管理场景，GIS领域强大的空间分析能力与丰富的地理环境数据支持也能够为智能交通建设提供宽广的潜能挖掘空间。