铁路工程数字建造平台建模方法与应用研究——以某高海拔铁路信息共享服务平台为例

1数字建造技术及应用价值
1.1数字建造技术
数字建造技术以建筑信息模型为基础数据信息载体,利用云计算、大数据、物联网、BIM(Building Information Modeling)[1-2]、GIS(Geographic Information System)[3]等信息技术,实现建设项目从规划设计、施工管理、运营维护的数字化全过程管理,保障建设项目成本组合最优化、资源配置合理化、项目收益最大化[4]。

当前,国内铁路工程施工单位广泛利用数字建造技术,构建技术先进、功能完善、经济适用、安全可靠的铁路建造信息系统[5-6]。

1.2数字建造的应用价值
数字建造就是利用各种数字信息技术提升整个工程建造产业的全生命周期服务,提高产品综合性和施工设计效率[7-8],协调各利益相关方的组织沟通,实现资源环境的价值需求[9-10]。

据统计,采用信息及网络技术可减少20%~60%的沟通成本[11-12]。

1.2.1工程的设计阶段
扎哈通过广州剧院的参数化设计思想来实现独特美学外
铁路工程数字建造平台建模方法与应用研究
——
—以某高海拔铁路信息共享服务平台为例Modeling Method and Application of Railway Engineering Digital Construction Platform ——
—Taking a High-Altitude Railway Information Sharing Service Platform as an Example
张红勇1，左睿1，卫佳佳2，李强2，王京京2*，郭琨3
（1.中铁云网信息科技有限公司，北京100039；2.北京工业大学，北京100124；3.中铁建设集团有限公司，北京100043）ZHANG Hong-yong1,ZUO Rui1,WEI Jia-jia2,LI Qiang2,WANG Jing-jing2*,GUO Kun3
（1.China Railway Cloud Network Information Technology Co.Ltd.,Beijing100039,China;
2.Beijing University of Technology,Beijing100124,China;
3.China Railway Construction Group Co.Ltd.,Beijing100043,China）
【摘要】国内铁路工程建设信息化管理存在缺乏统一的企业信息化架构指导，难以满足多样化的铁路工程建设信息化应用需求。

数字建造为建筑工程项目提供“平台+工具+方案”的技术支撑。

论文对数字建造技术的基本理论和应用价值进行研究；研究铁路工程的数字建造平台的实现方法，包含数字建造平台的总体架构、技术架构及数据分类；在铁路数字建造控制平台理论体系和实现方法的指导下，搭建铁路信息共享服务平台，以某高海拔铁路为例阐述数字建造在铁路中的应用。

验证了数字建造在提高铁路工程建设信息化管理方面的有效性。

【Abstract】There is a lack of unified enterprise information structure guidance in the information management of domestic railway engineering construction,and it is difficult to meet the diverse application needs of railway engineering construction information.Digital construction technology provides the technical support of"platform+tools+solutions"for construction project.Firstly,this paper studies the basic theory and application value of digital construction technology.Secondly,this paper studies the realization method of railway engineering digital construction platform,including the overall architecture and technical architecture of digital construction platform,and.Finally,under the guidance of the theoretical system and implementation method of railway digital construction control platform,the railway information sharing service platform is set up.Taking a high-altitude railway as an example,the application of digital construction in railway is illustrated.
This paper verifies the effectiveness of digital construction in improving the information management of railway construction.
【关键词】数字建造；铁路工程；技术架构；信息服务平台
【Keywords】digital construction;railway engineering;technical architecture;information service platform
【中图分类号】TP319【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0133-05【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.041
【基金项目】中国中铁股份有限公司科技研究开发计划项目（CZ01-
重点-13）；北京工业大学国际科研合作种子基金资助项目（No.B09）
【作者简介】张红勇（1981~），男，四川南充人，高级工程师，从事BIM
技术及智能建造研究。

133
观造型,利用数字模型(包括构建尺寸信息,制造加工信息,空间三维定位)指导安装施工过程,保障安装精度要求。

传统技术不支持如此多的非标准化、高度灵活而又个性化的设计和定制建造过程。

1.2.2
工程的施工阶段
2014年,Liu 等人研究设计了一个基于BIM 的建设项目详细进度计划以及成本估算的集成框架,在建造过程中同步生成成本估算和工作面施工计划
[13]。

2015年,Kim 和Son 利用
BIM 4D 实现了进度的自动化更新[14]。

2016年,金雄杰利用BIM 5D 软件进行进度计划的动态模拟,将各个参数通过挣值法进行计算,最终实现了进度的偏差分析、预警分析以及绩效评价[15]。

1.2.3
工程的运营阶段
应用BIM 技术+物联网技术,可以实现实时的现场监测[16]。

传统的人工检查,往往是在出现问题之后才能被发现。

而在数字虚拟环境下,不需要人为的检测行为,就可以提前预防各种病害和故障的发生,及时采取措施,避免造成损失。

综上所述,数字建造技术有助于实现实时信息分析,实施精确的预警,辅助决策并改进完善建筑全过程流程[17-18]。

2
基于数字建造的铁路工程控制平台架构
2.1
理论基础
铁路数字建造控制平台为铁路工程建设各个环节搭建了
一个铁路工程建造综合管理平台,通过建立数据之间的关联关系,使铁路工程建设从源头开始进行信息封装,并随着施工过程推进实时增减其信息量,在信息产生源头采集—传输—分析—应用—反馈的信息流闭环过程中,使管理过程可视化、信息透明化。

2.2总体架构
铁路工程数字建造平台基于项目的全生命周期管理和数
据资产运营管理,针对项目数据采集、访问、存储及智能计算、分析,提出科学合理的技术路线,形成面向智慧工地、智能工厂的设计、施工、运维一体化解决方案。

铁路工程数字建造平台以统一的技术架构实现了铁路数字建造控制平台、智能化铁路运维管理系统、铁路设施实体、铁路设施虚体的集成,如图1所示。

2.2.1
铁路数字建造控制平台
铁路数字建造控制平台主要体现在3个方面:线路地理信息模块、工务设备信息模块、运维记录信息模块。

1)线路地理信息模块:该模块主要是对线路的地理信息统计材料进行存储和管理,为工务设备、病害等的定位提供依据,主要包括大桥略图信息、线路综合图信息、速度图表信息
[19]。

2)工务设备信息模块:该模块主要包含了工务中机械设备的BIM 信息,包括所有属性信息,如桥梁、隧洞、钢轨、道路等,以及其曲线高度、边坡等相关信息。

该模块的主要功能是为线路检测维修等技术人员提供有关仪器设备的基本信息和统计信息,并作为工务部门技改、维修等工作的主要参考依据[20]。

3)运维记录信息模块:线路的养护维修数据主要包括设备养护维修资料和线路养护维修机械信息。

设备养护维修资料包括线路养护维修规则、各种线路维修计划等,线路养护维修机械信息包括各种机械的作业信息、机械的检测修理信息等。

2.2.2
智能化铁路运维管理系统
智能化铁路运维管理系统主要由铁路轨道检测模块、铁路动车检测模块和铁路设施养护模块3部分组成。

铁路轨道检测模块包括正线调查、站线检查、道岔调查。

铁路动车检测模块对列车顶部、侧部、底部和踏面的三维图像进行采集并自动分析报警,同时对升降弓磨耗、升弓压力等数据进行测量。

铁路工程机械设备养护维修资料模板的主要功能是存储高速铁路工程工务设备各种养护规范、保养计划、工务部门设备保养情况等信息内容。

图1铁路工程数字建造平台总体架构图智能化铁路运维管理系统
铁路轨道检测模块铁路动车检测模块
设备养护检测模块
数字建造控制平台
线路地理信息模块
工务设备信息模块
运维记录信息模块
交互反馈控制信号控制信号
通信连接
通信连接
遥感数据
遥感数据
遥感数据
仿真数据
通信连接
中控软件
其他设施
铁路轨道
高铁列车
铁路设施实体信息记录
数据预警通信连接
交互反馈
铁路虚拟实体
模拟平台
其他设施
134
2.2.3
铁路设施实体和铁路设施虚体
铁路设施实体包括高铁列车、铁路轨道和其他设施,其他设施有防爬行设备、轨距拉杆、道口、防护栅栏、高速铁路声屏障与防风明洞等附属设备。

铁路虚拟实体包括中控软件、模拟平台和其他设施。

铁路设施虚体创建过程见图2。

输出IFC 格式模型交付3D 建设管理平台应用
设计优化应用输出原生格式模型交付施工单位深化设计应用BIM 虚体模型创建
模型轻量化
模型整合
快速建模工具开发
GIS 地形数据采集GIS 地形实景建模
图2铁路设施虚体创建过程
2.3技术架构
铁路工程数字建造平台系统的技术架构如图3所示。

首
先,从工程项目综合管理系统、其他业务系统获取工程项目相关业务数据信息,结合多源视频信号数据和多源语音信号数据,通过平台管理系统数据接口模块中定义的统一接入标准接口,将数据信息汇集至平台进行统一接入、存储、管理,同时通过数据接口模块定义的数据共享接口将在平台处理加工后的数据供给指挥监控、数字孪生、区块链、外部应用等系统进行可视化数据展示等应用。

此外,管理人员可使用工程大脑指挥中心系统查看项目全景信息,把控项目整体进度及安全质量情况,辅助调度指挥人员进行调度指挥与决策。

最后,系统运维人员和数据管理人员可通过平台管理系统对整个工程大脑指挥中心系统进行全方位系统运维及数据安全管控。

2.4数据分类
在系统结构图中数据来源板块涉及的数据类型可划分为
结构化数据、半结构化数据和非结构化数据,根据数据类型的不同,数据可划分如表1所示。

3案例应用
本文以某高海拔铁路为例阐述数字建造在铁路中的应
用,如图4所示。

它以多源数据管理平台为基础,以工程建设主要业务要素为核心,构建以指挥部对各参建企业及其下属单位承建的施工标段的统一指挥、集中管控、分级负责、多级联网联动为核心的工作机制,形成以指挥调度、指令下达、信息研判、资源调配、工程管理、物流物资管控、综合管理为基本职能的综合指挥体系。

该铁路服务平台涉及的详细功能设计如图5所示。

1)项目总览可以对建设进度、用工情况、机械设备投入情况等进行统计预展示。

2)项目信息可以实现项目管理要素的指标化展示和图形化展示,授权责任人跟踪管理项目相关信息、查看关键技术指标。

3)项目进度信息主要为承建及管理机构提供在建项目数、工程数量、在建公里数、项目状态、项目投资完成情况等信息的统计与展示。

4)人员信息包括项目投入信息、项目人员、进场人数、培训信息、技能培训、不良行为统计、疫情防控情况统计、工程局工种数量分布等信息的统计展示。

5)机械信息包括机械设备总数、应进场数量、实际进场数量、机械状态分布、设备信息指标、机械数量统计指标等统计
图3技术结构图
项目全局管控安全与质量人机料法环指挥监控
指挥监控
数字孪生
区块链
平台管理系统
数据平台
安全
标准
指挥大屏综合服务系统
铁路业务系统
多源视频信号多源语音信号
数据来源
用户
系统平台
股份公司
工程局
数据管理人员系统运维人员项目部
系统维护
可视化指挥监控
统一接入标准接口
BIM 可视化BIM+GIS
盾构机孪生架桥机孪生孪生管理
供应链管理电子凭证材料纠正区块链管理
组织机构用户权限数据接口系统状态操作日志
数据接入数据管理数据存储数据共享
应用安全数据安全网络安全物理安全
标准协议规范制度
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数据类型分类
说明
结构化数据
项目数据项目基本信息、项目建设进度信息
人员数据项目投入人员、自有人员投入、人员培训、人员工种和证书、劳务人员分类、不良行为、特种作业工种
机械数据机械分类、自有设备台账、维修保养记录、设备租赁数据、设备进出场记录、设备加油数据、设备成本统计表；设备人员
情况表；设备实有、完好情况统计表；大型设备采购情况表；大型设备施工在用情况表物料数据
物料档案、物资采购合同、入库单、出库单、物资月需计划表、运输合同、实物库存表
环境数据天气情况、空气质量达标情况、每日耗电、每日用水、每日油耗安全质量数据安全事故数据、风险数据、安全整改数据、安全隐患排查、工程质量问题
数字孪生数据
设备警报信息、人员警报信息、负责人信息、考勤信息、盾构机所在工程概况、注浆控制、刀盘伸缩、项目进度、推进泵概况、盾构机事件记录、架桥机所在工程概况、架桥机信息、架桥机操作人员信息、架桥机功率信息、称重信息、速度信息区块链数据文件类型占比、文件类型分布、最新动态、文件数量概况、电子存证趋势、质量检查概况、质量问题分布、质量动态、质量
问题趋势、质量类型占比、安全检查概况、安全类型分布
半结构化数据日志、视频源地址等
非结构化数据
视频文件
信息。

6)物料信息统计钢筋、水泥、砂石、防水材料的使用数量合计。

7)工法信息主要用于显示不同专业的工艺工法视频教程,指挥人员可以在线点击播放工艺工法施工视频文件,查看具体施工作业过程。

8)环境信息包括天气情况汇总、空气质量达标情况、高温施工天数、小环境监测指标、能耗管理指标和用水管理指标等。

9)视频监控用于展示工程现场的视频监控图像等信息,能够设置显示数量,并能够放大显示指定视频源。

10)BIM+GIS 模块主要为指挥监控系统提供二维、三维展示引擎,结合安全、质量、成本、进度等管理目标展示工程项目全景信息;BIM 技术为项目模型提供轻量化展示服务,GIS 技术为其他应用模块提供三维地图模型展示基础服务。

11)数字孪生技术可以实现工程全域范围内人、机、料、法、环多元空间融合,从宏观到微观实现多粒度时空对象描述,多模态时空数据高效组织与分布式协同存储管理,多专业数据实时接入与探索性时空关联分析。

12)区块链技术能够根据项目信息流动过程,在共识机制、智能合约、加密技术3个关键技术支撑下保证数据的真实性和可靠性,解决项目信息化建设过程中各单位信任成本高、数据流转安全性低等问题,提高铁路工程信息共享的能力。

表1
铁路工程数字建造平台数据类型分类及说
明
图4某高海拔数字铁路服务平台-业务架构
136
【收稿日期】2022-08-08
4结论
本研究分析了数字建造技术在铁路工程项目建设、管理
与运营中的应用,并基于铁路的信息共享服务平台,对项目数据采集、访问、存储及智能计算、分析,提出科学合理的总体架构、技术架构、形成结合数字建造技术的面向铁路工程的设计、施工、运维一体化解决方案,通过制定针对高寒高海拔的技术标准,形成适合铁路的信息共享服务平台。

但是数字建造在铁路的应用方面还有一些需要改进的地方:一是管理层面的改进,要提高自主创新意识;二是对一线人员安全系统加强和培训,包括施工人员和管理人员的培训。

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34(8):3.
a 项目总览
b 项目信息
c 项目进度信息
d 人员信息
e 机械信息
f 物料信息
g 工法信息
h 环境信息
i 视频监控j BIM+GIS k 数字孪生模型l 区块链
图5某高海拔数字铁路服务平台的功能设计
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