三维铁路施工组织设计管理系统的搭建方法

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，具体涉及一种三维铁路施工组织设计管理系统的搭建方法。

背景技术

铁路施工组织设计以工程质量和安全为前提，以工期进度和经济效益为目标，结合工程实际，以施工技术和资源优化为核心，实现对工程建设项目的全过程、全要素的规划和组织，是铁路工程建设的关键环节。

随着三维GIS和BIM技术在铁路工程领域的应用越来越广泛，BIM作为模型和信息的载体，贯穿于工程建设的全生命周期，实现数据共享和传递，设计人员可以通过三维GIS+BIM技术直观查看铁路施工组织相关信息，了解线路走向、地理位置、现有资源、工点情况。目前，我国铁路施工组织设计仍处于较低的水平，主要采用基于二维平面图和电子表格的管理管理方式，以人工方式为主，由于参与方多、复用性低、共享性差、成本高、无法集成等因素，难以对项目工程概况、重难点工程、大临布设、工期进度进行直观、详细的说明和表达，无法及时反馈施工安全、质量和进度问题，影响工期，实用性低。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维铁路施工组织设计管理系统的搭建方法，结合三维GIS和BIM应用内核为铁路施工组织设计提供信息化、自动化手段。

本发明所采用的技术方案为：

三维铁路施工组织设计管理系统的搭建方法，其特征在于：

所述方法包括以下步骤：

步骤一，利用GIS空间数据库、BIM模型数据库和铁路施工组织设计数据库，建立三库一体化的铁路施工组织设计分布式空间数据库；

步骤二，统一空间参考基础，将设计和施工坐标系转换到2000国家大地坐标系；

步骤三，搭建三维GIS应用内核，支持GIS分析服务；

步骤四，搭建BIM应用内核，支持BIM数据分析处理服务；

步骤五，设计系统二次开发应用程序接口，利用微服务的架构方法集成各子服务，形成基于三维GIS+BIM的铁路施工组织设计管理系统。

步骤一中：

GIS空间数据库负责存储铁路施工组织设计的自然区域、环境和资源数据，并建立元数据库描述数据的内容、质量、表达方式和空间参考信息；

BIM模型数据库以“关系型数据库+文件存储”的方式实现对BIM模型的存储，记录BIM模型的实例化结构树逻辑层级关系和节点信息、以及BIM模型构件信息；

铁路施工组织设计数据库负责存储结构化数据，建立相应的数据表结构；

不同数据库之间通过空间索引和数据索引进行关联，数据通过标准接口进行交互流转。

步骤二的过程具体为：

收集项目的设计和施工坐标系设计参数，计算设计施工坐标系与2000国家大地坐标系之间的转换参数，并创建prj文件，以WKT的方式记录空间坐标系和投影信息，根据GIS坐标转换服务，将铁路施工组织设计相关的GIS数据、BIM模型集成到统一的地理空间环境下，建立三维基础场景，并将转换参数和投影参数存储到GIS空间数据库中。

步骤三中，GIS应用内核的分析服务包括：

数据入库服务，对GIS数据进行数据信息和数学基础的入库检查，实现数据的标准化入库，搭建铁路施工组织三维GIS基础环境；

坐标转换服务，对数据进行不同坐标系之间的转换；

路径规划服务，对料源地的运输路线进行规划；

网络分析服务，基于路网规则，根据网络拓扑关系，通过分析网络节点的位置和属性，对资源进行最佳分配和导航；

大临选址服务，对大临工程的位置进行定位；

数据可视化服务，对数据进行三维可视化展示。

步骤三中，GIS服务满足OGC标准，面向所有GIS应用系统。

步骤四中，BIM应用内核的数据分析处理服务包括：

BIM模型结构解析服务，对实例化BIM模型按照逻辑层级关系和最小构件单元进行分解，形成BIM模型结构树，实现BIM模型构件的快速定位、属性查询、高亮显示及信息关联功能；

BIM模型轻量化服务，对BIM模型按照不同LOD层级进行切片处理，优化BIM构件的三角面片数，动态隐藏视域范围外的模型；

BIM模型导入服务和BIM自动化集成服务，将BIM模型导入到GIS环境里，通过坐标转换、格式转换、模型修正的操作，实现BIM模型的集成与地形的无缝匹配。

步骤四还包括：将进度计划数据与每个构件进行关联，通过实际填报的进度信息，按照颜色显示不同BIM模型的进度信息，直观形象地展示施工组织过程。

步骤五中：

系统二次开发应用程序接口面向Web和移动端,采用RESTful API风格进行设计，定义每个接口的参数、返回类型和功能，通过HTTP协议进行通信，对资源的操作通过GET、POST、PUT、PATCH和DELETE动词进行实现。

本发明具有以下优点：

1、本发明通过确定铁路施工组织数据范围，设计不同类型的数据结构，实现对GIS空间数据、BIM模型数据、铁路施组设计数据的统一管理，形成三库一体化数据服务，解决了数据存储乱和共享难的问题。

2、本发明建立了通用的三维GIS+BIM应用系统，实现了对铁路施工组织设计信息的数字化管理，解决了不同GIS系统之间数据共享问题，实现了不同服务的集成。

3、本发明创新性地提出了将GIS和BIM技术应用到铁路施工组织设计过程中，实现了对重难点工程的直观、形象、高效管理，一定程度上保证了工期进度，提高了施组设计的质量。

本发明可以广泛应用于铁路施工组织设计信息化管理过程中。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

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。

本发明涉及一种三维铁路施工组织设计管理系统的搭建方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一，利用GIS空间数据库、BIM模型数据库和铁路施工组织设计数据库，建立三库一体化的铁路施工组织设计分布式空间数据库；

GIS空间数据库负责存储铁路施工组织设计的自然区域、环境和资源数据，并建立元数据库描述数据的内容、质量、表达方式和空间参考信息；

BIM模型数据库以“关系型数据库+文件存储”的方式实现对BIM模型的存储，记录BIM模型的实例化结构树逻辑层级关系和节点信息、BIM模型构件数据；

铁路施工组织设计数据库负责存储结构化数据，建立相应的数据表结构；

不同数据库之间通过唯一标识符UUID进行关联，并建立空间索引和数据索引，提高查询效率，数据之间通过标准接口进行交互流转。

步骤二，统一空间参考基础，将设计和施工坐标系转换到2000国家大地坐标系，具体为：

收集项目的设计和施工坐标系设计参数，计算设计、施工坐标系与2000国家大地坐标系之间的转换参数，并创建prj文件，以WKT的方式记录空间坐标系和投影信息，根据GIS坐标转换服务，将铁路施工组织设计相关的GIS数据、BIM模型集成到统一的地理空间环境下，建立三维基础场景，并将转换参数和投影参数存储到GIS空间数据库中。

步骤三，搭建三维GIS应用内核，支持GIS分析服务；

GIS应用内核的分析服务包括：

数据入库服务，对GIS数据进行数据信息和数学基础的入库检查，实现数据的标准化入库，搭建铁路施工组织三维GIS基础环境；

坐标转换服务，对数据进行不同坐标系之间的转换；

路径规划服务，对料源地的运输路线进行规划；

网络分析服务，基于路网规则，根据网络拓扑关系，通过分析网络节点的位置和属性，对资源进行最佳分配和导航；

大临选址服务，对大临工程的位置进行定位；

数据可视化服务，对数据进行三维可视化展示。

GIS应用内核的分析服务满足OGC标准，面向所有GIS应用系统。

步骤四，搭建BIM应用内核，支持BIM数据分析处理服务；

BIM应用内核的数据分析处理服务包括：

BIM模型结构解析服务，对实例化BIM模型按照逻辑层级关系和最小构件单元进行分解，形成BIM模型结构树，实现BIM模型构件的快速定位、属性查询、高亮显示及信息关联功能；

BIM模型轻量化服务，对BIM模型按照不同LOD层级进行切片处理，优化BIM构件的三角面片数，动态隐藏视域范围外的模型；

BIM模型导入服务和BIM自动化集成服务，将BIM模型导入到GIS环境里，通过坐标转换、格式转换、模型修正的操作，实现BIM模型的集成与地形的无缝匹配。

步骤四还包括：将进度计划数据与每个构件进行关联，通过实际填报的进度信息，按照颜色显示不同BIM模型的进度信息，直观形象地展示施工组织过程。

步骤五，设计系统二次开发应用程序接口，利用微服务的架构方法集成各子服务，形成基于三维GIS+BIM的铁路施工组织设计管理系统，具体为：

系统二次开发应用程序接口面向Web和移动端,采用RESTful API风格进行设计，定义每个接口的参数、返回类型和功能，通过HTTP协议进行通信，对资源的操作通过GET、POST、PUT、PATCH和DELETE动词进行实现。

参照附图对本发明的搭建流程进行进一步详细说明：

如图1所示，本发明所涉及的一种基于三维GIS和BIM的铁路施工组织设计管理系统的搭建方法，主要步骤如下：

第一步，建立三库一体化的铁路施工组织设计分布式空间数据库。

分布式空间数据库（Distributed Spatial DataBase，DSDB）利用网络将物理上分散，而逻辑上集中管理和控制的GIS数据库、BIM数据库和铁路施工组织设计数据库连接起来，组织成统一的空间数据库，具有数据分布独立性、高效性、高可用性、自治性的特点，有效地解决了铁路施组设计数据量大、类型复杂、专业性强的问题，是系统的重要支撑。建立铁路施工组织设计分布式数据的关键是明确数据的种类、格式、体量，对不同类型的数据分别存储，其中GIS数据库负责存储铁路施工组织设计的自然区域、环境和资源数据，包括建设项目所在地的地形图、卫星遥感影像、数字高程模型、交通运输路网图（如：公路、铁路、水运等）、沿线可利用资源（如：水源、电源、燃料等）的位置分布图、建材材料（如：砂、石料、道砟、砖瓦、路基填料等）的位置分布图、征拆迁区域范围图、环保区域图及线路横纵断面图等地理空间数据，并建立元数据库描述数据的内容、质量、表达方式和空间参考等信息，以便用户可以更快发现、访问和获取；BIM数据库以“关系型数据库+文件存储”的方式实现对BIM模型的存储，主要记录BIM模型的实例化结构树逻辑层级关系和节点信息、BIM模型构件的几何信息、属性信息、空间坐标、投影分带、IFD编码等数据；铁路施工组织设计数据库负责存储结构化数据，建立相应的数据表结构，如施工建设单位、项目简介、重难点工程进度、质量安全问题、施组设计审批流程、施组设计文件等数据。不同数据库之间通过空间索引和数据索引进行关联，数据通过标准接口进行交互流转。

第二步，统一空间参考基础，将设计和施工坐标系转换到2000国家大地坐标系。

收集项目的设计和施工坐标系设计参数，计算设计施工坐标系与2000国家大地坐标系之间的转换参数，并创建prj文件，以WKT的方式记录空间坐标系和投影信息，根据所述的GIS坐标转换服务，将铁路施工组织设计相关的GIS数据、BIM模型集成到统一的地理空间环境下，建立三维基础场景，并将转换参数和投影参数存储到GIS数据库中。

第三步，搭建三维GIS应用内核，支持GIS分析服务。

建立面向铁路施工组织应用的三维GIS内核，是实现GIS空间分析的基础，GIS内核应具备常规的分析功能，以满足业务需求，主要包括数据入库服务、坐标转换服务、路径规划服务、网络分析服务、大临选址服务、数据可视化展示服务。

所述的数据入库服务用于实现GIS数据的标准化入库，首先对数据进行入库检查，包括数据信息检查和数学基础检查，其中数据信息检查指对数据的属性命名、类型、编码是否正确，字段是否缺失进行检查，数学基础检查指对坐标系、高程、投影信息的检查，然后进行数据导入，搭建铁路施工组织三维GIS基础环境。

数据入库服务中包含入库检查，检查的过程可通过计算机编程自动实现，正确值的设定根据可以参考国家标准，也可以根据项目的规定进行设置。检查过程：①判断字段的名称、类型、编码是否符合项目要求；②检查坐标系的类型，是否是CGCS2000国家大地坐标系，高程系统是否采用1985国家高程基准，投影信息是采用Web墨卡托还是高斯投影。检查标准可为：①GCCS2000国家大地坐标系、1985国家高程基准都有有公开的标准参数；②投影信息根据项目需要确定投影方式，主要有web墨卡托、高斯投影。这2种方法数据均为行业内的公开参数数据。

所述的坐标转换服务用于实现不同坐标系之间的转换功能，目的是统一空间基础。

所述的路径规划服务用于实现对料源地的运输路线的规划分析，根据料源的位置、运输方式、费用、距离、时间等因素，按照最短时间、费用最低、距离最短等原则规划运输路线，计算不同的运距。

所述网络分析服务用于实现基于路网规则的计算分析，根据网络拓扑关系，通过分析网络节点的位置和属性，以数学理论模型为基础，对网络的特征进行分析，达到资源最佳分配和导航的目的。

所述大临选址服务用于实现大临工程的位置定位，大临工程主要包括制存梁场、铺轨基地、轨枕预制场、混凝土拌合站、施工便道等。

所述数据可视化服务用于实现GIS数据的三维可视化展示，主要包括矢量数据、栅格数据及BIM模型数据，具有三维场景漫游、模型操作（旋转、剖切、移动）、地形开挖等功能。

第四步，搭建BIM应用内核，实现基于BIM模型的重难点工程管理。

首先通过对实例化BIM模型按照逻辑层级关系和最小构件单元进行分解，形成BIM模型结构树，实现BIM模型构件的快速定位、属性查询、高亮显示及信息关联功能，然后对BIM模型按照不同LOD层级进行切片处理，优化BIM构件的三角面片数，动态隐藏视域范围外的模型，从而提高BIM模型的加载速度和漫游的流畅性，利用所述的BIM模型导入服务将BIM模型导入到GIS环境里，通过坐标转换、格式转换、模型修正等操作，实现BIM模型的集成与地形的无缝匹配，将进度计划数据与每个构件进行关联，通过实际填报的进度信息，按照红色、绿色和白色分别显示延后、提前和正常的BIM模型的进度信息，直观形象地展示施工组织过程。

第五步，设计系统的二次开发应用程序接口，利用微服务框架集成系统子服务。

通过开放系统对外接口，实现GIS+BIM功能在铁路领域应用方面的扩展，发挥了其实用价值。系统二次开发应用程序接口面向Web和移动端,采用RESTful API风格进行设计，定义每个接口的参数、返回类型和功能，通过HTTP协议进行通信，对资源的操作通过GET、POST、PUT、PATCH和DELETE动词进行实现。

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。