基于数字孪生的城市轨道交通建造集成管控关键技术研究：2023广州数字交通博览会+轨道交通/数字港航展+道路桥梁建设+交通安全工程设施展览会

基于数字孪生的城市轨道交通建造集成管控关键技术研究

完成单位：

中铁南方投资集团有限公司

深圳大学

深圳市斯维尔科技股份有限公司

主要完成人：

刘继强、张育雨、蒋四礼、贾晓辉、王家远、张立杰、刘厚朴、陈俭华、厉彦军、王雪健、周小林、刘旭辉

1  内容简介

1.1主要技术特点描述

国外发达国家的城市轨道交通建造起步较早，关于城市轨道交通工程管理信息化的研究主要集中在相关施工模型与管理数据的集成上，并在管理过程信息的流通与可视化方面取得了显著成果。近年来的研究主要着眼于以 BIM（Building Information of Modeling，建筑信息模型）三维模型为基础的管理流程信息的集成和优化，致力于实现城市轨道交通的现代化与智能化。BIM 模型采用 IFC 体系作为共同的数据标准，采用参数化建模技术，实现信息数据的一致性、关联性、及时性和共享性。例如，Yabuki 等人开发了一种基于 IFC 的产品模型用于 4D 与 5D 施工管理与分析。Amann 等人则提出了一种基于 IFC 数据模型用作数据交换标准和施工全过程隧道相关数据的存储与管理。Zhi 等人通过模型组装和轻量化方法存储相关数据，并使用自行开发的基于 WebGL 的图形引擎建立了隧道模型元素的可视化编码系统来实现隧道施工的进度、质量和安全实时管控，以提高隧道工程的协作效率和信息化管理水平。密歇根大学 Michael Grieves 教授在 2003 年提出数字孪生新兴技术，通过对物理实体的数字化描述，实现构建新的生产方式、信息化管理模式，并应用于产品全生命周期管理，重塑新产业环境。

近几年国内外关于 BIM、BIM+GIS、BIM+VR 等应用于城市轨道交通项目，进行了空间分析与利用、可视化建造模拟、工程施工监测等较为分散的试点研究，主要集中单项目、单专业、点状的工程应用，鲜有涉及项目全过程的工程管理体系，研究内容缺乏对整个城市轨道交通项目多主体、多专业、多维度管理，难以满足当前日趋复杂的信息化管理需求。为提升城市轨道交通项目信息管理的水平，已有研究探索了将信息技术包括 GIS、BIM、IoT（Internet of Things，物联网）等技术应用于城市轨道交通建设以解决项目管理问题，但对地理地质模型、倾斜摄影等多源异构数据融合的研究仍然有限。在已有城市轨道交通项目成本管控研究发现，大多研究主要集中在影响因素、作用机理、成本估算模型等分析，但仍缺乏城市轨道交通项目构件级计量计价，阻碍了施工企业对工料机的高效管控，难以实现成本的精细化管理，降低了企业的项目管理水平。综上，应借鉴国外先进模型化管理，对城市轨道交通建造阶段的管理流程进行梳理与优化，以构建集团级项目管理体系，实现高效的信息流转与协同管理。以 GIS、BIM、物联网、云计算、人工智能等数字孪生新建造技术，构建数字化、可视化、集成化、智慧化的集团多层级多项目的工程一体化管控平台尤显重要。

基于数字孪生的城市轨道交通建造集成关键技术是以总投资 280 亿元的深圳地铁 14 号线重点工程为依托，针对城市轨道交通项目管理过程中出现的协同管理难、信息化程度低、数据断层等问题，提出了集团级集成管理体系架构，建立统一的集团项目管控平台，将集团总部与各子公司、政府机构、外部单位、项目各单位系统之间的数据进行对接和汇集，实现多参建方多管理层级多用户访问统一认证与登录，解决了集团级项目数据互通等难题；针对城市轨道交通建造地质环境复杂、数字化建模难、可视化程度低等问题，开发了城市轨道交通项目数字孪生建造环境，实现了地理、地质、BIM、IoT、倾斜摄影等多源异构数据融合、集成与展示，解决了空间数据集成分析、虚拟建造、可视化监测等难题；针对城市轨道交通项目构件级计量计价问题，重新编制了适应轨道交通 BIM 计量模型的映射规则和扣减规则、成本文件与构件间的关系，开发了轨道交通工程构件级计量计价软件，基于云服务部署创新实现了构件级三维算量、安装算量、清单计价以及业务数据的互联互通，解决了项目成本的精细化管控与数据共享难题。

1.2关键技术内容及技术路线

1.2.1城市轨道交通项目一体化管控平台建设研究

梳理从项目级到集团级的管理流程，分析城市轨道交通建造管控现状及存在的问题，设计集团多层级、全要素的一体化管控体系架构，如图 1 所示。

采用 B/S、微服务、容器等技术和前后端分离策略对集团项目管理数字化平台进行功能开发，实现工程全要素、全过程数据采集、处理、分析、展示的一体化，以提升工程项目管理的效率。平台功能模块有：组织与用户管理（统一身份认证登陆）、协同设计、进度计划、工程资料、安全质量、工程经济、BIM5D、施工监控等，如图 2 所示。

1.2.2城市轨道交通项目数字孪生建造技术研究

基于多维空间数据集成可视化需求分析，应用超融合、云平台、GPU虚拟与加速、GIS、webGL等IT技术，设计BIM、IOT、地质模型、倾斜摄影等数据深度融合的数字孪生建造环境，实现空间分析、可视化建造模拟、工程施工管理集成应用。主要内容有：BIM协同设计及云计算平台、GIS平台部署与开发、模型轻量化引擎、坐标转换及数据配准、三维多面体动态加载等技术。

1.2.3城市轨道交通项目构件级计量与计价技术研究

根据深圳市城市轨道工程计量规则与计价规范，对车站 Revit 模型的扣减规则、成本文件及构件间的关系进行重新编制，并基于超融合基础架构和虚拟化云技术搭建统一的资源池，开发出深圳市城市轨道版的BIM算量、计价等专业分析计算软件，为深圳地铁 14号线各个工区提供 BIM 应用桌面及工程量价计算环境，建立城市轨道交通构件级计量与计价技术的云服务体系，实现计量与计价软件的云端访问和业务数据资源共享，如图4、图5所示。

1.3技术路线

针对当前集团级项目节点数据采集困难、数字化建模复杂、数据互通困难等现状及数字孪生的技术优势，本项目将从集团级集成管控平台建设、城市轨道交通项目数字孪生建造技术、城市轨道交通项目构件级计量与计价等

1.4在环保、节能、创新方面的指标

（1）本研究针对城市轨道交通建造项目全过程全要素管理需求，梳理了项目管理体系和数据管理流程，基于微服务架构和云计算技术，对云平台架构分层设计，利用GIS+BIM平台可视化、轻量化及多层动态加载技术，验证了地理地质模型、BIM模型、实景模型、重大施工风险源、物联网等多源异构数据的融合与集成管控，解决了城市轨道交通项目全要素数字化管理和多方数据协同共享、信息可视化展示难题，通过精细化管理大大降低了企业管理成本，有效提升了企业管控效率，深圳地铁14号线工程的进度、安全、工期、成本都得到了很好的控制。

（2）基于数字孪生的城市轨道交通建造关键技术项目，其创新技术主要包括云计算平台、微服务、模型轻量化、坐标转化、ETL 数据融合、模型分析技术、WebGIS 技术、BIM 模型构件级计量计价等。模型轻量化技术采用了斯维尔BIM模型轻量化专利，该技术主要通过 uniBIM for Revit、uniBIM for Bentley 对 Autodesk Revit 和 Bentley Microstation 模型进行轻量化操作，其BIM 模型轻量化和模型文件转换为其核心技术。经过该技术轻量化后的BIM模型大小为原模型大小 1/60~1/100，远超一般技术能达到的 1/10~1/20 的压缩率。运用斯维尔模型轻量化专利技术大大缩短了模型在互联网上浏览的数据传递时间。通过对深圳地铁建设各工区提供 SaaS 软件云服务，部署城市轨道交通开发的构件级计量计价软件，大大减轻工经管理人员的工作量和差错率。

1.5主要技术特点和创新点

（1）城市轨道交通项目一体化管控平台开发。基于数据共享的项目管控流程体系设计，创新应用 B/S 架构、微服务、WebGL、BIM+GIS+IoT、大数据、云部署、Java 开发平台等信息技术，开发集团多层级、多项目、全要素、全过程的城市轨道交通建造集成管控平台，实现了数据的横向贯通及纵向穿透、城市轨道交通工程建造的数字化和智慧化管理。

（2）城市轨道交通项目数字孪生建造技术开发。通过BIM模型轻量化引擎、三维模型动态数据加载、数据格式转换及坐标系配准、GPU 虚拟化与加速、云原生等关键技术突破建设数字孪生环境，实现了深圳地铁 14 号线项目 BIM、倾斜摄影、地质模型等多源异构数据在 GIS 平台中的加载、融合、可视化呈现并进行多维空间数据集成分析、虚拟建造、工程施工监测管理。

（3）城市轨道交通项目构件级计量与计价技术开发。开发了城市轨道交通版 BIM for Revit 算量计价软件，基于超融合基础架构，利用服务器、虚拟化技术搭建统一的资源池为深圳地铁 14 号线各个工区提供统一的 BIM 应用桌面及工程量价计算环境，创新实现了构件级三维算量、安装算量、智慧计价以及业务数据的互联互通。

1.6技术成果评价、取得专利、是否

编制技术规范标准等情况说明

1.6.1技术成果评价

2021 年 3 月，广东省土木建筑学会在广州市组织召开了由中铁南方投资集团有限公司、深圳大学、深圳市斯维尔科技股份有限公司、滨海城市韧性基础设施教育部重点实验室共同完成的中国中铁股份公司科技创新项目《基于数字孪生的城市轨道交通建造集成管控关键技术研究》科技成果鉴定会。鉴定委员会认真审阅了相关资料，听取了项目组汇报，并进行了质询。经认真讨论，形成如下鉴定意见：

（1）项目提供的鉴定资料齐全、内容详实、数据可靠，符合科技成果鉴定要求。

（2）该课题针对城市轨道交通建造项目集成管控、数字孪生、构件级计量计价等关键技术进行了研究，并取得了重大突破。

（3）该课题成果已经在深圳地铁 14 号线、东莞地铁 1 号线等项目应用，提高了工程管理效率，社会效益和经济效益显著。

鉴定委员会认为该成果总体达到国际先进水平，在智慧城市及同类工程的建造和管理中有很好的推广价值，一致同意通过科技成果鉴定。

1.6.2取得论文、专利、软著等成果

本项目共发表了 6 篇国内核心期刊论文，获得了 4 项授权专利、4项软件著作权及 4项 BIM成果奖。

2  成果应用情况说明

2.1使用效果评价

平台在2018年9月20日试运行，目前已上线包括深圳地铁14号线在内的集团在建项目37个，系统技术架构合理，运行安全稳定，使用状况良好。大大提高了工作质量和信息处理效率，降低了人员劳动强度。

管控平台对现场进度、安全、质量、工经、技术资料等有效进行精细化管理，实现了集团本部、项目单位及参建单位工程建设管理的统一，解决了工程项目管理过程中的协同管理难、数据传递断层等问题，打破“资源孤岛”和 “应用孤岛”，实现了工程全要素管理数字化、可视化，大幅提高项目管理效率，节约了人工成本。

采用数字孪生建造技术，实现系统云端的地铁全线多项目、多工区的场景模型融合与集成化展示、可视化漫游和空间查询、项目进度和成本发生情况的实时跟踪，进度执行情况展示，并进行有效预警，提高了管理效率。

2.2 市场需求分析

随着智慧城市的发展，开展BIM、大数据、云计算、物联网等新一代信息技术在轨道交通建设中的集成应用正受到社会的紧密关注。可以预见，采用数字孪生技术建设智慧化、可视化城市轨道交通项目集成化管控平台将促进城市数字化建设与管理模式的转型升级。未来市场将越来越迫切需求类似集成管控平台的建设，本研究成果将逐步受到行业的广泛关注，并进一步在基础设施建设以2.3与国内外同类产品或技术的竞争力分析，成果产业化前景分析国内外将数字孪生技术集成应用到轨道交通项目进行系统性研究与探讨的案例较少，本项目针对城市轨道交通建造地质环境复杂、信息数据量大、数字化建模困难、协同程度低、成本精细化低等管控问题，项目研发了集团级集成管控平台并进行应用尚属首次，形成了一整套具有我国自主知识产权的针对城市轨道交通建造全要素集成与共享、多维空间数据融合与可视化模拟、构件级计量与计价的施工管控关键技术，并取得了重要研究成果，达到了国际先进、国内领先水平，在中国中铁南方区域总部三十多个项目上进行了应用，已取得了显着的经济效益，具有较强的市场竞争力。

3  经济效益和社会效益评价

通过本课题的研究和工程应用，确保了深圳地铁14号线全线段工程的顺利实施，项目的全过程全要素集成管理、可视化施工与建造、全线段周边环境监测，降低了施工风险，提升了建造效率，经济效益显著。通过信息化手段实现建造阶段流程管理体系的梳理与优化，在一定程度节省了城市轨道交通项目的人工管理成本。通过将 GIS 数据、BIM 数据、倾斜摄影数据、地质数据等数据进行融合与集成，实现了对多源异构数据的集成管理，从而降低企业数据采集、数据处理、数据分析的成本。此外，通过对三维模型进行构件级的计量与计价，也实了现对城市轨道交通项目成本的精细化管控，粗略估算，深圳地铁14号线土建阶段9个工区，通过本课题的工程建设一体化平台的管理，各工区节控成本300~500万元，全线提升效益3000万元。

项目研究成果为城市轨道交通工程项目全要素集成管控起到引领和支撑作用，整体达到国际先进水平，提升了国内企业的技术研发实力和项目管控水平。项目研发过程中充分发挥集团、大学、科技企业联合的产学研优势，培养了一批高素质的研发队伍，为城市轨道交通项目建造集成管控的实施提供智力支撑。课题研究成果充分发挥了 BIM、GIS、IOT、大数据、云计算等集成技术的价值，在城市轨道交通项目管理过程中进行BIM、倾斜摄影、地质等数据的融合与集成，以期实现人工、材料、机械的智慧管控，有效减少了城市轨道交通项目管理过程中出现的协同管理难、信息化程度低、数据断层等问题，推动了基础设施建造方式的转型升级，形成业内科技创新标杆并产生良好的示范效应。基于数字孪生的城市轨道交通建造集成管控关键技术既立足于当前，提升国内建造管控技术、培育新的经济增长点，又能放眼未来为城市轨道交通工程建造的数字化、可视化、智慧化管理积累经验。同时，可给政府（实现项目管理整体掌控）、业主（更好地实施项目管理）及用户（使用便捷与智能化）带来良好的效益。