铁路智慧工地5G应用场景及关键技术研究

人-机-环境实时交互系统利用5G和物联网技术，实现施工过程中人员、机器、环境的实时互联、相互识别和有效沟通。以BIM+GIS为核心的智慧工地管理系统，集成共享工程全过程信息，满足施工方、业主、供货商、监理等不同角色管理人员的协同工作，实现安全、高效、高质量的智慧施工。

（1）信息感知。实时感知和获取施工过程中的人员、设备、施工环境等信息，实现施工全过程的数字化；

在建设过程中，只有通过更深入的沟通和更广泛的协作，才能提高施工效率。因此，智慧工地需要应用信息通信技术创造一个智慧工地环境，通过施工现场信息共享和参与方协同工作，实现现场智慧化管理。人-机-环境实时交互概念框架见图1。

图1 人-机-环境实时交互概念框架

铁路工程中有大量的箱梁、轨枕、轨道板等预制件，利用RFID和超声波传感器，实现预制构件质量跟踪管理以及现浇混凝土构件质量信息等施工质量信息的统计管理；利用三维激光扫描技术，采集施工完成隧道的点云数据并建立三维模型，与设计阶段BIM模型对比，用数据偏差揭示施工质量；桩基检测系统可根据施工进度安排检测计划，将现场检测数据直接上传至平台分析，保证数据真实性和客观性，提高质量检验效率；视频监控系统可实时采集现场数据，预警违规施工行为，控制施工质量。

铁路工程具有地域广、跨度大的特点，利用RFID和 GPS 对施工人员和机械进行实时定位，并对其空间位置进行实时监控和安全警告，防止工人坠落、高空打击、机械碰撞和其他安全事故；利用RFID和GPS及时检查安全防护器具的使用情况、工人进入危险区域的次数，并组织专门的安全培训，以降低潜在事故的发生概率，保证人员安全；使用高清摄像头、三维激光扫描仪等传感器，识别潜在危险并提出预警；利用智能监测平台分析多源监测数据，预测后续施工带来的潜在风险。

铁路工程专业复杂且呈线状分布，利用RFID采集施工进度信息，并将相关信息储存至BIM模型；通过将项目工作分解结构（EBS）与项目计划甘特图相结合，利用BIM模型虚拟建造，对比计划与实际的偏差，完成实时进度跟踪和风险控制问题；利用GIS实时展现项目整体进度和施工计划，大大降低因误解导致的项目延误风险；通过无人机定时巡线，结合三维激光扫描机器人，对项目实体全天候扫描，实时获取高密度、高精度的三维点云数据，通过点云融合逆向建模，跟踪施工过程，准确评价工程进度。

基于人-机-环境实时交互概念框架，提出智慧工地技术的关键要素：

（1）智慧工地模式离不开信息支撑，需要一个信息感知、信息互联的环境；施工现场采集的信息应整合成一个数据中心，以支撑各种施工活动。因此，为实现施工现场的信息共享和集成，智慧施工现场的信息支撑平台必不可少。

（2）施工过程需要施工过程中所有资源、技术、组织、信息的协同，通过所有参与者协同工作。基于信息支撑平台，各参与方协同工作，有效实现各施工工序的无缝衔接。

（ 3 ）智慧网站建设的目标是支撑所有参与者的智 慧施工管理。 智慧化施工管理可以大大提高项目管理 水平。 因此，智慧施工现场的关键要素应包括信息支撑 平台、协同工作、智慧施工管理。 智慧施工管理以施工过程信息采集为基础 ，为 相关参与方提供及时、有效的施工进度、成本、安全、 质量、材料供应等智慧化施工管理功能，通过实时感 知和整合施工进度、质量、材料消耗、施工安全等信 息。 人 - 机 - 环境实时交互智慧工地体系由感知层、网 络传输层、数据储存层、应用服务层、用户访问层构 成（见图 2 ）。

图2 人-机-环境实时交互技术架构

通过摄像头、RFID、GPS、北斗、无人机、三维激光扫描仪等各类传感器，采用人工加自动的方式，智慧化地识别、定位、跟踪、采集、监控和管理铁路施工的现场信息，为平台提供及时、准确的数据。

采用无线传输、移动通信、互联网、光纤、卫星和蓝牙等数据传输技术，为平台数据上传下载提供通道，完成设备与设备、设备与系统、系统与系统间的实时互联。

系统设计标准化数据格式，存储数据。记录施工过程所有信息，与BIM模型相互关联，将三维数据转换为多维数据，实现施工现场信息共享和集成，利用微观领域的BIM信息与宏观领域的GIS信息实现交换和互操作，及时满足智能化施工管理需要。

实现各种施工活动或子过程，包括现场施工、监理、材料供应和业主等。按需进行组件式安装，供用户访问层进行应用调用。根据业务种类，要封装的业务组件有Web服务、GIS服务、数据访问、数据处理、综合分析、报表统计等。

利用 PC、大屏、移动终端等设备进行操作，以BIM+GIS电子沙盘，实现生产场景化展示、过程虚拟化控制、进度形象化展示、安全监管预警和实时管控，为各级管理者提供形象化数据指标和决策信息。

为提升BIM模型在各专业、各阶段的应用效率，以铁路工程信息模型分类和编码标准为基础，对不同标准间的编码特征映射展开研究，建立以编码为基础的元数据关联体系，形成BIM元数据管理平台。在设计阶段将标准化编码与BIM模型一一绑定，利用元数据平台数据接口完成实体结构批量分解和编码转换，以编码传递方式实现BIM模型信息共享。将轻量化BIM模型导入智慧工地管理系统后，在不同管理模块可根据编码自动生成相应的分级和目录树，实现“一次分解，全阶段受用”的目标。

无人机实时传输的视频数据视频帧率高、相互重叠率大、冗余度大，不能直接生成点云数据。引入Oriented FAST and rotated BRIEF（ORB）快速匹配算法，自动提取无人机采集视频中的关键帧影像；根据提取关键帧时间信息，对全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）信息进行内插与同步，保证关键帧影像与GNSS信息同步，处理后的关键帧影像可通过图像识别生成三维点云数据。

针对单一测绘手段易产生数据盲区的问题，综合应用无人机倾斜摄影技术和三维激光扫描技术，进行构造复杂的构筑物逆向建模。采用“点云+点云”融合建模，将2种技术扫描后产生的点云数据进行标准化处理：格式上统一转换为“*.las”，空间上配准至同一坐标系。引入多视角全局优化整体配准算法，通过预估点云密度，自动检测多源点云中具有一定重叠度的两视点云，采用K-D树搜索重叠区域的最邻近点对作为近似同名点对，通过迭代平差计算，获得多视点云各自最优的平移变换参数，从而生成复杂结构的完整点云。

铁路工程人-机-环境实时交互智慧工地以BIM+GIS为核心，将铁路工程设计信息、建设进度、工程造价、质量安全等信息与BIM模型关联，实现过程信息的直观、可视化表达。利用5G技术，实现工程建设中的人-机-环境实时交互，缩短管理信息传递的层级和时间，可有效提升工程质量、保障建设安全、提高管理效率、降低管理成本。