李文华

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

0 引言

BIM技术基于三维核心，能够实现三维空间的建筑和设施展示，具有参数化和可视化的特点。将BIM技术应用在铁路，能有效提高施工效率，降低施工风险，改善施工安全和质量。近年来，国内外越来越多的工程实践证明，BIM在铁路行业具有巨大的应用价值和广阔的应用前景[1-2]。

由于铁路站房内部结构复杂、设备系统种类繁多、人员密度较大，一旦发生意外，很容易带来人员和财产损失，造成严重的社会不良影响。因此，有效的安全应急是保障铁路安全运营的基本要求，铁路站房安全应急管理是其重点工作之一。目前传统的防范方式是：配备各类报警系统并结合人员的定期应急演练。但由于铁路站房的特殊性，应急演练会受到很多限制，如演练时间、频率、人员和场地等。另外，一次应急演练耗费人力、物力等成本也较大[3]。因此，设计一套基于BIM技术的铁路站房应急演练平台势在必行。该平台不仅能对站房应急场景进行三维仿真，还能对不同类型应急定制不同预案，满足相关人员的实际操作要求[4]；该平台消除了传统演练对人员、时间、场地、频率、成本等方面的限制，对铁路站房应急管理具有重要现实意义，对BIM在铁路行业的应用具有参考价值。

1 应用需求与功能设计

铁路站房具有空间大、设备多、系统交错复杂、人员密度大、安全等级高等特点，需要结合各级、各部门对站房安全应急防范及管理的要求，依托BIM数据，研发基于BIM技术的铁路站房应急演练平台[5]。平台主要功能模块包括：应急触发、报警、疏散指引、处置指导和总结评估。

1.1 应急触发

该模块的主要功能是模拟紧急情况的发生。以火灾为例，需要模拟起火过程以及燃烧的火苗；以水管破裂为例，需要模拟裂开的水管及喷出的水流；以机械故障为例，需要模拟出现故障的机械模型。依此类推，所有应急情况都需要创建故障模型，然后由管理员在平台中对故障进行设定，包括故障位置点及故障等级等。以火灾为例，首先需要在BIM三维场景中创建逼真的火模型，由于火属于不规则物体，所以利用OSG中的粒子系统对其进行仿真，通过粒子的不规则随机运动模拟火模型。然后由平台管理员在演练开始前进行设定，通过配置火模型参数（包括粒子位置、大小、速度、颜色、个数、重力效应、风向、生命周期等）确定火灾等级[6]。通过鼠标点击确定起火点位置，平台会随着时间推移自动更改火模型的参数，实现火情的动态变化，实现模拟火灾现场。

1.2 报警

该模块的功能是一旦发现应急情况，平台自动发起警报。在应急演练平台中，场景中一旦出现故障，会自动触发报警事件，界面中会以声音及文字的形式提醒学员拨打报警电话，并弹出相关安全负责人的联系方式，便于紧急汇报[7]（见图1）。

1.3 疏散指引

该模块的主要功能是在发生紧急情况后，对安全通道及出口进行高亮显示，同时生成逃生路线指引标识，便于疏散指引和快速逃生（见图2）。其主要功能包括：在BIM三维场景中对安全出口进行提示、在疏散通道上绘制指引标识、界面文字提示以及逃生路线的设置。演练人员只需按照场景中标识的路径进行漫游，直至逃出安全出口即可。在BIM三维场景中，通过绘制几何体对疏散通道进行显示，根据故障点位置，通过方向箭头对安全出口进行高亮指引[8]。

图1 发生火情后报警提示界面

图2 逃生路线提示界面

1.4 处置指导

该模块的主要功能是将故障区域的关键设备或系统进行高亮显示，便于相关人员快速定位，及时采取相关措施避免更大损失。铁路站房中出现紧急情况后，常用的关键系统包括电力系统和消防系统，其中电力系统中的断电阀门较关键，一旦发现险情需要进行高亮提示，便于相关人员快速切断。消防系统中则将各类消防设备进行高亮提示，便于人员快速拾取灭火。平台通过鼠标和键盘实现人机交互，从而实现在平台中对设备进行操作。

1.5 总结评估

该模块的主要功能是对此次应急演练进行总结评估。需要演练人员对应急演练进行总结，并在平台提交事故总结报告，包括故障时间、地点、等级、损失程度、原因等。演练完成后需要管理员对此次演练进行评估，包括演练人员的反应灵敏度、操作步骤、操作规范、操作熟练度等，并进行评分。

2 平台架构

平台整体架构分为3层：（1）最底层是数据管理层，该层又分为基础数据层和抽象数据层。基础数据层包含基础的BIM数据、文件等，采用Mysql数据库进行存储；抽象数据层是将原始的BIM数据进行抽象，抽象出数据源→要素集→要素类→子类型的数据结构，方便组织和管理。（2）接口层是提供数据层和功能层之间的通信接口，包括模型解析、通用库、渲染、几何处理、数据库操作等接口，实现功能组件的抽象化，便于二次开发。（3）最顶层是应用层，包括模型的读取加载、显示、场景交互、漫游、高亮等功能[9]。平台架构见图3。

3 关键技术

3.1 BIM模型世界坐标的获取

如何获取三维场景中某个点的位置，需要用到OSG坐标转换技术。BIM场景中最常用的坐标是世界坐标，任何模型的精确位置都可以通过世界坐标来确定。实现方案是通过鼠标与BIM场景中的模型求交，首先获取其屏幕坐标，然后利用OSG坐标转换算法将屏幕坐标转化为世界坐标，通过该世界坐标就能精确定位相应点的位置。例如在应急触发模块中，在指定位置设置故障点，首先通过鼠标获取该位置的世界坐标，然后调用添加故障模型的接口，即可实现在指定位置创建故障模型。世界坐标获取流程见图4。

图3 平台架构

3.2 三维场景中模型的识别与定位

三维场景中如何在众多模型中定位指定的模型，例如从某站的消防系统中找到消防栓和灭火器，需要利用BIM数据中的模型识别与定位技术。三维场景中显示BIM模型的原理是：通过解析数据库中的信息表生成缓存的OSG文件，然后通过OSG读取到场景并显示。场景中的OSG文件以场景树形式进行组织，每个实体模型对应1个叶子节点，通过遍历该场景树即可找到对应的节点。模型识别与定位的实现方案是：首先通过访问其模型信息获取该模型的名称，从而判断该模型是何种类型的模型，然后再访问该模型的属性信息从而获取该模型的唯一ID号，然后根据该ID号在场景中进行遍历，找到场景中对应的模型节点，即可实现对模型的识别和定位[10]。模型识别流程见图5。

图5 模型识别流程

图4 世界坐标获取流程

3.3 场景特效

（1）高亮特效。利用OSG中的立方图镜面高光特效技术（osgFX::SpecularHighlights）实现高亮，该技术是在模型的片断层级上应用镜面高光，采用了立方映射图和反射纹理生成技术。由于立方映射图可自动旋转，因此观察者无论从哪个方向和位置看，光照的效果都一样。首先需要创建1个镜面高光对象，然后设置其纹理单元，被设置的纹理单元将被用作立方图纹理，然后设置光源数、镜面光的颜色以及镜面指数，最后将该高光对象添加到节点中[11]。场景中添加高亮后效果见图6。

（2）虚化特效。采用OSG中的设置纹理技术实现虚化特效，纹理模式采用osg::Blend混合模式。首先创建1个渲染状态并打开混合模式，然后创建融合函数osg::BlendFunc，设置融合参数、融合颜色osg::BlendColor以及虚化度，最后将该渲染状态应用于相应节点[11]。场景添加虚化效果见图7。

图6 场景添加高亮效果图

图7 场景添加虚化效果图

4 结束语

根据铁路站房在安全应急管理方面的需求，阐述基于BIM的铁路站房应急演练平台设计与实现，重点研究三维场景中世界坐标获取、模型识别与定位以及场景特效等关键技术，并提出解决方案。该平台也可应用于铁路站房应急演练培训中，不受时间、人员和场地的限制，能有效提高员工的应急处理能力，提升铁路应急管理水平。后期还可将该平台与其他安全监测系统相结合，提升铁路综合自动化管理水平。