摘 要：在施工过程中，时态数据是模拟施工进度的基础。在三维空间数据的基础上加入时间维度，基于多维时态数据对地铁施工进度进行时空数据处理，并直接应用于地铁施工进度模拟，能充分表达随时间变化地铁施工过程的动态，便于进度的动态查询与分析，这对在地铁工程中指导和管理施工具有极大的现实意义。文章首先介绍了时态数据的概念以及在施工进度模拟中应用的关键技术，然后以轨道交通BIM数据集成与工程管理平台为案例，阐述了时态数据的采集、操作和处理过程，表达时态属性数据变化的方法。最后利用三维可视化技术对施工过程进行了模拟，研究结果表明时态数据模型在地铁施工过程中的模拟有重要意义。
关键词：时态数据；地铁施工；进度模拟
中图分类号：TP391.9；U270 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）17-0150-05
0 引 言
地铁施工是一个复杂而庞大的工程，涉及多个阶段、多个专业的协同作业，而合理的施工进度管理对于确保工程质量、保障安全、提高效率至关重要[1]。传统的施工进度模拟方法多采用横道图和网络图计划，2D表达不是很直观，在应对多变的施工环境、协同施工的挑战以及复杂结构的时序关联等方面存在一系列问题，从而使项目施工方陷入被动。在地铁施工进度模拟中使用时态数据可以帮助监测施工进度的实际完成情况，同时，借助BIM模型能够更直观、更精确地发现并提前解决施工过程中可能遇到的问题，为不同施工方案提供了可视化的沟通、分析、决策[2]，更好地监测施工质量，确保工程的可持续发展。本研究将以BIM模型为支撑，时态数据为核心，进行轨道交通BIM-GIS数据集成与管理平台建设，围绕城市轨道交通，利用时态数据的方式完成施工进度填报，并对施工的实际过程进行模拟、分析与统计，将现场施工结果反馈到各方，实现各部门及相关参与方数据的同步性。
1 现状分析
1.1 地铁施工管理和进度模拟的历史和现状
地铁施工管理和进度模拟是城市轨道交通建设中至关重要的一环，它涉及多个方面，包括施工规划、资源调配、工程进度监控等[3]。地铁施工管理和进度控制起源于20世纪初期，那时候的施工管理主要依靠人工制图和手工记录，缺乏科学的数据分析和管理手段。在发展初期，地铁施工的进度管理主要依赖于传统的计划表、甘特图和里程碑等工具。这些方法通常只能提供静态的进度信息，对于复杂的施工项目难以有效应对。随着信息技术的发展，地铁施工管理和进度模拟逐渐引入了一些新的技术手段，如计算机辅助设计（CAD）、项目管理软件（如Microsoft Project）等，使施工管理更加规范和高效。随着城市地铁线网的扩建和更新换代，地铁施工项目的规模和复杂度不断增加，施工管理面临更多的挑战[4]。现代地铁施工管理需要更多的信息化手段来支持工程的规划、监控和决策，传统的手工记录和人工管理已经无法满足需求。
近年来，随着时态数据技术的发展，地铁施工管理和进度模拟开始更加关注动态的施工进度和环境变化，时态数据的应用为施工管理带来了新的可能性。地铁施工管理越来越注重不同专业的协同作业和智能化管理，这就需要施工管理系统具备更高的集成性7WKma9vsakgtew0d5LNYjQ==和智能化水平。时态数据分析成为地铁施工管理的关键技术之一，它能够帮助管理者更好地理解施工进度的动态变化，提高决策的科学性和精准性。综上所述，地铁施工管理和进度模拟已经从早期的手工管理逐步发展为信息化和智能化的管理模式。
1.2 时态数据在工程管理中的应用
时态数据在工程管理中的应用涉及多个方面，它可以为工程管理提供实时性、动态性和准确性的信息，帮助项目管理者更好地理解和应对工程过程中的时序变化。时态数据在工程进度控制中发挥重要作用。通过实时收集施工进度、任务完成情况等数据，可以生成动态的进度图，帮助管理者准确把握项目的进展情况，及时发现和纠正潜在的进度延误。总体而言，时态数据的应用为工程管理提供了更全面、细致、动态的信息基础，有助于提高管理效率、降低风险，推动工程项目的顺利实施。
1.3 相关研究和技术的综述
时态模拟是通过建立模型，模拟时态数据在工程过程中的动态变化。这可以包括施工进度模拟、资源调度模拟等，用于优化工程规划[5]。时态GIS整合了时空数据，提供了对地理空间信息随时间变化的综合分析。在工程管理中，时态GIS可用于监测土地利用变化、工程进展等时态数据在工程管理中的研究和技术涉及多个领域，包括数据采集、分析方法、模型建立等。时态数据在工程管理中的应用仍然处于不断发展的阶段，未来可以期待更多创新性的研究和技术应用，为工程管理带来更多的智能化和可持续发展的可能性。
2 研究方法
2.1 地铁施工进度模拟的基本原理
地铁施工进度模拟是一种通过计算机模拟技术来模拟地铁施工过程的工具，以预测和优化施工进度。将整个地铁建设过程划分为各个具体的施工工序，包括勘测、开挖、地下结构施工、轨道铺设、站点建设等各个环节。每个工序都被细化成可管理的任务单元。采用合适的模拟算法，例如离散事件模拟（Discrete Event Simulation）等，来模拟整个地铁施工过程。这种算法能够在模拟中处理任务的启动、完成、资源变动等事件，以反映真实的施工进度情况。考虑到施工过程中可能出现的风险和不确定性因素，引入风险分析，对施工进度进行敏感性分析，以应对潜在的问题和变化。地铁施工进度模拟可以为规划、监控和管理地铁建设项目提供有力的支持，帮助提高施工效率、降低成本，并确保项目按计划顺利进行。
2.2 时态数据的搜集和处理方法
时态数据是指带有时间信息表示某个时间点的状态的数据，通常包括在一定时间范围内采集的数据，它是模拟施工进度的基础，而且是可以随时间变化而显示不同状态的。通过收集时态数据可分析天气模式和其他环境变量、监视交通状况、研究人口统计趋势，等等。可从许多来源获取时态数据，从手动输入的数据到使用观测传感器收集或模拟模型生成的数据，均可作为来源[3]。时态GIS数据，也称为4维GIS数据，在三维空间的基础上加入了时间维度，传统的GIS数据只涉及了空间数据和属性数据，大多数不涉及时间维度，只是用于描述数据瞬间的状态，这类数据是静态的[5]。而在很多情况下，数据不仅仅与空间相关，而且与时间息息相关[6]，特别是在施工的过程中，地铁施工的过程以及实际进度上报的情况决定了此处时间值代表一段持续时间，即施工在一段时间内是持续发生的。那么在这种情况下，时间值将存储在两个字段中，一个字段代表该模型施工的开始时间，一个字段代表该模型施工的结束时间。这些时间值可以存储在日期字段、字符串字段或数值字段中。
2.3 时态数据模拟实际施工过程
在地铁的施工过程中，时态数据是通过进度制定过程得到的，本研究中进度可以通过两种方式完成制定，一种可以通过三维模型数据选取与二维时间数据录入的方式存入时态数据库，或者采取Excel表格导入进度数据的方式生成时态数据。两种方式都必须要求构件具有唯一编码，第一种方式是采用二三维结合的方式制定进度，更直观，但是相比于Excel的一次性导入，由于需要手动选择制定进度的模型构件，效率不够高。
3 时态数据在地铁施工中的实际应用
在地铁施工过程中，利用时态数据记录施工过程中各项工作的开始时间、结束时间和状态，实时更新施工进度。可通过时态数据生成可视化的进度报告，帮助管理层和相关方更好地了解施工进展。轨道交通BIM-GIS数据集成与管理平台，是一个BIM与GIS结合的轨道交通工程，为项目的全生命周期提供辅助决策的数据管理系统，该平台我们开发了相关的二维模块，用于上传相关的计划进度、实际进度等业务数据，在三维模块集成了相关的BIM、GIS数据，并开发了进度模块利用时态GIS数据模拟了地铁施工现场的进度。
3.1 技术路线
首先需要收集地铁施工现场的地理空间信息，包括地理坐标、地形、道路、建筑物等环境数据，并获取施工相关的时态数据，例如计划开始和结束日期、实际开始和结束日期、每个工作阶段的进度等完成数据采集工作。然后要利用GIS软件建立地理信息数据库，并将采集到的地理空间数据和时态数据整合到数据库中，确保空间和时间关系的准确性。之后设计时态数据模型，以支持对施工进度的时态分析。时态数据模型应该包括时间属性，如开始时间、结束时间等。将时态数据与地理空间数据进行关联，建立时空数据模型。最后开发实现数据集成并模拟施工进度，且可以使用动态图层或时间滑块来显示不同时刻的施工状态。将实际进度数据与计划进度进行比较，分析差异，并指导现场施工。技术路线图如图1所示。
3.2 数据收集
在本项目中，数据分为BIM数据、GIS数据以及业务数据，在实际的项目执行过程中，我们采用BIM数据建筑信息建模软件Revit完成地铁车站及区间模型的创建，并采用相关的数据解析方法导出的模型，如图2所示。GIS数据主要是来源于卫星图像生成地形数据，并与相关的测绘单位对接倾斜影像数据，获取了相关的地上环境数据等。在项目建设过程中，我们将整个线路分成了多个工点，并让具体的工点负责单位上报计划进度以及实际进度等业务数据并与智慧工地平台进行对接获取现场的实时数据。
3.3 数据清洗与处理
数据处理与清洗是确保数据质量和可用性的重要步骤。从Revit中导出的BIM数据和GIS数据都要注意坐标系、项目基点以及单位的一致性，这样可以保证导出的数据地理信息的准确性，其次要注意数据格式的统一，以确保导入的数据结构与分析和存储的需求相匹配并使其能够导入BIM-GIS平台中正常使用[7-8]。在本项目中，我们首先把数据导入到桌面端的软件中进行检查初步查看数据的内容，了解数据量的大小以及纹理的缺失等基本情况，如果存在数据量比较大的情况，需要对数据进行进一步简化，以确保进入平台之后在网页端能够正常加载[9]。对于业务数据，具体的负责相关工点的业务人员需要检查要上传的业务数据的字段是否完整，格式是否正确，例如日期和数字等需要转换为正确的数据类型，确保数据的一致性。涉及不同单位或范围的测量，进行标准化或归一化处理，以消除不同尺度之间的差异[10-11]。
3.4 数据导入与整合
数据准备工作完成之后，就可以把数据导入我们开发的轨道交通BIM-GIS数据集成与管理平台中，该平台不仅可以整合来自不同数据源的数据，并能够确保数据互相关联。在本项目中，我们设计了业务数据库和模型数据库来存储BIM-GIS 平台的数据模型，确保能够支持地铁施工过程中涉及的所有数据类型。并设计了时态数据库的，用于把模型数据于业务数据进行关联，确保可以模拟地铁施工现场的进度，并可以支持实时或历史性的数据分析。
4 模拟结果与分析
数据导入平台之后，利用进度模拟的功能，在轨道交通BIM-GIS数据集成与管理平台上对地铁现场的施工进度进行模拟分析。施工模拟常用的两种方法，一种是通过属性控制，给时态数据指定一个属性字段，用来表示不同的施工状态[9-10]。在工程中组织数据，通过时态播放，判断施工进程，从而，控制字段赋值显示不同状态。第二种是通过比较两个变量确定渲染结果，通过提前设置渲染规则，显示施工进程中的不同状态，可以设置多种渲染方式结合使用。比如工期剩余或者工期滞后，提前完工还是滞后完工，等等。根据地铁施工以及上报的实际情况，我们采取第二种方式，即把施工的开始时间与结束时间等数据存储到模型数据中，在施工模拟的过程中，开启图层的时态属性，根据模型的开始时间与结束时间比较判断施工进程的实际状态。
4.1 施工进度模拟
通过设置任务时间，控制模型和图层的显隐，达到随时间变化的状态，以进行施工进度模拟 。按照时态数据中实际与计划的开始时间与结束时间进行施工进度模拟，在图层开启时态之后，可在三维窗口中显示时态数据。通过使用图层属性对话框上的时间选项卡来设置图层的时间属性即可实现数据的显示。
设置时态数据的时间属性后，即可使用时间滑块来显示时态数据，如图3所示：模拟地铁现场施工的过程，若工期滞后，则该工作段以红色显示；若该工期提前，则该工作段以绿色显示。
4.2 工程节点计划统计功能
工程节点计划横道图，针对各作业流水段的时间节点信息统计，如图4所示。进度预警图例和工程节点计划横道图相对应，可明显的反映该作业流水段的施工进度情况。
4.3 施工进度指标统计
使用施工进度指标统计图，统计展示站点作业流水段施工进度，可直观展示出各项具体施工任务的完成情况，并借助GIS模型和时态数据统计展示每个站的桩基、地下连续墙、土方以及主体等的值。并且使用时间选择器满足不同时间的施工进度统计，显示该时间范围内的实际进度数据，如图5所示。由点时间优化为段时间，展示段时间内的实际工程进度指标，满足进度追溯时间维度的自由配置。
5 结 论
为满足地铁建设管理需求，通过建设一套适合于轨道交通工程特点和需求的数据管理系统，实现有效管理的目的，并保证地铁工程实施中的各种技术资料及信息得到有效控制，达到数据应用的有效性、唯一性和完整性。同时实现各部门及相关参与方数据的同步性，为业主、设计、施工、供应商提供准确、统一的数据。基于各方的需求，在线上打造相应的轨道交通BIM-GIS数据集成与管理平台，以及相应的管理功能模块，去解决实际的管理问题。
时态数据为地铁施工模拟提供了新的可能，并且取得了很好的效果。本文论述了时态属性数据的操作和处理方法 ，并运用于时态数据库的建设中。与三维可视化技术和三维动态仿真模拟技术相结合 ，使时空数据库的表现和查询更加形象、直观；时态数据在地铁工程中的应用对地铁工程的施工管理、信息化施工以及后期的运营维护具有很大的推动作用。
总之，时态数据的应用为地铁工程的动态施工和监测等信息提供了直观的表现形式，文中所提出的时空数据组织及数据模型在系统实现细节上还有很多需要优化的地方。随着地铁的施工数据量的不断增加，数据在内存中的维护变得困难，这需要在底层时空数据库原理方面进行深入研究。
参考文献：
[1] 朱合华，郑国平，张芳.城市地下空间信息系统及其关键技术研究 [J].地下空间，2004，24（5）：589-595.
[2] 解福奇，朱合华，李晓军，等.时态GIS数据模型及其在隧道工程中的应用 [J].地下空间与工程学报，2009，5（3）：546-552.
[3] 张芳，朱合华，吴江斌.城市地下空间信息化研究综述 [J].地下空间与工程学报，2006（1）：5-9.
[4] 郑国平.城市地下空间信息系统设计及关键技术研究 [D].上海：同济大学，2004.
[5] 吴信才，曹志月.时态GIS的基本概念、功能及实现方法 [J].地球科学，2002（3）：241-245.
[6] 张幸，倪卫红.基于BIM技术的4D施工进度管理优化研究 [J].建筑安全，2022，37（11）：14-17.
[7] 程宇航，汪林，赵鹏辉.基于GIS+BIM技术的城市轨道交通施工期监测管理平台构建及应用 [J].西北水电，2023（4）：108-112+118.
[8] 羊权荣，汪宇，何跃川.城市轨道交通施工监测在GIS+BIM平台的集成应用 [J].隧道建设：中英文，2019，39（S2）：345-351.
[9] 张少锦，张惠宇，王晓晶.BIM轻量化管理技术研究综述 [J].土木建筑工程信息技术，2023，15（6）：117-122.
[10] 张鹏.基于CIM技术的城市轨道交通三维可视化监管平台设计与实现 [D].合肥：安徽建筑大学，2022.
[11] 黄杰，周长鑫.BIM+GIS平台在轨道交通施工管理中的应用 [J].工程技术研究，2023，8（19）：133-135.
作者简介：张岩岩（1989—），女，汉族，山东聊城人，工程师，硕士研究生，研究方向：3D Web GIS。
收稿日期：2024-03-12
DOI：10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.17.029
Application of Temporal Data in Subway Construction Progress Simulation
ZHANG Yanyan1，2， WANG Dianhua3， LIU Ziyan1，2， ZHANG Meng1，2， LI Yichen1，2， ZHANG Jiaxi1，2
（1.Beijing Rail and Transit Design and Research Institute Co.， Ltd.， Beijing 100068， China;
2.Beijing Rail and Transit Engineering Technology Research Center， Beijing 100068， China;
3.Xian Rail Transit Group Co.， Ltd.， Xian 710018， China）
Abstract： During the construction process， temporal data is the foundation of simulating construction progress. On the basis of three-dimensional spatial data， the time dimension is added， and the spacetime data processing of subway construction progress is carried out based on multi-dimensional temporal data， and it is directly applied to subway construction progress simulation. It can fully express the dynamics of subway construction process changing with time， and it is convenient for dynamic query and analysis of progress， which has great practical significance for guiding and managing construction in subway engineering. Firstly， the paper introduces the concept of temporal data and key technology applied in construction progress simulation. Secondly， it uses the case of the rail transit BIM data integration and project management platform to illustrate the collection， manipulation and processing of temporal data， and outline the methods for expressing changes in temporal attribute data. Finally， it utilizes three-dimensional visual technique to simulate the construction process， and research results indicate that the simulation of the temporal data model in the subway construction process is of great significance.
Keywords： temporal data; subway construction; progress simulation
