朱 慶 朱 軍, 2 黃華平 王 瑋 張利國

(1. 西南交通大學(xué)， 成都 611756;2. 四川視慧智圖空間信息技術(shù)有限公司， 成都 610036;3. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031;4. 軌道交通工程信息化國家重點實驗室， 西安 710043;5. 川藏鐵路有限公司， 成都 610045)

川藏鐵路沿線地形地質(zhì)復(fù)雜、氣候條件惡劣、生態(tài)環(huán)境脆弱、山地災(zāi)害頻發(fā)、高海拔、高寒、大高差、人跡罕至，導(dǎo)致廣域范圍內(nèi)地球空間數(shù)據(jù)獲取難、施工建造難，是人類迄今為止建設(shè)難度最大的鐵路工程[1-4]。復(fù)雜艱險山區(qū)野外勘測困難、工作效率低、成果質(zhì)量難保證，嚴重制約了復(fù)雜環(huán)境信息的感知能力[5]。面對如此嚴峻的挑戰(zhàn)，只有依靠信息化和智能化手段才有可能實現(xiàn)全面支撐川藏鐵路“高起點、高標準、高質(zhì)量”的建設(shè)總要求，真正提升我國鐵路的技術(shù)水平，實現(xiàn)引領(lǐng)世界鐵路發(fā)展的目標。

智能鐵路是綜合應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、導(dǎo)航定位、BIM(Building Information Model)和GIS(Geographic Information System)等現(xiàn)代高新技術(shù)，實現(xiàn)鐵路裝備、固定基礎(chǔ)設(shè)施及內(nèi)外部環(huán)境間信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，實現(xiàn)全生命周期一體化智能管理，打造更加安全可靠、經(jīng)濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節(jié)能環(huán)保的新型鐵路系統(tǒng)[6-10]。近年來世界各國為提高鐵路運營效率，優(yōu)化服務(wù)品質(zhì)，確保鐵路運營安全，提升競爭優(yōu)勢，相繼出臺了鐵路建設(shè)數(shù)字化、信息化、智能化發(fā)展戰(zhàn)略[6,11-12]。日本制定了《技術(shù)創(chuàng)新中長期規(guī)劃》，歐盟發(fā)布了《歐洲一體化運輸發(fā)展路線圖》白皮書、Shift2Rail 科技創(chuàng)新項目、《Rail Route 2050》等一系列戰(zhàn)略計劃[13-16]。歐盟、日本、美國等發(fā)達國家對鐵路智能化發(fā)展進行深入研究，形成了一系列具有代表性的智能鐵路系統(tǒng)，如歐洲鐵路交通管理系統(tǒng)(ERTMS)、日本Cyber Rail系統(tǒng)、美國智能鐵路系統(tǒng)(IRS)、全球鐵路移動通信系統(tǒng)(GSM-R)等[17-20]。我國制定了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，并研發(fā)了列車運行調(diào)度指揮系統(tǒng)(TDCS)、中國列車控制系統(tǒng)(CTCS)等鐵路列車智能系統(tǒng)，智能京張、智能京雄等重大鐵路項目的施工建設(shè)，標志著我國鐵路事業(yè)邁向了智能鐵路新時代[21-23]。智能化已然成為世界鐵路發(fā)展的基本方向[6,19,24]。

數(shù)字孿生作為智能化鐵路發(fā)展的一種新途徑，充分利用傳感器數(shù)據(jù)和物理模型在信息空間全面反映實體的全生命周期過程，從而具備對過去問題診斷、當前狀態(tài)評估以及未來趨勢預(yù)測的能力，已經(jīng)成為信息化的前沿標志[25-27]，也是川藏鐵路可持續(xù)建設(shè)與安全運營必不可少的先進模式[28]。數(shù)字孿生鐵路是現(xiàn)實世界中的鐵路實體在計算機數(shù)據(jù)庫中的映射，可實現(xiàn)川藏鐵路全域范圍內(nèi)人、機、物三元空間融合，從宏觀到微觀對多粒度時空對象描述，多模態(tài)時空數(shù)據(jù)高效組織與分布式協(xié)同存儲管理，全生命周期多專業(yè)數(shù)據(jù)實時接入與探索性時空關(guān)聯(lián)分析。以BIM+ GIS為核心構(gòu)建的實景三維空間信息平臺，是數(shù)字孿生鐵路全生命周期精準映射與融合協(xié)同的關(guān)鍵基礎(chǔ)支撐和“智能鐵路大腦”的神經(jīng)中樞，可實現(xiàn)川藏鐵路全生命周期的智能建造、智能裝備、智能運營，保證復(fù)雜環(huán)境下川藏鐵路建設(shè)與管理信息化和智能化水平。

1 實景三維空間信息平臺

1.1 平臺總體架構(gòu)

實景三維空間信息平臺架構(gòu)分為數(shù)據(jù)、存儲、服務(wù)以及應(yīng)用四個層次，如圖1所示。

數(shù)據(jù)是整個實景三維空間信息平臺的基礎(chǔ)，不同的觀測技術(shù)獲取包括地形、影像、視頻、文本、鐵路專題數(shù)據(jù)以及模型數(shù)據(jù)等，形成鐵路時空大數(shù)據(jù)。綜合利用空天地一體化觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建川藏鐵路全域范圍內(nèi)高精度、可量測的實景三維模型，建立實景三維空間信息平臺關(guān)鍵空間框架，實現(xiàn)川藏鐵路沿線地形地質(zhì)環(huán)境要素全方位感知，為鐵路線路規(guī)劃設(shè)計、建設(shè)管理、運營維護提供技術(shù)支撐。將川藏鐵路時空大數(shù)據(jù)按照空間信息劃分進行分布式存儲，構(gòu)建空間信息數(shù)據(jù)庫存儲基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù)等，非空間數(shù)據(jù)庫存儲傳感器數(shù)據(jù)等；模型-知識庫則通過機理模型、知識圖譜以及智能算法等，高效組織管理鐵路時空大數(shù)據(jù)，以滿足不同的任務(wù)需求，如場景語義建模、智能推薦、模擬分析等。在云平臺微服務(wù)架構(gòu)下，以川藏鐵路公司為中心，設(shè)計、施工與運營單位為節(jié)點，構(gòu)建集數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、大數(shù)據(jù)可視化、VR仿真模擬等于一體的鐵路時空信息云平臺，實現(xiàn)跨層級、跨區(qū)域、跨部門、跨系統(tǒng)、跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)共享交換與業(yè)務(wù)協(xié)同，支撐川藏鐵路規(guī)劃設(shè)計、災(zāi)害隱患識別、風(fēng)險防控、施工管理、運營維護等全生命周期的智能化管理應(yīng)用。

1.2 平臺功能設(shè)計

鐵路智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在設(shè)計建造、運行控制、運營服務(wù)等方面，何華武院士針對未來智能高鐵的發(fā)展，提出了以智能建造、智能裝備、智能運營為總體功能框架的智能高鐵大腦平臺[9]。川藏鐵路智能化發(fā)展構(gòu)建實景三維空間信息平臺功能體系可劃分為六個部分：數(shù)據(jù)動態(tài)接入、數(shù)據(jù)規(guī)范化處理、三維場景構(gòu)建、場景可視化分析、功能服務(wù)系統(tǒng)與系統(tǒng)管理，如圖2所示。

圖1 實景三維空間信息平臺架構(gòu)圖

圖2 實景三維空間信息平臺功能體系圖

川藏鐵路時空大數(shù)據(jù)具有多粒度、多模態(tài)、多維動態(tài)、多源異構(gòu)等特性，需要設(shè)計數(shù)據(jù)實時動態(tài)接收、轉(zhuǎn)換和傳輸協(xié)議接口，動態(tài)接入實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與任務(wù)需求數(shù)據(jù)等；上述數(shù)據(jù)來源不同，時空基準和數(shù)據(jù)模態(tài)各異，需進行統(tǒng)一時空基準、格式轉(zhuǎn)換、空間化處理等數(shù)據(jù)規(guī)范化處理；針對不同的場景應(yīng)用，利用多層次語義約束，自適應(yīng)地構(gòu)建鐵路災(zāi)害隱患模擬，鐵路線路設(shè)計等專題應(yīng)用場景；為滿足鐵路勘測設(shè)計、建設(shè)管理等不同任務(wù)需求，設(shè)計挖方與填方分析、水淹沒分析、坡度坡向等常規(guī)分析功能，建立鐵路三維場景沉浸式感知、災(zāi)害態(tài)勢分析和災(zāi)害-鐵路關(guān)聯(lián)分析等可視化分析功能[29-30]；功能應(yīng)用服務(wù)主要服務(wù)于鐵路全生命周期的勘察設(shè)計、工程建設(shè)、運營維護及各種風(fēng)險防控等；系統(tǒng)管理功能側(cè)重系統(tǒng)安全管理、服務(wù)監(jiān)控、日志管理與系統(tǒng)更新。

1.3 多模態(tài)時空大數(shù)據(jù)高效組織管理

川藏鐵路全域范圍實景三維模型主要面向川藏鐵路勘察、設(shè)計、施工以及運維等全生命周期管理，需滿足高精度、可量測等施工建設(shè)要求。需綜合運用空天地一體化觀測手段構(gòu)建多層次實景三維模型，主要包括利用航空影像數(shù)據(jù)建立服務(wù)于地質(zhì)勘察與線路設(shè)計的可量測立體實景模型；融合衛(wèi)星影像、航空影像、Lidar等多源傳感器數(shù)據(jù)[31]，建立支撐工程設(shè)計的高精度三維地形模型；通過傾斜攝影建立局部重點工程詳細設(shè)計使用的局部精細化實景三維模型等。同時，為滿足川藏鐵路全生命周期勘察設(shè)計、查詢分析、可視化繪制以及仿真分析、災(zāi)害模擬等不同可視化任務(wù)需求，需要針對海量、多源異構(gòu)、多模態(tài)的川藏鐵路時空大數(shù)據(jù)，突破多模態(tài)鐵路時空大數(shù)據(jù)高效組織管理關(guān)鍵技術(shù)方法。多模態(tài)時空大數(shù)據(jù)高效組織管理與可視化如圖3所示。

圖3 多模態(tài)時空大數(shù)據(jù)高效組織管理與可視化圖

首先對川藏鐵路廣域范圍內(nèi)的實體要素進行編碼分類，實現(xiàn)川藏鐵路時空信息與實體要素之間的精準映射[28]；構(gòu)建鐵路空間一體化無縫表達的多模態(tài)時空數(shù)據(jù)模型，對鐵路時空大數(shù)據(jù)進行分層、分段組織，建立多種模態(tài)索引之間的高效關(guān)聯(lián)映射，實現(xiàn)鐵路時空大數(shù)據(jù)高效組織；然后研制三維時空數(shù)據(jù)管理引擎，實現(xiàn)大范圍、高精度鐵路線路場景對象集成管理與動態(tài)調(diào)度[32]。進而，針對復(fù)雜鐵路環(huán)境中三維地理信息空間分析能力差、交互效率低、真實感弱的問題，建立鐵路場景多層次可視化任務(wù)模型[33]，攻克高效數(shù)據(jù)吞吐、高性能時空數(shù)據(jù)分析、高精度場景繪制與高感知度增強表達的關(guān)鍵技術(shù)難題，研制高性能可視化分析引擎，突破沉浸式真實感鐵路場景實時交互瓶頸，支撐鐵路場景多層次可視化應(yīng)用。

1.4 災(zāi)害風(fēng)險信息自適應(yīng)融合

川藏鐵路沿線涉及地理、地質(zhì)、設(shè)施、人員、生態(tài)、災(zāi)害等要素類型，地上、下各要素以及災(zāi)害之間相互作用關(guān)系復(fù)雜，環(huán)環(huán)相扣且相互影響。針對川藏鐵路災(zāi)害隱患識別、風(fēng)險預(yù)測與防控等任務(wù)對于災(zāi)害風(fēng)險信息深入融合與增強表達的需求，提供任務(wù)感知的災(zāi)害場景信息優(yōu)化選擇與深度融合，實現(xiàn)多源、跨尺度、多模態(tài)災(zāi)害風(fēng)險信息的有機融合與精準感知。任務(wù)感知的災(zāi)害風(fēng)險信息自適應(yīng)融合方法如圖4所示。

首先進行災(zāi)害場景語義特征關(guān)聯(lián)分析及災(zāi)害風(fēng)險知識抽取，構(gòu)建顧及任務(wù)需求的災(zāi)害風(fēng)險信息知識圖譜；其次利用知識圖譜的連通性和流向性，通過語義關(guān)聯(lián)約束的任務(wù)-數(shù)據(jù)相關(guān)性度量，提供任務(wù)感知的災(zāi)害風(fēng)險信息語義檢索和主動匯聚；最后基于災(zāi)害風(fēng)險信息自適應(yīng)匯聚，實現(xiàn)顧及結(jié)構(gòu)特征的多模態(tài)災(zāi)害風(fēng)險數(shù)據(jù)高精度配準，在此基礎(chǔ)上提取時空分布、趨勢變化以及預(yù)測預(yù)警等多層次語義信息，并進行增強現(xiàn)實表達。

1.5 多粒度時空信息智能服務(wù)

川藏鐵路實景三維空間信息平臺將構(gòu)建彈性的微服務(wù)管理與集成機制，如圖5所示。

該平臺將包含一系列數(shù)量眾多的多模態(tài)時空數(shù)據(jù)服務(wù)、多層次時空數(shù)據(jù)分析服務(wù)以及增強現(xiàn)實可視化場景優(yōu)化服務(wù)等，采用容器技術(shù)實現(xiàn)不同類型服務(wù)的實例安全獨立和按需動態(tài)部署。同時采用工作流與服務(wù)鏈優(yōu)化調(diào)度的方式，將應(yīng)用任務(wù)流程與服務(wù)調(diào)用和系統(tǒng)資源優(yōu)化調(diào)度相結(jié)合，通過工作流制定的過程規(guī)則，把運行在云環(huán)境下的可互相作用的多粒度川藏鐵路全要素信息服務(wù)有機地組合在一起，這些服務(wù)的運行過程則對應(yīng)不同的存儲資源和計算資源調(diào)度過程，同時通過服務(wù)鏈組合優(yōu)化和數(shù)據(jù)流優(yōu)化調(diào)度，形成以任務(wù)為中心的應(yīng)用任務(wù)-工作流-服務(wù)鏈-資源調(diào)度四層級協(xié)同的智能服務(wù)一體化調(diào)度方法，實現(xiàn)任務(wù)感知的多模態(tài)災(zāi)害風(fēng)險信息智能服務(wù)鏈構(gòu)建以及關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜的多粒度服務(wù)的高效管理，為復(fù)雜災(zāi)害風(fēng)險全過程 “看得全”、“看得清”、“看得懂”提供災(zāi)害風(fēng)險數(shù)據(jù)-信息-知識的智能服務(wù)。

圖4 任務(wù)感知的災(zāi)害風(fēng)險信息自適應(yīng)融合方法圖

圖5 平臺微服務(wù)容器化管理

2 數(shù)字孿生川藏鐵路應(yīng)用展望

數(shù)字孿生川藏鐵路實景三維空間信息系統(tǒng)平臺，通過數(shù)據(jù)-模型-知識庫的綜合集成管理，旨在形成“透明地球”，實現(xiàn)多模態(tài)感知信息的實時接入與融合分析，提供多層次、多樣化高效靈巧的空間信息智能服務(wù)，支撐川藏鐵路勘察、設(shè)計、施工、運維全生命周期中多層級、多樣化業(yè)務(wù)的有機協(xié)同管理。數(shù)字孿生川藏鐵路實景空間信息三維平臺應(yīng)用如圖6所示。

圖6 數(shù)字孿生川藏鐵路實景空間信息三維平臺應(yīng)用圖

(1)在川藏鐵路智能勘察方面，形成“透明地球”增強對復(fù)雜環(huán)境信息的感知能力，可將野外勘察工作轉(zhuǎn)移到室內(nèi)虛擬平臺上，開展地質(zhì)判別、地質(zhì)災(zāi)害識別、野外勘測等工作，直接提升復(fù)雜環(huán)境下鐵路勘察的信息化水平，克服野外勘測困難、工作效率低、成果質(zhì)量難以保證等問題，從而提高勘察精度，保證工作質(zhì)量，大幅減少現(xiàn)場外業(yè)工作量，提升復(fù)雜環(huán)境下鐵路勘察的信息化水平。

(2)在川藏鐵路智能設(shè)計方面，通過構(gòu)建大范圍高精度、易感知、可交互、可計算的實景三維模型，進行地上、下地理環(huán)境充分集成表達，跨專業(yè)信息的實時匯聚、深度融合與綜合分析，有助于提升對長大復(fù)雜場景的快速準確理解，克服二維抽象表達的場景不直觀、可計算性差、可交互性弱等不足，提高多要素的快速準確關(guān)聯(lián)認知效率，實現(xiàn)多層次、多專業(yè)的一致性理解，支持復(fù)雜環(huán)境多專業(yè)智能化協(xié)同設(shè)計，避免重要設(shè)計方案的遺漏，提高設(shè)計的準確性。

(3)在川藏鐵路智能施工方面，基于實景三維空間信息平臺，對BIM與三維GIS模型集成管理，實時接入施工現(xiàn)場人員、機械、監(jiān)測點的多源傳感器數(shù)據(jù)，進行多源數(shù)據(jù)融合的施工進度智能識別，突破鐵路建造智能預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)，對現(xiàn)場的施工情況、安全風(fēng)險等進行信息化管控，實現(xiàn)工程進度、質(zhì)量安全、三維技術(shù)交底等方面的動態(tài)集成和可視化管理，提高復(fù)雜艱險環(huán)境下的施工效率，減低施工過程中的安全風(fēng)險。

(4)在川藏鐵路智能運營方面，進一步利用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等高新技術(shù)，基于實景三維空間信息平臺，實時接入川藏鐵路立體化動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行分布式存儲、動態(tài)計算、分析與可視化，拓展在自動駕駛、故障預(yù)測、健康管理、災(zāi)害隱患識別與風(fēng)險防控等方面的深度應(yīng)用，建立基于用戶畫像的智能推薦服務(wù)體系，提高鐵路應(yīng)用服務(wù)水平，為川藏鐵路提供更安全可靠、方便快捷、溫馨舒適的運營服務(wù)。

3 結(jié)束語

川藏鐵路建設(shè)面臨著嚴峻的區(qū)域地形地質(zhì)環(huán)境，施工難度巨大。建設(shè)數(shù)字孿生川藏鐵路無疑是建設(shè)智能川藏鐵路的必要途徑，從而真正實現(xiàn)人、機、物三元空間有機協(xié)同的全景式感知-認知-控制。本文提出的實景三維空間信息平臺將作為數(shù)字川藏一體化平臺的核心內(nèi)容統(tǒng)籌建設(shè)，面向高性能、高可用、高可擴展等目標，突破匯集-存儲-管理-服務(wù)的若干關(guān)鍵技術(shù)，切實為川藏鐵路建設(shè)與管理提供強有力的科技支撐。