劉 宇，郭冬冬，董守放，王愛麗，于士堯

（1. 中鐵信（北京）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院有限公司，北京 100044；2. 中國(guó)鐵路信息科技集團(tuán)有限公司，北京 100038；3. 城市軌道交通系統(tǒng)安全保障技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；4. 深圳地鐵運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通（以下簡(jiǎn)稱“城軌”）快速發(fā)展。截至2019 年12 月31 日，我國(guó)內(nèi)地新增運(yùn)營(yíng)線路974.8 km，總運(yùn)營(yíng)里程達(dá)6 736.2 km，城軌已成為我國(guó)城市重要的公共交通方式[1]。巨大的城軌線路網(wǎng)絡(luò)及眾多的城軌車站是重要的空間數(shù)據(jù)信息源，利用這些空間數(shù)據(jù)信息保障城軌安全運(yùn)營(yíng)，并服務(wù)運(yùn)營(yíng)者和乘客，正逐漸被人們所重視。

許多研究者對(duì)建筑信息模型（BIM）、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）等空間信息技術(shù)在城軌領(lǐng)域的應(yīng)用與融合進(jìn)行了積極的探索與研究。祝嘉提出將BIM技術(shù)用于城軌規(guī)劃、建設(shè)、施工等階段的設(shè)想[2]；柯尉詳細(xì)探討了如何在軌道交通工程建設(shè)中應(yīng)用BIM 技術(shù)[3]；王玨、張成方、蔣奇緯等對(duì)BIM 技術(shù)在城軌建設(shè)全過(guò)程中的應(yīng)用做了分析與總結(jié)[4-6]；馬勇軍等將BIM技術(shù)與VR 技術(shù)相結(jié)合，對(duì)地鐵的機(jī)電安裝過(guò)程進(jìn)行模擬與培訓(xùn)，提高了實(shí)際操作中的安全性[7]；李鈺等將BIM 技術(shù)分別與VR、AR 技術(shù)結(jié)合，構(gòu)建了地鐵施工事前分析平臺(tái)與施工過(guò)程安全管理體系[8]。此外，還有部分學(xué)者對(duì)空間信息技術(shù)與智慧城軌的結(jié)合進(jìn)行了探索。例如，秦志遠(yuǎn)提出以地鐵信息資源為基礎(chǔ)，建設(shè)一系列智慧融合應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)想[9]；江志彬等闡述了智慧車站的內(nèi)涵，并指出BIM 等空間信息技術(shù)的融合是智慧車站的實(shí)現(xiàn)途徑之一[10]；黃天印等提出將BIM 技術(shù)與地理信息系統(tǒng)（GIS）相融合，建立數(shù)字地鐵信息資源模型[11]；張文彬、陳韻舟等介紹了上海地鐵如何將BIM數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)及車站各系統(tǒng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)相融合，建立智慧車站管控系統(tǒng)[12-13]；朱建峰分別從軌道交通乘客和運(yùn)營(yíng)企業(yè)的角度對(duì)智慧車站的應(yīng)用技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展提出對(duì)策[14]。

目前，BIM、AR 等空間信息技術(shù)主要用于城軌建設(shè)階段的輔助施工，而對(duì)于車站管理及運(yùn)維過(guò)程中的空間數(shù)據(jù)及基于空間數(shù)據(jù)的服務(wù)開發(fā)利用較少。因此，需進(jìn)一步深化對(duì)城軌空間數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究，使其與相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)和疊加，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)不同空間維度的可視化應(yīng)用，為城軌安全運(yùn)營(yíng)、應(yīng)急管理、設(shè)施設(shè)備運(yùn)維等提供輔助支撐。本文以城軌車站空間數(shù)據(jù)服務(wù)為重點(diǎn)，整合基于空間數(shù)據(jù)的城軌相關(guān)應(yīng)用，集成BIM、AR、VR、超寬帶（UWB）定位、視頻監(jiān)控等技術(shù)，形成城軌車站空間數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。

2 需求分析

2.1 行業(yè)發(fā)展需求

隨著交通強(qiáng)國(guó)建設(shè)決策的落實(shí)，中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，從行業(yè)層面對(duì)智慧城軌的發(fā)展與建設(shè)進(jìn)行了統(tǒng)籌規(guī)劃[15]。其中，融合車站模型、客流動(dòng)態(tài)與列車運(yùn)行狀態(tài)為乘客提供智能出行服務(wù)，基于常態(tài)、節(jié)假日、突發(fā)事件下的客流預(yù)測(cè)與動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)為運(yùn)營(yíng)人員的客流疏導(dǎo)與應(yīng)急處置提供可視、可調(diào)、可控的解決方案，實(shí)現(xiàn)車站的全息感知、全景監(jiān)控及其公共服務(wù)設(shè)施的一體化信息共享及聯(lián)動(dòng)，成為智慧城軌的重要發(fā)展目標(biāo)。這也使車站空間數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合管理與綜合應(yīng)用成為推動(dòng)智慧城軌建設(shè)與發(fā)展的必然選擇。

2.2 業(yè)務(wù)需求

2.2.1 數(shù)據(jù)融合需求

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)在交通工程管理中的廣泛應(yīng)用，BIM、實(shí)景影像、點(diǎn)云等空間數(shù)據(jù)在城軌建設(shè)與運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮著日益重要的作用?，F(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用形式呈現(xiàn)出以BIM+VR、BIM+AR、BIM+實(shí)景等為代表的數(shù)據(jù)融合趨勢(shì)，但仍存在數(shù)據(jù)利用率較低、數(shù)據(jù)管理缺乏統(tǒng)一性、系統(tǒng)性與標(biāo)準(zhǔn)性等問(wèn)題。基于BIM、點(diǎn)云、實(shí)景影像、UWB 定位等多源數(shù)據(jù)，構(gòu)建集二維地圖、三維模型、全景影像等為一體的多源空間數(shù)據(jù)庫(kù)，融合數(shù)據(jù)資源并進(jìn)行統(tǒng)一管理，成為數(shù)據(jù)高效管理與協(xié)同應(yīng)用的發(fā)展需求。

2.2.2 系統(tǒng)集成需求

面對(duì)既有相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間融合性較差、數(shù)據(jù)利用效率較低等問(wèn)題，應(yīng)基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，以VR、AR、空間信息智能分析等技術(shù)為基礎(chǔ)，利用功能、網(wǎng)絡(luò)、軟件界面集成等多種集成技術(shù)，構(gòu)建空間數(shù)據(jù)信息業(yè)務(wù)的集成系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有成本低、效率高、性能勻稱、擴(kuò)充性好和維護(hù)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

3 平臺(tái)技術(shù)方案

3.1 總體架構(gòu)

城軌車站空間數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)采用分層設(shè)計(jì)的原則。根據(jù)所使用的硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)信息、技術(shù)系統(tǒng)及表現(xiàn)形式等，將平臺(tái)分為基礎(chǔ)設(shè)備層、數(shù)據(jù)資源層、技術(shù)層、應(yīng)用層和表現(xiàn)層5 個(gè)層次，如圖 1所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)備層。包含各類基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，如應(yīng)用服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備等基礎(chǔ)硬件資源，以及各業(yè)務(wù)系統(tǒng)的專用設(shè)備，為平臺(tái)的建設(shè)、運(yùn)行提供基礎(chǔ)硬件支撐。

（2）數(shù)據(jù)資源層。包含由基礎(chǔ)設(shè)備層產(chǎn)生及匯集的各類業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，如城軌車站CAD 平面圖、城軌車站BIM 模型、點(diǎn)云推掃數(shù)據(jù)、實(shí)景地圖數(shù)據(jù)等。利用這些數(shù)據(jù)可進(jìn)行BIM 模型、可量測(cè)實(shí)景影像模型的構(gòu)建，為平臺(tái)的業(yè)務(wù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

（3）技術(shù)層。負(fù)責(zé)為空間數(shù)據(jù)管理建模、服務(wù)發(fā)布、可視化展示、Web 服務(wù)等功能提供技術(shù)組件支撐，對(duì)數(shù)據(jù)層的多元異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與解析，并為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供服務(wù)接口。

（4）應(yīng)用層。在數(shù)據(jù)層以及技術(shù)層的支持下，實(shí)現(xiàn)車站空間、客流感知、客運(yùn)服務(wù)、站內(nèi)導(dǎo)航等信息的可視化，以及虛擬培訓(xùn)、隱蔽工程等業(yè)務(wù)功能。

（5）表現(xiàn)層?？筛鶕?jù)不同功能需求，在Web 端和智能移動(dòng)終端上以二維或三維模式展示實(shí)時(shí)客流、人員定位等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在VR、AR 終端實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航、隱蔽工程、虛擬培訓(xùn)等的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)顯示，為車站運(yùn)維人員的運(yùn)營(yíng)管理、設(shè)備巡檢、業(yè)務(wù)培訓(xùn)等提供輔助支撐。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

城軌車站空間數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）和客戶端/服務(wù)器（C/S）模式相結(jié)合的技術(shù)架構(gòu)，支持Web 端和智能移動(dòng)終端安裝，預(yù)留各類應(yīng)用程序接口（API），具有良好的開放性與可拓展性。其技術(shù)架構(gòu)如圖 2 所示。

平臺(tái)的技術(shù)架構(gòu)分為操作系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)層、解析層、功能層、客戶端5 個(gè)層次。操作系統(tǒng)層為平臺(tái)運(yùn)行提供基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境；數(shù)據(jù)層通過(guò)點(diǎn)云推掃、實(shí)景采集、CAD 平面圖、視頻攝像頭、WIFI 基站等手段獲取空間地圖、客流、定位等空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并將獲取的源數(shù)據(jù)通過(guò)有線、無(wú)線的方式傳輸給解析層；解析層根據(jù)各業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的類型為其配備不同的解析工具，并對(duì)源數(shù)據(jù)進(jìn)行解析；功能層對(duì)上述多元異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成平臺(tái)的各功能模塊；平臺(tái)以Web端訪問(wèn)為主要展現(xiàn)形式，部分功能可安裝于智能移動(dòng)終端，使系統(tǒng)兼具B/S 與C/S 的雙重展現(xiàn)形式。

4 平臺(tái)功能

城軌車站空間數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)功能分為系統(tǒng)管理及業(yè)務(wù)應(yīng)用2 部分內(nèi)容，其中系統(tǒng)管理實(shí)現(xiàn)用戶和數(shù)據(jù)的管理功能，業(yè)務(wù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合展示、實(shí)景地圖導(dǎo)航、AR 隱蔽工程、VR應(yīng)急演練培訓(xùn)等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能。其功能架構(gòu)如圖3 所示。

圖2 平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

圖3 平臺(tái)功能架構(gòu)

4.1 系統(tǒng)管理

4.1.1 用戶權(quán)限管理

用戶權(quán)限管理功能包括用戶管理、權(quán)限管理以及系統(tǒng)參數(shù)配置等。該功能為平臺(tái)后端管理功能，由管理員操作，可創(chuàng)建和刪除用戶，對(duì)用戶進(jìn)行平臺(tái)功能及模塊的權(quán)限分配和取消，以及配置系統(tǒng)參數(shù)和工作空間等。

4.1.2 數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理功能可對(duì)城軌車站CAD 平面圖、BIM 模型、點(diǎn)云、實(shí)景影像等多源空間數(shù)據(jù)，以及定位坐標(biāo)、視頻監(jiān)控等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行導(dǎo)入導(dǎo)出、備份還原、標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)化、服務(wù)發(fā)布等操作。

4.1.3 數(shù)據(jù)編輯處理

數(shù)據(jù)編輯處理功能可對(duì)城軌車站CAD 平面圖、BIM 模型、點(diǎn)云及實(shí)景影像數(shù)據(jù)信息進(jìn)行提取、修改、更新、融合、匹配，并在車站模型中對(duì)車站定位坐標(biāo)與上述數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和疊加顯示。

4.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用

4.2.1 多源數(shù)據(jù)融合展示

基于車站三維模型，平臺(tái)將空間數(shù)據(jù)與定位坐標(biāo)、視頻監(jiān)控圖像、設(shè)備狀態(tài)信息等多源數(shù)據(jù)充分融合，實(shí)現(xiàn)車站環(huán)境實(shí)景展示、視頻監(jiān)控圖像與客流動(dòng)態(tài)熱力圖實(shí)時(shí)更新、運(yùn)營(yíng)人員與導(dǎo)流設(shè)備位置實(shí)時(shí)展示等功能，為客流風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、大客流疏導(dǎo)、故障分析、乘客與運(yùn)營(yíng)人員異常行為監(jiān)測(cè)及應(yīng)急處置提供有效的管控手段。

4.2.2 實(shí)景地圖導(dǎo)航

平臺(tái)可基于實(shí)景地圖模型為乘客提供站內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)。當(dāng)乘客在站內(nèi)任意位置掃描車站提供的二維碼或連接站內(nèi)WiFi，平臺(tái)可對(duì)其進(jìn)行定位，并為其提供當(dāng)前所在點(diǎn)的實(shí)景位置信息；乘客還可通過(guò)輸入關(guān)鍵詞獲取站內(nèi)目標(biāo)位置處的實(shí)景影像，并通過(guò)輸入起點(diǎn)和終點(diǎn)獲取平臺(tái)規(guī)劃的最優(yōu)路徑?？偠灾?，平臺(tái)可支持乘客選擇路徑，以及當(dāng)前視角和全域視角觀察，為乘客提供更加直觀和便捷的出行服務(wù)。

4.2.3 AR隱蔽工程

平臺(tái)可基于AR 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車站內(nèi)隱蔽工程及資產(chǎn)管理信息在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的疊加顯示。對(duì)于車站墻體或走廊，可在車站真實(shí)畫面中顯示墻內(nèi)管線的走向、相對(duì)位置關(guān)系、管徑、埋深等空間分布信息，降低隱蔽工程現(xiàn)場(chǎng)施工、維護(hù)的難度；對(duì)于設(shè)施設(shè)備，可疊加顯示材質(zhì)、用途、維修記錄、維修人員等信息，輔助資產(chǎn)盤點(diǎn)、評(píng)估與評(píng)價(jià)工作。

4.2.4 VR應(yīng)急演練培訓(xùn)

平臺(tái)可基于VR 技術(shù)真實(shí)地模擬火災(zāi)、大客流等各類突發(fā)事件發(fā)生、演變、應(yīng)對(duì)的過(guò)程，為演練人員提供直觀、生動(dòng)、準(zhǔn)確的可視化演練場(chǎng)景和沉浸式的體驗(yàn)，通過(guò)文字與動(dòng)畫等形式指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)人員在突發(fā)事件中采取規(guī)范操作，并指引乘客正確使用車站設(shè)備安全逃生，從而提升運(yùn)營(yíng)人員的應(yīng)急處置能力，提高乘客的安全意識(shí)與自救能力。

5 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 BIM技術(shù)

平臺(tái)基于BIM 技術(shù)，為城軌車站三維模型的建立提供完整的、與實(shí)際情況一致的工程信息庫(kù)，該信息庫(kù)包含了建筑物構(gòu)件的幾何信息、專業(yè)屬性、狀態(tài)信息，以及非構(gòu)件對(duì)象的狀態(tài)信息；根據(jù)車站改擴(kuò)建情況對(duì)BIM 數(shù)據(jù)進(jìn)行修改與更新，動(dòng)態(tài)更新和生成車站的平面、立面、剖面圖紙信息，提供二維、三維、漫游等數(shù)據(jù)查看形式，為多專業(yè)應(yīng)用人員提供信息參考，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同工作；基于面積、結(jié)構(gòu)、能量等分析工具實(shí)現(xiàn)基于空間模型的工程量統(tǒng)計(jì)、建筑系統(tǒng)分析與災(zāi)難應(yīng)急模擬。

5.2 多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)

平臺(tái)整合城軌車站空間數(shù)據(jù)資源，建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出接口、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換規(guī)則等，將CAD 平面圖、BIM 模型、車站空間點(diǎn)云、實(shí)景影像、定位坐標(biāo)、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)通過(guò)外部數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入并存儲(chǔ)至服務(wù)器，通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)用API 接口將多源空間數(shù)據(jù)融合，并為業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用提供高效的調(diào)用與管理方式。平臺(tái)基于空間數(shù)據(jù)融合管理，對(duì)多源空間數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、編輯和屬性查看，將人員定位、視頻監(jiān)控、客流量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與空間模型匹配疊加，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合展示。

5.3 AR和VR技術(shù)

平臺(tái)可基于AR、二維碼等技術(shù)，獲取目標(biāo)位置的隱蔽工程信息，并將隱蔽工程虛擬數(shù)據(jù)疊加顯示在真實(shí)環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)不同隱蔽工程數(shù)據(jù)的切換顯示，以及隱蔽工程類型、材質(zhì)、權(quán)屬等屬性信息的疊加顯示。平臺(tái)還通過(guò)VR 開發(fā)引擎為車站環(huán)境與人物模型添加物理屬性，實(shí)現(xiàn)車站場(chǎng)景內(nèi)人-機(jī)-環(huán)境之間的交互，并基于粒子系統(tǒng)與動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，模擬火災(zāi)等情景下的逃生和疏導(dǎo)，以文字和動(dòng)畫的形式指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)人員和乘客進(jìn)行應(yīng)急處置和逃生。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出城軌車站空間數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，并給出其總體架構(gòu)和技術(shù)架構(gòu)，介紹其功能及應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。該方案將BIM、AR、VR、UWB 等空間信息技術(shù)集中應(yīng)用于城軌車站，為車站安全運(yùn)營(yíng)提供了技術(shù)保障，也為進(jìn)行客流監(jiān)測(cè)、人員定位等提供了新的思路與工具。目前，空間信息技術(shù)集成融合的實(shí)例較少，如何發(fā)揮其在城軌領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，助力智慧城軌建設(shè)，仍需要進(jìn)行深入研究。