楊玲玲 解亞龍 王志華 徐文生 劉國躍 魯玉龍

1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司， 北京 100081； 2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所， 北京 100081；3.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司， 北京 100081

中國擁有世界上技術(shù)最全、集成能力最強(qiáng)、運(yùn)營里程最長以及運(yùn)行速度最高的高速鐵路系統(tǒng)［1］。面對如此龐大復(fù)雜的路網(wǎng)規(guī)模，高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測一直以來都是鐵路安全體系中重要的組成部分，是鐵路安全運(yùn)行的保障和科學(xué)指導(dǎo)線路養(yǎng)護(hù)維修的重要依據(jù)［2］。高速綜合檢測列車是高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測的重要移動檢測設(shè)備，通過車上搭載的各種專項(xiàng)檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)的動態(tài)檢測及評價。列車上搭載的各檢測系統(tǒng)按照專業(yè)劃分，工務(wù)專業(yè)主要包括軌道幾何檢測系統(tǒng)、輪軌力檢測系統(tǒng)、加速度檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對軌道幾何狀態(tài)、加速度、輪軌力各項(xiàng)參數(shù)的動態(tài)檢測；電務(wù)專業(yè)主要包括通信檢測系統(tǒng)和信號檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對通信、應(yīng)答器、軌道電路等各項(xiàng)參數(shù)的動態(tài)檢測；供電專業(yè)主要包括弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)幾何參數(shù)、弓網(wǎng)動態(tài)作用、供電參數(shù)的動態(tài)檢測。

各專業(yè)檢測系統(tǒng)在保障鐵路持續(xù)安全運(yùn)營中發(fā)揮了重要作用，但存在各專業(yè)檢測系統(tǒng)獨(dú)立部署運(yùn)行、數(shù)據(jù)共享融合性不強(qiáng)，數(shù)據(jù)整合展示能力、人機(jī)交互體驗(yàn)不足等問題。隨著5G、人工智能、BIM、GIS、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的到來以及高速鐵路智能化發(fā)展需求，有必要整合各專業(yè)檢測需求，統(tǒng)一規(guī)劃建設(shè)，規(guī)范數(shù)據(jù)發(fā)布內(nèi)容和格式，建立統(tǒng)一共享的平臺，將各專業(yè)多源、異構(gòu)、動態(tài)數(shù)據(jù)通過集成、融合、分析、共享并呈現(xiàn)，通過一張圖實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、多維度高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)綜合分析及評價，為高速鐵路運(yùn)營安全評估和養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)支撐。

1 多專業(yè)檢測信息融合思路

多專業(yè)檢測信息融合思路見圖1。首先采用ETL（Extract‐Transform‐Load）等數(shù)據(jù)處理方法，將從外部系統(tǒng)和已有的工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中獲取的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、分類、加工等，形成可共享的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；然后分別將GIS數(shù)據(jù)、BIM + GIS數(shù)據(jù)、綜合圖數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，形成GIS多源信息融合、BIM + GIS信息融合、綜合圖多源信息融合以及多源信息融合一張圖的應(yīng)用。

圖1 多專業(yè)檢測信息融合思路

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測信息融合平臺（簡稱多源信息融合平臺）主要由采集層、處理層、支撐層、服務(wù)層和應(yīng)用層組成?？傮w架構(gòu)見圖2。

圖2 多源信息融合平臺總體架構(gòu)

1）采集層：實(shí)現(xiàn)對工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)檢測數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和二/三維數(shù)據(jù)的采集。

2）處理層：通過對數(shù)據(jù)的集成、清洗、轉(zhuǎn)換、加載、加工、分類、挖掘、檢索等，形成包含空間地理數(shù)據(jù)倉庫、三維模型數(shù)據(jù)倉庫、業(yè)務(wù)主題數(shù)據(jù)倉庫（涵蓋實(shí)時/歷史檢測數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)）的車載數(shù)據(jù)資源中心。

3）支撐層：提供地理信息引擎、BIM + GIS引擎、二維繪圖引擎、權(quán)限認(rèn)證引擎、報表引擎、數(shù)據(jù)庫引擎、數(shù)據(jù)共享交換、統(tǒng)一日志等，為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供支撐。

4）服務(wù)層：提供數(shù)據(jù)管理服務(wù)、GIS服務(wù)、BIM服務(wù)、綜合底圖服務(wù)、統(tǒng)計查詢、數(shù)據(jù)接口等服務(wù)。

5）應(yīng)用層：通過將GIS、BIM + GIS、綜合圖等數(shù)據(jù)信息與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合構(gòu)成基于一張圖的底層數(shù)據(jù)，在此之上形成列車位置實(shí)時追蹤、GIS地圖/BIM模型與數(shù)據(jù)聯(lián)動、線路質(zhì)量表達(dá)、超限值實(shí)時報警、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備定位等上層業(yè)務(wù)應(yīng)用。

2.2 功能架構(gòu)設(shè)計

多源信息融合平臺的主要功能包括綜合展示、GIS多源信息融合子系統(tǒng)、BIM + GIS多源信息融合子系統(tǒng)、設(shè)備綜合信息融合子系統(tǒng)、頁面配置管理、基礎(chǔ)信息管理等。功能架構(gòu)見圖3。

圖3 多源信息融合平臺功能架構(gòu)

1）GIS多源信息融合系統(tǒng)

采用開源GeoServer平臺，通過地圖管理實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的集成以及地圖的放大、縮小、平移、定位等功能，通過圖層疊加和置換功能實(shí)現(xiàn)不同透明度的多圖層同時顯示及更換圖層的功能［3］。GIS多源信息融合系統(tǒng)以GIS矢量圖、影像圖為底圖，通過線路點(diǎn)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行線路繪制，融合設(shè)備臺賬及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)集多專業(yè)于一體的高速綜合檢測列車實(shí)時檢測和歷史檢測功能，包括列車位置實(shí)時追蹤、超限值報警、圖數(shù)協(xié)同聯(lián)動、線路質(zhì)量表達(dá)、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備定位、超限值統(tǒng)計、歷史交路回溯等功能。

2）BIM + GIS多源信息融合系統(tǒng)

采用SuperMap GIS平臺進(jìn)行BIM、GIS集成，BIM能夠提供微觀部件級的構(gòu)筑物數(shù)據(jù)，影像圖及傾斜攝影能夠提供宏觀地理尺度的空間數(shù)據(jù)，兩者通過GIS實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，形成完整的信息資源綜合展示與分析計算［4-5］。BIM + GIS多源信息融合系統(tǒng)，通過利用BIM + GIS多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、動態(tài)加載及渲染、模型輕量化等關(guān)鍵技術(shù)［6］，解決與多專業(yè)檢測業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合集成難題，實(shí)現(xiàn)基于BIM + GIS的車（實(shí)體）-模（虛擬）實(shí)時聯(lián)動、超限值實(shí)時報警、構(gòu)筑物定位、重點(diǎn)構(gòu)筑物動/靜態(tài)信息介紹、BIM模型漫游、BIM與全生命周期數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)等功能。

3）設(shè)備綜合信息融合系統(tǒng)

設(shè)備綜合圖通過采用多專業(yè)綜合圖自動繪制技術(shù)，將設(shè)備與生產(chǎn)信息在一張圖中進(jìn)行了集成，在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施綜合維修生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用［7］。通過對接列車實(shí)時里程信息以及聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)時檢測信息，在京張高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試中進(jìn)行了應(yīng)用［8］。針對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)時動態(tài)檢測需求，采用二維繪圖引擎ZRender，進(jìn)一步對設(shè)備綜合圖進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及研發(fā)［9］，在一張設(shè)備綜合圖中實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)設(shè)備分泳道顯示，超限值數(shù)據(jù)疊加、協(xié)同聯(lián)動等功能。

3 車載數(shù)據(jù)資源中心的構(gòu)建

高速綜合檢測列車上集成了軌道幾何、車輛加速度響應(yīng)、輪軌力、弓網(wǎng)、通信、信號等專業(yè)檢測系統(tǒng)，通過綜合系統(tǒng)發(fā)布列車統(tǒng)一的速度、時鐘、里程、視頻等信息，并通過數(shù)據(jù)歸集子系統(tǒng)對各專業(yè)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚及存儲。各專業(yè)檢測系統(tǒng)組成及檢測參數(shù)見表1，綜合系統(tǒng)組成及各子系統(tǒng)功能見表2。

表1 各專業(yè)檢測系統(tǒng)及檢測參數(shù)

表2 綜合系統(tǒng)組成及各子系統(tǒng)功能

對多源信息融合數(shù)據(jù)需求進(jìn)行分析，主要分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、二/三維數(shù)據(jù)三大類，見表3。

表3 多源信息融合數(shù)據(jù)分類

車載數(shù)據(jù)資源中心的構(gòu)建流程見圖4。通過數(shù)據(jù)歸集子系統(tǒng)，將各專業(yè)檢測結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)及非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)匯集至車載數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器；根據(jù)檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)劃分為不同的主題，搭建多維主題數(shù)據(jù)倉庫。多維主題數(shù)據(jù)倉庫與地理空間數(shù)據(jù)倉庫、三維模型數(shù)據(jù)倉庫以及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成車載數(shù)據(jù)資源中心，對各專業(yè)檢測數(shù)據(jù)資源進(jìn)行歸納、整理、重定義和再組織，為數(shù)據(jù)的多維分析、二/三維集成融合及展示提供支持。

圖4 車載數(shù)據(jù)資源中心構(gòu)建流程

4 多源信息融合系統(tǒng)的應(yīng)用

4.1 綜合展示

如圖5所示，基于列車統(tǒng)一的速度、時鐘、里程信息，將線路情況（包括線路名稱、行別、線路長度、實(shí)時列車速度、里程以及列車位置）、列車周邊環(huán)境、多維信息融合（GIS、BIM + GIS、設(shè)備綜合圖）、多專業(yè)實(shí)時檢測數(shù)據(jù)、歷史統(tǒng)計匯總五大模塊集成融合在一張圖上，實(shí)現(xiàn)多維信息集成共享、多圖協(xié)同聯(lián)動、多專業(yè)檢測數(shù)據(jù)融合分析、一體化集成展示［9］。

圖5 綜合展示頁面

4.2 GIS多源信息融合系統(tǒng)

GIS多源信息融合系統(tǒng)主要功能如下。

1）列車位置實(shí)時追蹤

通過對接列車實(shí)時坐標(biāo)位置信息，使用經(jīng)緯度在地圖上生成位置點(diǎn)，將列車的地理位置顯示在電子地圖上，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車位置的實(shí)時追蹤。

2）超限值報警

根據(jù)各專業(yè)檢測的超限值，結(jié)合線路的里程信息將超限值報警點(diǎn)分布于GIS線路上，通過不同形式和顏色的圖標(biāo)進(jìn)行展示，并能查看該報警點(diǎn)的詳細(xì)信息。

3）圖數(shù)協(xié)同聯(lián)動

以電子地圖為基礎(chǔ)，通過GIS線路上的不同圖標(biāo)，可查看各專業(yè)實(shí)時報警數(shù)據(jù)、查詢包含車站、橋梁、隧道等設(shè)備臺賬信息以及病害信息，實(shí)現(xiàn)GIS線路與各類數(shù)據(jù)的聯(lián)動與交互。

4）線路質(zhì)量表達(dá)

按照線路動態(tài)質(zhì)量評定要求，根據(jù)線路總扣分情況，將每千米線路動態(tài)評定標(biāo)準(zhǔn)分為三個等級：優(yōu)良（總扣分在50分以內(nèi)），合格（總扣分在51 ~ 300分），失格（總扣分在300分以上）。根據(jù)實(shí)際檢測的線路總扣分情況，在地圖上用紅（失格）、黃（合格）、綠（優(yōu)良）顏色繪制不同質(zhì)量的線段，直觀地對線路質(zhì)量進(jìn)行展示。

5）基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備定位

按工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備臺賬進(jìn)行空間數(shù)據(jù)建設(shè)，形成全專業(yè)一張圖，實(shí)現(xiàn)基于地圖圖層按專業(yè)、按設(shè)備類型分層展示及定位功能。

6）超限值統(tǒng)計

通過圖例、圖標(biāo)、餅狀圖、柱狀圖等多維可視化展示形式，對軌檢大值報警、TQI超限、線路扣分、輪軌力超限、加速度偏差、接觸網(wǎng)偏差、CDI、通信檢測報警、信號問題數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計，并在地圖上的線路上進(jìn)行展示，通過點(diǎn)擊線路上的圖標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)信息的查看。

7）歷史交路回溯

針對歷史檢測，通過對線路的檢測過程進(jìn)行回放，實(shí)現(xiàn)對歷史檢測數(shù)據(jù)及檢測情況的問題追溯及跟蹤，為歷史檢測數(shù)據(jù)分析提供依據(jù)。

4.3 BIM + GIS多源信息融合系統(tǒng)

BIM + GIS多源信息融合系統(tǒng)主要功能如下。

1）車（實(shí)體）-模（虛擬）實(shí)時聯(lián)動

通過對接實(shí)時速度和里程接口，獲取列車的實(shí)時速度和里程并驅(qū)動BIM模型加載前進(jìn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)體車與BIM模型聯(lián)動虛實(shí)映射、數(shù)字孿生，使用戶獲得沉浸式體驗(yàn)。

2）超限值實(shí)時報警

在車-模聯(lián)動模式下，各專業(yè)檢測數(shù)據(jù)通過里程與BIM模型相關(guān)聯(lián)，隨著列車的檢測前進(jìn)，當(dāng)有超限值發(fā)生時，將自動在BIM模型相應(yīng)位置上進(jìn)行報警。

3）重點(diǎn)構(gòu)筑物動/靜態(tài)信息介紹

當(dāng)高速綜合檢測列車經(jīng)過重點(diǎn)構(gòu)筑物時，BIM模型上實(shí)時顯示該構(gòu)筑物的靜態(tài)（文字、圖片等）介紹及動態(tài)視頻信息。

4）構(gòu)筑物定位

將BIM模型與構(gòu)筑物相關(guān)聯(lián)，通過構(gòu)筑物列表進(jìn)行構(gòu)筑物BIM模型定位和查看。

5）高精度BIM模型漫游

對重點(diǎn)構(gòu)筑物采用高精度BIM模型漫游功能，通過漫游功能在三維場景中身臨其境全方位查看橋梁結(jié)構(gòu)、隧道結(jié)構(gòu)、車站內(nèi)設(shè)備等。

6）BIM與全生命周期數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

通過將運(yùn)維期的檢測數(shù)據(jù)以及鐵路工程管理平臺中的建設(shè)期數(shù)據(jù)加載到BIM模型中，實(shí)現(xiàn)基于設(shè)計-建設(shè)-運(yùn)維的全生命周期管理。

4.4 設(shè)備綜合信息融合系統(tǒng)

設(shè)備綜合信息融合系統(tǒng)主要功能如下。

1）設(shè)備臺賬圖形化表達(dá)

依據(jù)TB/T 10059

—1998《鐵路工程制圖圖形符號標(biāo)準(zhǔn)》，對鐵路基礎(chǔ)設(shè)備采用圖標(biāo)、示意等對各專業(yè)設(shè)備進(jìn)行形象化表達(dá)。

2）多設(shè)備及超限值疊加

基于設(shè)備臺賬信息，采用仿泳道分區(qū)的形式，將工務(wù)、電務(wù)、供電專業(yè)設(shè)備以及各專業(yè)的超限值在不同的泳道中進(jìn)行疊加顯示。

3）超限值實(shí)時報警

通過對接列車的統(tǒng)一里程信息，當(dāng)各專業(yè)檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)超限值時，在泳道相應(yīng)的里程位置上實(shí)時報警顯示。

4）連續(xù)圖形實(shí)時繪制

設(shè)備綜合圖以線路里程為橫向坐標(biāo)，隨著列車實(shí)時檢測對設(shè)備綜合圖進(jìn)行連續(xù)實(shí)時繪制及分幅顯示。

5）設(shè)備詳細(xì)信息查看

支持查看每個設(shè)備的詳細(xì)臺賬及檢測數(shù)據(jù)信息。

6）超限值統(tǒng)計

實(shí)時動態(tài)統(tǒng)計每個專業(yè)的超限值情況。

4.5 頁面配置管理

綜合展示頁面中的實(shí)時車載專業(yè)檢測分析模塊因展示空間位置有限，工務(wù)、電務(wù)、供電多專業(yè)的檢測數(shù)據(jù)不能全部展示。為滿足不同用戶需求，采用靈活的頁面配置方法，實(shí)現(xiàn)快速靈活設(shè)計頁面及展示，使程序開發(fā)和維護(hù)都簡單便捷。

4.6 基礎(chǔ)信息管理

基礎(chǔ)信息管理實(shí)現(xiàn)對檢測交路信息的管理，明確實(shí)時檢測任務(wù)，并為歷史檢測回溯提供檢測任務(wù)記錄；實(shí)現(xiàn)檢測交路下多條檢測線路信息的管理；實(shí)現(xiàn)對GIS地理信息數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)以及工務(wù)、電務(wù)、供電設(shè)備臺賬信息的管理及維護(hù)。

5 研究展望

高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測信息融合平臺系統(tǒng)在國家鐵道試驗(yàn)中心、京張高鐵進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，將在復(fù)興號平臺高速綜合檢測列車［10］上部署應(yīng)用，可為提升高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施動態(tài)檢測智能化水平發(fā)揮積極作用。但仍存在一些問題需要進(jìn)一步研究。

1）GIS底圖上的線路繪制依賴于已有的GIS線路點(diǎn)庫，而目前GIS線路點(diǎn)庫未能覆蓋全部運(yùn)營線路。下一步將通過高速綜合檢測列車，對缺少GIS線路點(diǎn)庫以及新開通的線路進(jìn)行線路坐標(biāo)數(shù)據(jù)的采集及專業(yè)化處理，形成完備的GIS線路點(diǎn)庫。

2）由于高速鐵路線路長，BIM模型建模速度相對較慢，目前不支持全部線路基于BIM + GIS的多源信息融合。下一步繼續(xù)開展BIM構(gòu)件庫建立、參數(shù)化快速建模、模型自動輕量化等技術(shù)研究及應(yīng)用，率先完成八縱八橫線路的建模及應(yīng)用。

3）為實(shí)時準(zhǔn)確地掌握我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施服役狀態(tài)，分析預(yù)測其變化趨勢，及時發(fā)現(xiàn)各類設(shè)備病害，我國建立了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測數(shù)據(jù)處理分析中心（簡稱地面數(shù)據(jù)處理中心），實(shí)現(xiàn)了對移動周期檢測、固定在線監(jiān)測、現(xiàn)場人工檢查和養(yǎng)護(hù)維修作業(yè)等多源數(shù)據(jù)的接入與集成管理［11］。隨著5G技術(shù)在車-地實(shí)時傳輸中的研究及應(yīng)用［12］，車上實(shí)時檢測數(shù)據(jù)可及時傳送至地面數(shù)據(jù)處理中心，地面數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)也能無縫接入車載數(shù)據(jù)資源中心。下一步將基于5G車-地傳輸系統(tǒng)，深入開展基于BIM、GIS、設(shè)備綜合圖技術(shù)的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)融合分析及綜合展示。

6 結(jié)語

本文以高速綜合檢測車為載體，提出了基于GIS、BIM + GIS、設(shè)備綜合圖的高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施多專業(yè)動態(tài)檢測數(shù)據(jù)融合思路，設(shè)計了多專業(yè)檢測系統(tǒng)信息融合平臺的總體架構(gòu)及功能架構(gòu)；通過對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、歸納、整理、重定義和再組織，構(gòu)建了車載數(shù)據(jù)資源中心，研發(fā)了GIS、BIM + GIS、設(shè)備綜合信息融合系統(tǒng)，解決了多專業(yè)檢測系統(tǒng)獨(dú)立檢測、數(shù)據(jù)共享弱等問題，實(shí)現(xiàn)了多專業(yè)信息融合的列車位置追蹤、異常自動報警、歷史檢測交路回溯、設(shè)備定位及屬性關(guān)聯(lián)、病害分析等功能。三個系統(tǒng)作為多專業(yè)檢測系統(tǒng)信息融合平臺的主要功能模塊既各有特色又相互補(bǔ)充，滿足宏觀、微觀及專業(yè)化場景業(yè)務(wù)需求，為用戶提供了多維可視化體驗(yàn)，為多專業(yè)融合分析、一體化決策及協(xié)同管理提供了技術(shù)支撐。