智能鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)應(yīng)用研究

李順成，祝曉紅

（中鐵武漢電氣化局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引 言

國(guó)家已出臺(tái)實(shí)質(zhì)性的規(guī)劃和政策，如“2025年中國(guó)制造”的行動(dòng)計(jì)劃、“互聯(lián)網(wǎng)+”和新一代人工智能發(fā)展計(jì)劃。智能化是促進(jìn)鐵路現(xiàn)代化和運(yùn)營(yíng)的核心圈，是鐵路運(yùn)輸業(yè)務(wù)有效發(fā)展的重要支撐。全球鐵路服務(wù)需求的不斷增長(zhǎng)以及智能設(shè)備和信息技術(shù)的快速發(fā)展，給現(xiàn)有鐵路的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)帶來(lái)了前所未有的壓力。然而，傳統(tǒng)技術(shù)和方法并沒(méi)有很好地解決這些問(wèn)題，因此提出一種利用新技術(shù)捕獲、關(guān)聯(lián)和分析所有鐵路運(yùn)營(yíng)信息的方法，以提高鐵路部門的效率和靈活性，同時(shí)更快地創(chuàng)建更靈活的操作環(huán)境。構(gòu)建鐵路智能時(shí)空信息云平臺(tái)的愿景是利用智能識(shí)別和計(jì)量、更全面的互聯(lián)和更詳細(xì)的信息，將智能鐵路信息傳輸?shù)秸麄€(gè)鐵路系統(tǒng)和技術(shù)合作伙伴。感知和測(cè)量可以幫助鐵路管理局共享相關(guān)信息，從而更好地監(jiān)控運(yùn)營(yíng)并采取更積極的措施；信息整合、場(chǎng)景建模和數(shù)據(jù)分析可將戰(zhàn)略或運(yùn)維決策與敏銳的洞察力結(jié)合起來(lái)，有利于提高服務(wù)質(zhì)量品質(zhì)、服務(wù)的安全性與可靠性以及鐵路的運(yùn)維效率，并有效節(jié)約鐵路運(yùn)維成本。

1 總體架構(gòu)

根據(jù)鐵路公司智能鐵路總體規(guī)劃的內(nèi)容，智能云平臺(tái)作為鐵路的智能地理信息載體，建立了比較完整的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，可以滿足各大鐵路企業(yè)的需求，包括機(jī)務(wù)、車務(wù)、工務(wù)、電務(wù)以及車輛等多個(gè)不同關(guān)鍵部門的協(xié)同合作，形成鐵路時(shí)空信息資源共享交換機(jī)制，通過(guò)北斗高精度導(dǎo)航、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、智能終端等技術(shù)設(shè)備的綜合應(yīng)用以及原有基礎(chǔ)設(shè)施的升級(jí)改造，利用智能平臺(tái)統(tǒng)一調(diào)度所有資源，實(shí)現(xiàn)合理使用，進(jìn)一步提升整體效率和服務(wù)質(zhì)量。用于構(gòu)建智能鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)的總體框架如圖1所示[1]。

2 建設(shè)內(nèi)容

2.1 數(shù)據(jù)建設(shè)

2.1.1 數(shù)據(jù)建設(shè)內(nèi)容

數(shù)據(jù)組成內(nèi)容主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的DLG數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、編碼單元數(shù)據(jù)、鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、3D數(shù)據(jù)、運(yùn)維以及緊急情況等。

2.1.2 時(shí)空信息數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

數(shù)據(jù)資源是智能鐵路建設(shè)最重要的價(jià)值體現(xiàn)，基于積累的數(shù)據(jù)能夠輔助對(duì)鐵路運(yùn)行中問(wèn)題的預(yù)警、處理、趨勢(shì)預(yù)判起到重要作用。智能鐵路云平臺(tái)以時(shí)空信息資源整合為重點(diǎn)，完善智能鐵路數(shù)據(jù)中心時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)資源共享。對(duì)數(shù)據(jù)資源的深入分析與利用主要包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)以及應(yīng)急防災(zāi)數(shù)據(jù)庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)劃和設(shè)計(jì)。

2.2 主要基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

2.2.1 智能鐵路北斗地基增強(qiáng)系統(tǒng)建設(shè)

地面增強(qiáng)系統(tǒng)（GBAS）是衛(wèi)星定位、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字通信等與其他技術(shù)的組合，以滿足高鐵的操作管理效率和安全監(jiān)控要求。

圖1 智能鐵路時(shí)空信息云平臺(tái)建設(shè)總體框架示意圖

2.2.2 數(shù)據(jù)中心與數(shù)據(jù)采集設(shè)備

數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是智能鐵路云平臺(tái)建設(shè)最重要的硬件基礎(chǔ)，是鐵路信息化軟硬件運(yùn)行的承載體。構(gòu)建數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施主要包括構(gòu)建云平臺(tái)的基礎(chǔ)設(shè)施和安全設(shè)施。

高鐵的速度已經(jīng)顯著提高，新技術(shù)如高架橋、碎石道和大量的無(wú)縫線路可以用來(lái)做一個(gè)平穩(wěn)的列車運(yùn)行，確保鐵路、橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)運(yùn)行狀態(tài)，保障高速鐵路列車的安全穩(wěn)定運(yùn)行。眾多無(wú)線傳感器設(shè)備對(duì)服務(wù)狀態(tài)和環(huán)境等信息進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)控，確保高速鐵路交通安全。無(wú)線傳感器由分布式網(wǎng)絡(luò)組成，該網(wǎng)絡(luò)由許多傳感器節(jié)點(diǎn)和無(wú)線通信方法組成，其中目標(biāo)信息被實(shí)時(shí)收集和處理，且數(shù)據(jù)被發(fā)送到鐵路監(jiān)控部門。

2.3 智能鐵路云服務(wù)管理平臺(tái)建設(shè)

在時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)和鐵路大數(shù)據(jù)建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，基于開放的面向服務(wù)的架構(gòu)體系設(shè)計(jì)理念和服務(wù)聚合技術(shù)，建立統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的智能鐵路云服務(wù)體系，提供基礎(chǔ)地圖服務(wù)地名地址服務(wù)、動(dòng)態(tài)服務(wù)、地理計(jì)算服務(wù)、鐵路專題、搜索服務(wù)以及感知服務(wù)等多種不同類型的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能鐵路時(shí)空信息資源的整合、集成、管理、共享及維護(hù)更新，向鐵路行業(yè)的相關(guān)部門以及社會(huì)公眾提供泛在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的多維度、多類型、多用途時(shí)空信息服務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)鐵路時(shí)空信息資源的共通、共融、共享[2]。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于BDS的地基增強(qiáng)系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是中國(guó)建造的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，獨(dú)立運(yùn)行，與世界上其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容。該系統(tǒng)目前覆蓋亞太地區(qū)，為亞太地球提供導(dǎo)航、定位及通信服務(wù)，并將于2020年完成。在建立全球供應(yīng)能力前，已經(jīng)開發(fā)出改進(jìn)的系統(tǒng)以改進(jìn)衛(wèi)星導(dǎo)航和定位系統(tǒng)的定位性能，并滿足更精確定位的應(yīng)用要求。

北斗衛(wèi)星地面改善系統(tǒng)是一個(gè)基于本地高速網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)的參考星際網(wǎng)絡(luò)，主要由參考站網(wǎng)絡(luò)、通信網(wǎng)絡(luò)、中心和用戶部分組成。IP服務(wù)和參考站訪問(wèn)主要使用光纖或受限數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，中央服務(wù)器使用分布式傳送方法。

3.2 面向目標(biāo)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的流式計(jì)算技術(shù)

主要針對(duì)視頻實(shí)時(shí)流進(jìn)行實(shí)時(shí)分類識(shí)別。視頻流的對(duì)象分類識(shí)別的主要核心技術(shù)包含標(biāo)準(zhǔn)視頻流協(xié)議RTSP、RTMP、HLS訪問(wèn)支持和視頻H264、H265解碼。圖像內(nèi)容識(shí)別分類時(shí)，為了克服傳統(tǒng)的圖像識(shí)別對(duì)視頻這類隨機(jī)復(fù)雜的環(huán)境識(shí)別能力弱、誤報(bào)率高而無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用要求的情況，系統(tǒng)采用卷積的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過(guò)大量的圖像對(duì)象分割樣本輸入卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)當(dāng)前復(fù)雜環(huán)境人、車、動(dòng)物內(nèi)容實(shí)時(shí)高準(zhǔn)確率的識(shí)別與分割。為了加快深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算速度，運(yùn)算使用nvidia GPU并行計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的識(shí)別速度，服務(wù)模塊采用圖像運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的判別快速算法，對(duì)視頻幀的冗余信息進(jìn)行過(guò)濾預(yù)處理，大大提升了節(jié)點(diǎn)處理視頻路數(shù)并發(fā)能力，減少了成本。

4 智能鐵路應(yīng)用示范

針對(duì)鐵路的時(shí)空信息云平臺(tái)的演示智能應(yīng)用建設(shè)的主要思想，是以云的形式提供Web應(yīng)用程序。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）由中國(guó)自行研制的具有定位、導(dǎo)航和授時(shí)（PNT）3個(gè)功能的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著“十三五”規(guī)劃的推進(jìn)，國(guó)務(wù)院、國(guó)家交通運(yùn)輸部等多個(gè)部門相繼編制、印發(fā)了與鐵路行業(yè)相關(guān)的“十三五”規(guī)劃。結(jié)合鐵路行業(yè)相關(guān)規(guī)劃需求和北斗PNT能力分析可知，北斗技術(shù)在鐵路行業(yè)可提供多方面的服務(wù)能力。

4.1 列車監(jiān)控、調(diào)度管理系統(tǒng)

以時(shí)空信息云為核心，利用精度較高的衛(wèi)星導(dǎo)航接收信息，通過(guò)RTK（實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法）或P3（精密單點(diǎn)定位法）計(jì)算得到目標(biāo)物的三維數(shù)據(jù)、運(yùn)行速度以及方向，并且通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò)將所得數(shù)據(jù)及時(shí)回饋給控制中心，最后控制中心以相關(guān)技術(shù)獲取數(shù)據(jù)信息，并將信息發(fā)送給調(diào)度人員，進(jìn)而保證列車行駛和線路運(yùn)輸。

4.2 北斗鐵路形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

以時(shí)空信息云為核心，綜合運(yùn)用鐵路物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)，通過(guò)北斗技術(shù)監(jiān)測(cè)鐵路形變，主要用于鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)、鐵路橋梁監(jiān)測(cè)以及鐵路隧道監(jiān)測(cè)等。

4.2.1 鐵路沿線地災(zāi)監(jiān)測(cè)

鐵路沿線地質(zhì)災(zāi)害的監(jiān)測(cè)包括監(jiān)控、分析以及災(zāi)害和綜合信息服務(wù)的預(yù)測(cè)3個(gè)主要部分。利用衛(wèi)星導(dǎo)航傳感器和數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)（發(fā)生災(zāi)害區(qū)域的變形信息以及誘發(fā)因素信息）采集，隨后通過(guò)特征提取、數(shù)據(jù)融合等方式進(jìn)行災(zāi)情分析，最后在地理信息系統(tǒng)平臺(tái)的輔助下整合所有數(shù)據(jù)，以地圖形式展開，便于進(jìn)行分析和探討。

4.2.2 路基沉降監(jiān)測(cè)

采用精密測(cè)量技術(shù)，集合網(wǎng)絡(luò)傳輸、信號(hào)處理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，建立遠(yuǎn)程的、實(shí)時(shí)的、自動(dòng)的、高精度的路基沉降觀測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)重載鐵路路基沉降的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

4.2.3 鐵路橋梁安全監(jiān)測(cè)

利用北斗的高精度，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)鐵路橋梁撓度、位移、索力、裂縫、加速度、振動(dòng)、傾角以及各類受力構(gòu)件的應(yīng)力狀態(tài)等，確保鐵路橋梁安全運(yùn)行。

4.2.4 隧道安全監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的拱頂下沉、周邊收斂、路面沉降、地表沉降、壓力、應(yīng)變以及裂縫等結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的變化，實(shí)時(shí)評(píng)估隧道的安全性和適用性，為隧道運(yùn)營(yíng)管理提供數(shù)據(jù)支持。

4.3 北斗鐵路云巡檢

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和北斗移動(dòng)通信技術(shù)中，時(shí)空信息云是其核心。鐵路軌道的設(shè)備檢查點(diǎn)與檢查軌道相結(jié)合，不僅可以了解每個(gè)鐵路段檢查部門檢查人員的到達(dá)和離開時(shí)間，還可以了解檢查軌道、各鐵路系統(tǒng)的故障和設(shè)備檢驗(yàn)部門，使管理人員能夠清楚地了解檢查員的工作狀態(tài)和線路的檢查狀態(tài)，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障，提高鐵路運(yùn)營(yíng)的安全性。

5 結(jié) 論

智能網(wǎng)絡(luò)時(shí)空信息云平臺(tái)是“智能鐵路”大背景下不可或缺的重要基礎(chǔ)設(shè)施，是一種更直觀的信息可視化方法，用于表示存在于所有事物中的位置特征信息，為建筑智能化鐵路提供了重要的基礎(chǔ)信息平臺(tái)。