三維可視化技術在軌道交通數字化運營管理的應用

婁亭

摘要 文章將三維可視化技術與軌道交通車站超大規模線網運營管理要求相結合，通過對運營管理需求、實現技術架構、可視化設計三個方面的分析及設計，梳理了通過三維可視化技術為車站管理人員提供一個滿足各專業資源共享、互聯互通、態勢可視的數字化運營管理平臺的實現技術路線。為三維可視化技術在軌道交通數字化運營管理方面的應用探索提供借鑒。

關鍵詞 數字化;運營管理;三維可視化技術

中圖分類號 F572.88文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2022）13-0004-03

0 引言

目前上海地鐵已全面進入超大規模線網時代，運營線路20條（含浦江線、磁浮），運營長度772 km，運營460余座車站，占全市公共交通出行分擔率已超67%，線網規模穩居世界第一，地鐵已成為上海市民首選的公共交通出行方式[1]。龐大的建設規模和運營線路對行車運營及乘客服務帶來了前所未有的挑戰：一方面需要保障運營有序、高效，另一方面需要滿足乘客乘坐地鐵時安全、舒適、便捷等不斷提高的服務需求。

探索通過三維可視化技術實現軌道交通車站設備、人員、業務的動態展示，充分發揮數據互通、數據融合、數據共享的作用，將業務和管理在統一的三維可視化平臺上進行構建，可以實現對軌道交通管理模式的數字化升級。

1 功能設計

三維可視化技術是利用計算機圖形學和圖像處理技術，將對象及數據轉換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進行交互處理的技術和方法。通過基于三維可視化的數字車站綜合信息看板以可視化為管理手段，可以實現對數據資產設備、乘客流量情況、設備運行狀況等進行監控管理。基于三維可視化的數字車站綜合信息看板設計功能如下：

（1）多場景功能：三維立體環境中，各種場景類型都可以在車站整體的大環境中模擬與顯示，操作人員不再需要監視不同的子顯示系統而了解全局的實時情況。

（2）容量可視化功能：軌道交通運營組織的基礎是客流分析，從客流認知、可視化、人機交互的綜合視角出發，對容客空間、承重大小、節能容量以更簡明的形式做可視化展示。

（3）設備可視化功能：實現對車站內設備進行3D建模，使虛擬場景與實際場景一一對應;可快速搜索定位目標設備并實時顯示其狀態信息。

（4）資產可視化功能：直觀掌握機房設備分布，建立故障資料庫，可以模擬現實場景，查看實時狀態和資產信息，從而快速排除并修復故障，提高故障解決效率。

（5）監控可視化功能：實現對車站模擬三維場景中的設備實時狀態監控、告警可視化。

（6）任務盤點功能：對監控告警歷史數據進行盤點統計，發布任務信息，支持日檢、運維、維修等任務管理，并對任務歷史數據盤點統計。

（7）自動巡檢功能：模擬運維人員自動巡檢動畫，進行相關機房的慣例巡檢，巡檢監控視頻顯示在軟件或者軟件機器人巡檢界面上。

（8）人員定位功能：實現車站服務人員日常勤務的定位可視化管理，實時掌握勤務人員的部署和動態，便于及時調派，響應人員快速布崗要求。

（9）決策可視化功能：從底層數據中提取關鍵數據，以數據驅動運營方向，使運營場景可視化，對決策提供科學支撐。

（10）場景聯動功能：根據業務邏輯判定條件，自動觸發場景聯動指令，對運營人員提供相關操作建議，并指揮各系統執行一系列的控制動作快速對場景及事件進行處置。

2 架構設計

目前軌道交通系統采集到的數據主要分為設備運行、人員管理、任務管理三方面，其特點主要是：

（1）數據產生速度快，隨機性強：監測數據每時每刻都在發生變化，并以ms或μs的時間間隔發生變化，而且變化的隨機性強、動態性強。

（2）數據維度多樣，交叉性強：外部數據包括交通路況、天氣數據、乘客流量和其他相關公共數據等;內部數據包括運營數據、服務數據、生產數據、維修數據、人員數據、物資數據、財務數據等。

（3）數據體量龐大，異構性強：由于數據來源多、采集間隔小，使得數據量異常龐大;由于數據來源于多種不同系統和用戶輸入，除了存在結構化數據外還存在非結構化數據，且非結構化數據的占比較大。

（4）數據安全等級高，安全性強：數據中既有生產系統等物聯網系統采集終端傳感器的第一手數據，又有管理管控類的人財物數據，上述數據涉及企業秘密和公共安全，需要較高的安全性。

（5）數據應用價值較高：通過軌道交通運營過程中產生的數據研究成果，妥善安排運營管理工作，有助于解決乘客出行難題和協調應急聯動指揮。

結合上述軌道交通行業的數據特點，設計基于三維可視化的數字車站綜合信息看板的數據架構，主要分為三個層面的內容，如圖1所示。

數據中心層：系統通過數據采集和傳感器、智慧感知設備集成框架實現不同系統和數字綜合信息看板的對接，實現數據信息在系統中的統一管理和實時數據瀏覽。

數據處理層：對數據中心的數據進行清洗、抽取、存儲、計算、分析，通過可視化技術優化的數據為實現系統各種終端流暢的可視化展示車站運行模式、乘客流量、系統實時狀態等信息提供依據和條件。

數據展示層：系統可實現數據處理后的數據結合建筑物建模、建筑物內部格局建模、房間內部設備建模以及內部的采光、陰影等效果的建模展示。系統從用戶的應用方式和應用場景考慮，提供多種先進的數據展示效果，滿足整體調度、智能監控、運營任務的要求。

3 可視化設計

3.1 可視化設計流程

數據可視化的流程模型有很多種，最為基礎的是圖2所示的線性模型。

在此基礎上有驗證加迭代的嵌套模型、首尾連接的循環模型、加入用戶交互的整體循環模型等。

3.2 車站數據可視化設計78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

車站數據三維可視化車站設計，是車站數據綜合信息的可視化，需要從設備運行、人員管理、任務管理三方面內容進行展示。

3.2.1 設備運行

在設備運行方面，智慧地鐵，智能聯動。

（1）還原車站整體三維視圖，多角度全景展示。在一個視圖中展示綜合的實景信息。管理人員不需要監視不同的子顯示系統而了解全局的實時情況。看板將實時傳感器監視點與三維模型結合起來，管理人員可以在一個視圖內獲得全面的實景信息。同時管理人員可以使用三維的控制工具，對數字建筑模型進行控制，隱藏/顯示不同的設備信息，來獲得更詳盡有效的實景信息。用戶通過鼠標完成對整個3D場景自由漫游、縮放和旋轉操作，從而滿足用戶360°查看場景的需要，給用戶帶來良好的交互感和浸入感。

（2）對接車站子系統進行信息處理，展示設備狀態信息。用戶可以查看設備基本信息，通過點擊的形式查看設備的基本屬性信息;系統自動預警、自動分析、數據報表查看，數據歷史視頻查看，實時監控設備運行狀態和設備控制范圍，故障或超出閾值時，自動報警，自動定位，并閃爍提示。當系統檢測到設備出現告警信息時，在該設備的上方彈出對應的警告標志，用戶點擊報警標志，彈出報警詳情，包括告警時間、告警類別、告警原因等。

（3）在三維車站模型上，進行設備管理、運營管理。3D 可視化告警系統釆用三維可視化技術在客戶端對工業生產設備進行虛擬化仿真模擬，并基于綜合監控管理平臺采集到的數據進行設備運行情況的形象立體化展示，多種形式的圖表展示設備環境，使管理人員擺脫表格、文本等傳統方式的數據可視化方式。

（4）有效聯動各專業子系統，形成一站式綜合管理的三維可視化底圖。在可視化視角下，多系統聯動效果實時顯示，更方便快捷地實現故障分析、環境監控、火災報警、廣播、乘客信息等系統的聯動。

3.2.2 人員管理

在人員管理方面，可做到的客流量控制、大客流處置、站內人員管理。

（1）結合客流系統，客流實時和動態數據情況展示。利用趨勢圖、星狀圖等顯而易見的圖表形式對客流量實時監測，進行人群密度分析、決策調度，防止突發和踩踏事件;除了實時數據，三維數字看板還可提供由可視化傳感器衍生的數據層，例如追蹤目標（訪客、工作人員或對象）的最近蹤跡、腳步熱圖、溫度分布圖等。通過實時獲取客流信息，實現客流變化情況的動態展示效果，將相對靜態的客流數據信息轉化為動態變化的客流熱力圖，通過動態圖表可以生動展示地鐵站全天各時段的人流量情況和人口分布情況，為車站客流管理系統提供直觀的數據支撐和決策依據。

（2）在三維車站模型上，進行客流管理。應急準備管理人員，在對三維傳感器狀態有了統一的認識了解后，用戶可以對一些相關事件采取必要的防范措施。此外，三維仿真系統可以管理警報系統，并自動地依據傳入的警報根事件參數顯示最相關的實景。有了三維建筑模型，管理人員可以輕松快速地了解乘客周圍環境并依據此做出預防危機發生的措施，或者準備好如何處理已經發生的危機。

（3）站內工作人員的工作情況展示。基于三維可視化的數字車站綜合信息看板可實現日常勤務的可視化管理，實時掌握車站人員的部署和動態，便于及時調派，支持勤務布崗、勤務監督、勤務考核等功能。統計車站的主要工作人員流動信息及工作范圍、時長等信息;當前車站人員排班布崗顯示，定位在三維車站的可視化動態展示。預防實景中的盲點，傳統的二維平面圖顯示只能夠提供分散的局部實景，因此管理人員可能會缺少對于全局環境的掌控，而產生信息及管理盲點。三維可視化看板可以有效地阻止此類盲點的產生，管理人員可以得到正確的事態信息并做出明智的決策。

3.2.3 任務管理

在任務管理方面，有效支持地鐵做運營的調整、故障的維修，調度作業。

（1）結合應急事件管理，展示應急處置預案。當車站發生應急事件后，可以從車站運營管理系統獲取預案啟動指令。通過三維可視化方式顯示各區域客流密度、人員疏散方向、工作人員的到崗情況、相關設備的聯動情況，讓車站管理者通過一站式平臺快速、有效地處理應急事件。響應組織內容主要包括：人員布崗情況、設備啟停準備、出入口關閉情況等。通過應急預案的展示功能，可以幫助值班站長提前對各級大客流預案的部署情況進行了解，并對相關負責人員進行工作安排。

（2）自動巡檢情況展示。自動巡檢，用戶可以根據車站環境和設備布局情況，設定巡檢路徑，當用戶點擊自動巡檢按鈕時，可以沿著設定好的路徑進行巡視，無須用戶手動操作，就能夠對路徑上的設備健康情況進行全局了解，大大減少了用戶的工作量，提高了工作效率。通過結合視頻監控系統實現電力系統等重點系統的日常巡更功能，形成圖文并茂的巡檢報告，實現電子巡更功能。

（3）任務編制、部署、執行情況展示。強大的三維資產規劃和管理，在面對突發事件或者業務培訓時，管理人員經常需要制定、傳達或者部屬運營及安全計劃，管理人員可以通過三維數字模型簡潔地介紹及部署工作任務。使得管理人員可以輕松制定計劃方案面對不同的事件，例如培訓、簡述、以及緊急事件，有利于協調調度。包括計劃進度編制、進度模擬、實際進度條，實現任務可視化進度更為簡單易看的圖形化監控等功能。

4 結語

基于三維可視化技術的軌道交通車站數字化運營管理應用，可以為車站管理人員提供一個能夠滿足各專業領域資源共享、互聯互通、系統態勢可視、可監、可控的綜合管理平臺來為用戶服務，保證列車安全、準點、快捷、舒適、不間斷運行，是未來智慧軌道交通一個十分重要的發展基礎和方向。

參考文獻

[1]俞光耀. 上海超大規模軌道交通網絡運營管理對策研究[M]. 上海：上海書店出版社， 2018.78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C