高速鐵路基礎設施動態檢測信息融合平臺設計與實現

楊玲玲 解亞龍 王志華 徐文生 劉國躍 魯玉龍

1.北京經緯信息技術有限公司， 北京 100081； 2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所， 北京 100081；3.北京鐵科英邁技術有限公司， 北京 100081

中國擁有世界上技術最全、集成能力最強、運營里程最長以及運行速度最高的高速鐵路系統［1］。面對如此龐大復雜的路網規模，高速鐵路基礎設施檢測一直以來都是鐵路安全體系中重要的組成部分，是鐵路安全運行的保障和科學指導線路養護維修的重要依據［2］。高速綜合檢測列車是高速鐵路基礎設施動態檢測的重要移動檢測設備，通過車上搭載的各種專項檢測系統實現對高速鐵路基礎設施狀態的動態檢測及評價。列車上搭載的各檢測系統按照專業劃分，工務專業主要包括軌道幾何檢測系統、輪軌力檢測系統、加速度檢測系統，實現對軌道幾何狀態、加速度、輪軌力各項參數的動態檢測；電務專業主要包括通信檢測系統和信號檢測系統，實現對通信、應答器、軌道電路等各項參數的動態檢測；供電專業主要包括弓網檢測系統，實現對接觸網幾何參數、弓網動態作用、供電參數的動態檢測。

各專業檢測系統在保障鐵路持續安全運營中發揮了重要作用，但存在各專業檢測系統獨立部署運行、數據共享融合性不強，數據整合展示能力、人機交互體驗不足等問題。隨著5G、人工智能、BIM、GIS、物聯網等新技術的到來以及高速鐵路智能化發展需求，有必要整合各專業檢測需求，統一規劃建設，規范數據發布內容和格式，建立統一共享的平臺，將各專業多源、異構、動態數據通過集成、融合、分析、共享并呈現，通過一張圖實現多專業、多維度高速鐵路基礎設施狀態綜合分析及評價，為高速鐵路運營安全評估和養護維修提供技術支撐。

1 多專業檢測信息融合思路

多專業檢測信息融合思路見圖1。首先采用ETL（Extract‐Transform‐Load）等數據處理方法，將從外部系統和已有的工務、電務、供電專業業務系統中獲取的多源異構數據進行清洗、轉換、分類、加工等，形成可共享的結構化和非結構化高速鐵路基礎設施動態檢測業務數據；然后分別將GIS數據、BIM + GIS數據、綜合圖數據與業務數據進行融合，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用。

圖1 多專業檢測信息融合思路

2 系統設計

2.1 總體架構設計

高速鐵路基礎設施動態檢測信息融合平臺（簡稱多源信息融合平臺）主要由采集層、處理層、支撐層、服務層和應用層組成。總體架構見圖2。

圖2 多源信息融合平臺總體架構

1）采集層：實現對工務、電務、供電專業檢測數據、基礎數據和二/三維數據的采集。

2）處理層：通過對數據的集成、清洗、轉換、加載、加工、分類、挖掘、檢索等，形成包含空間地理數據倉庫、三維模型數據倉庫、業務主題數據倉庫（涵蓋實時/歷史檢測數據、結構化數據和非結構化數據）的車載數據資源中心。

3）支撐層：提供地理信息引擎、BIM + GIS引擎、二維繪圖引擎、權限認證引擎、報表引擎、數據庫引擎、數據共享交換、統一日志等，為系統功能的實現提供支撐。

4）服務層：提供數據管理服務、GIS服務、BIM服務、綜合底圖服務、統計查詢、數據接口等服務。

5）應用層：通過將GIS、BIM + GIS、綜合圖等數據信息與業務數據進行融合構成基于一張圖的底層數據，在此之上形成列車位置實時追蹤、GIS地圖/BIM模型與數據聯動、線路質量表達、超限值實時報警、基礎設施設備定位等上層業務應用。

2.2 功能架構設計

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、BIM + GIS多源信息融合子系統、設備綜合信息融合子系統、頁面配置管理、基礎信息管理等。功能架構見圖3。

圖3 多源信息融合平臺功能架構

1）GIS多源信息融合系統

采用開源GeoServer平臺，通過地圖管理實現空間數據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現不同透明度的多圖層同時顯示及更換圖層的功能［3］。GIS多源信息融合系統以GIS矢量圖、影像圖為底圖，通過線路點庫數據進行線路繪制，融合設備臺賬及業務數據，實現集多專業于一體的高速綜合檢測列車實時檢測和歷史檢測功能，包括列車位置實時追蹤、超限值報警、圖數協同聯動、線路質量表達、基礎設施設備定位、超限值統計、歷史交路回溯等功能。

2）BIM + GIS多源信息融合系統

采用SuperMap GIS平臺進行BIM、GIS集成，BIM能夠提供微觀部件級的構筑物數據，影像圖及傾斜攝影能夠提供宏觀地理尺度的空間數據，兩者通過GIS實現多源異構數據融合，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，通過利用BIM + GIS多源異構數據融合、動態加載及渲染、模型輕量化等關鍵技術［6］，解決與多專業檢測業務數據的融合集成難題，實現基于BIM + GIS的車（實體）-模（虛擬）實時聯動、超限值實時報警、構筑物定位、重點構筑物動/靜態信息介紹、BIM模型漫游、BIM與全生命周期數據關聯等功能。

3）設備綜合信息融合系統

設備綜合圖通過采用多專業綜合圖自動繪制技術，將設備與生產信息在一張圖中進行了集成，在鐵路基礎設施綜合維修生產管理信息系統中進行了應用［7］。通過對接列車實時里程信息以及聯調聯試實時檢測信息，在京張高鐵聯調聯試中進行了應用［8］。針對鐵路基礎設施實時動態檢測需求，采用二維繪圖引擎ZRender，進一步對設備綜合圖進行優化設計及研發［9］，在一張設備綜合圖中實現了多專業設備分泳道顯示，超限值數據疊加、協同聯動等功能。

3 車載數據資源中心的構建

高速綜合檢測列車上集成了軌道幾何、車輛加速度響應、輪軌力、弓網、通信、信號等專業檢測系統，通過綜合系統發布列車統一的速度、時鐘、里程、視頻等信息，并通過數據歸集子系統對各專業檢測數據進行匯聚及存儲。各專業檢測系統組成及檢測參數見表1，綜合系統組成及各子系統功能見表2。

表1 各專業檢測系統及檢測參數

表2 綜合系統組成及各子系統功能

對多源信息融合數據需求進行分析，主要分為業務數據、基礎數據、二/三維數據三大類，見表3。

表3 多源信息融合數據分類

車載數據資源中心的構建流程見圖4。通過數據歸集子系統，將各專業檢測結構數據及非結構數據匯集至車載數據存儲服務器；根據檢測數據質量標準，對數據進行處理，將業務數據劃分為不同的主題，搭建多維主題數據倉庫。多維主題數據倉庫與地理空間數據倉庫、三維模型數據倉庫以及基礎數據庫構成車載數據資源中心，對各專業檢測數據資源進行歸納、整理、重定義和再組織，為數據的多維分析、二/三維集成融合及展示提供支持。

圖4 車載數據資源中心構建流程

4 多源信息融合系統的應用

4.1 綜合展示

如圖5所示，基于列車統一的速度、時鐘、里程信息，將線路情況（包括線路名稱、行別、線路長度、實時列車速度、里程以及列車位置）、列車周邊環境、多維信息融合（GIS、BIM + GIS、設備綜合圖）、多專業實時檢測數據、歷史統計匯總五大模塊集成融合在一張圖上，實現多維信息集成共享、多圖協同聯動、多專業檢測數據融合分析、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

GIS多源信息融合系統主要功能如下。

1）列車位置實時追蹤

通過對接列車實時坐標位置信息，使用經緯度在地圖上生成位置點，將列車的地理位置顯示在電子地圖上，進而實現列車位置的實時追蹤。

2）超限值報警

根據各專業檢測的超限值，結合線路的里程信息將超限值報警點分布于GIS線路上，通過不同形式和顏色的圖標進行展示，并能查看該報警點的詳細信息。

3）圖數協同聯動

以電子地圖為基礎，通過GIS線路上的不同圖標，可查看各專業實時報警數據、查詢包含車站、橋梁、隧道等設備臺賬信息以及病害信息，實現GIS線路與各類數據的聯動與交互。

4）線路質量表達

按照線路動態質量評定要求，根據線路總扣分情況，將每千米線路動態評定標準分為三個等級：優良（總扣分在50分以內），合格（總扣分在51 ~ 300分），失格（總扣分在300分以上）。根據實際檢測的線路總扣分情況，在地圖上用紅（失格）、黃（合格）、綠（優良）顏色繪制不同質量的線段，直觀地對線路質量進行展示。

5）基礎設施設備定位

按工務、電務、供電專業高速鐵路基礎設施設備臺賬進行空間數據建設，形成全專業一張圖，實現基于地圖圖層按專業、按設備類型分層展示及定位功能。

6）超限值統計

通過圖例、圖標、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、接觸網偏差、CDI、通信檢測報警、信號問題數據等進行統計，并在地圖上的線路上進行展示，通過點擊線路上的圖標進行詳細信息的查看。

7）歷史交路回溯

針對歷史檢測，通過對線路的檢測過程進行回放，實現對歷史檢測數據及檢測情況的問題追溯及跟蹤，為歷史檢測數據分析提供依據。

4.3 BIM + GIS多源信息融合系統

BIM + GIS多源信息融合系統主要功能如下。

1）車（實體）-模（虛擬）實時聯動

通過對接實時速度和里程接口，獲取列車的實時速度和里程并驅動BIM模型加載前進，實現實體車與BIM模型聯動虛實映射、數字孿生，使用戶獲得沉浸式體驗。

2）超限值實時報警

在車-模聯動模式下，各專業檢測數據通過里程與BIM模型相關聯，隨著列車的檢測前進，當有超限值發生時，將自動在BIM模型相應位置上進行報警。

3）重點構筑物動/靜態信息介紹

當高速綜合檢測列車經過重點構筑物時，BIM模型上實時顯示該構筑物的靜態（文字、圖片等）介紹及動態視頻信息。

4）構筑物定位

將BIM模型與構筑物相關聯，通過構筑物列表進行構筑物BIM模型定位和查看。

5）高精度BIM模型漫游

對重點構筑物采用高精度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構、隧道結構、車站內設備等。

6）BIM與全生命周期數據關聯

通過將運維期的檢測數據以及鐵路工程管理平臺中的建設期數據加載到BIM模型中，實現基于設計-建設-運維的全生命周期管理。

4.4 設備綜合信息融合系統

設備綜合信息融合系統主要功能如下。

1）設備臺賬圖形化表達

依據TB/T 10059

—1998《鐵路工程制圖圖形符號標準》，對鐵路基礎設備采用圖標、示意等對各專業設備進行形象化表達。

2）多設備及超限值疊加

基于設備臺賬信息，采用仿泳道分區的形式，將工務、電務、供電專業設備以及各專業的超限值在不同的泳道中進行疊加顯示。

3）超限值實時報警

通過對接列車的統一里程信息，當各專業檢測數據出現超限值時，在泳道相應的里程位置上實時報警顯示。

4）連續圖形實時繪制

設備綜合圖以線路里程為橫向坐標，隨著列車實時檢測對設備綜合圖進行連續實時繪制及分幅顯示。

5）設備詳細信息查看

支持查看每個設備的詳細臺賬及檢測數據信息。

6）超限值統計

實時動態統計每個專業的超限值情況。

4.5 頁面配置管理

綜合展示頁面中的實時車載專業檢測分析模塊因展示空間位置有限，工務、電務、供電多專業的檢測數據不能全部展示。為滿足不同用戶需求，采用靈活的頁面配置方法，實現快速靈活設計頁面及展示，使程序開發和維護都簡單便捷。

4.6 基礎信息管理

基礎信息管理實現對檢測交路信息的管理，明確實時檢測任務，并為歷史檢測回溯提供檢測任務記錄；實現檢測交路下多條檢測線路信息的管理；實現對GIS地理信息數據、BIM模型數據以及工務、電務、供電設備臺賬信息的管理及維護。

5 研究展望

高速鐵路基礎設施動態檢測信息融合平臺系統在國家鐵道試驗中心、京張高鐵進行了應用驗證，將在復興號平臺高速綜合檢測列車［10］上部署應用，可為提升高速鐵路基礎設施動態檢測智能化水平發揮積極作用。但仍存在一些問題需要進一步研究。

1）GIS底圖上的線路繪制依賴于已有的GIS線路點庫，而目前GIS線路點庫未能覆蓋全部運營線路。下一步將通過高速綜合檢測列車，對缺少GIS線路點庫以及新開通的線路進行線路坐標數據的采集及專業化處理，形成完備的GIS線路點庫。

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。下一步繼續開展BIM構件庫建立、參數化快速建模、模型自動輕量化等技術研究及應用，率先完成八縱八橫線路的建模及應用。

3）為實時準確地掌握我國鐵路基礎設施服役狀態，分析預測其變化趨勢，及時發現各類設備病害，我國建立了鐵路基礎設施檢測數據處理分析中心（簡稱地面數據處理中心），實現了對移動周期檢測、固定在線監測、現場人工檢查和養護維修作業等多源數據的接入與集成管理［11］。隨著5G技術在車-地實時傳輸中的研究及應用［12］，車上實時檢測數據可及時傳送至地面數據處理中心，地面數據處理中心數據也能無縫接入車載數據資源中心。下一步將基于5G車-地傳輸系統，深入開展基于BIM、GIS、設備綜合圖技術的高速鐵路基礎設施檢測監測數據融合分析及綜合展示。

6 結語

本文以高速綜合檢測車為載體，提出了基于GIS、BIM + GIS、設備綜合圖的高速鐵路基礎設施多專業動態檢測數據融合思路，設計了多專業檢測系統信息融合平臺的總體架構及功能架構；通過對多源異構數據進行數據采集、處理、歸納、整理、重定義和再組織，構建了車載數據資源中心，研發了GIS、BIM + GIS、設備綜合信息融合系統，解決了多專業檢測系統獨立檢測、數據共享弱等問題，實現了多專業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、設備定位及屬性關聯、病害分析等功能。三個系統作為多專業檢測系統信息融合平臺的主要功能模塊既各有特色又相互補充，滿足宏觀、微觀及專業化場景業務需求，為用戶提供了多維可視化體驗，為多專業融合分析、一體化決策及協同管理提供了技術支撐。