实景三维空间信息平台与数字孪生川藏铁路

朱 庆 朱 军, 2 黄华平 王 玮 张利国

(1. 西南交通大学， 成都 611756;2. 四川视慧智图空间信息技术有限公司， 成都 610036;3. 中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031;4. 轨道交通工程信息化国家重点实验室， 西安 710043;5. 川藏铁路有限公司， 成都 610045)

川藏铁路沿线地形地质复杂、气候条件恶劣、生态环境脆弱、山地灾害频发、高海拔、高寒、大高差、人迹罕至，导致广域范围内地球空间数据获取难、施工建造难，是人类迄今为止建设难度最大的铁路工程[1-4]。复杂艰险山区野外勘测困难、工作效率低、成果质量难保证，严重制约了复杂环境信息的感知能力[5]。面对如此严峻的挑战，只有依靠信息化和智能化手段才有可能实现全面支撑川藏铁路“高起点、高标准、高质量”的建设总要求，真正提升我国铁路的技术水平，实现引领世界铁路发展的目标。

智能铁路是综合应用互联网、物联网、大数据、人工智能、导航定位、BIM(Building Information Model)和GIS(Geographic Information System)等现代高新技术，实现铁路装备、固定基础设施及内外部环境间信息的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，实现全生命周期一体化智能管理，打造更加安全可靠、经济高效、温馨舒适、方便快捷、节能环保的新型铁路系统[6-10]。近年来世界各国为提高铁路运营效率，优化服务品质，确保铁路运营安全，提升竞争优势，相继出台了铁路建设数字化、信息化、智能化发展战略[6,11-12]。日本制定了《技术创新中长期规划》，欧盟发布了《欧洲一体化运输发展路线图》白皮书、Shift2Rail 科技创新项目、《Rail Route 2050》等一系列战略计划[13-16]。欧盟、日本、美国等发达国家对铁路智能化发展进行深入研究，形成了一系列具有代表性的智能铁路系统，如欧洲铁路交通管理系统(ERTMS)、日本Cyber Rail系统、美国智能铁路系统(IRS)、全球铁路移动通信系统(GSM-R)等[17-20]。我国制定了《中长期铁路网规划》，并研发了列车运行调度指挥系统(TDCS)、中国列车控制系统(CTCS)等铁路列车智能系统，智能京张、智能京雄等重大铁路项目的施工建设，标志着我国铁路事业迈向了智能铁路新时代[21-23]。智能化已然成为世界铁路发展的基本方向[6,19,24]。

数字孪生作为智能化铁路发展的一种新途径，充分利用传感器数据和物理模型在信息空间全面反映实体的全生命周期过程，从而具备对过去问题诊断、当前状态评估以及未来趋势预测的能力，已经成为信息化的前沿标志[25-27]，也是川藏铁路可持续建设与安全运营必不可少的先进模式[28]。数字孪生铁路是现实世界中的铁路实体在计算机数据库中的映射，可实现川藏铁路全域范围内人、机、物三元空间融合，从宏观到微观对多粒度时空对象描述，多模态时空数据高效组织与分布式协同存储管理，全生命周期多专业数据实时接入与探索性时空关联分析。以BIM+ GIS为核心构建的实景三维空间信息平台，是数字孪生铁路全生命周期精准映射与融合协同的关键基础支撑和“智能铁路大脑”的神经中枢，可实现川藏铁路全生命周期的智能建造、智能装备、智能运营，保证复杂环境下川藏铁路建设与管理信息化和智能化水平。

1 实景三维空间信息平台

1.1 平台总体架构

实景三维空间信息平台架构分为数据、存储、服务以及应用四个层次，如图1所示。

数据是整个实景三维空间信息平台的基础，不同的观测技术获取包括地形、影像、视频、文本、铁路专题数据以及模型数据等，形成铁路时空大数据。综合利用空天地一体化观测数据，构建川藏铁路全域范围内高精度、可量测的实景三维模型，建立实景三维空间信息平台关键空间框架，实现川藏铁路沿线地形地质环境要素全方位感知，为铁路线路规划设计、建设管理、运营维护提供技术支撑。将川藏铁路时空大数据按照空间信息划分进行分布式存储，构建空间信息数据库存储基础地理信息数据、专题数据以及三维模型数据等，非空间数据库存储传感器数据等；模型-知识库则通过机理模型、知识图谱以及智能算法等，高效组织管理铁路时空大数据，以满足不同的任务需求，如场景语义建模、智能推荐、模拟分析等。在云平台微服务架构下，以川藏铁路公司为中心，设计、施工与运营单位为节点，构建集数据统一管理、大数据可视化、VR仿真模拟等于一体的铁路时空信息云平台，实现跨层级、跨区域、跨部门、跨系统、跨业务的数据共享交换与业务协同，支撑川藏铁路规划设计、灾害隐患识别、风险防控、施工管理、运营维护等全生命周期的智能化管理应用。

1.2 平台功能设计

铁路智能化发展主要体现在设计建造、运行控制、运营服务等方面，何华武院士针对未来智能高铁的发展，提出了以智能建造、智能装备、智能运营为总体功能框架的智能高铁大脑平台[9]。川藏铁路智能化发展构建实景三维空间信息平台功能体系可划分为六个部分：数据动态接入、数据规范化处理、三维场景构建、场景可视化分析、功能服务系统与系统管理，如图2所示。

图1 实景三维空间信息平台架构图

图2 实景三维空间信息平台功能体系图

川藏铁路时空大数据具有多粒度、多模态、多维动态、多源异构等特性，需要设计数据实时动态接收、转换和传输协议接口，动态接入实时监测数据与任务需求数据等；上述数据来源不同，时空基准和数据模态各异，需进行统一时空基准、格式转换、空间化处理等数据规范化处理；针对不同的场景应用，利用多层次语义约束，自适应地构建铁路灾害隐患模拟，铁路线路设计等专题应用场景；为满足铁路勘测设计、建设管理等不同任务需求，设计挖方与填方分析、水淹没分析、坡度坡向等常规分析功能，建立铁路三维场景沉浸式感知、灾害态势分析和灾害-铁路关联分析等可视化分析功能[29-30]；功能应用服务主要服务于铁路全生命周期的勘察设计、工程建设、运营维护及各种风险防控等；系统管理功能侧重系统安全管理、服务监控、日志管理与系统更新。

1.3 多模态时空大数据高效组织管理

川藏铁路全域范围实景三维模型主要面向川藏铁路勘察、设计、施工以及运维等全生命周期管理，需满足高精度、可量测等施工建设要求。需综合运用空天地一体化观测手段构建多层次实景三维模型，主要包括利用航空影像数据建立服务于地质勘察与线路设计的可量测立体实景模型；融合卫星影像、航空影像、Lidar等多源传感器数据[31]，建立支撑工程设计的高精度三维地形模型；通过倾斜摄影建立局部重点工程详细设计使用的局部精细化实景三维模型等。同时，为满足川藏铁路全生命周期勘察设计、查询分析、可视化绘制以及仿真分析、灾害模拟等不同可视化任务需求，需要针对海量、多源异构、多模态的川藏铁路时空大数据，突破多模态铁路时空大数据高效组织管理关键技术方法。多模态时空大数据高效组织管理与可视化如图3所示。

图3 多模态时空大数据高效组织管理与可视化图

首先对川藏铁路广域范围内的实体要素进行编码分类，实现川藏铁路时空信息与实体要素之间的精准映射[28]；构建铁路空间一体化无缝表达的多模态时空数据模型，对铁路时空大数据进行分层、分段组织，建立多种模态索引之间的高效关联映射，实现铁路时空大数据高效组织；然后研制三维时空数据管理引擎，实现大范围、高精度铁路线路场景对象集成管理与动态调度[32]。进而，针对复杂铁路环境中三维地理信息空间分析能力差、交互效率低、真实感弱的问题，建立铁路场景多层次可视化任务模型[33]，攻克高效数据吞吐、高性能时空数据分析、高精度场景绘制与高感知度增强表达的关键技术难题，研制高性能可视化分析引擎，突破沉浸式真实感铁路场景实时交互瓶颈，支撑铁路场景多层次可视化应用。

1.4 灾害风险信息自适应融合

川藏铁路沿线涉及地理、地质、设施、人员、生态、灾害等要素类型，地上、下各要素以及灾害之间相互作用关系复杂，环环相扣且相互影响。针对川藏铁路灾害隐患识别、风险预测与防控等任务对于灾害风险信息深入融合与增强表达的需求，提供任务感知的灾害场景信息优化选择与深度融合，实现多源、跨尺度、多模态灾害风险信息的有机融合与精准感知。任务感知的灾害风险信息自适应融合方法如图4所示。

首先进行灾害场景语义特征关联分析及灾害风险知识抽取，构建顾及任务需求的灾害风险信息知识图谱；其次利用知识图谱的连通性和流向性，通过语义关联约束的任务-数据相关性度量，提供任务感知的灾害风险信息语义检索和主动汇聚；最后基于灾害风险信息自适应汇聚，实现顾及结构特征的多模态灾害风险数据高精度配准，在此基础上提取时空分布、趋势变化以及预测预警等多层次语义信息，并进行增强现实表达。

1.5 多粒度时空信息智能服务

川藏铁路实景三维空间信息平台将构建弹性的微服务管理与集成机制，如图5所示。

该平台将包含一系列数量众多的多模态时空数据服务、多层次时空数据分析服务以及增强现实可视化场景优化服务等，采用容器技术实现不同类型服务的实例安全独立和按需动态部署。同时采用工作流与服务链优化调度的方式，将应用任务流程与服务调用和系统资源优化调度相结合，通过工作流制定的过程规则，把运行在云环境下的可互相作用的多粒度川藏铁路全要素信息服务有机地组合在一起，这些服务的运行过程则对应不同的存储资源和计算资源调度过程，同时通过服务链组合优化和数据流优化调度，形成以任务为中心的应用任务-工作流-服务链-资源调度四层级协同的智能服务一体化调度方法，实现任务感知的多模态灾害风险信息智能服务链构建以及关联关系复杂的多粒度服务的高效管理，为复杂灾害风险全过程 “看得全”、“看得清”、“看得懂”提供灾害风险数据-信息-知识的智能服务。

图4 任务感知的灾害风险信息自适应融合方法图

图5 平台微服务容器化管理

2 数字孪生川藏铁路应用展望

数字孪生川藏铁路实景三维空间信息系统平台，通过数据-模型-知识库的综合集成管理，旨在形成“透明地球”，实现多模态感知信息的实时接入与融合分析，提供多层次、多样化高效灵巧的空间信息智能服务，支撑川藏铁路勘察、设计、施工、运维全生命周期中多层级、多样化业务的有机协同管理。数字孪生川藏铁路实景空间信息三维平台应用如图6所示。

图6 数字孪生川藏铁路实景空间信息三维平台应用图

(1)在川藏铁路智能勘察方面，形成“透明地球”增强对复杂环境信息的感知能力，可将野外勘察工作转移到室内虚拟平台上，开展地质判别、地质灾害识别、野外勘测等工作，直接提升复杂环境下铁路勘察的信息化水平，克服野外勘测困难、工作效率低、成果质量难以保证等问题，从而提高勘察精度，保证工作质量，大幅减少现场外业工作量，提升复杂环境下铁路勘察的信息化水平。

(2)在川藏铁路智能设计方面，通过构建大范围高精度、易感知、可交互、可计算的实景三维模型，进行地上、下地理环境充分集成表达，跨专业信息的实时汇聚、深度融合与综合分析，有助于提升对长大复杂场景的快速准确理解，克服二维抽象表达的场景不直观、可计算性差、可交互性弱等不足，提高多要素的快速准确关联认知效率，实现多层次、多专业的一致性理解，支持复杂环境多专业智能化协同设计，避免重要设计方案的遗漏，提高设计的准确性。

(3)在川藏铁路智能施工方面，基于实景三维空间信息平台，对BIM与三维GIS模型集成管理，实时接入施工现场人员、机械、监测点的多源传感器数据，进行多源数据融合的施工进度智能识别，突破铁路建造智能预测预警关键技术，对现场的施工情况、安全风险等进行信息化管控，实现工程进度、质量安全、三维技术交底等方面的动态集成和可视化管理，提高复杂艰险环境下的施工效率，减低施工过程中的安全风险。

(4)在川藏铁路智能运营方面，进一步利用互联网、大数据、云计算、人工智能等高新技术，基于实景三维空间信息平台，实时接入川藏铁路立体化动态监测数据，进行分布式存储、动态计算、分析与可视化，拓展在自动驾驶、故障预测、健康管理、灾害隐患识别与风险防控等方面的深度应用，建立基于用户画像的智能推荐服务体系，提高铁路应用服务水平，为川藏铁路提供更安全可靠、方便快捷、温馨舒适的运营服务。

3 结束语

川藏铁路建设面临着严峻的区域地形地质环境，施工难度巨大。建设数字孪生川藏铁路无疑是建设智能川藏铁路的必要途径，从而真正实现人、机、物三元空间有机协同的全景式感知-认知-控制。本文提出的实景三维空间信息平台将作为数字川藏一体化平台的核心内容统筹建设，面向高性能、高可用、高可扩展等目标，突破汇集-存储-管理-服务的若干关键技术，切实为川藏铁路建设与管理提供强有力的科技支撑。