高速铁路基础设施动态检测信息融合平台设计与实现

杨玲玲 解亚龙 王志华 徐文生 刘国跃 鲁玉龙

1.北京经纬信息技术有限公司， 北京 100081； 2.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所， 北京 100081；3.北京铁科英迈技术有限公司， 北京 100081

中国拥有世界上技术最全、集成能力最强、运营里程最长以及运行速度最高的高速铁路系统［1］。面对如此庞大复杂的路网规模，高速铁路基础设施检测一直以来都是铁路安全体系中重要的组成部分，是铁路安全运行的保障和科学指导线路养护维修的重要依据［2］。高速综合检测列车是高速铁路基础设施动态检测的重要移动检测设备，通过车上搭载的各种专项检测系统实现对高速铁路基础设施状态的动态检测及评价。列车上搭载的各检测系统按照专业划分，工务专业主要包括轨道几何检测系统、轮轨力检测系统、加速度检测系统，实现对轨道几何状态、加速度、轮轨力各项参数的动态检测；电务专业主要包括通信检测系统和信号检测系统，实现对通信、应答器、轨道电路等各项参数的动态检测；供电专业主要包括弓网检测系统，实现对接触网几何参数、弓网动态作用、供电参数的动态检测。

各专业检测系统在保障铁路持续安全运营中发挥了重要作用，但存在各专业检测系统独立部署运行、数据共享融合性不强，数据整合展示能力、人机交互体验不足等问题。随着5G、人工智能、BIM、GIS、物联网等新技术的到来以及高速铁路智能化发展需求，有必要整合各专业检测需求，统一规划建设，规范数据发布内容和格式，建立统一共享的平台，将各专业多源、异构、动态数据通过集成、融合、分析、共享并呈现，通过一张图实现多专业、多维度高速铁路基础设施状态综合分析及评价，为高速铁路运营安全评估和养护维修提供技术支撑。

1 多专业检测信息融合思路

多专业检测信息融合思路见图1。首先采用ETL（Extract‐Transform‐Load）等数据处理方法，将从外部系统和已有的工务、电务、供电专业业务系统中获取的多源异构数据进行清洗、转换、分类、加工等，形成可共享的结构化和非结构化高速铁路基础设施动态检测业务数据；然后分别将GIS数据、BIM + GIS数据、综合图数据与业务数据进行融合，形成GIS多源信息融合、BIM + GIS信息融合、综合图多源信息融合以及多源信息融合一张图的应用。

图1 多专业检测信息融合思路

2 系统设计

2.1 总体架构设计

高速铁路基础设施动态检测信息融合平台（简称多源信息融合平台）主要由采集层、处理层、支撑层、服务层和应用层组成。总体架构见图2。

图2 多源信息融合平台总体架构

1）采集层：实现对工务、电务、供电专业检测数据、基础数据和二/三维数据的采集。

2）处理层：通过对数据的集成、清洗、转换、加载、加工、分类、挖掘、检索等，形成包含空间地理数据仓库、三维模型数据仓库、业务主题数据仓库（涵盖实时/历史检测数据、结构化数据和非结构化数据）的车载数据资源中心。

3）支撑层：提供地理信息引擎、BIM + GIS引擎、二维绘图引擎、权限认证引擎、报表引擎、数据库引擎、数据共享交换、统一日志等，为系统功能的实现提供支撑。

4）服务层：提供数据管理服务、GIS服务、BIM服务、综合底图服务、统计查询、数据接口等服务。

5）应用层：通过将GIS、BIM + GIS、综合图等数据信息与业务数据进行融合构成基于一张图的底层数据，在此之上形成列车位置实时追踪、GIS地图/BIM模型与数据联动、线路质量表达、超限值实时报警、基础设施设备定位等上层业务应用。

2.2 功能架构设计

多源信息融合平台的主要功能包括综合展示、GIS多源信息融合子系统、BIM + GIS多源信息融合子系统、设备综合信息融合子系统、页面配置管理、基础信息管理等。功能架构见图3。

图3 多源信息融合平台功能架构

1）GIS多源信息融合系统

采用开源GeoServer平台，通过地图管理实现空间数据的集成以及地图的放大、缩小、平移、定位等功能，通过图层叠加和置换功能实现不同透明度的多图层同时显示及更换图层的功能［3］。GIS多源信息融合系统以GIS矢量图、影像图为底图，通过线路点库数据进行线路绘制，融合设备台账及业务数据，实现集多专业于一体的高速综合检测列车实时检测和历史检测功能，包括列车位置实时追踪、超限值报警、图数协同联动、线路质量表达、基础设施设备定位、超限值统计、历史交路回溯等功能。

2）BIM + GIS多源信息融合系统

采用SuperMap GIS平台进行BIM、GIS集成，BIM能够提供微观部件级的构筑物数据，影像图及倾斜摄影能够提供宏观地理尺度的空间数据，两者通过GIS实现多源异构数据融合，形成完整的信息资源综合展示与分析计算［4-5］。BIM + GIS多源信息融合系统，通过利用BIM + GIS多源异构数据融合、动态加载及渲染、模型轻量化等关键技术［6］，解决与多专业检测业务数据的融合集成难题，实现基于BIM + GIS的车（实体）-模（虚拟）实时联动、超限值实时报警、构筑物定位、重点构筑物动/静态信息介绍、BIM模型漫游、BIM与全生命周期数据关联等功能。

3）设备综合信息融合系统

设备综合图通过采用多专业综合图自动绘制技术，将设备与生产信息在一张图中进行了集成，在铁路基础设施综合维修生产管理信息系统中进行了应用［7］。通过对接列车实时里程信息以及联调联试实时检测信息，在京张高铁联调联试中进行了应用［8］。针对铁路基础设施实时动态检测需求，采用二维绘图引擎ZRender，进一步对设备综合图进行优化设计及研发［9］，在一张设备综合图中实现了多专业设备分泳道显示，超限值数据叠加、协同联动等功能。

3 车载数据资源中心的构建

高速综合检测列车上集成了轨道几何、车辆加速度响应、轮轨力、弓网、通信、信号等专业检测系统，通过综合系统发布列车统一的速度、时钟、里程、视频等信息，并通过数据归集子系统对各专业检测数据进行汇聚及存储。各专业检测系统组成及检测参数见表1，综合系统组成及各子系统功能见表2。

表1 各专业检测系统及检测参数

表2 综合系统组成及各子系统功能

对多源信息融合数据需求进行分析，主要分为业务数据、基础数据、二/三维数据三大类，见表3。

表3 多源信息融合数据分类

车载数据资源中心的构建流程见图4。通过数据归集子系统，将各专业检测结构数据及非结构数据汇集至车载数据存储服务器；根据检测数据质量标准，对数据进行处理，将业务数据划分为不同的主题，搭建多维主题数据仓库。多维主题数据仓库与地理空间数据仓库、三维模型数据仓库以及基础数据库构成车载数据资源中心，对各专业检测数据资源进行归纳、整理、重定义和再组织，为数据的多维分析、二/三维集成融合及展示提供支持。

图4 车载数据资源中心构建流程

4 多源信息融合系统的应用

4.1 综合展示

如图5所示，基于列车统一的速度、时钟、里程信息，将线路情况（包括线路名称、行别、线路长度、实时列车速度、里程以及列车位置）、列车周边环境、多维信息融合（GIS、BIM + GIS、设备综合图）、多专业实时检测数据、历史统计汇总五大模块集成融合在一张图上，实现多维信息集成共享、多图协同联动、多专业检测数据融合分析、一体化集成展示［9］。

图5 综合展示页面

4.2 GIS多源信息融合系统

GIS多源信息融合系统主要功能如下。

1）列车位置实时追踪

通过对接列车实时坐标位置信息，使用经纬度在地图上生成位置点，将列车的地理位置显示在电子地图上，进而实现列车位置的实时追踪。

2）超限值报警

根据各专业检测的超限值，结合线路的里程信息将超限值报警点分布于GIS线路上，通过不同形式和颜色的图标进行展示，并能查看该报警点的详细信息。

3）图数协同联动

以电子地图为基础，通过GIS线路上的不同图标，可查看各专业实时报警数据、查询包含车站、桥梁、隧道等设备台账信息以及病害信息，实现GIS线路与各类数据的联动与交互。

4）线路质量表达

按照线路动态质量评定要求，根据线路总扣分情况，将每千米线路动态评定标准分为三个等级：优良（总扣分在50分以内），合格（总扣分在51 ~ 300分），失格（总扣分在300分以上）。根据实际检测的线路总扣分情况，在地图上用红（失格）、黄（合格）、绿（优良）颜色绘制不同质量的线段，直观地对线路质量进行展示。

5）基础设施设备定位

按工务、电务、供电专业高速铁路基础设施设备台账进行空间数据建设，形成全专业一张图，实现基于地图图层按专业、按设备类型分层展示及定位功能。

6）超限值统计

通过图例、图标、饼状图、柱状图等多维可视化展示形式，对轨检大值报警、TQI超限、线路扣分、轮轨力超限、加速度偏差、接触网偏差、CDI、通信检测报警、信号问题数据等进行统计，并在地图上的线路上进行展示，通过点击线路上的图标进行详细信息的查看。

7）历史交路回溯

针对历史检测，通过对线路的检测过程进行回放，实现对历史检测数据及检测情况的问题追溯及跟踪，为历史检测数据分析提供依据。

4.3 BIM + GIS多源信息融合系统

BIM + GIS多源信息融合系统主要功能如下。

1）车（实体）-模（虚拟）实时联动

通过对接实时速度和里程接口，获取列车的实时速度和里程并驱动BIM模型加载前进，实现实体车与BIM模型联动虚实映射、数字孪生，使用户获得沉浸式体验。

2）超限值实时报警

在车-模联动模式下，各专业检测数据通过里程与BIM模型相关联，随着列车的检测前进，当有超限值发生时，将自动在BIM模型相应位置上进行报警。

3）重点构筑物动/静态信息介绍

当高速综合检测列车经过重点构筑物时，BIM模型上实时显示该构筑物的静态（文字、图片等）介绍及动态视频信息。

4）构筑物定位

将BIM模型与构筑物相关联，通过构筑物列表进行构筑物BIM模型定位和查看。

5）高精度BIM模型漫游

对重点构筑物采用高精度BIM模型漫游功能，通过漫游功能在三维场景中身临其境全方位查看桥梁结构、隧道结构、车站内设备等。

6）BIM与全生命周期数据关联

通过将运维期的检测数据以及铁路工程管理平台中的建设期数据加载到BIM模型中，实现基于设计-建设-运维的全生命周期管理。

4.4 设备综合信息融合系统

设备综合信息融合系统主要功能如下。

1）设备台账图形化表达

依据TB/T 10059

—1998《铁路工程制图图形符号标准》，对铁路基础设备采用图标、示意等对各专业设备进行形象化表达。

2）多设备及超限值叠加

基于设备台账信息，采用仿泳道分区的形式，将工务、电务、供电专业设备以及各专业的超限值在不同的泳道中进行叠加显示。

3）超限值实时报警

通过对接列车的统一里程信息，当各专业检测数据出现超限值时，在泳道相应的里程位置上实时报警显示。

4）连续图形实时绘制

设备综合图以线路里程为横向坐标，随着列车实时检测对设备综合图进行连续实时绘制及分幅显示。

5）设备详细信息查看

支持查看每个设备的详细台账及检测数据信息。

6）超限值统计

实时动态统计每个专业的超限值情况。

4.5 页面配置管理

综合展示页面中的实时车载专业检测分析模块因展示空间位置有限，工务、电务、供电多专业的检测数据不能全部展示。为满足不同用户需求，采用灵活的页面配置方法，实现快速灵活设计页面及展示，使程序开发和维护都简单便捷。

4.6 基础信息管理

基础信息管理实现对检测交路信息的管理，明确实时检测任务，并为历史检测回溯提供检测任务记录；实现检测交路下多条检测线路信息的管理；实现对GIS地理信息数据、BIM模型数据以及工务、电务、供电设备台账信息的管理及维护。

5 研究展望

高速铁路基础设施动态检测信息融合平台系统在国家铁道试验中心、京张高铁进行了应用验证，将在复兴号平台高速综合检测列车［10］上部署应用，可为提升高速铁路基础设施动态检测智能化水平发挥积极作用。但仍存在一些问题需要进一步研究。

1）GIS底图上的线路绘制依赖于已有的GIS线路点库，而目前GIS线路点库未能覆盖全部运营线路。下一步将通过高速综合检测列车，对缺少GIS线路点库以及新开通的线路进行线路坐标数据的采集及专业化处理，形成完备的GIS线路点库。

2）由于高速铁路线路长，BIM模型建模速度相对较慢，目前不支持全部线路基于BIM + GIS的多源信息融合。下一步继续开展BIM构件库建立、参数化快速建模、模型自动轻量化等技术研究及应用，率先完成八纵八横线路的建模及应用。

3）为实时准确地掌握我国铁路基础设施服役状态，分析预测其变化趋势，及时发现各类设备病害，我国建立了铁路基础设施检测数据处理分析中心（简称地面数据处理中心），实现了对移动周期检测、固定在线监测、现场人工检查和养护维修作业等多源数据的接入与集成管理［11］。随着5G技术在车-地实时传输中的研究及应用［12］，车上实时检测数据可及时传送至地面数据处理中心，地面数据处理中心数据也能无缝接入车载数据资源中心。下一步将基于5G车-地传输系统，深入开展基于BIM、GIS、设备综合图技术的高速铁路基础设施检测监测数据融合分析及综合展示。

6 结语

本文以高速综合检测车为载体，提出了基于GIS、BIM + GIS、设备综合图的高速铁路基础设施多专业动态检测数据融合思路，设计了多专业检测系统信息融合平台的总体架构及功能架构；通过对多源异构数据进行数据采集、处理、归纳、整理、重定义和再组织，构建了车载数据资源中心，研发了GIS、BIM + GIS、设备综合信息融合系统，解决了多专业检测系统独立检测、数据共享弱等问题，实现了多专业信息融合的列车位置追踪、异常自动报警、历史检测交路回溯、设备定位及属性关联、病害分析等功能。三个系统作为多专业检测系统信息融合平台的主要功能模块既各有特色又相互补充，满足宏观、微观及专业化场景业务需求，为用户提供了多维可视化体验，为多专业融合分析、一体化决策及协同管理提供了技术支撑。