铁路通信信号隐蔽工程可视化管理平台的研究与应用

袁武民，马志强，许 强，方 峰，孙斌君，魏孔胜

隐蔽工程是指工程施工完成后被隐蔽起来、表面上无法看到的施工项目，泛指不可见的各类管线和接地体等埋设于地面之下或墙面之内的物体。铁路通信信号隐蔽工程内容主要包括光缆线路、电缆线路、综合接地及其他附属设施设备。由于隐蔽工程点多、面广、不可见，故管理难度很大，运维管理的质量难以保证。在作业现场曾出现多起因隐蔽工程资料不全、标识不清、标记不实等造成设备故障和应急处置困难等重大问题。因此科学、有效的隐蔽工程管理手段是信号设备维护、工程施工和应急处置等环节不可或缺的重要部分，对于铁路应急处置和行车安全具有重要意义。

1 现状分析

目前铁路通信信号隐蔽工程管理面临的主要问题有：技术资料信息单一，电子台账记录零散，缺乏完整性；纸质资料和电子资料混合管理，数据结构繁杂凌乱，缺乏规范性；地下电缆受周围环境影响，如塌方、地陷、沉降等原因造成电缆埋深或位置发生变化，相关技术资料修改不及时，缺乏准确性；电缆线路内容复杂，许多信息孤立存在，相互关系无法清晰体现，缺乏实用性。尤其是电缆径路管理，现场作业主要依据电缆标桩，对于关键参考物位置、电缆埋深、电缆防护、过轨管位置及使用情况等重要信息无法准确掌握，缺少电缆径路可视化以及立体集中的数据信息管理工具。如何让管理人员清晰直观、准确高效地掌握隐蔽工程中的关键有效信息，实现多元数据联动和可视化管理，是当前铁路通信信号隐蔽工程管理的迫切需求。

近年来，众多学者研究各种方法进行隐蔽工程可视化应用。如吴军［1］采用三维激光扫描技术构建点云模型，实现隧道可视化——“去隐蔽化”；李雄周等［2］提出通过工程录像的技术手段，搭建隐蔽工程管理系统，实现隐蔽工程关键过程的可见和可追溯管理；梁诚意［3］采用机器视觉实现配电网隐蔽工程的智能化管理，提高隐蔽工程缺陷查找率。上述研究虽实现了隐蔽工程可见性管理，但如何在此基础上提供用户实时交互功能，仍成为可视化管理的关键问题。

随着建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技术在国内的发展，赵晓东等［4］提出基于BIM 技术搭建信号设备可视化模型，以提高信号设备施工管理水平；李志祥等［5］研究了基于三维地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术的铁路线路三维可视化建模方法；韩磊等［6］采用Unitiy 3D构建电缆模型，实现海底电缆的可视化监测。这些研究均实现了相关设施设备可见、可交互的可视化管理，但是模型复杂，信息量庞大，需要专业技术平台和人员支持，对用户设备性能和人员能力要求较高。

针对目前基于BIM 技术的铁路通信信号隐蔽工程可视化管理研究较少的现状，本文设计了一套基于三维可视化技术的隐蔽工程可视化管理平台（简称“管理平台”），实现基于多要素的光/电缆径路三维一张图，集中管理隐蔽工程所有对象及工程图档，有效弥补隐蔽工程不可见的管理痛点，为提高隐蔽工程管理和应急处置效率提供重要的技术支撑。

2 平台设计

2.1 总体架构

根据铁路电务工程项目隐蔽工程管理要求，设计管理平台采用三维可视化技术，实现对铁路通信信号隐蔽工程管理对象的数据采集、数据管理、业务处理及场景应用等内容，其总体架构见图1。

图1 管理平台总体架构

2.1.1 数据基础设施层

1）数据采集是管理平台建设的第一步，也是最重要的一步。一方面，将铁路电务工程施工光缆、电缆、贯通地线等施工对象的实际敷设数据进行动态采集和实时更新，尤其是光/电缆的现场位置图，包含参考位置、防护措施、数量及埋深、过轨位置、箱盒位置、余量及接续点等全要素数据信息，用于构建清晰、准确的隐蔽工程可视化场景；另一方面，对电务工程施工过程中的写实日志、验收记录、问题跟踪、电缆伤损及修改图纸等重要工程资料数据进行全程记录，用于提高隐蔽工程验收质量及工程资料的可追溯管理。

2）数据管理用于实现隐蔽工程各项数据的接入、存储、组织、融合、共享和安全等功能。面对现场采集的多元数据、异构数据等，数据管理业务为管理平台提供可靠的数据整合和数据共享服务，通过统一的访问接口，为业务能力层提供标准、规范的数据交互和响应。

2.1.2 业务逻辑层

1）场景信息管理主要进行电缆径路、光缆径路、贯通地线等要素对象的维护管理。

2）数字资料库提供施工记录、施工图纸、写实日志等工程资料的目录和权限维护管理，以及文件上传和查阅浏览。

3）可视化交互包含三维可视化、用户交互、定位检索及信息关联访问等人机交互功能。

4）智能辅助实现电缆接线链路、电缆拓扑智能导航、径路巡视、设备图纸智能推荐，及电缆位置搜索定位等辅助功能。

2.1.3 场景应用层

以光/电缆径路三维一张图为核心，实现对铁路通信信号隐蔽工程的可视化交互和智能辅助决策，包括隐蔽工程可视化、电缆走向指示信号电缆智能导航等用于运维作业和应急指挥的联动功能。同时，建立隐蔽工程全套资料电子台账库，实现标准统一、实时更新的数据跟踪功能。满足用户隐蔽工程可视化、智能化、精细化的管理需求。

2.2 平台功能

管理平台主要围绕隐蔽工程可视化这一核心要求，根据总体架构业务逻辑层设计内容，实现诸多关键功能，见图2。

图2 管理平台功能

1）场景信息管理。以全要素［7］、数字化为原则，实现隐蔽工程所需要全部管理对象的数字化台账维护和管理功能，包括信息新增、删除、修改、查找、导入、导出、上传附件等。从工程结构及实现功能的角度分类［8］，其全要素清单见表1。

表1 全要素清单

2）可视化交互。以三维站场平面图为入口，实现基于光/电缆三维可视化显示的用户交互，直观反映隐蔽工程分布示意图。在可视化界面，通过信号设备、光/电缆名称或公里标等可快速定位目标位置，同时展示电缆位置、埋设深度、电缆走向、电缆芯数、损伤情况、电缆接续、技术资料等关键信息，为用户提供一种隐蔽工程可视化、高效化的交互管理手段。

3）智能辅助。根据信号设备接配线情况，实现单设备电缆径路智能导航功能［9］。用户选择指定设备后，从“信号楼-分向盒-设备箱盒”全链路电缆高亮显示，可调阅全链路箱盒实物照片及接配线路径，实现信号设备电缆径路智能导航。同时，用户选择指定电缆后，该电缆连通的所有信号设备都可高亮显示，可调阅设备实物照片及原理图，实现信号电缆拓扑走向智能导航。

4）数字资料库。以施工线路为单位，制定统一的资料模板，为隐蔽工程全套资料建立全电子版数字化台账，包括目录维护、资料上传、文件浏览、资料下载、权限管理、文档检索等，解决隐蔽工程管理缺乏完整性和规范性的问题。

2.3 技术方案

1）物理结构。平台采用浏览器/服务器模式（Browser/Server，B/S）架构，见图3，以铁路办公网络为媒介，通过服务器集中部署实现浏览器多端应用。B/S架构具有较强的分布式应用能力，更加适应铁路用户分布广、数量多的地理特点。平台服务部署在路局中心机房，其内部办公网络已覆盖铁路局电务部各科室、电务段各科室、通信/电务各车间、通信/电务各工区等，具备电务部、段、车间、工区的多级通信条件，完全可以实现平台业务流转和数据共享。用户通过办公终端浏览器访问该平台，根据用户角色和权限访问各自业务和数据，可随时随地进行查询、浏览、维护管理等业务处理。

图3 平台部署架构

2）安全策略。平台分别从网络节点、通信、应用和管理等4 个方面来保证安全。采用软硬件防火墙结合使用策略，保证网络节点安全；采用安全套接层（Secure Socket Layer，SSL）协议及数据加密策略［10］，保证数据通信安全；用户访问采取入网访问控制、操作权限控制、目录安全控制等控制策略，保证应用安全；制定网络安全维护工作规范，保证管理安全。

3）实现技术。平台服务端基于Spring MVC开发框架，采用MySQL 数据库和Redis 数据库实现数据存储和缓存管理。用户端基于JavaScript 语言的GeoHash 组件、Geometry 组件和GeoLayout组件实现交互。其中，Geohash 组件用于计算要素对象Geohash 字符串；Geometry 组件包含各种要素对象三维模型构建算法，通过传参调用可动态生成轻量级三维模型；GeoLayout 组件用于生成和加载站场三维布置图布局文件。三维可视化场景采用Three.js、Maptalks、UV 贴图等Web 组件，其中Three.js 组件用于渲染显示各类三维模型；Maptalks 组件用于渲染和加载三维显示场景，并提供用户交互界面；UV贴图组件通过UV映射［11］将二维模型外表图片包裹在三维模型上，使得三维模型更加形象和逼真。

通过上述技术的融合应用，实现轻量级、跨平台的隐蔽工程可视化管理。

3 可视化实现

3.1 站场三维布置图自动生成

以信号平面布置图和电缆径路图为基础，首先采集并制作站场三维布置图专用数据集文件，包括信号楼、站台、股道、信号机、道岔、轨道电路、设备箱盒等信息；其次调用GeoLayout组件自动解析数据集文件，并生成三维布置图布局文件；最后通过绘图引擎加载渲染布局文件，即可显示完整的站内和区间信号设备三维布置图。

3.2 三维可视化场景创建

管理平台基于WebGL 绘图标准，采用Three.js三维绘图引擎创建和渲染隐蔽工程轻量级可视化模型，通过Maptalks 三维地图引擎创建用户场景，并加载可视化模型，同时提供便捷的用户交互操作界面。

Three.js是一款面向Web应用的开源三维绘图引擎，封装了所有WebGL 绘图接口，功能丰富，使用简单。相较于其他三维引擎，在自定义模型创建、渲染和优化等方面具有较大的优势，更适合构建轻量级的可视化应用。

Maptalks 是一款轻量级的三维地图渲染引擎，包含地图渲染、矢量渲染、绘图交互、测距测面、定位交互等GIS 应用的核心功能。相较于其他地图引擎，Maptalks 支持SVG、Canvas、Web-GL 等标准的插件渲染技术，完全兼容Three.js 三维绘图，极大地方便了场景扩展和用户自定义操作。

基于上述引擎构建可视化场景，首先平台自动加载站场管辖图，显示所有管辖站点；然后用户选择目标站场并点击图标进入，平台读取并加载站场布局文件，显示该站场三维布置图；接着加载站场所有三维模型，如果模型已缓存，则直接加载缓存模型，否则调用模型构建算法库动态创建后加载模型；最后渲染显示所有已加载三维模型并监听用户操作事件，提供用户交互界面，即完成可视化场景的创建。三维可视化流程见图4。

图4 三维可视化流程

3.3 轻量级模型优化

为提高三维模型实时渲染性能，需对三维模型进行轻量化处理［12］和渲染优化［13］。在模型创建过程中，采用缓冲几何体（Buffer Geometry）对象创建三维模型，采用简化修饰符（Simplify Modifier）对象简化几何体，尽可能减小模型规模，提高渲染效率；模型材质采用纹理集贴图，减少材质切换次数。在模型缓存阶段，通过GeoJSON 数据缓存模型关键参数，减少模型重建参数计算时间，进一步提高模型渲染效率。在模型渲染阶段，根据浏览器渲染节奏，采用按帧刷新方法动态调整场景动画刷新速率，避免过度渲染。

3.4 动态分级渲染

由于隐蔽工程点多、涉及面广，可视化平台需创建和加载大量的三维模型，容易出现操作卡顿，影响平台运行流畅性和用户操作体验。因此研究设计了一种分级预加载和动态定位加载的二级渲染方法。

1）分级预加载。根据模型类别和当前用户界面缩放级别对应关系，实时加载当前缩放级别对应的要素模型，限制模型同步加载数量，从而减少卡顿现象。分级加载对应关系见表2，其中L为缩放级别。

表2 分级加载对应关系

2）动态定位加载。随着用户浏览界面的滑动变化，显示视图也应随之变化，动态加载当前显示视图范围内的三维模型，移除显示范围之外的已渲染模型，进一步减少模型同步加载数量。

为实现上述局部加载策略，设计实现了一种基于Geohash 算法［14］的局部加载方法，动态定位加载流程见图5。Geohash 算法根据地理距离精度不同，将地理区域划分成多个子块，再将每个子块的经纬度编码成一个字符串。由于在一定经纬度范围内的子块拥有相同的字符串，因此可以通过字符串匹配算法，快速查询某一地理区域内的所有目标。

图5 动态定位加载流程

用户滑动显示界面后，触发滑动事件处理机制，先获取显示界面中心点经纬度和显示范围矩形坐标；再根据中心点经纬度计算对应Geohash 字符串，将Geohash 字符串作为检索条件检索对象数据库，并返回满足条件的对象列表，逐个渲染显示上述对象模型；最后依次遍历已加载模型集合，移除不在当前显示范围内的对象模型。

经过上述动态加载和移除过程，即实现了可视化模型的局部定位加载，大大减少了模型同步加载数量。

4 平台应用

管理平台通过对隐蔽工程全要素的三维建模，实现全线隐蔽工程的可视化交互管理、智能辅助决策和数字资料库等功能，已在兰州局集团公司管内中兰段试点应用。

电缆径路三维可视化效果见图6。其中，图6（a）展示了某站场三维电缆径路图及电缆井数据，提供了电缆走向、电缆位置、埋设深度、电缆芯数、电缆接续、电缆井及过轨管等关键信息，支持用户点击、滑动、缩放、旋转等人机交互操作，可清晰、直观地展示隐蔽工程关键信息；以该电缆径路一张图为载体，实现了单设备电缆径路全链路导航、电缆拓扑高亮导航、智能检索等辅助决策功能，有助于用户快速掌握信号设备从室内到室外完整电缆走向及接配线情况，提高故障排查效率。图6（b）则呈现了从信号楼至设备箱盒的全链路电缆走向导航示意图。同时，根据隐蔽工程资料管理要求，为线路隐蔽工程所有资料建立全电子版数字资料库，实现隐蔽工程设计、施工、验收和运维等全过程技术资料的可追溯管理。

图6 电缆径路三维可视化

5 结束语

以铁路通信信号隐蔽工程管理“去隐蔽化”为出发点，遵循“全要素、数字化、可视化”的信息化建设要求，设计并实现了基于三维可视化技术的铁路通信信号隐蔽工程可视化管理平台。该平台创建的光/电缆径路三维一张图能够使隐蔽工程管理对象显示更直观、理解更容易，使复杂的数据信息易于表达、理解和传播，从而消除了隐蔽工程管理过程中，不同角色之间的认知偏差和管控盲区，进而有效提高隐蔽工程管理效率。同时建立隐蔽工程全套资料的电子版数字资料库，解决隐蔽工程资料不全、数据不准、更新不及时的管理问题，具有信息共享度高、业务处理效率快、升级维护方便等优点，将在铁路运营维护工作中发挥重要作用。