黃 超，鄧永祁，羅 浩

（湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，長(zhǎng)沙 410005）

地理信息資源是社會(huì)發(fā)展所必需的重要信息資源，在人類生產(chǎn)、生活過(guò)程中，80%以上的信息都與地理空間位置有關(guān)。為迎接信息時(shí)代的挑戰(zhàn)，中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司提出了“數(shù)字鐵路”戰(zhàn)略，在全路信息數(shù)字化過(guò)程中，創(chuàng)建國(guó)內(nèi)鐵路地理信息系統(tǒng)（RGIS），以滿足鐵路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)地理信息資源進(jìn)行運(yùn)用和空間化管理的迫切需求。隨著國(guó)內(nèi)信息化建設(shè)不斷縱深發(fā)展，基于二維地圖數(shù)據(jù)的地理信息部分弊端亦凸顯出來(lái)。它在表現(xiàn)地理三維空間位置上不夠直觀，不能有效展示鐵路沿線周邊真實(shí)環(huán)境、細(xì)部真實(shí)紋理等信息，管理者無(wú)法從整體上根據(jù)真實(shí)、全面的鐵路地理信息做出最佳決策。

伴隨著信息化、遙感測(cè)繪技術(shù)不斷提升，地理信息系統(tǒng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。傾斜攝影是近年來(lái)國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域逐漸發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)，它顛覆了正射影像只能從垂直角度拍攝的局限性，通過(guò)多臺(tái)傳感器從多角度采集影像，將用戶引入到符合人眼視覺(jué)的真實(shí)世界。通過(guò)站場(chǎng)傾斜攝影建立高質(zhì)量的站場(chǎng)三維GIS模型，結(jié)合BIM技術(shù)為站場(chǎng)調(diào)車管理提供有力三維支撐。

BIM屬于一種依托于工程數(shù)字化模型的高新技術(shù)，通過(guò)對(duì)建筑的數(shù)據(jù)化、信息化模型整合，從而完成建筑模型的建立。通過(guò)數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實(shí)信息，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性5大特點(diǎn)。

1 站場(chǎng)防護(hù)現(xiàn)狀

隨著鐵路機(jī)車不斷增多，站場(chǎng)機(jī)車調(diào)車作業(yè)難度不斷加大。目前已通過(guò)在機(jī)車加裝安全防護(hù)插件，地面建立平面調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)，采集機(jī)車收到的實(shí)時(shí)信息、機(jī)車位置信息、站場(chǎng)機(jī)車信號(hào)數(shù)據(jù)、道岔、軌道區(qū)段數(shù)據(jù)等信息。

而這些數(shù)據(jù)的應(yīng)用大多是以列表或者文本的形式展示，無(wú)法通過(guò)圖形實(shí)體化的直觀方式為調(diào)度人員及管理人員直觀展示站場(chǎng)當(dāng)前的調(diào)車作業(yè)情況，無(wú)法了解機(jī)車周邊真實(shí)環(huán)境、細(xì)部真實(shí)紋理，無(wú)法為管理者根據(jù)當(dāng)前狀況快速做出相應(yīng)決策提供直觀依據(jù)，將會(huì)給鐵路運(yùn)輸安全和站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)管理造成一定影響。

2 技術(shù)方案詳細(xì)描述

在現(xiàn)有二維站場(chǎng)調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)建設(shè)成的基礎(chǔ)上，運(yùn)用3D GIS、BIM、遙感、測(cè)繪、軟件工程等技術(shù)手段，通過(guò)站場(chǎng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工、數(shù)據(jù)集成、應(yīng)用集成，將鐵路站場(chǎng)各種資源數(shù)字化，形成一個(gè)可以虛擬現(xiàn)實(shí)的鐵路漫游系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)鐵路站場(chǎng)立體化、可視化、全局化管理。多維GIS立體化展示效果如圖1所示。

圖1 多維GIS立體化展示效果Fig.1 Multi-dimensional GIS display effect

該多維站場(chǎng)調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)包括二維和三維展示界面，以全景影像、VR視角等方式展示站場(chǎng)多維實(shí)景，通過(guò)浸入式的直觀視角方式為站場(chǎng)機(jī)車調(diào)度人員及管理人員直觀展示機(jī)車運(yùn)行周邊真實(shí)環(huán)境、細(xì)部真實(shí)紋理；同時(shí)基于GIS技術(shù)的強(qiáng)大空間分析功能為機(jī)車調(diào)度的規(guī)劃管理者提供更加友好實(shí)用的決策支持手段，解決數(shù)據(jù)分離、機(jī)車調(diào)車作業(yè)顯示抽象、無(wú)法獲取細(xì)部紋理等問(wèn)題。

該系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層以及展示層。數(shù)據(jù)層包括GIS數(shù)據(jù)單元、BIM數(shù)據(jù)單元和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)單元，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的收集、處理和存放，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成和分類存儲(chǔ)；服務(wù)層包括公共組件單元、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)單元和GIS多維服務(wù)單元；應(yīng)用層包括系統(tǒng)管理單元、應(yīng)用集成單元和全景數(shù)據(jù)展示單元，包括各應(yīng)用模塊的集成，對(duì)站場(chǎng)圖形、地理信息、數(shù)據(jù)、系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則進(jìn)行管理；展示層為客戶終端，用于桌面終端和移動(dòng)終端展示。

系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體邏輯結(jié)構(gòu)Fig.2 Overall logic structure of the system

為完成GIS數(shù)據(jù)和BIM數(shù)據(jù)的采集，建立數(shù)據(jù)層的GIS數(shù)據(jù)單元，需對(duì)站場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1）提前對(duì)站場(chǎng)區(qū)域范圍進(jìn)行航線規(guī)劃，綜合飛行控制距離、站場(chǎng)地形地貌、站臺(tái)建筑物分布、測(cè)量精度等因素進(jìn)行航線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)定。利用站場(chǎng)的空窗期對(duì)站場(chǎng)進(jìn)行航拍數(shù)據(jù)采集。站場(chǎng)數(shù)據(jù)采集主要元素包括：站場(chǎng)各股道、道岔、信號(hào)機(jī)、站臺(tái)、土擋等。

2）數(shù)據(jù)后處理

首先對(duì)飛控系統(tǒng)生產(chǎn)的位置數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選整合，過(guò)濾掉不符合要求、錯(cuò)誤點(diǎn)數(shù)據(jù)。

其次，對(duì)空間三角測(cè)量計(jì)算?？罩腥怯?jì)算主要在于自動(dòng)、準(zhǔn)確地估算出每副輸入影像的位置、角元素，對(duì)影像定位信息嚴(yán)格配準(zhǔn)，獲得航測(cè)缺失的影像信息。空中三角測(cè)量計(jì)算是后期數(shù)據(jù)處理過(guò)程的重要一步，同時(shí)它也是三維重建計(jì)算的基礎(chǔ)。

在地心坐標(biāo)系（World Geodetic System 1984，WGS 84）下進(jìn)行三維重建計(jì)算。

模型精修及單體化處理。由于在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中錯(cuò)誤的影像匹配或者較差的飛行姿態(tài)造成站場(chǎng)元素變形（結(jié)構(gòu)紋理扭曲、破面缺面等）、懸浮物、丟失部件等情況。通過(guò)人工對(duì)模型進(jìn)行精修重建，使得站場(chǎng)要素完整，滿足人眼視覺(jué)感官和后期三維GIS應(yīng)用的需要。BIM模型庫(kù)用于存儲(chǔ)站場(chǎng)內(nèi)各股道、道岔、機(jī)車等關(guān)鍵元素的結(jié)構(gòu)和其他相關(guān)的參數(shù)信息。

因?yàn)檎緢?chǎng)中并非所有元素是靜態(tài)的，站場(chǎng)中信號(hào)機(jī)色燈存在變化，道岔開叉情況也是變動(dòng)的。并且站場(chǎng)中根據(jù)機(jī)車車型的不同，其機(jī)車模型也是各有不同。因此需對(duì)該類模型進(jìn)行單體化處理。通過(guò)利用信號(hào)機(jī)、道岔等對(duì)應(yīng)的矢量面，對(duì)傾斜攝影模型進(jìn)行切割，把連續(xù)的三角面片網(wǎng)從物理上分隔開，從而實(shí)現(xiàn)單體化。對(duì)分離的單體化模型進(jìn)行精細(xì)化修編重建，再融合到三維模型中。

3）采用3D GIS+BIM技術(shù)建立鐵路站場(chǎng)三維模型

通過(guò)以上步驟完成GIS數(shù)據(jù)單元和BIM數(shù)據(jù)單元的搭建，以三維建模及貼圖的方式完成站場(chǎng)的立體可視化。模型完成搭建之后效果如圖3所示。應(yīng)用層的應(yīng)用集成單元包括以下幾個(gè)模塊。

圖3 站場(chǎng)三維模型Fig.3 Three-dimensional model of station (yard)

運(yùn)行監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)非站場(chǎng)運(yùn)行的機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括機(jī)車實(shí)速、限速、公里標(biāo)、LKJ時(shí)間、當(dāng)前位置等信息。

調(diào)防監(jiān)測(cè)模塊：當(dāng)機(jī)車進(jìn)入站場(chǎng)后，對(duì)機(jī)車調(diào)車作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，包括機(jī)車前方調(diào)車信號(hào)機(jī)色燈、解鎖狀態(tài)、聯(lián)鎖狀態(tài)、前方距離等信息。

報(bào)警監(jiān)控模塊：對(duì)機(jī)車關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量進(jìn)行提前告警，包括實(shí)時(shí)設(shè)備質(zhì)量預(yù)警、實(shí)時(shí)空間預(yù)警、機(jī)車歷史記錄查看和報(bào)警處理。實(shí)時(shí)設(shè)備告警預(yù)警：基于BIM模型集成機(jī)車設(shè)備歷史運(yùn)維、局內(nèi)各段設(shè)備運(yùn)維大數(shù)據(jù)信息，融合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)生成優(yōu)化的運(yùn)維方案，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性、預(yù)測(cè)性的主動(dòng)式運(yùn)維管理，提前消除設(shè)備故障；實(shí)時(shí)空間告警預(yù)警：基于BIM模型集成站場(chǎng)建筑空間、機(jī)車流動(dòng)信息，融合實(shí)時(shí)采集的車流監(jiān)測(cè)信息，自動(dòng)識(shí)別調(diào)車作業(yè)擁擠的紅熱區(qū)域，生成消除擁堵的預(yù)警管理方案，實(shí)施動(dòng)態(tài)的智能調(diào)車作業(yè)管理。

作業(yè)監(jiān)測(cè)模塊：對(duì)進(jìn)入站場(chǎng)區(qū)域的機(jī)車進(jìn)行周期檢測(cè)判斷，對(duì)超期未檢測(cè)機(jī)車進(jìn)行預(yù)警。

文件管理模塊：對(duì)機(jī)車運(yùn)行文件進(jìn)行自動(dòng)、手動(dòng)下載管理。

應(yīng)用層的全景展示單元包括：通過(guò)機(jī)車GPS模塊下發(fā)的位置信息與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)及糾偏，進(jìn)行機(jī)車在站場(chǎng)運(yùn)行的三維復(fù)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)車在站場(chǎng)內(nèi)的三維空間查找、定位和顯示，達(dá)到機(jī)車在站場(chǎng)建筑、股道BIM模型之間實(shí)現(xiàn)切換和場(chǎng)景移動(dòng)式漫游，查看機(jī)車在站場(chǎng)內(nèi)的調(diào)車作業(yè)運(yùn)行狀況，查看機(jī)車當(dāng)前實(shí)時(shí)狀態(tài)，查看機(jī)車前方信號(hào)機(jī)色燈燈值，查看機(jī)車前方道岔開岔情況，對(duì)站場(chǎng)內(nèi)所有機(jī)車進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)控；通過(guò)機(jī)車TSC設(shè)備將機(jī)車監(jiān)控狀態(tài)和能耗數(shù)據(jù)信息下發(fā)至地面服務(wù)器，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和邏輯分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車關(guān)鍵設(shè)備質(zhì)量非動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，掌握機(jī)車的運(yùn)行信息。多維站場(chǎng)調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)在機(jī)車站場(chǎng)調(diào)車作業(yè)的二三維聯(lián)動(dòng)展示效果如圖4所示。

圖4 站場(chǎng)二三維聯(lián)動(dòng)效果Fig.4 Effect drawing of two-dimensional and three-dimensional linkage of the station

展示層包括客戶端單元和移動(dòng)端單元?？蛻舳送ㄟ^(guò)瀏覽器的方式訪問(wèn)多維調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)，移動(dòng)端單元?jiǎng)t是用戶通過(guò)手機(jī)APP的方式訪問(wèn)系統(tǒng)，查看機(jī)車在三維站場(chǎng)中的調(diào)車作業(yè)情況。系統(tǒng)以大屏作為主要展示媒介，以移動(dòng)端為輔助來(lái)查看站場(chǎng)內(nèi)機(jī)車、信號(hào)機(jī)、道岔等調(diào)車作業(yè)實(shí)際情況，了解機(jī)車周邊真實(shí)環(huán)境、細(xì)部真實(shí)紋理，為調(diào)度指揮中心進(jìn)行站場(chǎng)內(nèi)機(jī)車調(diào)度提供直觀依據(jù)，其整體應(yīng)用展示效果如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)用展示層Fig.5 System application display layer

綜上所述，通過(guò)3D GIS+BIM的站場(chǎng)調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)，在原有二維站場(chǎng)調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，增加虛擬現(xiàn)實(shí)的三維站場(chǎng)漫游子系統(tǒng)，使用戶以第一視角沉浸式查看站場(chǎng)內(nèi)的機(jī)車運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際情況，能有更真實(shí)逼真的交互體驗(yàn)，為用戶提供三維真實(shí)場(chǎng)景并作出最佳決策，通過(guò)這種方式解決二維站場(chǎng)防護(hù)系統(tǒng)存在的弊端。

3 結(jié)束語(yǔ)

該種基于GIS+BIM的調(diào)車防護(hù)系統(tǒng)，應(yīng)用了GIS和BIM技術(shù)的可視化特性，可以非常直觀、便捷地查詢機(jī)車在站場(chǎng)內(nèi)的調(diào)車作業(yè)情況，了解機(jī)車周圍的真實(shí)環(huán)境和細(xì)部紋理，為站場(chǎng)調(diào)車管理提供有力三維支撐，顯著優(yōu)越于二維的運(yùn)維平臺(tái)。