智能鐵路時空信息云平臺應用研究

李順成，祝曉紅

（中鐵武漢電氣化局集團有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引 言

國家已出臺實質性的規劃和政策，如“2025年中國制造”的行動計劃、“互聯網+”和新一代人工智能發展計劃。智能化是促進鐵路現代化和運營的核心圈，是鐵路運輸業務有效發展的重要支撐。全球鐵路服務需求的不斷增長以及智能設備和信息技術的快速發展，給現有鐵路的建設、運營和維護帶來了前所未有的壓力。然而，傳統技術和方法并沒有很好地解決這些問題，因此提出一種利用新技術捕獲、關聯和分析所有鐵路運營信息的方法，以提高鐵路部門的效率和靈活性，同時更快地創建更靈活的操作環境。構建鐵路智能時空信息云平臺的愿景是利用智能識別和計量、更全面的互聯和更詳細的信息，將智能鐵路信息傳輸到整個鐵路系統和技術合作伙伴。感知和測量可以幫助鐵路管理局共享相關信息，從而更好地監控運營并采取更積極的措施；信息整合、場景建模和數據分析可將戰略或運維決策與敏銳的洞察力結合起來，有利于提高服務質量品質、服務的安全性與可靠性以及鐵路的運維效率，并有效節約鐵路運維成本。

1 總體架構

根據鐵路公司智能鐵路總體規劃的內容，智能云平臺作為鐵路的智能地理信息載體，建立了比較完整的基礎地理信息數據存儲系統，可以滿足各大鐵路企業的需求，包括機務、車務、工務、電務以及車輛等多個不同關鍵部門的協同合作，形成鐵路時空信息資源共享交換機制，通過北斗高精度導航、大數據、云計算、物聯網、智能終端等技術設備的綜合應用以及原有基礎設施的升級改造，利用智能平臺統一調度所有資源，實現合理使用，進一步提升整體效率和服務質量。用于構建智能鐵路時空信息云平臺的總體框架如圖1所示[1]。

2 建設內容

2.1 數據建設

2.1.1 數據建設內容

數據組成內容主要包括基礎地理信息數據的DLG數據、DOM數據、DEM數據、編碼單元數據、鐵路基礎設施數據、地名地址數據、動態數據、3D數據、運維以及緊急情況等。

2.1.2 時空信息數據庫建設

數據資源是智能鐵路建設最重要的價值體現，基于積累的數據能夠輔助對鐵路運行中問題的預警、處理、趨勢預判起到重要作用。智能鐵路云平臺以時空信息資源整合為重點，完善智能鐵路數據中心時空數據庫的建設，實現資源共享。對數據資源的深入分析與利用主要包括基礎地理信息數據庫、業務數據庫、實時動態數據庫、運維數據庫以及應急防災數據庫等數據庫規劃和設計。

2.2 主要基礎設施建設

2.2.1 智能鐵路北斗地基增強系統建設

地面增強系統（GBAS）是衛星定位、計算機網絡、數字通信等與其他技術的組合，以滿足高鐵的操作管理效率和安全監控要求。

圖1 智能鐵路時空信息云平臺建設總體框架示意圖

2.2.2 數據中心與數據采集設備

數據中心基礎設施建設是智能鐵路云平臺建設最重要的硬件基礎，是鐵路信息化軟硬件運行的承載體。構建數據中心基礎設施主要包括構建云平臺的基礎設施和安全設施。

高鐵的速度已經顯著提高，新技術如高架橋、碎石道和大量的無縫線路可以用來做一個平穩的列車運行，確保鐵路、橋梁、隧道等基礎設施的技術運行狀態，保障高速鐵路列車的安全穩定運行。眾多無線傳感器設備對服務狀態和環境等信息進行長期監控，確保高速鐵路交通安全。無線傳感器由分布式網絡組成，該網絡由許多傳感器節點和無線通信方法組成，其中目標信息被實時收集和處理，且數據被發送到鐵路監控部門。

2.3 智能鐵路云服務管理平臺建設

在時空數據庫建設和鐵路大數據建設成果的基礎上，基于開放的面向服務的架構體系設計理念和服務聚合技術，建立統一的、標準的智能鐵路云服務體系，提供基礎地圖服務地名地址服務、動態服務、地理計算服務、鐵路專題、搜索服務以及感知服務等多種不同類型的服務，實現智能鐵路時空信息資源的整合、集成、管理、共享及維護更新，向鐵路行業的相關部門以及社會公眾提供泛在網絡環境下的多維度、多類型、多用途時空信息服務，真正實現鐵路時空信息資源的共通、共融、共享[2]。

3 關鍵技術

3.1 基于BDS的地基增強系統

北斗衛星導航系統是中國建造的全球衛星導航系統，獨立運行，與世界上其他衛星導航系統兼容。該系統目前覆蓋亞太地區，為亞太地球提供導航、定位及通信服務，并將于2020年完成。在建立全球供應能力前，已經開發出改進的系統以改進衛星導航和定位系統的定位性能，并滿足更精確定位的應用要求。

北斗衛星地面改善系統是一個基于本地高速網絡互聯網的參考星際網絡，主要由參考站網絡、通信網絡、中心和用戶部分組成。IP服務和參考站訪問主要使用光纖或受限數據網絡，中央服務器使用分布式傳送方法。

3.2 面向目標動態監測的流式計算技術

主要針對視頻實時流進行實時分類識別。視頻流的對象分類識別的主要核心技術包含標準視頻流協議RTSP、RTMP、HLS訪問支持和視頻H264、H265解碼。圖像內容識別分類時，為了克服傳統的圖像識別對視頻這類隨機復雜的環境識別能力弱、誤報率高而無法滿足實際應用要求的情況，系統采用卷積的深度神經網絡技術，通過大量的圖像對象分割樣本輸入卷積深度神經網絡模型進行訓練，實現當前復雜環境人、車、動物內容實時高準確率的識別與分割。為了加快深度學習網絡的計算速度，運算使用nvidia GPU并行計算技術實現毫秒級的識別速度，服務模塊采用圖像運動目標的判別快速算法，對視頻幀的冗余信息進行過濾預處理，大大提升了節點處理視頻路數并發能力，減少了成本。

4 智能鐵路應用示范

針對鐵路的時空信息云平臺的演示智能應用建設的主要思想，是以云的形式提供Web應用程序。北斗衛星導航系統（BDS）由中國自行研制的具有定位、導航和授時（PNT）3個功能的全球衛星導航系統。隨著“十三五”規劃的推進，國務院、國家交通運輸部等多個部門相繼編制、印發了與鐵路行業相關的“十三五”規劃。結合鐵路行業相關規劃需求和北斗PNT能力分析可知，北斗技術在鐵路行業可提供多方面的服務能力。

4.1 列車監控、調度管理系統

以時空信息云為核心，利用精度較高的衛星導航接收信息，通過RTK（實時動態差分法）或P3（精密單點定位法）計算得到目標物的三維數據、運行速度以及方向，并且通過信息網絡將所得數據及時回饋給控制中心，最后控制中心以相關技術獲取數據信息，并將信息發送給調度人員，進而保證列車行駛和線路運輸。

4.2 北斗鐵路形變監測系統

以時空信息云為核心，綜合運用鐵路物聯網、云計算等先進技術，通過北斗技術監測鐵路形變，主要用于鐵路沿線地質災害監測、沉降監測、鐵路橋梁監測以及鐵路隧道監測等。

4.2.1 鐵路沿線地災監測

鐵路沿線地質災害的監測包括監控、分析以及災害和綜合信息服務的預測3個主要部分。利用衛星導航傳感器和數據采集終端進行數據（發生災害區域的變形信息以及誘發因素信息）采集，隨后通過特征提取、數據融合等方式進行災情分析，最后在地理信息系統平臺的輔助下整合所有數據，以地圖形式展開，便于進行分析和探討。

4.2.2 路基沉降監測

采用精密測量技術，集合網絡傳輸、信號處理、嵌入式系統設計，建立遠程的、實時的、自動的、高精度的路基沉降觀測系統，可實現實時重載鐵路路基沉降的自動監測和預警。

4.2.3 鐵路橋梁安全監測

利用北斗的高精度，實時在線監測鐵路橋梁撓度、位移、索力、裂縫、加速度、振動、傾角以及各類受力構件的應力狀態等，確保鐵路橋梁安全運行。

4.2.4 隧道安全監測

實時監測隧道運營過程中的拱頂下沉、周邊收斂、路面沉降、地表沉降、壓力、應變以及裂縫等結構性能參數的變化，實時評估隧道的安全性和適用性，為隧道運營管理提供數據支持。

4.3 北斗鐵路云巡檢

北斗導航衛星系統、衛星通信系統和北斗移動通信技術中，時空信息云是其核心。鐵路軌道的設備檢查點與檢查軌道相結合，不僅可以了解每個鐵路段檢查部門檢查人員的到達和離開時間，還可以了解檢查軌道、各鐵路系統的故障和設備檢驗部門，使管理人員能夠清楚地了解檢查員的工作狀態和線路的檢查狀態，便于及時發現和處理故障，提高鐵路運營的安全性。

5 結 論

智能網絡時空信息云平臺是“智能鐵路”大背景下不可或缺的重要基礎設施，是一種更直觀的信息可視化方法，用于表示存在于所有事物中的位置特征信息，為建筑智能化鐵路提供了重要的基礎信息平臺。