實景三維空間信息平臺與數字孿生川藏鐵路

朱 慶 朱 軍, 2 黃華平 王 瑋 張利國

(1. 西南交通大學， 成都 611756;2. 四川視慧智圖空間信息技術有限公司， 成都 610036;3. 中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031;4. 軌道交通工程信息化國家重點實驗室， 西安 710043;5. 川藏鐵路有限公司， 成都 610045)

川藏鐵路沿線地形地質復雜、氣候條件惡劣、生態環境脆弱、山地災害頻發、高海拔、高寒、大高差、人跡罕至，導致廣域范圍內地球空間數據獲取難、施工建造難，是人類迄今為止建設難度最大的鐵路工程[1-4]。復雜艱險山區野外勘測困難、工作效率低、成果質量難保證，嚴重制約了復雜環境信息的感知能力[5]。面對如此嚴峻的挑戰，只有依靠信息化和智能化手段才有可能實現全面支撐川藏鐵路“高起點、高標準、高質量”的建設總要求，真正提升我國鐵路的技術水平，實現引領世界鐵路發展的目標。

智能鐵路是綜合應用互聯網、物聯網、大數據、人工智能、導航定位、BIM(Building Information Model)和GIS(Geographic Information System)等現代高新技術，實現鐵路裝備、固定基礎設施及內外部環境間信息的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習和科學決策，實現全生命周期一體化智能管理，打造更加安全可靠、經濟高效、溫馨舒適、方便快捷、節能環保的新型鐵路系統[6-10]。近年來世界各國為提高鐵路運營效率，優化服務品質，確保鐵路運營安全，提升競爭優勢，相繼出臺了鐵路建設數字化、信息化、智能化發展戰略[6,11-12]。日本制定了《技術創新中長期規劃》，歐盟發布了《歐洲一體化運輸發展路線圖》白皮書、Shift2Rail 科技創新項目、《Rail Route 2050》等一系列戰略計劃[13-16]。歐盟、日本、美國等發達國家對鐵路智能化發展進行深入研究，形成了一系列具有代表性的智能鐵路系統，如歐洲鐵路交通管理系統(ERTMS)、日本Cyber Rail系統、美國智能鐵路系統(IRS)、全球鐵路移動通信系統(GSM-R)等[17-20]。我國制定了《中長期鐵路網規劃》，并研發了列車運行調度指揮系統(TDCS)、中國列車控制系統(CTCS)等鐵路列車智能系統，智能京張、智能京雄等重大鐵路項目的施工建設，標志著我國鐵路事業邁向了智能鐵路新時代[21-23]。智能化已然成為世界鐵路發展的基本方向[6,19,24]。

數字孿生作為智能化鐵路發展的一種新途徑，充分利用傳感器數據和物理模型在信息空間全面反映實體的全生命周期過程，從而具備對過去問題診斷、當前狀態評估以及未來趨勢預測的能力，已經成為信息化的前沿標志[25-27]，也是川藏鐵路可持續建設與安全運營必不可少的先進模式[28]。數字孿生鐵路是現實世界中的鐵路實體在計算機數據庫中的映射，可實現川藏鐵路全域范圍內人、機、物三元空間融合，從宏觀到微觀對多粒度時空對象描述，多模態時空數據高效組織與分布式協同存儲管理，全生命周期多專業數據實時接入與探索性時空關聯分析。以BIM+ GIS為核心構建的實景三維空間信息平臺，是數字孿生鐵路全生命周期精準映射與融合協同的關鍵基礎支撐和“智能鐵路大腦”的神經中樞，可實現川藏鐵路全生命周期的智能建造、智能裝備、智能運營，保證復雜環境下川藏鐵路建設與管理信息化和智能化水平。

1 實景三維空間信息平臺

1.1 平臺總體架構

實景三維空間信息平臺架構分為數據、存儲、服務以及應用四個層次，如圖1所示。

數據是整個實景三維空間信息平臺的基礎，不同的觀測技術獲取包括地形、影像、視頻、文本、鐵路專題數據以及模型數據等，形成鐵路時空大數據。綜合利用空天地一體化觀測數據，構建川藏鐵路全域范圍內高精度、可量測的實景三維模型，建立實景三維空間信息平臺關鍵空間框架，實現川藏鐵路沿線地形地質環境要素全方位感知，為鐵路線路規劃設計、建設管理、運營維護提供技術支撐。將川藏鐵路時空大數據按照空間信息劃分進行分布式存儲，構建空間信息數據庫存儲基礎地理信息數據、專題數據以及三維模型數據等，非空間數據庫存儲傳感器數據等；模型-知識庫則通過機理模型、知識圖譜以及智能算法等，高效組織管理鐵路時空大數據，以滿足不同的任務需求，如場景語義建模、智能推薦、模擬分析等。在云平臺微服務架構下，以川藏鐵路公司為中心，設計、施工與運營單位為節點，構建集數據統一管理、大數據可視化、VR仿真模擬等于一體的鐵路時空信息云平臺，實現跨層級、跨區域、跨部門、跨系統、跨業務的數據共享交換與業務協同，支撐川藏鐵路規劃設計、災害隱患識別、風險防控、施工管理、運營維護等全生命周期的智能化管理應用。

1.2 平臺功能設計

鐵路智能化發展主要體現在設計建造、運行控制、運營服務等方面，何華武院士針對未來智能高鐵的發展，提出了以智能建造、智能裝備、智能運營為總體功能框架的智能高鐵大腦平臺[9]。川藏鐵路智能化發展構建實景三維空間信息平臺功能體系可劃分為六個部分：數據動態接入、數據規范化處理、三維場景構建、場景可視化分析、功能服務系統與系統管理，如圖2所示。

圖1 實景三維空間信息平臺架構圖

圖2 實景三維空間信息平臺功能體系圖

川藏鐵路時空大數據具有多粒度、多模態、多維動態、多源異構等特性，需要設計數據實時動態接收、轉換和傳輸協議接口，動態接入實時監測數據與任務需求數據等；上述數據來源不同，時空基準和數據模態各異，需進行統一時空基準、格式轉換、空間化處理等數據規范化處理；針對不同的場景應用，利用多層次語義約束，自適應地構建鐵路災害隱患模擬，鐵路線路設計等專題應用場景；為滿足鐵路勘測設計、建設管理等不同任務需求，設計挖方與填方分析、水淹沒分析、坡度坡向等常規分析功能，建立鐵路三維場景沉浸式感知、災害態勢分析和災害-鐵路關聯分析等可視化分析功能[29-30]；功能應用服務主要服務于鐵路全生命周期的勘察設計、工程建設、運營維護及各種風險防控等；系統管理功能側重系統安全管理、服務監控、日志管理與系統更新。

1.3 多模態時空大數據高效組織管理

川藏鐵路全域范圍實景三維模型主要面向川藏鐵路勘察、設計、施工以及運維等全生命周期管理，需滿足高精度、可量測等施工建設要求。需綜合運用空天地一體化觀測手段構建多層次實景三維模型，主要包括利用航空影像數據建立服務于地質勘察與線路設計的可量測立體實景模型；融合衛星影像、航空影像、Lidar等多源傳感器數據[31]，建立支撐工程設計的高精度三維地形模型；通過傾斜攝影建立局部重點工程詳細設計使用的局部精細化實景三維模型等。同時，為滿足川藏鐵路全生命周期勘察設計、查詢分析、可視化繪制以及仿真分析、災害模擬等不同可視化任務需求，需要針對海量、多源異構、多模態的川藏鐵路時空大數據，突破多模態鐵路時空大數據高效組織管理關鍵技術方法。多模態時空大數據高效組織管理與可視化如圖3所示。

圖3 多模態時空大數據高效組織管理與可視化圖

首先對川藏鐵路廣域范圍內的實體要素進行編碼分類，實現川藏鐵路時空信息與實體要素之間的精準映射[28]；構建鐵路空間一體化無縫表達的多模態時空數據模型，對鐵路時空大數據進行分層、分段組織，建立多種模態索引之間的高效關聯映射，實現鐵路時空大數據高效組織；然后研制三維時空數據管理引擎，實現大范圍、高精度鐵路線路場景對象集成管理與動態調度[32]。進而，針對復雜鐵路環境中三維地理信息空間分析能力差、交互效率低、真實感弱的問題，建立鐵路場景多層次可視化任務模型[33]，攻克高效數據吞吐、高性能時空數據分析、高精度場景繪制與高感知度增強表達的關鍵技術難題，研制高性能可視化分析引擎，突破沉浸式真實感鐵路場景實時交互瓶頸，支撐鐵路場景多層次可視化應用。

1.4 災害風險信息自適應融合

川藏鐵路沿線涉及地理、地質、設施、人員、生態、災害等要素類型，地上、下各要素以及災害之間相互作用關系復雜，環環相扣且相互影響。針對川藏鐵路災害隱患識別、風險預測與防控等任務對于災害風險信息深入融合與增強表達的需求，提供任務感知的災害場景信息優化選擇與深度融合，實現多源、跨尺度、多模態災害風險信息的有機融合與精準感知。任務感知的災害風險信息自適應融合方法如圖4所示。

首先進行災害場景語義特征關聯分析及災害風險知識抽取，構建顧及任務需求的災害風險信息知識圖譜；其次利用知識圖譜的連通性和流向性，通過語義關聯約束的任務-數據相關性度量，提供任務感知的災害風險信息語義檢索和主動匯聚；最后基于災害風險信息自適應匯聚，實現顧及結構特征的多模態災害風險數據高精度配準，在此基礎上提取時空分布、趨勢變化以及預測預警等多層次語義信息，并進行增強現實表達。

1.5 多粒度時空信息智能服務

川藏鐵路實景三維空間信息平臺將構建彈性的微服務管理與集成機制，如圖5所示。

該平臺將包含一系列數量眾多的多模態時空數據服務、多層次時空數據分析服務以及增強現實可視化場景優化服務等，采用容器技術實現不同類型服務的實例安全獨立和按需動態部署。同時采用工作流與服務鏈優化調度的方式，將應用任務流程與服務調用和系統資源優化調度相結合，通過工作流制定的過程規則，把運行在云環境下的可互相作用的多粒度川藏鐵路全要素信息服務有機地組合在一起，這些服務的運行過程則對應不同的存儲資源和計算資源調度過程，同時通過服務鏈組合優化和數據流優化調度，形成以任務為中心的應用任務-工作流-服務鏈-資源調度四層級協同的智能服務一體化調度方法，實現任務感知的多模態災害風險信息智能服務鏈構建以及關聯關系復雜的多粒度服務的高效管理，為復雜災害風險全過程 “看得全”、“看得清”、“看得懂”提供災害風險數據-信息-知識的智能服務。

圖4 任務感知的災害風險信息自適應融合方法圖

圖5 平臺微服務容器化管理

2 數字孿生川藏鐵路應用展望

數字孿生川藏鐵路實景三維空間信息系統平臺，通過數據-模型-知識庫的綜合集成管理，旨在形成“透明地球”，實現多模態感知信息的實時接入與融合分析，提供多層次、多樣化高效靈巧的空間信息智能服務，支撐川藏鐵路勘察、設計、施工、運維全生命周期中多層級、多樣化業務的有機協同管理。數字孿生川藏鐵路實景空間信息三維平臺應用如圖6所示。

圖6 數字孿生川藏鐵路實景空間信息三維平臺應用圖

(1)在川藏鐵路智能勘察方面，形成“透明地球”增強對復雜環境信息的感知能力，可將野外勘察工作轉移到室內虛擬平臺上，開展地質判別、地質災害識別、野外勘測等工作，直接提升復雜環境下鐵路勘察的信息化水平，克服野外勘測困難、工作效率低、成果質量難以保證等問題，從而提高勘察精度，保證工作質量，大幅減少現場外業工作量，提升復雜環境下鐵路勘察的信息化水平。

(2)在川藏鐵路智能設計方面，通過構建大范圍高精度、易感知、可交互、可計算的實景三維模型，進行地上、下地理環境充分集成表達，跨專業信息的實時匯聚、深度融合與綜合分析，有助于提升對長大復雜場景的快速準確理解，克服二維抽象表達的場景不直觀、可計算性差、可交互性弱等不足，提高多要素的快速準確關聯認知效率，實現多層次、多專業的一致性理解，支持復雜環境多專業智能化協同設計，避免重要設計方案的遺漏，提高設計的準確性。

(3)在川藏鐵路智能施工方面，基于實景三維空間信息平臺，對BIM與三維GIS模型集成管理，實時接入施工現場人員、機械、監測點的多源傳感器數據，進行多源數據融合的施工進度智能識別，突破鐵路建造智能預測預警關鍵技術，對現場的施工情況、安全風險等進行信息化管控，實現工程進度、質量安全、三維技術交底等方面的動態集成和可視化管理，提高復雜艱險環境下的施工效率，減低施工過程中的安全風險。

(4)在川藏鐵路智能運營方面，進一步利用互聯網、大數據、云計算、人工智能等高新技術，基于實景三維空間信息平臺，實時接入川藏鐵路立體化動態監測數據，進行分布式存儲、動態計算、分析與可視化，拓展在自動駕駛、故障預測、健康管理、災害隱患識別與風險防控等方面的深度應用，建立基于用戶畫像的智能推薦服務體系，提高鐵路應用服務水平，為川藏鐵路提供更安全可靠、方便快捷、溫馨舒適的運營服務。

3 結束語

川藏鐵路建設面臨著嚴峻的區域地形地質環境，施工難度巨大。建設數字孿生川藏鐵路無疑是建設智能川藏鐵路的必要途徑，從而真正實現人、機、物三元空間有機協同的全景式感知-認知-控制。本文提出的實景三維空間信息平臺將作為數字川藏一體化平臺的核心內容統籌建設，面向高性能、高可用、高可擴展等目標，突破匯集-存儲-管理-服務的若干關鍵技術，切實為川藏鐵路建設與管理提供強有力的科技支撐。