便攜式采集裝置及鐵路基礎設施三維空間數據管理系統設計

崔夢真，賀 晗，王 虎，王遙遙

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

我國鐵路具有分布廣、里程長、數據分散、類別龐雜、周邊環境復雜等特點。鐵路基礎設施空間數據作為鐵路的關鍵信息資產，能夠為開展大規模的線路巡檢、檢測、維護等工作提供輔助決策[1]。但是，我國鐵路仍存在基礎設施空間數據缺失、無法完全掌握線路周邊真實環境、空間數據難以集中管理等問題。因此，高效、準確地采集和管理鐵路基礎設施空間數據，對鐵路工作人員全面掌握基礎設施資源分布、落實精準化管理、開展日常巡檢維修、進行應急搶險救援等工作具有重大意義。

目前，空間數據采集的研究主要集中在基于連續運行參考站系統（CORS，Continuously Operating Reference System）采集、三維激光掃描、無人機遙感測繪、移動測量等技術[2]。任潔[3]采用全球定位系統-實時動態（GPS-RTK，Global Positioning System &Real-Time Kinematic）技術在蘭州某段既有線路進行不等間距實地測量，驗證了所提方法的實用性。陳隆[4]結合鐵路線路的實際環境，提出利用無人機傾斜攝影測量技術進行鐵路地理信息空間數據采集，并構建了可視化的三維模型，所采集的數據能夠直觀地反映地物的詳細信息。移動測量技術是當今測繪界的前沿技術，能夠在車輛高速行進時實現道路及周邊地物的空間位置和屬性數據的快速采集[5]，提高數據的采集效率，因而是本文主要的研究內容。在鐵路基礎設施空間數據管理方面，晉杰等人[6]搭建了基于地理信息系統（GIS，Geographic Information System）的數據環鐵平臺，該平臺對中國鐵道科學研究院集團有限 公司國家鐵道試驗中心（簡稱：國家鐵道試驗中心）的環行鐵路試驗線所采集的三維空間數據進行管理，實現了環形鐵路基礎設施的信息集成和可視化表達。

為進一步提高鐵路基礎設施空間數據的采集效率及管理水平，本文研究了鐵路基礎設施空間數據采集及管理技術，設計了基于移動實景測量技術的便攜式非接觸采集裝置（簡稱：采集裝置），以及鐵路基礎設施三維空間數據管理系統（簡稱：管理系統），實現在復雜場景下，對鐵路基礎設施空間數據的快速、精確采集及有效管理。

1 鐵路基礎設施空間數據現狀分析

鐵路地理信息平臺是以實現鐵路地理信息和服務共享為目標的信息化基礎平臺，是鐵路地理信息數據統一管理中心、統一功能服務中心和統一發布中心。在中國國家鐵路集團有限公司發布的《鐵路信息化總體規劃》中，進一步明確鐵路地理信息平臺是一體化集成平臺中鐵路數據服務平臺的重要組成部分。鐵路地理信息平臺中包含國家基礎地理信息數據、鐵路專業公用地理信息數據和鐵路專業專用地理信息數據，采用“一張圖+N應用”的服務模式，提供面向全國鐵路的鐵路地理信息數據和服務。該平臺包括132種鐵路數據，主要有全國鐵路干線、合資鐵路、客運站、貨運站、專題地圖、中歐班列（鐵路線）等數據，涵蓋鐵路路基、橋梁、隧道、信號機、基站等基礎設施。

鐵路地理信息平臺使用的是國家地理信息公共服務平臺“天地圖”（簡稱：“天地圖”）的數據，地圖比例尺為1∶2 000。表1為“天地圖”數據服務內容。

表1 “天地圖”數據服務內容

鐵路專業公用地理信息數據指鐵路車務、機務、工務、電務、車輛、供電等業務部門之間共享的鐵路專業空間數據。鐵路專業專用地理信息數據主要包括鐵路各專業內部專用的空間數據，以及與本專業的業務密切相關、與其他專業關系不大、不需要在專業之間進行共享的鐵路專業空間數據。

目前，鐵路地理信息平臺已基本完成全國鐵路線路空間數據的建設，而對于工務、電務、供電、給水等各專業設備設施空間數據的建設范圍較小，現已完成部分線路的橋梁、信號機、基站和車站等空間數據的建設。此外，對于近幾年國家新建鐵路線的空間數據缺失較多，因此還需對全國各鐵路線、各專業的設備設施及新建鐵路線進行大量的空間數據采集工作，并對采集的數據進行集中管理和維護。

2 采集裝置

2.1 裝置功能

為了滿足鐵路基礎設施空間數據采集的實際需求，本文研制了基于移動實景測量技術的便捷式非接觸采集裝置，實現了鐵路基礎設施空間數據的快速、精準采集。采集裝置采集的內容主要有3類，分別為坐標數據（包含鐵路基礎設施高精度三維坐標、列車行駛軌跡）、點云數據（包含軌旁基礎設施、接觸網、周邊地形等點云數據）、影像與視頻（包含裝置前視70°范圍內可量測實景影像數據、運行期間視頻等）。采集裝置由激光雷達模塊、工業相機模塊、組合導航模塊、監控視頻模塊、網絡通信模塊、環境適應模塊和綜合處理模塊組成。

（1）激光雷達模塊：獲取目標的距離、方位、高度、速度、姿態、形狀等數據，從而對目標進行探測、跟蹤和識別。

（2）工業相機模塊：采用分辨率為 890萬像素、1英寸（1英寸≈2.54 cm）CMOS芯片的工業相機。該相機具有噪點低、分辨率高、圖像質量好等特點。工業相機模塊通過千兆以太網接口實時傳輸非壓縮圖像，在全分辨率下的最高幀率可達到13 f/s。

（3）組合導航模塊：由全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite System）和慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）組成，姿態測量精度為0.02°。GNSS包括北斗衛星導航系統、全球定位系統（GPS，Global Positioning System）、格洛納斯衛星導航系統（GLONASS，Global Navigation Satellite System）。IMU采用高精度工業級慣性器件，輸出頻率為200 Hz。

（4）監控視頻模塊：由2臺攝像機組成，其中，單臺攝像機的視場角為100°。2臺攝像機進行組合，它們的視場角重疊20°，組成視場角為180°的前向攝像機。監控視頻模塊所采集的影像數據通過4G/5G通信鏈路實時傳輸到管理系統。

（5）網絡通信模塊：內置4G/5G通信模塊，通過收取RTK差分改正數據，將組合導航模塊的定位精度提高到厘米級；同時，將傳送采集裝置狀態、監控視頻等數據傳輸到管理系統。

（6）環境適應模塊：用于確保工業相機的感光器件互補金屬氧化物半導體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）在野外低溫環境的運行安全。當監測到運行溫度過低時，該模塊自動啟動預熱系統，將敏感器件加熱到0°以上，以保證采集裝置正常發揮。

（7）綜合處理模塊：采用內置的高性能嵌入式計算機，將激光雷達和組合導航數據進行融合解算，得到點云數據；將點云數據和影像融合，形成可量測影像數據，并存儲到內置存儲器；將監控視頻模塊獲得的視頻數據回傳到管理系統。

采集裝置模型如圖1所示，通過吸盤固定在列車駕駛室擋風玻璃內側。

圖1 采集裝置模型

2.2 試驗測試

2.2.1 試驗環境

本文選取國家鐵道試驗中心的環形鐵路試驗線進行試驗。環形鐵路試驗線包括大環線、小環線及新建的城軌試驗線，可進行機車車輛、鐵道建筑、通信信號、鐵道電氣化設施、客貨運輸、特種運送等多專業的科學試驗。在本次試驗中，列車以160 km/h的速度繞環形鐵路試驗線大環線（周長為9 km）運行一圈，實現鐵路基礎設施三維空間數據的采集。為滿足不影響列車正常運行和調度要求，試驗采取添乘模式進行數據采集。便攜采集裝置固定于駕駛室擋風玻璃內側，通過添乘模式完成數據采集作業。

2.2.2 試驗結果

采集試驗線路數據，獲取了試驗線路基礎設施（包括橋梁、涵洞、隧道、軌道、防護柵欄、接觸網、信號機等）的三維坐標數據、點云數據和實景影像數據，并對其精度進行分析與驗證。圖2為含有接觸網、軌道、防護柵欄等基礎設施的點云數據和實景影像數據。采集裝置技術指標試驗結果如表2所示。可以發現，采集裝置能夠實現鐵路沿線的三維坐標數據、可量測實景影像數據、點云數據、周邊環境視頻數據的快速、精準、安全及一體化采集。

圖2 試驗采集數據

表2 采集裝置技術指標的測試結果

在對鐵路基礎設施三維空間數據精度進行驗證之后，本文對試驗數據進行清洗、整理及入庫處理，并構建了精確的線路里程與空間位置關系。同時，在鐵路基礎設施三維空間數據管理系統中，實現了對鐵路基礎設施三維空間數據的集中存儲與管理維護，提供線路可視化、統計分析、數據管理和系統管理等功能。

3 關鍵技術

3.1 輕量化存儲與快速查詢

本文采用了面向鐵路基礎設施三維空間數據的輕量化存儲與快速查詢技術，其中，三維空間數據包括柵格數據和矢量數據。輕量化存儲與快速查詢技術采用瓦片金字塔對柵格數據進行壓縮，將其分割為1組瓦片，并存儲于數據庫服務器，建立合適的數據索引結構來存儲瓦片，實現了輕量化存儲與快速查詢。輕量化存儲與快速查詢技術采用串表壓縮（LZW，Lempel-Ziv-Welch ）算法[7]，對矢量數據的幾何信息和屬性信息進行壓縮。LZW算法具有簡單、快速、易于硬件實現、壓縮效果較好等優點，且可通過一次性讀取全部數據實現數據的存儲。壓縮后的數據依據MBTiles規范進行存儲，通過應用服務器處理后發布生成瓦片地圖，實現數據的快速查詢。

3.2 線性參考系統構建

線性參考系統（LRS，Linear Reference System）是國際上先進的線性空間數據組織和構建模型。LRS能夠對未知要素的位置信息通過其與己知線性要素起點位置之間的相對位置關系進行表示或測量，而不是以經緯度或平面坐標系的方式表示，實現了線性設施中任意兩點之間里程的精確量算[8]。同時，LRS能夠實現對任意空間位置和方向進行任意里程位置的精確定位和查詢。

管理系統采用ArcGIS的線性參考工具（LRT，Linear Referencing Tools），對路徑要素類和事件表這兩種數據結構進行處理。基于高精度高密度的行駛軌跡，依據給定路段起止點信息，本文構建了鐵路LRS，將鐵路線路和基礎設施的經緯度位置信息通過線性要素的相對位置來表示，建立鐵路基礎設施空間數據與臺賬數據之間的高度關聯，為鐵路基礎設施空間位置的快速查詢提供依據。

4 管理系統

4.1 系統架構

本文基于上述兩種關鍵技術，研發了鐵路基礎設施空間數據管理系統（簡稱：管理系統），實現將采集裝置所獲取的多種鐵路基礎設施三維空間數據進行集中管理與存儲。管理系統采用多層架構，從下到上依次為基礎層、數據層、平臺層和應用層，如圖3所示。

圖3 管理系統總體架構

（1）基礎層：主要包括服務器、存儲、網絡設備等硬件設施，是管理系統的運行環境。

（2）數據層：在對數據進行有效、準確采集的基礎上，基于輕量化存儲和快速查詢技術，構建鐵路地理信息空間數據庫，實現對點云數據、實景影像數據、視頻監控數據、臺賬數據等鐵路基礎設施數據的統一管理。

（3）平臺層：包括管理系統所采用的基礎技術框架、組件，以及為應用層提供的數據和GIS功能服務接口。

（4）應用層：包括各個業務功能模塊，主要實現對鐵路基礎設施的可視化定位和查詢、基于實景測量的空間分析與量測、鐵路線路周邊狀況監控等功能。

4.2 系統功能

管理系統包括鐵路線路可視化、統計分析、數據管理和系統管理4大功能，實現了對鐵路基礎設施空間數據的統一集中管理。

（1）鐵路線路可視化

鐵路線路可視化功能具有鐵路線路及其基礎設施的二維地圖、三維實景地圖、多時相地圖的可視化展示功能，以及統一的檢索入口，能夠實現鐵路基礎設施定位查詢、鐵路線路里程的定位功能。鐵路可視化功能支持以點選、框選方式進行設備設施定位查詢，還可以提供對三維實景對象的量算分析功能，例如，量測對象的距離、面積、垂距、立面、角度等。同時，鐵路線路可視化功能還可以關聯鐵路基礎設施臺賬數據，實現基礎設施基本信息的查看?；诙鄷r相地圖，鐵路線路可視化功能可調閱和對比不同時間段鐵路實景影像數據，以及不同時段鐵路線路周邊狀況監控視頻回放。典型示范鐵路線路的三維實景影像如圖4所示。

圖4 典型示范鐵路線路的三維實景影像

（2）統計分析

統計分析功能能夠實現對空間數據的分類與綜合評價，涉及空間和非空間數據的處理和統計計算。為了將地圖上某類對象的某些屬性進行橫向或縱向比較，統計分析功能將這些屬性制成統計專題地圖，以進行直觀的綜合評價。

統計功能還可以按目錄樹和地圖框兩種選擇方式查詢或統計指定范圍內基礎設施的數量和類型，并將統計結果在地圖上進行可視化展示。

（3）數據管理

數據管理功能以鐵路工務、電務、供電等專業為標準，對線路臺賬數據、實景測量數據、點云數據、視頻數據等進行分類管理。同時，數據管理功能還能依據不同權限提供數據資源的上傳、下載、查詢、查看等，實現數據資源的共享利用。

（4）系統管理

系統管理功能支持系統用戶管理、功能菜單權限管理、系統服務狀態監控等，可實現數據庫運行監控、系統訪問日志留痕等。

5 結束語

本文分析了我國鐵路基礎設施空間數據建設現狀，研制了便攜式非接觸空間數據采集裝置，并搭建了鐵路基礎設施空間數據管理系統，實現了鐵路基礎設施空間數據的實時采集和集中管理。本文成果有效地提高了鐵路線路相關數據的采集效率與信息化管理水平，為數字孿生鐵路、智慧鐵路的建設提供了科學、可靠、實用的數據支撐和管理平臺。