高鐵聯調聯試車載集成綜合顯示平臺關鍵技術研究及應用

王萬齊，沈海燕，王志華，楊玲玲，徐貴紅，徐曉磊，端嘉盈

（中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

0 引言

隨著智能京張、智能京雄建設的全面啟動，以及云計算、物聯網、大數據、北斗定位、5G通信、人工智能等先進技術在高鐵的廣度和深度應用，標志著我國高鐵建設進入智能化時代，聯調聯試是高速鐵路建設和運營準備的重要組成部分和必要環(huán)節(jié)[1-2]，智能京張高鐵的高標準建設對聯調聯試也提出了更高要求。

聯調聯試主要包括軌道、接觸網、供變電、通信、信號、客運服務等17大項600余子項的測試內容[3]，目前各系統各自監(jiān)測檢測、垂直管理，設備分散、接口多樣、獨立分析顯示，缺乏協同聯動。因此，基于“集成、融合、聯動、可視”理念，本著整體性、便捷性、安全性、開放性、擴展性、穩(wěn)定性、可靠性、經濟性的原則，打破傳統各子系統獨立分散的垂直管理，采用“集中化、一體化、可視化”的設計模式，研發(fā)了智能京張高鐵聯調聯試車載集成綜合顯示平臺（簡稱平臺）。平臺統一規(guī)劃、統一部署，軟硬件資源統一配置和按需分配、統一運維[4]。現階段目標：規(guī)范接口和安全傳輸、數據統一存儲和管理、主題分區(qū)和布局、風格和諧統一，以及基于時空同步的聯調聯試動態(tài)實景、2D+3D平行展示、多專業(yè)綜合疊加、跨專業(yè)融合分析、車載/地面監(jiān)測檢測等信息的協同聯動和集中展示。便于及時洞察多專業(yè)、多維度下，線路設備狀態(tài)、列車運行狀態(tài)、車站及線路周邊環(huán)境結構物狀態(tài)及異常檢測數據的變化規(guī)律，挖掘數據潛在價值，提高數據交互性、使用效率；填補行業(yè)空白，不斷提升聯調聯試集中管理、整體研判、協同指揮、科學決策的水平，為高鐵安全運營保駕護航。

1 平臺總體設計

1.1 總體框架

平臺總體框架由數據感知層、網絡傳輸層、平臺接口層、數據分析層、業(yè)務應用層以及安全保障體系和標準及評價體系組成（見圖1）。

圖1 平臺總體框架

（1）數據感知層?；谌娣涸诟兄?，采集車載專業(yè)（軌道狀態(tài)、列車動力學、接觸網、空氣動力學、通信、軌旁信號）、地面專業(yè)（工務、供變電、綜合接地、信息系統、聲屏障、振動噪聲）檢測數據，為平臺及時提供準確數據。

（2）網絡傳輸層。通過車載局域網、Wi-Fi、4G公網、拷貝等方式上傳車載及地面監(jiān)測檢測數據。

（3）平臺接口層。基于統一標準、統一接入原則，提供硬件、網絡、數據等接口。

（4）數據分析層。對接入的數據進行存儲、融合、處理、分析，為業(yè)務應用層提供數據支持。

（5）業(yè)務應用層。圍繞20個專業(yè)，基于時空同步對聯調聯試動態(tài)、車載/地面監(jiān)測檢測、車頭/弓網視頻、二維GIS、BIM+GIS、設備綜合圖、融合分析等信息進行一體化集成聯動顯示。

1.2 功能設計

平臺主要包括動態(tài)實景、2D+3D跨專業(yè)展示、多專業(yè)協同聯動疊加展示、跨專業(yè)融合分析展示、檢測數據分析展示、基礎信息維護、系統管理7大功能模塊（見圖2）。

（1）動態(tài)實景。主要對車頭視頻及弓網視頻動態(tài)實時展示。

（2）2D+3D跨專業(yè)展示。①二維GIS的2D電子地圖。以地理信息為數據載體，對列車追蹤位置、大值報警、線路質量、接觸網幾何參數、動車組動力學、信號應答器狀態(tài)等進行圖數聯動展示。②三維BIM+GIS數字孿生虛實互動?；诶锍毯洼p量化模型流式加載、動態(tài)實景展示線路周邊環(huán)境和構筑物；將超限值與構筑物關聯并報警；首次利用BIM/GIS+平行技術，構建1︰1等比例重點構筑物3D模型，可全方位虛實互動，并身臨其境地逐層縱覽車站內設備、環(huán)境狀態(tài)、測點位置等信息。

圖2 平臺功能結構

（3）多專業(yè)協同聯動疊加展示?；诶锍毯蜁r間同步，對工務（車站、橋梁、隧道、涵渠）、電務（通信基站）、供電（變電所）的6種設備信息，線路曲線、坡度2種參數信息，以及車載專業(yè)中的軌道幾何、動力學響應、弓網受流等8個專業(yè)的超限預警值，地面專業(yè)的車站、風、雨、雪、異物侵限等監(jiān)測點的直觀標識等信息在“一張圖”協同聯動疊加展示。

（4）跨專業(yè)融合分析展示。對軌道幾何、輪軌力、車輛加速度數據進行融合分析和協同聯動展示。分析軌道病害與車輛動力學響應關系。對接觸網檢測多源數據進行融合分析，分析弓網接觸力的波長特性與接觸網懸掛關系。對比分析不同速度級、不同工況的波形數據，進行異常判斷和線路區(qū)段狀態(tài)評價。

（5）檢測數據分析展示。車載專業(yè)對軌道幾何（高低、軌向、水平、三角坑等）、動力學（脫軌系數、輪軸橫向力等）、接觸網（觸線高度、拉出值等）、空氣動力學（壓力變化值、壓差等）、通信（越區(qū)切換、呼叫建立時間等）、軌旁信號狀態(tài)（補償電容、應答器等）參數進行顯示。地面專業(yè)對工務（軌道結構和道岔的安全性、振動等指標）、路基（動變形、振動加速度）、隧道（微氣壓波、瞬變壓力）、橋梁（振幅、振動加速度）、供變電（變電所、AT所等參數）、綜合接地（鋼軌電位等參數）、客服（檢測通過率、災害報警時限、視頻時延）、輻射噪聲、環(huán)境振動等進行顯示。

（6）基礎信息維護。對GIS、BIM、基礎設施等基礎信息，GIS國家基礎地理信息數據、京張高鐵空間地理數據和線路實景影像，工電供設備基礎信息，線橋隧和結構物等BIM模型，聯調聯試基礎數據及測點進行維護。

（7）系統管理。包括用戶管理（用戶、角色）、權限管理（權限分配、功能授權）、系統監(jiān)控、數據庫管理、服務器部署和調優(yōu)等功能。

1.3 總體效果

平臺以實用適用、主題分區(qū)、屏幕交互聯動、層次化布局、風格和諧統一、集多種交互方式、可視性強、提升客戶體驗為原則，設計了9個功能區(qū)?？傮w效果見圖3，BIM+GIS功能區(qū)切換為全屏的展示效果見圖4。

圖3 平臺總體效果

圖4 BIM+GIS展示效果

2 數據安全傳輸設計

2.1 數據傳輸

車載各專業(yè)檢測數據按約定的匯集頻率通過車載局域網傳輸至數據傳輸中轉站，自動同步至車載數據集成服務器。地面各專業(yè)檢測數據按約定的匯集頻率通過公網或拷貝傳輸至地面數據接收服務器，利用車-地無線傳輸至車載數據集成服務器。車頭和弓網視頻通過IP訪問、復屏獲取實時視頻信息。車載4個專業(yè)通過socket接口實時傳輸，其他3個專業(yè)按照約定匯集頻率采用.txt格式文本準實時傳輸。地面13個專業(yè)受車-地傳輸條件限制，隔天傳輸。數據及網絡傳輸示意見圖5。

圖5 數據及網絡傳輸示意圖

2.2 信息安全

平臺信息安全主要從物理安全、網絡安全、主機安全、數據安全、應用安全和安全管理策略6個方面進行設計。物理安全體現在平臺獨立組網，邏輯隔離；網絡安全采用邊界控制、安全接入等技術；主機安全從虛擬機安全防護、漏洞掃描和防病毒等方面考慮，確保主機系統安全；數據安全采用國家保密局認證加密算法對數據加密，實現數據可用性、機密性和完整性；應用安全從身份認證、訪問控制、軟件容錯、資源控制等方面設計；安全管理策略主要對普通用戶和管理員操作規(guī)范、管理流程等進行認證和鑒權。

3 硬件設計

平臺硬件由服務器、核心交換機、工作站、PC交互控制終端、移動交互控制終端、多屏處理器和大屏（拼接屏）組成。通過多屏處理器，實現前后端多路信號輸入輸出和高分辨率拼接顯示。硬件組成及系統連接見圖6。

平臺服務器為平臺提供應用部署、數據庫管理、數據處理、存儲等服務。核心交換機提供局域網絡數據交換功能。工作站負責各應用程序的控制、管理、查看等，通過擴展多塊高性能顯卡，輸出多個顯示接口，把用戶數據通過數字高清信號線（HDMI、DP、DVI等）投放到屏幕上。PC交互控制終端用于控制多屏處理器輸入輸出內容及顯示效果。移動交互控制終端提供快捷靈活的大屏切換、縮放和管理功能。多屏處理器用于整合工作站輸入內容，并輸出到大屏LCD顯示器顯示工作站中的應用系統。

圖6 平臺硬件組成及系統連接

4 主題分區(qū)

平臺以需求為導向，以總體設計為依據，設置5個主題：動態(tài)實景、2D+3D跨專業(yè)展示、多專業(yè)協同聯動疊加展示、跨專業(yè)融合分析展示、檢測數據分析展示。按照功能分區(qū)與大屏拼接縫盡量重合、跨多專業(yè)或疊加多專業(yè)設為主區(qū)、主區(qū)占據大屏顯著位置、相鄰區(qū)動靜結合、避免快速滾動和頻閃等原則，設計了9個功能區(qū)（見圖7）。

圖7 功能分區(qū)及尺寸示意圖

功能區(qū)1+2：車頭、弓網視頻。車頭視頻隨車動態(tài)顯示并監(jiān)測列車前方及周邊環(huán)境、路況；弓網視頻實時監(jiān)視列車運行過程中受電弓與接觸網真實接觸狀態(tài)，輔助弓網檢測系統進行綜合分析評判。

功能區(qū)3：聯調聯試概況。對基礎信息、測試項目、計劃、進度進行顯示。

功能區(qū)4：設備綜合圖。在一張圖上實現基于統一里程的多專業(yè)基礎設施設備狀況和質量的動態(tài)綜合顯示，并疊加車載多專業(yè)超限報警值協同展示。

功能區(qū)5：跨專業(yè)融合分析。通過對軌道幾何與輪軌動力學數據、弓網受流檢測與弓網幾何參數檢測數據、聲屏障動力學與列車空氣動力學等數據融合分析和深度挖掘，為決策者、管理者提供決策支持依據。

功能區(qū)6：二維GIS。二維GIS以地理信息為數據載體，進行檢測數據的圖數聯動，實現機車車輛、線路工程、通信信號、信息系統、節(jié)能環(huán)保等多專業(yè)檢測信息的綜合展示。

功能區(qū)7+8：車載專業(yè)、地面專業(yè)。車載、地面涉及20個專業(yè)，車載大屏顯示版面有限，特別設計了專業(yè)屏+彈窗+快速切換+自由放大+輪播+滾動等組合顯示方式，展示內容豐富、全面、專業(yè)，全方位滿足各類需求。

功能區(qū)9：BIM+GIS。實現基于時間同步、里程同步的BIM+GIS車-模聯動、測點檢測數據展示、基礎設施基本信息展示和重點構筑物漫游。

5 關鍵技術及創(chuàng)新

5.1 車地多源異構信息無縫對接及實時、準實時傳輸策略的創(chuàng)新設計

針對車載及地面各專業(yè)系統不同的操作系統、數據庫、存儲、工具、數據類型、傳輸條件等，首先平臺兼容了B/S或C/S架構開發(fā)的既有系統和新系統；其次根據業(yè)務需求和專業(yè)特點，統一設計傳輸節(jié)點、協議，以及多源異構信息實時、準實時傳輸策略和方法，實現多種數據疊加展示、自定義多種組合展示、便捷切換和自動彈屏，研發(fā)了直觀性高、擴展性好的綜合集成顯示平臺，填補了行業(yè)空白。

5.2 基于時空同步的多圖協同聯動技術

高速鐵路基礎設施系統復雜，動態(tài)檢測項目眾多，基于時空同步技術，即時間同步、里程同步。時間同步解決了通過隧道、橋梁、車站等GPS信號遮擋區(qū)段時信息丟失問題；里程同步通過采用速度編碼器、DGPS定位系統和高速射頻電子標簽技術相結合，有效解決了地理數據信息采集和定位的問題。保障了動態(tài)實景、2D+3D跨專業(yè)展示、多專業(yè)協同聯動疊加展示、跨專業(yè)融合分析展示、檢測數據分析展示5個主題9大功能區(qū)信息的多圖協同聯動。

5.3 基于多維度、多種展現形式、人機交互的可視化技術

平臺運用基于幾何、圖標、層次、圖形的多維可視化技術，通過柱狀圖、折線圖、氣泡圖、散點圖、雷達圖、熱力圖、地圖等可視化展現形式，改變了大型、復雜、抽象的多維信息的表示和理解方式，利用人的視覺感知能力對數據進行呈現，使用戶有效地觀察、研究、瀏覽、探索多維信息及其結構，并與其進行交互、分析挖掘，發(fā)現隱藏在多維信息內部的數據特征和規(guī)律（見圖8）。

圖8 地面多專業(yè)、多展示形式

5.4 基于主題規(guī)劃的從“集中”到“集成”的一體化集成顯示

基于平臺、主題、頁面3層規(guī)劃，解決多專業(yè)數據分散、體系獨立、無法交互聯動等問題。即頁面是構成可視化系統的基本單元，每個頁面都通過特定形式將數據進行綜合顯示；主題是以支撐業(yè)務決策為目標，通過可視化技術構建的一個或一組數據顯示頁面；平臺覆蓋業(yè)務領域多個主題，構成一體化集成系統（見圖9）。

圖9 基于主題規(guī)劃的一體化集成顯示

打破傳統的“集中”顯示模式，基于統一UI界面風格、統一主色調、統一布局、統一規(guī)劃、協同聯動、有機融合等設計原則，實現一體化集成協調聯動顯示，風格簡約而不簡單，色彩統一有層次感，給用戶全新的視覺體驗。傳統顯示與一體化集成顯示對比見圖10。

圖10 傳統顯示與一體化集成顯示對比

5.5 基于高速行駛和空間限制下的可靠加固和安全防護技術

高速綜合檢測列車需考慮行駛快，車廂凈空低，運維人員多，振動、轉彎、急速啟停等眾多因素，綜合集成顯示大屏需在材質、安裝結構、加固技術、防護措施上進行特殊設計和定制，工程難度遠超地面?zhèn)鹘y安裝方式。

（1）大屏與車體結構間的連接加固架采用高強度輕鋼或鋁鎂合金材料，模塊化結構，保證結構強度的同時降低骨架質量，便于安裝和后期維護。

（2）加固架與車體間通過上下貫穿的形式，保證安裝穩(wěn)定可靠，能夠承受列車運行過程中產生的各種作用力。

（3）為了確保大屏表面不被外力損傷，在大屏外側安裝卷簾式或推拉式屏體保護裝置，并噴涂醒目警示標識。

5.6 基于多層次評價指標體系的設備選型綜合評估

基于高速綜合檢測列車的特殊性，針對大屏及管控設備、網絡及服務器設備、供電設備、布線等，從空間、質量、功耗、性價比、尺寸、拼接縫大小、比例效果、觀看距離、視覺舒適度、客戶體驗等指標，設計了多層次定量和定性的評價指標和量化的權重分配體系，采用多級模糊評價方法對設備進行綜合評估（見圖11）。同時通過建立仿真模型及搭建模擬環(huán)境，進一步對設備選型的合理性進行驗證，降低了主觀性評價，使設備選型更加科學合理。

6 結束語

基于“集成、融合、聯動、可視”理念，打破傳統各子系統獨立分散的垂直管理，開展了時空同步、多圖協同聯動、多維可視化、融合分析、一體化集成顯示、視覺驗證仿真、加固防護等關鍵技術研究；采用“集中化、一體化、可視化”的設計模式，研發(fā)了可視性、直觀性、擴展性靈活的高鐵聯調聯試車載集成綜合顯示平臺，根據不同對象采用多主題、多場景、多層次、多維度、多樣式的一體化展示方式，輕松布局、便捷切換、自由集成，實現了多源異構信息的有機融合、協同聯動、關聯疊加、集成展示，便于決策者和工作人員多維度監(jiān)控、一目了然發(fā)現潛在風險和問題，不斷提升協同指揮、整體研判、科學決策水平，為智能京張高鐵安全運營保駕護航。