三維可視化技術(shù)在軌道交通數(shù)字化運(yùn)營管理的應(yīng)用

婁亭

摘要 文章將三維可視化技術(shù)與軌道交通車站超大規(guī)模線網(wǎng)運(yùn)營管理要求相結(jié)合，通過對(duì)運(yùn)營管理需求、實(shí)現(xiàn)技術(shù)架構(gòu)、可視化設(shè)計(jì)三個(gè)方面的分析及設(shè)計(jì)，梳理了通過三維可視化技術(shù)為車站管理人員提供一個(gè)滿足各專業(yè)資源共享、互聯(lián)互通、態(tài)勢(shì)可視的數(shù)字化運(yùn)營管理平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)路線。為三維可視化技術(shù)在軌道交通數(shù)字化運(yùn)營管理方面的應(yīng)用探索提供借鑒。

關(guān)鍵詞 數(shù)字化;運(yùn)營管理;三維可視化技術(shù)

中圖分類號(hào) F572.88文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2022）13-0004-03

0 引言

目前上海地鐵已全面進(jìn)入超大規(guī)模線網(wǎng)時(shí)代，運(yùn)營線路20條（含浦江線、磁浮），運(yùn)營長度772 km，運(yùn)營460余座車站，占全市公共交通出行分擔(dān)率已超67%，線網(wǎng)規(guī)模穩(wěn)居世界第一，地鐵已成為上海市民首選的公共交通出行方式[1]。龐大的建設(shè)規(guī)模和運(yùn)營線路對(duì)行車運(yùn)營及乘客服務(wù)帶來了前所未有的挑戰(zhàn)：一方面需要保障運(yùn)營有序、高效，另一方面需要滿足乘客乘坐地鐵時(shí)安全、舒適、便捷等不斷提高的服務(wù)需求。

探索通過三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)軌道交通車站設(shè)備、人員、業(yè)務(wù)的動(dòng)態(tài)展示，充分發(fā)揮數(shù)據(jù)互通、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)共享的作用，將業(yè)務(wù)和管理在統(tǒng)一的三維可視化平臺(tái)上進(jìn)行構(gòu)建，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道交通管理模式的數(shù)字化升級(jí)。

1 功能設(shè)計(jì)

三維可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將對(duì)象及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示出來，并進(jìn)行交互處理的技術(shù)和方法。通過基于三維可視化的數(shù)字車站綜合信息看板以可視化為管理手段，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)資產(chǎn)設(shè)備、乘客流量情況、設(shè)備運(yùn)行狀況等進(jìn)行監(jiān)控管理?；谌S可視化的數(shù)字車站綜合信息看板設(shè)計(jì)功能如下：

（1）多場(chǎng)景功能：三維立體環(huán)境中，各種場(chǎng)景類型都可以在車站整體的大環(huán)境中模擬與顯示，操作人員不再需要監(jiān)視不同的子顯示系統(tǒng)而了解全局的實(shí)時(shí)情況。

（2）容量可視化功能：軌道交通運(yùn)營組織的基礎(chǔ)是客流分析，從客流認(rèn)知、可視化、人機(jī)交互的綜合視角出發(fā)，對(duì)容客空間、承重大小、節(jié)能容量以更簡(jiǎn)明的形式做可視化展示。

（3）設(shè)備可視化功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)車站內(nèi)設(shè)備進(jìn)行3D建模，使虛擬場(chǎng)景與實(shí)際場(chǎng)景一一對(duì)應(yīng);可快速搜索定位目標(biāo)設(shè)備并實(shí)時(shí)顯示其狀態(tài)信息。

（4）資產(chǎn)可視化功能：直觀掌握機(jī)房設(shè)備分布，建立故障資料庫，可以模擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，查看實(shí)時(shí)狀態(tài)和資產(chǎn)信息，從而快速排除并修復(fù)故障，提高故障解決效率。

（5）監(jiān)控可視化功能：實(shí)現(xiàn)對(duì)車站模擬三維場(chǎng)景中的設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、告警可視化。

（6）任務(wù)盤點(diǎn)功能：對(duì)監(jiān)控告警歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行盤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，發(fā)布任務(wù)信息，支持日檢、運(yùn)維、維修等任務(wù)管理，并對(duì)任務(wù)歷史數(shù)據(jù)盤點(diǎn)統(tǒng)計(jì)。

（7）自動(dòng)巡檢功能：模擬運(yùn)維人員自動(dòng)巡檢動(dòng)畫，進(jìn)行相關(guān)機(jī)房的慣例巡檢，巡檢監(jiān)控視頻顯示在軟件或者軟件機(jī)器人巡檢界面上。

（8）人員定位功能：實(shí)現(xiàn)車站服務(wù)人員日常勤務(wù)的定位可視化管理，實(shí)時(shí)掌握勤務(wù)人員的部署和動(dòng)態(tài)，便于及時(shí)調(diào)派，響應(yīng)人員快速布崗要求。

（9）決策可視化功能：從底層數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)運(yùn)營方向，使運(yùn)營場(chǎng)景可視化，對(duì)決策提供科學(xué)支撐。

（10）場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)功能：根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯判定條件，自動(dòng)觸發(fā)場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)指令，對(duì)運(yùn)營人員提供相關(guān)操作建議，并指揮各系統(tǒng)執(zhí)行一系列的控制動(dòng)作快速對(duì)場(chǎng)景及事件進(jìn)行處置。

2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

目前軌道交通系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)主要分為設(shè)備運(yùn)行、人員管理、任務(wù)管理三方面，其特點(diǎn)主要是：

（1）數(shù)據(jù)產(chǎn)生速度快，隨機(jī)性強(qiáng)：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)每時(shí)每刻都在發(fā)生變化，并以ms或μs的時(shí)間間隔發(fā)生變化，而且變化的隨機(jī)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性強(qiáng)。

（2）數(shù)據(jù)維度多樣，交叉性強(qiáng)：外部數(shù)據(jù)包括交通路況、天氣數(shù)據(jù)、乘客流量和其他相關(guān)公共數(shù)據(jù)等;內(nèi)部數(shù)據(jù)包括運(yùn)營數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、人員數(shù)據(jù)、物資數(shù)據(jù)、財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)等。

（3）數(shù)據(jù)體量龐大，異構(gòu)性強(qiáng)：由于數(shù)據(jù)來源多、采集間隔小，使得數(shù)據(jù)量異常龐大;由于數(shù)據(jù)來源于多種不同系統(tǒng)和用戶輸入，除了存在結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)外還存在非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，且非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的占比較大。

（4）數(shù)據(jù)安全等級(jí)高，安全性強(qiáng)：數(shù)據(jù)中既有生產(chǎn)系統(tǒng)等物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集終端傳感器的第一手?jǐn)?shù)據(jù)，又有管理管控類的人財(cái)物數(shù)據(jù)，上述數(shù)據(jù)涉及企業(yè)秘密和公共安全，需要較高的安全性。

（5）數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值較高：通過軌道交通運(yùn)營過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)研究成果，妥善安排運(yùn)營管理工作，有助于解決乘客出行難題和協(xié)調(diào)應(yīng)急聯(lián)動(dòng)指揮。

結(jié)合上述軌道交通行業(yè)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于三維可視化的數(shù)字車站綜合信息看板的數(shù)據(jù)架構(gòu)，主要分為三個(gè)層面的內(nèi)容，如圖1所示。

數(shù)據(jù)中心層：系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集和傳感器、智慧感知設(shè)備集成框架實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)和數(shù)字綜合信息看板的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在系統(tǒng)中的統(tǒng)一管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽。

數(shù)據(jù)處理層：對(duì)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、抽取、存儲(chǔ)、計(jì)算、分析，通過可視化技術(shù)優(yōu)化的數(shù)據(jù)為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各種終端流暢的可視化展示車站運(yùn)行模式、乘客流量、系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息提供依據(jù)和條件。

數(shù)據(jù)展示層：系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)結(jié)合建筑物建模、建筑物內(nèi)部格局建模、房間內(nèi)部設(shè)備建模以及內(nèi)部的采光、陰影等效果的建模展示。系統(tǒng)從用戶的應(yīng)用方式和應(yīng)用場(chǎng)景考慮，提供多種先進(jìn)的數(shù)據(jù)展示效果，滿足整體調(diào)度、智能監(jiān)控、運(yùn)營任務(wù)的要求。

3 可視化設(shè)計(jì)

3.1 可視化設(shè)計(jì)流程

數(shù)據(jù)可視化的流程模型有很多種，最為基礎(chǔ)的是圖2所示的線性模型。

在此基礎(chǔ)上有驗(yàn)證加迭代的嵌套模型、首尾連接的循環(huán)模型、加入用戶交互的整體循環(huán)模型等。

3.2 車站數(shù)據(jù)可視化設(shè)計(jì)78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

車站數(shù)據(jù)三維可視化車站設(shè)計(jì)，是車站數(shù)據(jù)綜合信息的可視化，需要從設(shè)備運(yùn)行、人員管理、任務(wù)管理三方面內(nèi)容進(jìn)行展示。

3.2.1 設(shè)備運(yùn)行

在設(shè)備運(yùn)行方面，智慧地鐵，智能聯(lián)動(dòng)。

（1）還原車站整體三維視圖，多角度全景展示。在一個(gè)視圖中展示綜合的實(shí)景信息。管理人員不需要監(jiān)視不同的子顯示系統(tǒng)而了解全局的實(shí)時(shí)情況?？窗鍖?shí)時(shí)傳感器監(jiān)視點(diǎn)與三維模型結(jié)合起來，管理人員可以在一個(gè)視圖內(nèi)獲得全面的實(shí)景信息。同時(shí)管理人員可以使用三維的控制工具，對(duì)數(shù)字建筑模型進(jìn)行控制，隱藏/顯示不同的設(shè)備信息，來獲得更詳盡有效的實(shí)景信息。用戶通過鼠標(biāo)完成對(duì)整個(gè)3D場(chǎng)景自由漫游、縮放和旋轉(zhuǎn)操作，從而滿足用戶360°查看場(chǎng)景的需要，給用戶帶來良好的交互感和浸入感。

（2）對(duì)接車站子系統(tǒng)進(jìn)行信息處理，展示設(shè)備狀態(tài)信息。用戶可以查看設(shè)備基本信息，通過點(diǎn)擊的形式查看設(shè)備的基本屬性信息;系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)分析、數(shù)據(jù)報(bào)表查看，數(shù)據(jù)歷史視頻查看，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)備控制范圍，故障或超出閾值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警，自動(dòng)定位，并閃爍提示。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到設(shè)備出現(xiàn)告警信息時(shí)，在該設(shè)備的上方彈出對(duì)應(yīng)的警告標(biāo)志，用戶點(diǎn)擊報(bào)警標(biāo)志，彈出報(bào)警詳情，包括告警時(shí)間、告警類別、告警原因等。

（3）在三維車站模型上，進(jìn)行設(shè)備管理、運(yùn)營管理。3D 可視化告警系統(tǒng)釆用三維可視化技術(shù)在客戶端對(duì)工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行虛擬化仿真模擬，并基于綜合監(jiān)控管理平臺(tái)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行情況的形象立體化展示，多種形式的圖表展示設(shè)備環(huán)境，使管理人員擺脫表格、文本等傳統(tǒng)方式的數(shù)據(jù)可視化方式。

（4）有效聯(lián)動(dòng)各專業(yè)子系統(tǒng)，形成一站式綜合管理的三維可視化底圖。在可視化視角下，多系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)效果實(shí)時(shí)顯示，更方便快捷地實(shí)現(xiàn)故障分析、環(huán)境監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、廣播、乘客信息等系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。

3.2.2 人員管理

在人員管理方面，可做到的客流量控制、大客流處置、站內(nèi)人員管理。

（1）結(jié)合客流系統(tǒng)，客流實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)情況展示。利用趨勢(shì)圖、星狀圖等顯而易見的圖表形式對(duì)客流量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)行人群密度分析、決策調(diào)度，防止突發(fā)和踩踏事件;除了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，三維數(shù)字看板還可提供由可視化傳感器衍生的數(shù)據(jù)層，例如追蹤目標(biāo)（訪客、工作人員或?qū)ο螅┑淖罱欅E、腳步熱圖、溫度分布圖等。通過實(shí)時(shí)獲取客流信息，實(shí)現(xiàn)客流變化情況的動(dòng)態(tài)展示效果，將相對(duì)靜態(tài)的客流數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)變化的客流熱力圖，通過動(dòng)態(tài)圖表可以生動(dòng)展示地鐵站全天各時(shí)段的人流量情況和人口分布情況，為車站客流管理系統(tǒng)提供直觀的數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)。

（2）在三維車站模型上，進(jìn)行客流管理。應(yīng)急準(zhǔn)備管理人員，在對(duì)三維傳感器狀態(tài)有了統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)了解后，用戶可以對(duì)一些相關(guān)事件采取必要的防范措施。此外，三維仿真系統(tǒng)可以管理警報(bào)系統(tǒng)，并自動(dòng)地依據(jù)傳入的警報(bào)根事件參數(shù)顯示最相關(guān)的實(shí)景。有了三維建筑模型，管理人員可以輕松快速地了解乘客周圍環(huán)境并依據(jù)此做出預(yù)防危機(jī)發(fā)生的措施，或者準(zhǔn)備好如何處理已經(jīng)發(fā)生的危機(jī)。

（3）站內(nèi)工作人員的工作情況展示?；谌S可視化的數(shù)字車站綜合信息看板可實(shí)現(xiàn)日常勤務(wù)的可視化管理，實(shí)時(shí)掌握車站人員的部署和動(dòng)態(tài)，便于及時(shí)調(diào)派，支持勤務(wù)布崗、勤務(wù)監(jiān)督、勤務(wù)考核等功能。統(tǒng)計(jì)車站的主要工作人員流動(dòng)信息及工作范圍、時(shí)長等信息;當(dāng)前車站人員排班布崗顯示，定位在三維車站的可視化動(dòng)態(tài)展示。預(yù)防實(shí)景中的盲點(diǎn)，傳統(tǒng)的二維平面圖顯示只能夠提供分散的局部實(shí)景，因此管理人員可能會(huì)缺少對(duì)于全局環(huán)境的掌控，而產(chǎn)生信息及管理盲點(diǎn)。三維可視化看板可以有效地阻止此類盲點(diǎn)的產(chǎn)生，管理人員可以得到正確的事態(tài)信息并做出明智的決策。

3.2.3 任務(wù)管理

在任務(wù)管理方面，有效支持地鐵做運(yùn)營的調(diào)整、故障的維修，調(diào)度作業(yè)。

（1）結(jié)合應(yīng)急事件管理，展示應(yīng)急處置預(yù)案。當(dāng)車站發(fā)生應(yīng)急事件后，可以從車站運(yùn)營管理系統(tǒng)獲取預(yù)案啟動(dòng)指令。通過三維可視化方式顯示各區(qū)域客流密度、人員疏散方向、工作人員的到崗情況、相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)情況，讓車站管理者通過一站式平臺(tái)快速、有效地處理應(yīng)急事件。響應(yīng)組織內(nèi)容主要包括：人員布崗情況、設(shè)備啟停準(zhǔn)備、出入口關(guān)閉情況等。通過應(yīng)急預(yù)案的展示功能，可以幫助值班站長提前對(duì)各級(jí)大客流預(yù)案的部署情況進(jìn)行了解，并對(duì)相關(guān)負(fù)責(zé)人員進(jìn)行工作安排。

（2）自動(dòng)巡檢情況展示。自動(dòng)巡檢，用戶可以根據(jù)車站環(huán)境和設(shè)備布局情況，設(shè)定巡檢路徑，當(dāng)用戶點(diǎn)擊自動(dòng)巡檢按鈕時(shí)，可以沿著設(shè)定好的路徑進(jìn)行巡視，無須用戶手動(dòng)操作，就能夠?qū)β窂缴系脑O(shè)備健康情況進(jìn)行全局了解，大大減少了用戶的工作量，提高了工作效率。通過結(jié)合視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)等重點(diǎn)系統(tǒng)的日常巡更功能，形成圖文并茂的巡檢報(bào)告，實(shí)現(xiàn)電子巡更功能。

（3）任務(wù)編制、部署、執(zhí)行情況展示。強(qiáng)大的三維資產(chǎn)規(guī)劃和管理，在面對(duì)突發(fā)事件或者業(yè)務(wù)培訓(xùn)時(shí)，管理人員經(jīng)常需要制定、傳達(dá)或者部屬運(yùn)營及安全計(jì)劃，管理人員可以通過三維數(shù)字模型簡(jiǎn)潔地介紹及部署工作任務(wù)。使得管理人員可以輕松制定計(jì)劃方案面對(duì)不同的事件，例如培訓(xùn)、簡(jiǎn)述、以及緊急事件，有利于協(xié)調(diào)調(diào)度。包括計(jì)劃進(jìn)度編制、進(jìn)度模擬、實(shí)際進(jìn)度條，實(shí)現(xiàn)任務(wù)可視化進(jìn)度更為簡(jiǎn)單易看的圖形化監(jiān)控等功能。

4 結(jié)語

基于三維可視化技術(shù)的軌道交通車站數(shù)字化運(yùn)營管理應(yīng)用，可以為車站管理人員提供一個(gè)能夠滿足各專業(yè)領(lǐng)域資源共享、互聯(lián)互通、系統(tǒng)態(tài)勢(shì)可視、可監(jiān)、可控的綜合管理平臺(tái)來為用戶服務(wù)，保證列車安全、準(zhǔn)點(diǎn)、快捷、舒適、不間斷運(yùn)行，是未來智慧軌道交通一個(gè)十分重要的發(fā)展基礎(chǔ)和方向。

參考文獻(xiàn)

[1]俞光耀. 上海超大規(guī)模軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營管理對(duì)策研究[M]. 上海：上海書店出版社， 2018.78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C