高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究

解亞龍，王萬(wàn)齊，沈海燕，岳 亮，劉國(guó)躍，王志華，楊玲玲，魯玉龍

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所,北京 100081; 2.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司,北京 100081; 3.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司,北京 100081)

截至2021年年底,全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程突破15萬(wàn)km,其中高速鐵路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“高鐵”)超過(guò)4萬(wàn)km。為保證高鐵在復(fù)雜多變環(huán)境下高速、安全、持久地運(yùn)行,必須在高速運(yùn)行條件下,實(shí)時(shí)對(duì)列車(chē)、線(xiàn)路設(shè)備、路網(wǎng)狀況進(jìn)行質(zhì)量和安全狀態(tài)監(jiān)控,主動(dòng)預(yù)防并處置各種安全隱患,確保各系統(tǒng)協(xié)調(diào)、安全地運(yùn)行。高速綜合檢測(cè)車(chē)是我國(guó)高鐵基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)的重要技術(shù)裝備,是完成高鐵營(yíng)業(yè)線(xiàn)周期性檢測(cè)、新建高鐵投入運(yùn)營(yíng)前聯(lián)調(diào)聯(lián)試、大型綜合性科研試驗(yàn)等基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)工作的主要檢測(cè)手段和技術(shù)力量[1-2]。

隨著智能京張、智能京雄高鐵建設(shè)的全面啟動(dòng),以及5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)在高鐵各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域研發(fā)應(yīng)用的廣度和深度的持續(xù)擴(kuò)大,標(biāo)志著我國(guó)高速鐵路向智能化方向邁進(jìn)[3]。結(jié)合高速綜合檢測(cè)車(chē)的任務(wù)目標(biāo),研究面向高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái)及其關(guān)鍵技術(shù),對(duì)多來(lái)源、多維度、多專(zhuān)業(yè)的信息進(jìn)行融合、集成及分析應(yīng)用,為提升我國(guó)高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)、基礎(chǔ)設(shè)施綜合檢測(cè)技術(shù)的創(chuàng)新水平提供新的方法和手段[4]。

1 研究背景

1.1 我國(guó)高速綜合檢測(cè)車(chē)的發(fā)展及作用

自2003年起,我國(guó)開(kāi)始研制高速綜合檢測(cè)車(chē),2007年第一列200 km/h綜合檢測(cè)列車(chē)裝備投入使用,至今已投入運(yùn)營(yíng)14列。我國(guó)高速綜合檢測(cè)車(chē)的發(fā)展主要經(jīng)歷了各專(zhuān)業(yè)檢測(cè)車(chē)、安全綜合檢測(cè)車(chē)、高速綜合檢測(cè)車(chē)3個(gè)階段。檢測(cè)內(nèi)容由單一的專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)向更多專(zhuān)業(yè)、更全面的綜合檢測(cè)擴(kuò)展,檢測(cè)速度也達(dá)到列車(chē)運(yùn)行速度,檢測(cè)目的發(fā)展到不僅要保障運(yùn)營(yíng)安全,而且要指導(dǎo)養(yǎng)護(hù)維修、動(dòng)態(tài)資產(chǎn)管理的新階段[5-6]。

高鐵由多個(gè)系統(tǒng)組成,包括供變電、接觸網(wǎng)、動(dòng)車(chē)組、通信、信號(hào)、路基、橋梁、軌道、客運(yùn)服務(wù)等子系統(tǒng)。高鐵建設(shè)是一個(gè)涵蓋“設(shè)計(jì)-建設(shè)-運(yùn)維”等多環(huán)節(jié)、多參與方、多專(zhuān)業(yè)的全生命周期動(dòng)態(tài)管控過(guò)程。在建設(shè)階段,驗(yàn)證高鐵設(shè)計(jì)是否達(dá)標(biāo)、開(kāi)通運(yùn)營(yíng)是否滿(mǎn)足條件方面,聯(lián)調(diào)聯(lián)試發(fā)揮著重要作用。在運(yùn)維階段,高鐵基礎(chǔ)設(shè)施的周期性檢測(cè)(也稱(chēng)“日常檢測(cè)”)是保障動(dòng)車(chē)組運(yùn)行安全的必要手段[7-8]。

高速綜合檢測(cè)車(chē)是高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試和日常檢測(cè)最重要的移動(dòng)檢測(cè)設(shè)備之一。通過(guò)搭載數(shù)十種傳感器及各種專(zhuān)項(xiàng)檢測(cè)設(shè)備,在高速運(yùn)行條件下,實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道、接觸網(wǎng)、通信、信號(hào)等系統(tǒng)數(shù)百個(gè)參數(shù)高精度、高可靠的實(shí)時(shí)測(cè)量,綜合檢測(cè)能力和檢測(cè)精度達(dá)到世界一流水平。聯(lián)調(diào)聯(lián)試通過(guò)采用高速綜合檢測(cè)車(chē)等檢測(cè)設(shè)備,以不同速度等級(jí)在線(xiàn)路上往返運(yùn)行,反復(fù)檢測(cè)、調(diào)試、驗(yàn)證各系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)間匹配關(guān)系,使各子系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)完整、合理,使高速鐵路整體系統(tǒng)功能達(dá)到最優(yōu)。運(yùn)維階段基礎(chǔ)設(shè)施日常檢測(cè)也是借助于高速綜合檢測(cè)車(chē)進(jìn)行等速綜合檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,評(píng)價(jià)基礎(chǔ)設(shè)施的狀態(tài)變化,為高鐵運(yùn)營(yíng)安全評(píng)估和養(yǎng)護(hù)維修提供技術(shù)支撐[9-11]。

1.2 高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合現(xiàn)狀

高速綜合檢測(cè)車(chē)的兩大主要任務(wù)是高鐵日常檢測(cè)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試。目前,高速綜合檢測(cè)車(chē)上部署的各專(zhuān)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)信息不能共享、系統(tǒng)間缺乏協(xié)同聯(lián)動(dòng)、單點(diǎn)強(qiáng)而全局弱,缺少各專(zhuān)業(yè)之間、專(zhuān)業(yè)與外部環(huán)境之間的關(guān)聯(lián)分析及集中融合展示。缺少有效的現(xiàn)場(chǎng)決策指揮技術(shù)手段,缺少新建鐵路工程及基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備綜合監(jiān)控、多專(zhuān)業(yè)融合分析的可視化信息融合集成平臺(tái)。

陶凱等[12]基于大數(shù)據(jù)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理和集成分析服務(wù)平臺(tái),打破各專(zhuān)業(yè)、各應(yīng)用系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘,進(jìn)行數(shù)據(jù)資源的整合,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施故障診斷、故障預(yù)測(cè)、狀態(tài)評(píng)價(jià)等大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。該平臺(tái)對(duì)各專(zhuān)業(yè)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行接入、存儲(chǔ)、分析與治理,部署在地面中心,未涉及日常檢測(cè)的實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)以及聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段的檢測(cè)數(shù)據(jù)集成與管理。

楊東盛等[13]研究設(shè)計(jì)高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),通過(guò)將前置系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)服務(wù)端分離部署,提供一個(gè)數(shù)據(jù)匯集、分析應(yīng)用和共享服務(wù)的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)聯(lián)試多專(zhuān)業(yè)、多類(lèi)型數(shù)據(jù)的集中采集、自動(dòng)匯集和分類(lèi)共享。該系統(tǒng)為數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),未涉及檢測(cè)數(shù)據(jù)多源融合分析及可視化集成展示。

王萬(wàn)齊等[14-15]基于CRH380AJ-0203、CRH380AJ-2818高速綜合檢測(cè)車(chē)研發(fā)聯(lián)調(diào)聯(lián)試車(chē)載集成平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ),在多源異構(gòu)系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)融合等方面進(jìn)行探索,并突破系列關(guān)鍵技術(shù),順利完成京張、京雄高鐵等線(xiàn)路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試工作,該平臺(tái)滿(mǎn)足聯(lián)調(diào)聯(lián)試模式,部署在高速綜合檢測(cè)車(chē)上,但未涉及日常檢測(cè)業(yè)務(wù)。

因此,基于聯(lián)調(diào)聯(lián)試車(chē)載集成平臺(tái),以日常檢測(cè)及聯(lián)調(diào)聯(lián)試兩種業(yè)務(wù)模式為依托,綜合考慮大屏及硬件設(shè)備,深入研究面向高速綜合檢測(cè)車(chē)的多源信息融合集成關(guān)鍵技術(shù)及平臺(tái)研發(fā),不僅滿(mǎn)足高鐵基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)監(jiān)測(cè)可視化、智能化管理需求,而且為實(shí)現(xiàn)日常檢測(cè)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試智能檢測(cè)、無(wú)人值守目標(biāo)奠定技術(shù)基礎(chǔ),不斷提升我國(guó)高速鐵路技術(shù)創(chuàng)新水平。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 建設(shè)目標(biāo)

以鐵路信息化總體規(guī)劃為指導(dǎo),以智能高鐵發(fā)展為方向,以提升高鐵聯(lián)調(diào)聯(lián)試技術(shù)創(chuàng)新水平以及高鐵基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維水平為目標(biāo),利用多源信息融合、跨平臺(tái)互聯(lián)互通及信息共享、多維可視化信息集成、BIM+GIS數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建以高速綜合檢測(cè)車(chē)為載體,集數(shù)據(jù)采集匯聚、信息融合分析、多圖協(xié)同聯(lián)動(dòng)、集成綜合展示為一體的多源信息融合集成平臺(tái),實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)監(jiān)測(cè)、異常自動(dòng)報(bào)警、數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析、安全態(tài)勢(shì)推演,挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值、及時(shí)洞察潛在風(fēng)險(xiǎn),提高基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修效率、降低運(yùn)維成本,提升精準(zhǔn)研判、科學(xué)決策水平,為我國(guó)高鐵安全運(yùn)營(yíng)提供技術(shù)支撐。

2.2 總體架構(gòu)

高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“平臺(tái)”)總體架構(gòu)如圖1所示,由下至上分為外部系統(tǒng)層、數(shù)據(jù)資源層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、可視化平臺(tái)層、大屏展示層。外部系統(tǒng)層包括軌道、加速度、輪軌力、弓網(wǎng)、通信、信號(hào)等車(chē)載專(zhuān)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng),工務(wù)專(zhuān)業(yè)、供變電、綜合接地等地面專(zhuān)業(yè)檢測(cè)系統(tǒng),以及時(shí)空同步系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、車(chē)地?zé)o線(xiàn)傳輸系統(tǒng)、鐵路工程管理平臺(tái)等其他系統(tǒng),主要為數(shù)據(jù)資源層提供相應(yīng)數(shù)據(jù)資源。數(shù)據(jù)資源層通過(guò)數(shù)據(jù)接口、文件接口,以及人工錄入等方式將數(shù)據(jù)接入,包括日常檢測(cè)數(shù)據(jù)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試數(shù)據(jù)、建設(shè)期數(shù)據(jù)、公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、BIM/GIS數(shù)據(jù)、視頻等數(shù)據(jù),并經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)匯集、存儲(chǔ)、治理、分析、共享等數(shù)據(jù)處理手段,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成業(yè)務(wù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)日常檢測(cè)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試兩種模式的功能應(yīng)用?？梢暬脚_(tái)層提供大屏管控、組件庫(kù)管理、場(chǎng)景模板管理、交互設(shè)計(jì)、視覺(jué)設(shè)計(jì)服務(wù),為大屏展示提供前提和基礎(chǔ)。大屏展示層采用多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù),通過(guò)“一張屏(大屏)、多張圖(BIM+GIS 3D圖、GIS 2D圖、設(shè)備狀態(tài)綜合圖)”的展示形式,為用戶(hù)提供多維度、多層次的數(shù)據(jù)可視化手段。

圖1 高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái)總體架構(gòu)

2.3 功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)按照日常檢測(cè)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試兩種工作模式的相同之處,以及兩種模式下檢測(cè)專(zhuān)業(yè)及檢測(cè)重點(diǎn)等不同,同時(shí)考慮大屏、PC端等終端接入顯示,設(shè)計(jì)了八大功能模塊,主要包括:BIM信息融合、GIS信息融合、基礎(chǔ)設(shè)施融合、視頻融合、線(xiàn)路概況、系統(tǒng)管理、車(chē)載專(zhuān)業(yè)融合、地面專(zhuān)業(yè)融合(車(chē)載專(zhuān)業(yè)統(tǒng)計(jì)分析)。BIM信息融合模塊包括“車(chē)-?！睂?shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、建設(shè)期數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、檢測(cè)超限值報(bào)警、地面測(cè)點(diǎn)定位、重點(diǎn)構(gòu)筑物漫游;GIS信息融合包括列車(chē)位置追蹤、圖數(shù)協(xié)同聯(lián)動(dòng)、線(xiàn)路質(zhì)量表達(dá)、實(shí)時(shí)檢測(cè)報(bào)警、歷史交路回放;基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備融合包括多專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)疊加、動(dòng)靜態(tài)信息融合、設(shè)備綜合圖自動(dòng)繪制、超限值自動(dòng)報(bào)警、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同聯(lián)動(dòng);視頻融合包括環(huán)境視頻(車(chē)頭視頻、車(chē)尾視頻)、弓網(wǎng)視頻;線(xiàn)路概況包括線(xiàn)路基本信息、實(shí)時(shí)速度里程、檢測(cè)計(jì)劃展示;車(chē)載專(zhuān)業(yè)融合包括工務(wù)專(zhuān)業(yè)(軌道狀態(tài)、輪軌力、加速度)、供電專(zhuān)業(yè)(接觸網(wǎng))、電務(wù)專(zhuān)業(yè)(通信、信號(hào))數(shù)據(jù)融合及分析;統(tǒng)計(jì)分析包括軌道幾何狀態(tài)趨勢(shì)、軌檢大值偏差統(tǒng)計(jì)、接觸網(wǎng)缺陷趨勢(shì)、接觸網(wǎng)缺陷統(tǒng)計(jì)、信息設(shè)備問(wèn)題統(tǒng)計(jì)、通信問(wèn)題統(tǒng)計(jì);地面專(zhuān)業(yè)融合包括軌道、道岔、路基、橋梁、隧道、供變電、綜合接地、電磁環(huán)境、客運(yùn)服務(wù)、災(zāi)害監(jiān)測(cè)、綜合視頻、振動(dòng)噪聲、聲屏障專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)融合及分析。功能架構(gòu)如圖2所示。

圖2 高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái)功能架構(gòu)

2.4 界面設(shè)計(jì)

平臺(tái)綜合考慮大屏的尺寸、分辨率、展示內(nèi)容、展示效果等因素,依據(jù)業(yè)務(wù)需求主-次-輔優(yōu)先級(jí)原則:主要指標(biāo)位于屏幕中央,次要指標(biāo)位于屏幕兩例,輔助指標(biāo)不顯示或鼠標(biāo)經(jīng)過(guò)時(shí)顯示,對(duì)屏幕劃分為六大區(qū)域,如圖3所示。

圖3 高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái)功能區(qū)域劃分

(1)區(qū)域1:系統(tǒng)LOGO名稱(chēng)及菜單欄目。

根據(jù)高速綜合檢測(cè)車(chē)當(dāng)前的檢測(cè)模式,通過(guò)日常檢測(cè)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試菜單進(jìn)行切換。通過(guò)系統(tǒng)管理菜單進(jìn)入管理頁(yè)面,進(jìn)行線(xiàn)路基礎(chǔ)信息維護(hù)等操作。

(2)區(qū)域2:線(xiàn)路概況。

日常檢測(cè)模式:對(duì)檢測(cè)線(xiàn)路名稱(chēng)、行別、實(shí)時(shí)里程、速度、檢測(cè)線(xiàn)路長(zhǎng)度,以及線(xiàn)路上車(chē)站情況等信息進(jìn)行顯示。聯(lián)調(diào)聯(lián)試模式:對(duì)聯(lián)調(diào)聯(lián)試計(jì)劃、進(jìn)度、速度級(jí)、上/下行、實(shí)時(shí)里程、速度以及線(xiàn)路概況進(jìn)行顯示。

(3)區(qū)域3:周邊環(huán)境。

通過(guò)頁(yè)簽切換、輪播等形式展示線(xiàn)路周邊環(huán)境視頻、接觸網(wǎng)視頻,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)線(xiàn)路狀況、周邊環(huán)境、受電弓等狀態(tài)。

(4)區(qū)域4:車(chē)載專(zhuān)業(yè)歷史統(tǒng)計(jì)分析/地面專(zhuān)業(yè)檢測(cè)分析。

日常檢測(cè)模式:對(duì)車(chē)載專(zhuān)業(yè)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及圖表顯示;聯(lián)調(diào)聯(lián)試模式:對(duì)地面專(zhuān)業(yè)檢測(cè)的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及圖表顯示。

(5)區(qū)域5:車(chē)載專(zhuān)業(yè)實(shí)時(shí)檢測(cè)分析。

通過(guò)多種圖表展示方式對(duì)車(chē)載專(zhuān)業(yè)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。日常檢測(cè)模式:展示工務(wù)專(zhuān)業(yè)(軌道狀態(tài)、輪軌力、加速度)、供電專(zhuān)業(yè)(接觸網(wǎng))、電務(wù)專(zhuān)業(yè)(通信、信號(hào)專(zhuān)業(yè))。聯(lián)調(diào)聯(lián)試模式:與日常檢測(cè)模式基本相同,將加速度改為列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。

(6)區(qū)域6:多維信息融合。

該區(qū)域?yàn)槠聊坏闹鲄^(qū)域,因?yàn)檎故究臻g有限,通過(guò)輪播、切換等方式,將BIM+GIS信息融合、GIS信息融合、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備融合進(jìn)行綜合展示。

根據(jù)功能區(qū)域劃分,以用戶(hù)體驗(yàn)為中心,通過(guò)多維可視化技術(shù)對(duì)界面進(jìn)行視覺(jué)效果設(shè)計(jì),如圖4所示。

3) XLPE是將PE從熱塑性變?yōu)闊峁绦裕瑥亩鴮?duì)應(yīng)力開(kāi)裂、切割的抵抗力更強(qiáng)，同時(shí)對(duì)溶劑變化的適應(yīng)性也強(qiáng)。XLPE具有比PE更高的介電常數(shù)，但具有更好的抗老化性和耐水性。XLPE的絕緣儀表電纜導(dǎo)體長(zhǎng)期允許工作溫度為90 ℃，短路熱穩(wěn)定允許溫度為250 ℃。

圖4 車(chē)載信息融合集成平臺(tái)界面視覺(jué)效果

2.5 硬件架構(gòu)

平臺(tái)部署在高速綜合檢測(cè)車(chē)上,硬件包括計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、多媒體顯示及附屬設(shè)備等,各設(shè)備互聯(lián)關(guān)系架構(gòu)如圖5所示。CPCl(Compact Peripheral Component Interconnect)計(jì)算平臺(tái)為平臺(tái)提供應(yīng)用部署、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)等服務(wù)。工控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)通過(guò)HDMI、DP等高清信號(hào)線(xiàn)連接投影機(jī)將平臺(tái)界面投放到屏幕上,以及對(duì)應(yīng)用程序的管理、控制。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)提供車(chē)載局域網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換互聯(lián)功能。移動(dòng)工作站通過(guò)無(wú)線(xiàn)路由器訪(fǎng)問(wèn)CPCI計(jì)算平臺(tái)以及工控計(jì)算機(jī),用于控制屏幕操作,包括切換、縮放、管理等功能。其中,CPCI計(jì)算平臺(tái)、工控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無(wú)線(xiàn)路由器安裝在車(chē)廂專(zhuān)用機(jī)柜中,投影機(jī)、幕布、移動(dòng)工作站安裝在會(huì)議室車(chē)廂。

圖5 車(chē)載信息融合集成平臺(tái)硬件架構(gòu)

3 多源信息融合應(yīng)用

3.1 信息融合與信息集成的聯(lián)系

信息融合也稱(chēng)數(shù)據(jù)融合,是指在不同抽象層次上,把從不同空間或時(shí)間上獲得的多個(gè)來(lái)源的同構(gòu)或異構(gòu)信息進(jìn)行合并或集成,以獲取更完整、更精確、更可靠的信息或推論。信息集成也稱(chēng)數(shù)據(jù)集成,是指在邏輯上或物理上將分散的、異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有機(jī)集中,形成便于數(shù)據(jù)共享及應(yīng)用的規(guī)范、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資源,進(jìn)一步奠定數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)挖掘基礎(chǔ),進(jìn)而充分發(fā)揮數(shù)據(jù)資源的價(jià)值[16]。數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)集成的區(qū)別與聯(lián)系如下。

(1)數(shù)據(jù)集成多為位置上的集中,或者是順序上的排列組合,生成一個(gè)較大數(shù)據(jù)集或有序的信息,數(shù)據(jù)總信息量不變。數(shù)據(jù)融合則是把多個(gè)不同的數(shù)據(jù)集整合、處理形成新的數(shù)據(jù)集,信息可能會(huì)損失也可能會(huì)增強(qiáng)。

(2)數(shù)據(jù)集成側(cè)重于多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象集中在一起的呈現(xiàn),數(shù)據(jù)融合更側(cè)重于多個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)象合并的過(guò)程。

(3)數(shù)據(jù)集成為數(shù)據(jù)融合提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)和框架,數(shù)據(jù)融合為數(shù)據(jù)集成提供數(shù)據(jù)整合的方法和支撐,是數(shù)據(jù)集成的延續(xù)和擴(kuò)展。

(4)二者是多源多模態(tài)數(shù)據(jù)處理中不可分割的兩種方法,交替或同時(shí)存在于數(shù)據(jù)處理過(guò)程中。

(5)二者共同服務(wù)于信息集成平臺(tái),在信息集成平臺(tái)中二者協(xié)作關(guān)系如圖6所示[17]。

圖6 數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)集成在信息集成平臺(tái)中的關(guān)系

3.2 多源信息融合技術(shù)在高速綜合檢測(cè)車(chē)的實(shí)現(xiàn)

信息融合按處理信息源所在的層次可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。數(shù)據(jù)層融合是對(duì)原始數(shù)據(jù)直接融合;特征層融合是對(duì)數(shù)據(jù)源的特征信息進(jìn)行提取、分析處理,保留重要信息,為決策層融合提供支持;決策層融合是對(duì)特征層融合后的局部決策信息進(jìn)一步融合,得到最終的決策。數(shù)據(jù)層和特征層融合屬于低層次融合,決策級(jí)融合屬于高層次融合[20]。

高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合的思路是:首先對(duì)數(shù)據(jù)層進(jìn)行融合,融合后的結(jié)果作為特征層的輸入;再對(duì)特征層進(jìn)行融合,融合后的結(jié)果作為決策層的輸入,如圖7所示。

圖7 高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合的實(shí)現(xiàn)框架

(1)數(shù)據(jù)層融合

對(duì)高速綜合檢測(cè)車(chē)日常檢測(cè)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試實(shí)時(shí)檢測(cè)和歷史檢測(cè)的信息按專(zhuān)業(yè)進(jìn)行分類(lèi)、統(tǒng)計(jì)、匯總;以BIM模型、GIS地圖等為載體,以設(shè)備臺(tái)賬、專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)為核心,將鐵路基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合,形成BIM+GIS場(chǎng)景一體化、GIS全專(zhuān)業(yè)一張圖、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備綜合圖,根據(jù)周邊環(huán)境視頻監(jiān)控進(jìn)行異常狀態(tài)識(shí)別。

(2)特征層融合

在數(shù)據(jù)層融合的基礎(chǔ)上:①各檢測(cè)專(zhuān)業(yè)根據(jù)其相應(yīng)檢測(cè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值(或閾值),判斷該指標(biāo)是否超限,并進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警;②通過(guò)融合BIM+GIS三維場(chǎng)景,實(shí)現(xiàn)“車(chē)-?！睂?shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、異常自動(dòng)報(bào)警、重點(diǎn)構(gòu)筑物、地面測(cè)點(diǎn)定位、建設(shè)期信息關(guān)聯(lián),實(shí)現(xiàn)物理鐵路和虛擬孿生鐵路場(chǎng)景及應(yīng)用的虛實(shí)映射、互動(dòng)和交互;③以二維GIS為數(shù)據(jù)載體,實(shí)現(xiàn)列車(chē)位置追蹤、檢測(cè)數(shù)據(jù)圖數(shù)聯(lián)動(dòng)、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警等;④根據(jù)設(shè)備臺(tái)賬,利用連續(xù)圖形表達(dá)及自動(dòng)繪制技術(shù),形成基于統(tǒng)一里程的“基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備+M專(zhuān)業(yè)”綜合圖,動(dòng)態(tài)直觀反映鐵路多專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、多專(zhuān)業(yè)協(xié)同聯(lián)動(dòng)、超限值報(bào)警。

(3)決策層融合

利用數(shù)據(jù)層與特征層的融合結(jié)果,進(jìn)一步分析、評(píng)估、推理,得到設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、線(xiàn)路質(zhì)量評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)主動(dòng)辨識(shí)、安全態(tài)勢(shì)推演、精準(zhǔn)分析研判,形成高鐵基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)管理、預(yù)測(cè)性維修的決策。

4 關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

4.1 基于BIM+GIS的多源數(shù)據(jù)匹配及檢測(cè)信息融合技術(shù)

通過(guò)利用外部插件及轉(zhuǎn)換工具實(shí)現(xiàn)多文件格式的BIM數(shù)據(jù)與GIS的跨領(lǐng)域無(wú)縫銜接[21];BIM通過(guò)與傾斜攝影、地形數(shù)據(jù)、衛(wèi)星影像等多源數(shù)據(jù)匹配、集成融合,為用戶(hù)提供沉浸式的可視、交互體驗(yàn);通過(guò)使用實(shí)例化、輕量化處理、緩存等性能優(yōu)化技術(shù),實(shí)現(xiàn)BIM+GIS信息高效融合,提高三維場(chǎng)景性能、數(shù)據(jù)傳輸速度以及可視化效果;將BIM模型與各專(zhuān)業(yè)的地面測(cè)點(diǎn)、檢測(cè)監(jiān)測(cè)超限值、結(jié)構(gòu)物有機(jī)關(guān)聯(lián)和融合,動(dòng)態(tài)展示線(xiàn)路周邊環(huán)境、漫游重點(diǎn)構(gòu)筑物、超限值報(bào)警。

4.2 基于GIS“一張圖+N專(zhuān)業(yè)”的綜合展示及融合應(yīng)用技術(shù)

以GIS“一張圖+N專(zhuān)業(yè)疊加”為設(shè)計(jì)理念,采用面向?qū)ο蟮牡乩砜臻g數(shù)據(jù)共享管理、地圖數(shù)據(jù)緩存等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),解決了鐵路地理空間信息數(shù)據(jù)共享共用、按需緩存局部更新、與鐵路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)疊加集成、二次開(kāi)發(fā)應(yīng)用等難題,實(shí)現(xiàn)以二維GIS為數(shù)據(jù)載體,檢測(cè)數(shù)據(jù)圖數(shù)聯(lián)動(dòng)、列車(chē)位置追蹤、線(xiàn)路質(zhì)量表達(dá)、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)報(bào)警等綜合展示及融合應(yīng)用。

4.3 基于“仿泳道分區(qū)+符號(hào)化設(shè)計(jì)”的連續(xù)圖形表達(dá)技術(shù)

以設(shè)備臺(tái)賬為基礎(chǔ),采用“仿泳道分區(qū)+符號(hào)化設(shè)計(jì)”思想,在“一張圖”中實(shí)時(shí)計(jì)算分幅畫(huà)面、動(dòng)態(tài)繪制工務(wù)、電務(wù)、供電各專(zhuān)業(yè)設(shè)備、疊加多專(zhuān)業(yè)超限值,構(gòu)建基于統(tǒng)一里程的“一張圖+M設(shè)備”的“基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備綜合圖”,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)直觀反映鐵路多專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備、檢測(cè)監(jiān)測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)的集成融合、協(xié)同聯(lián)動(dòng)、超限值自動(dòng)報(bào)警等功能。

4.4 基于時(shí)空同步的多圖協(xié)同聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)融合分析技術(shù)

通過(guò)采用基于里程定位、時(shí)間同步的時(shí)空同步技術(shù),為高速綜合檢測(cè)車(chē)動(dòng)態(tài)檢測(cè)的所有專(zhuān)業(yè)提供統(tǒng)一、精確的時(shí)間里程,解決了相同速度、里程時(shí)間同步條件下各專(zhuān)業(yè)檢測(cè)參數(shù)等指標(biāo)實(shí)時(shí)檢測(cè)與監(jiān)測(cè)的對(duì)比問(wèn)題,以及列車(chē)位置追蹤、“車(chē)-?！睂?shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)、設(shè)備綜合圖自動(dòng)實(shí)時(shí)繪制等功能的實(shí)現(xiàn)。為高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái)“一張屏、多張圖”協(xié)同聯(lián)動(dòng)提供統(tǒng)一的基準(zhǔn),也為不同檢測(cè)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、趨勢(shì)分析,以及多專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)融合分析提供了前提和基礎(chǔ)。

4.5 高速行駛下大場(chǎng)景、高體量BIM模型動(dòng)態(tài)加載技術(shù)

通過(guò)采用BIM模型格式轉(zhuǎn)換、GIS空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、屬性信息關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)BIM+GIS的深度融合;采用LOD技術(shù)依據(jù)視距展示不同精細(xì)度模型,采用實(shí)例化技術(shù)進(jìn)行模型復(fù)用,采用基于WebGL的BIM圖形引擎進(jìn)行Web環(huán)境下的三維可視化快速渲染,實(shí)現(xiàn)BIM模型動(dòng)態(tài)加載及渲染;通過(guò)減少造型數(shù)據(jù)、減少模型面片數(shù)量等BIM模型輕量化技術(shù),配合異步加載方法,大大提升模型加載的效率和流暢度[22]。解決了時(shí)速大于300 km大場(chǎng)景、高體量BIM模型卡頓及體驗(yàn)差的難題,實(shí)現(xiàn)高逼真、沉浸式“全線(xiàn)、全景”實(shí)時(shí)平行移動(dòng)管理。

4.6 跨平臺(tái)互聯(lián)互通及信息共享技術(shù)

通過(guò)將“多源信息融合集成平臺(tái)”中線(xiàn)路概況、BIM信息融合、GIS信息融合、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備融合等信息嵌入到“鐵路工程管理平臺(tái)”;將“鐵路工程管理平臺(tái)”中的建設(shè)期數(shù)據(jù)信息(設(shè)計(jì)圖紙、施工日志、檢驗(yàn)批、沉降觀測(cè)、圍巖量測(cè)、隱蔽工程影像、四電一桿一檔、一臺(tái)一檔等)加載到“多源信息融合集成平臺(tái)”BIM模型中,同時(shí)將BIM模型與各專(zhuān)業(yè)的地面測(cè)點(diǎn)、超限值、構(gòu)筑物有機(jī)關(guān)聯(lián),動(dòng)態(tài)展示線(xiàn)路周邊環(huán)境、漫游重點(diǎn)構(gòu)筑物、超限值報(bào)警,實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)間互聯(lián)互通及數(shù)據(jù)共享,為基于BIM工程建設(shè)全生命周期管理奠定基礎(chǔ)。

4.7 基于用戶(hù)體驗(yàn)的多維可視化技術(shù)

以用戶(hù)體驗(yàn)為中心,基于“1平臺(tái)+M主題+N頁(yè)面”的三層架構(gòu)規(guī)劃,采用頁(yè)面風(fēng)格統(tǒng)一、功能擴(kuò)展靈活、數(shù)據(jù)層次化布局、屏幕交互聯(lián)動(dòng)的設(shè)計(jì)理念,運(yùn)用BIM、GIS、圖表、圖解、圖形、表格、列表等形象化方式,把不易被理解的多維抽象信息進(jìn)行立體視覺(jué)和感知表達(dá)的直觀呈現(xiàn),展示內(nèi)容豐富、全面、專(zhuān)業(yè),不僅為各參與方、管理者提供全局、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)服務(wù)及輔助決策,而且對(duì)探索多維數(shù)據(jù)信息及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘,以及發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)演變規(guī)律有重要意義。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高鐵日常檢測(cè)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試的業(yè)務(wù)需求,開(kāi)展多源信息融合、連續(xù)圖形表達(dá)、時(shí)空同步、多圖協(xié)同聯(lián)動(dòng)、BIM模型輕量化及秒級(jí)加載、跨平臺(tái)互聯(lián)互通及信息共享,以及多維可視化等關(guān)鍵技術(shù)研究,并從總體架構(gòu)、功能設(shè)計(jì)、界面設(shè)計(jì)、硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)等方面提出解決方案,設(shè)計(jì)了高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合平臺(tái),基于BIM信息融合、GIS信息融合、基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備融合,實(shí)現(xiàn)列車(chē)位置追蹤、異常自動(dòng)報(bào)警、多圖協(xié)同聯(lián)動(dòng)、跨專(zhuān)業(yè)融合分析等功能,解決了跨組織間(橫向)、專(zhuān)業(yè)間(縱向)、數(shù)據(jù)間(端到端)一體化信息融合集成及綜合展示的難題,對(duì)全面開(kāi)展設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、線(xiàn)路質(zhì)量評(píng)價(jià)、異常規(guī)律及安全態(tài)勢(shì)推演,進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值、協(xié)同指揮管理提供技術(shù)支撐,積極推動(dòng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試及日常檢測(cè)數(shù)字化、信息化、智能化水平。

下一步工作繼續(xù)圍繞鐵路“設(shè)計(jì)-建設(shè)-運(yùn)維”全生命周期數(shù)據(jù)管理理念,深入研究利用5G的“車(chē)-地”無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù),將車(chē)載檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送至地面中心,同時(shí)將地面中心檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)縫接入高速綜合檢測(cè)車(chē)多源信息融合集成平臺(tái),為高速綜合檢測(cè)車(chē)無(wú)人化、少人化檢測(cè)提供技術(shù)手段,為基于數(shù)字孿生的沉浸式體驗(yàn)、智能決策、平行移動(dòng)指揮提供借鑒和指導(dǎo)。