檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

周慧娟，賈利民，李紅艷，秦 勇

（1.北方工業(yè)大學(xué) 智能交通系統(tǒng)研究所，北京 100144；2.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點實驗室，北京 100044；3.中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

高速鐵路綜合檢測列車是高速鐵路車、機、工、電、輛各個部門獲得道路狀態(tài)信息、提供養(yǎng)修決策、指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)的重要手段[1-2]。目前，世界鐵路綜合檢測列車主要有日本的 East-I、意大利的阿基米德和法國的 MGV。我國自20世紀(jì)70年代以來，在軌道、接觸網(wǎng)、輪軌動力學(xué)、通信和信號等檢測領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研發(fā)和應(yīng)用，陸續(xù)開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的 GJ-1～GJ-4型軌道檢測系統(tǒng)、JJC-1～JJC-3型弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)、間斷式和連續(xù)式輪軌力檢測系統(tǒng)、無線通信檢測系統(tǒng)和信號檢測系統(tǒng)等[3]。我國檢測技術(shù)經(jīng)過多年積累，在慣性導(dǎo)航、激光傳感、圖像處理、無線通信等技術(shù)領(lǐng)域擁有從傳感器、數(shù)據(jù)采集和處理單元到高端軟件的一系列技術(shù)和產(chǎn)品積淀[4]。

目前，檢測車裝備的發(fā)展趨勢表現(xiàn)在以下幾個方面。

（1）檢測車逐漸成為高速鐵路安全和高效運營的技術(shù)保障。

（2）綜合檢測車從各個專業(yè)相對獨立轉(zhuǎn)為相互關(guān)聯(lián)和相互支撐。

（3）檢測內(nèi)容越來越豐富，并且還在不斷增加；新的檢測技術(shù)和手段不斷應(yīng)用到檢測車中。

（4）激光、攝像等檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用，檢測速度、精度和可靠性得到不斷提高。

因此，傳統(tǒng)的基于數(shù)字和表格的檢測數(shù)據(jù)實時展示方式已不適應(yīng)發(fā)展的需要。同時，基于空間和時間的數(shù)據(jù)綜合展示技術(shù)在近年來也得到了長足的發(fā)展。數(shù)據(jù)綜合展示技術(shù)在地理信息技術(shù)、動態(tài)視頻技術(shù)、圖片和三維技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用多維數(shù)據(jù)融合和聯(lián)動展示等方法，為多種不同類型的實時數(shù)據(jù)展示提供了手段。該技術(shù)具有完整性、直觀性和全面性的特點，目前已在青藏線綜合監(jiān)控中心、滬寧線安全綜合監(jiān)控等系統(tǒng)中得到了應(yīng)用[5-6]。

高速綜合檢測列車的檢測信息展示具有數(shù)據(jù)內(nèi)容多、數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜、多個專業(yè)相互關(guān)聯(lián)等特點，迫切需要在傳統(tǒng)的采用表格、各個專業(yè)獨立的綜合檢測數(shù)據(jù)展示方式的基礎(chǔ)上，采用地理信息技術(shù)、三維虛擬現(xiàn)實技術(shù)和多媒體技術(shù)，基于空間、時間和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)性聚合，為綜合檢測車各類用戶提供全息、直觀、動態(tài)檢測數(shù)據(jù)展示，即時展現(xiàn)高速鐵路關(guān)鍵設(shè)施與設(shè)備的狀態(tài)信息，為高速鐵路的養(yǎng)修決策提供較為全面的綜合性數(shù)據(jù)，從而提高工作效率。因此，結(jié)合高速綜合檢測列車的特點，研究提出基于三維 GIS 的檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)的框架、關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)十分重要。

1 檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)架構(gòu)

“全息”一詞最初來源于英國電氣工程師蓋伯(Gabor，1948)創(chuàng)建的一種能夠拍攝立體照片的技術(shù)，這種拍攝技術(shù)在記錄被攝物體反射光強度的同時，記錄其光波的相位狀態(tài)，因此能夠反映被攝物體的立體信息，即全息照相。全息照片上任意一點都存儲了整個物體的信息，每個點都能獨立地再現(xiàn)其所拍攝的完整圖像，這是“全息”一詞最初的科學(xué)含義。目前，廣義上的“全息”是指自然界中“局部包含整體”或“整體與局部互相包含”的這種現(xiàn)象。

檢測信息全息除具備普通意義上全息的特征外，還擁有一些特點，即時空立體性和多級次的疊加性。檢測信息本身是將時間(檢測時間)和空間(里程或地理坐標(biāo))融合在一起，而單獨時間上的檢測信息和單獨空間上的檢測信息都是不完整的，檢測信息全息本身自然地融合了時間和空間信息，成為一種四維信息。全息是反映物體在空間存在時整個情況的全部信息，本文中的全息是指任一個空間剖面的大值報警數(shù)據(jù)以二維、三維、視頻、動畫、曲線、屬性數(shù)據(jù)等方式來反映所有專業(yè)檢測數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，這些專業(yè)數(shù)據(jù)包括軌道幾何、輪軌力、弓網(wǎng)、信號和通信等專業(yè)中的各項檢測指標(biāo)值。即通過任一點的某專業(yè)大值報警數(shù)據(jù)可以關(guān)聯(lián)查詢得到此次檢測位置的相關(guān)專業(yè)檢測數(shù)據(jù)和所有相關(guān)歷史檢測數(shù)據(jù)。

高速鐵路綜合檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)在對地圖空間數(shù)據(jù)和專業(yè)數(shù)據(jù)集成融合的基礎(chǔ)上，通過地圖、地圖分析、數(shù)據(jù)、二維發(fā)布、三維發(fā)布等服務(wù)來訪問數(shù)據(jù)，然后通過接口層的地圖引擎和服務(wù)接口實現(xiàn)各應(yīng)用系統(tǒng)的功能，并最終提供給車載和地面終端用戶使用，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、接口層、應(yīng)用層和客戶端層，各層的主要功能如下。

1.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層提供地圖數(shù)據(jù)的存儲及地圖數(shù)據(jù)的訪問服務(wù)。系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、航片數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、鐵路專業(yè)空間數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)和環(huán)境視頻；檢測數(shù)據(jù)內(nèi)容包含列車運行狀態(tài)信息、列車環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)、各專業(yè)檢測信息、檢測歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、專業(yè)視頻；檢測數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式有數(shù)值、波形圖和視頻3種方式。

該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)類型多樣，主要涵蓋基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、鐵路專業(yè)空間數(shù)據(jù)、航片、DEM、三維模型、檢測數(shù)據(jù)、視頻等。根據(jù)不同的數(shù)據(jù)來源與用途，可以將其分為以下幾類。

（1）鐵路基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)主要是各級比例尺電子地圖所包含的基礎(chǔ)地理要素和京滬鐵路基礎(chǔ)設(shè)施要素數(shù)據(jù)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)主要為京滬高速鐵路檢測數(shù)據(jù)的可視化提供基礎(chǔ)背景資料，作為各種專題信息統(tǒng)一的空間定位控制、配準(zhǔn)、顯示的基礎(chǔ)載體。

（2）鐵路專業(yè)空間數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)主要是鐵路線路平面圖、工務(wù)綜合圖(比例1:2000)。

（3）三維相關(guān)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括0.5m 分辨率的航片、從立體相對航片中抽取出來的 DEM、沿線三維模型。

（4）多媒體數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括京滬高速鐵路沿線的視頻和檢測列車的六路視頻。六路視頻分別設(shè)置在車頭、車尾、左右輪軌各1個，以及前后接觸網(wǎng)各1個。

（5）檢測數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)包括軌道幾何、輪軌動力學(xué)、接觸網(wǎng)、信號和通信五大專業(yè)的檢測報警數(shù)據(jù)，以及檢測列車的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，如里程、速度、時間、GPS、線路、行別等。

1.2 服務(wù)層

服務(wù)層提供各類地圖功能及專業(yè)服務(wù)，具體包括以下內(nèi)容。

（1）地圖服務(wù)層。地圖服務(wù)層由二維地圖服務(wù)層和三維地圖服務(wù)層組合而成。地圖基礎(chǔ)服務(wù)軟件是成熟的、產(chǎn)品化的服務(wù)軟件，主要負(fù)責(zé)各種地圖數(shù)據(jù)的加載及地圖基本操作。

（2）地圖分析服務(wù)層。地圖分析服務(wù)層包括空間分析服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢(POI 等數(shù)據(jù))、地理編碼服務(wù)，主要用于支撐地圖的各種查詢分析功能。

（3）數(shù)據(jù)相關(guān)服務(wù)。數(shù)據(jù)相關(guān)服務(wù)包括實時動態(tài)數(shù)據(jù)服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)、視頻服務(wù)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)等廣義上的數(shù)據(jù)傳輸功能和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理功能。

（4）二維引擎服務(wù)。二維引擎服務(wù)提供二維視圖的渲染和地圖數(shù)據(jù)管理優(yōu)化功能。

（5）三維引擎服務(wù)。三維引擎服務(wù)除了提供三維視圖的渲染和地圖數(shù)據(jù)管理優(yōu)化功能外，還提供三維的 DEM 數(shù)據(jù)、DOM 數(shù)據(jù)、DM 數(shù)據(jù)的展示功能，飛行路線支撐功能，視角切換、視圖切換，模型高速運動驅(qū)動功能。

1.3 接口層

接口層的主要作用有兩個：①定義統(tǒng)一的服務(wù)接口實現(xiàn)規(guī)范、封裝服務(wù)，并基于 Soap、Rest、Socket 等方式發(fā)布服務(wù)；②定義統(tǒng)一的地圖服務(wù)接口，基于二三維渲染引擎發(fā)布服務(wù)。

1.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包括地圖相關(guān)模塊、業(yè)務(wù)前臺相關(guān)模塊、業(yè)務(wù)后臺相關(guān)模塊和 IT 模塊。應(yīng)用層中涉及的數(shù)據(jù)流如圖2所示。

1.5 客戶端層

（1）車載全息可視化系統(tǒng)終端。在綜合檢測列車上以三維視圖的方式提供列車及檢測信息實時信息和歷史信息可視化。

（2）地面全息可視化系統(tǒng)終端。在地面以二維、三維、視頻、專業(yè)視圖集合的方式，提供列車及檢測信息實時信息和歷史信息可視化。

1.6 軟件平臺

系統(tǒng)平臺采用 BS 架構(gòu)，服務(wù)器端采用 J2EE 架構(gòu)，客戶端使用瀏覽器進(jìn)行可視化界面展示?？梢暬脚_系統(tǒng)中的二三維應(yīng)用支持模塊采用 Web 表現(xiàn)層技術(shù)，包括 HTML/XML、Ajax/Javascript、Flash等。同時，采用以下相關(guān)主流軟件平臺。

（1）地理信息軟件平臺：二維地理信息系統(tǒng)平臺 MapABC 地圖引擎 Flash 版，三維地理信息系統(tǒng)平臺 AnGeo。

（2）操作系統(tǒng)：Windows。

（3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)平臺：統(tǒng)一采用 SQLSever。

（4）Web 服務(wù)器平臺：結(jié)合利用 Apache/Tomcat 軟件平臺。

（5）流媒體服務(wù)軟件：RealNetwork Helix Server。

1.7 開發(fā)軟件環(huán)境

該系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)類型多樣，數(shù)據(jù)量大，如二維地圖、三維地圖、視頻、屬性數(shù)據(jù)、波形圖。同時，對不同數(shù)據(jù)類型采取不同的可視化方式，因此系統(tǒng)中需要的服務(wù)器類型比較多，詳細(xì)的服務(wù)器配置如表1所示。

由于列車的檢測信息需通過無線的方式每隔5s 傳輸一次給地面檢測中心數(shù)據(jù)庫，因此車載全息可視化系統(tǒng)在局域網(wǎng)的環(huán)境下能保證實時性的顯示要求，而地面全息可視化系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t而只能做到數(shù)據(jù)隨到隨顯示，也就是即時顯示。檢測數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示，數(shù)據(jù)的傳輸通過實時數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)發(fā)布和接收模塊實現(xiàn)。

圖 2系統(tǒng)數(shù)據(jù)流 —— UML 用例圖

表1 服務(wù)器配置表

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與實現(xiàn)

京滬高速鐵路檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)是針對最高試驗時速400km 綜合檢測列車檢測數(shù)據(jù)的實時在線三維可視化，系統(tǒng)實現(xiàn)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 高速運動狀態(tài)下大容量三維場景的實時加載技術(shù)

京滬高速鐵路正線全長約1318km，鐵路沿線三維場景的建模面積為鐵路兩側(cè)各500m 寬范圍，如此大范圍的場景再加上豐富的三維模型數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量很大，對于通過瀏覽器方式來瀏覽這些海量數(shù)據(jù)是個挑戰(zhàn)。因此，針對不同的用戶和需求采用不同的數(shù)據(jù)存儲和加載方式，一種是在本地存儲數(shù)據(jù)；另一種是在 Web 平臺和程序之間按需求下載。本地存儲數(shù)據(jù)適合車載檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)，對于地面系統(tǒng)尤其是在地面中心環(huán)境外使用該系統(tǒng)來說，采用按需求下載的方式。按需下載主要涉及數(shù)據(jù)緩沖的效率問題，需要在對數(shù)據(jù)模型、GIS 數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍的基礎(chǔ)上建立可行的策略，再確定三維數(shù)據(jù)的使用策略。

2.2 列車的實時驅(qū)動技術(shù)

檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)要求實時顯示高速行駛的綜合檢測列車的運行狀態(tài)，即根據(jù)檢測系統(tǒng)傳到車載/中心數(shù)據(jù)庫中的列車狀態(tài)實時更新列車的位置，必須滿足系統(tǒng)實時性的要求。對于三維場景來說，列車位置的更新，意味著列車三維模型從前一里程處勻速或勻加/減速運行到當(dāng)前里程處，不能出現(xiàn)跳躍、倒退等現(xiàn)象，且不能發(fā)生視角變化和偏移。

2.3 底層引擎對實時數(shù)據(jù)的訪問接口技術(shù)

由于是實時顯示檢測列車檢測數(shù)據(jù)的全息可視化系統(tǒng)，系統(tǒng)對實時性有很高的要求，同時系統(tǒng)中有相當(dāng)多的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行實時傳輸，因此不能采用Web 的對答方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而是要在引擎端開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸接口，建立長連接進(jìn)行專業(yè)數(shù)據(jù)的傳輸。

2.4 高速變化下二三維空間數(shù)據(jù)與多媒體數(shù)據(jù)的實時聯(lián)動技術(shù)

通過綜合檢測列車的實時 GPS 信息和里程信息，關(guān)聯(lián)二維 GIS、三維 GIS、視頻和專業(yè)數(shù)據(jù)，使這些數(shù)據(jù)能夠同步展現(xiàn)，即在同一空間剖面將不同刻度的檢測數(shù)據(jù)展示出來，且當(dāng)有檢測數(shù)據(jù)大值報警時，能同時在4個顯示屏中同步顯示。

系統(tǒng)實現(xiàn)的顯示界面效果如圖4和圖5所示。圖4是該系統(tǒng)的主界面，包含4個大屏，分別是專業(yè)數(shù)據(jù)展示界面、三維子系統(tǒng)界面、二維 GIS 子系統(tǒng)界面和視頻界面。這4個界面通過里程在同一時刻從不同角度來展示檢測車的運行環(huán)境和各專業(yè)檢測數(shù)據(jù)的每個指標(biāo)值。圖5為三維子系統(tǒng)界面，從不同視角展示了高速綜合檢測列車的運行情況，同時展示了列車運行的當(dāng)前里程和速度，以及軌道幾何、弓網(wǎng)、通信3個專業(yè)的檢測數(shù)據(jù)；當(dāng)有大值報警時會在界面左上角顯示出報警段的視頻，并在三維場景上標(biāo)注出報警的地點、專業(yè)、報警指標(biāo)及其指標(biāo)值；在界面的左下角以二維鷹眼的方式展示出列車運行過程中已檢測到的報警情況。

3 結(jié)束語

高速綜合檢測列車的檢測數(shù)據(jù)涵蓋軌道幾何、輪軌動力學(xué)、弓網(wǎng)、信號和通信等專業(yè)，其中各個專業(yè)內(nèi)部的檢測指標(biāo)很多，對這些指標(biāo)數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)展示是通過各專業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)表格和曲線圖來表示，沒有一個統(tǒng)一的顯示平臺。針對這種情況，通過設(shè)計并開發(fā)基于三維 GIS 的檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)，構(gòu)建一個包含數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、接口層、應(yīng)用層、客戶層的5層系統(tǒng)架構(gòu)，研究高速鐵路檢測數(shù)據(jù)的三維可視化展現(xiàn)技術(shù)及二三維空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)的實時聯(lián)動技術(shù)，實現(xiàn)高效率、高精度、精細(xì)化的鐵路三維地形數(shù)據(jù)的組織、發(fā)布和應(yīng)用，為檢測數(shù)據(jù)及其綜合分析與展示提供一個全息、直觀、動態(tài)的可視化平臺。

：

[1]Fumio FUJITA，趙學(xué)慧. 應(yīng)用綜合檢測車對新干線電氣設(shè)備進(jìn)行維修[J]. 電氣化鐵道，1997(1)：19-26.

[2]Takashi KACHI. Comprehensive Track/Electric Inspection Train[C]. Track Technology Proceedings UIC.Beijing，China，1999.

[3]杜鶴亭，高林奎，張繼元，等. 安全綜合檢測車的研制[J]. 中國鐵道科學(xué)，2003，24(1)：49-53.

圖4 檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)主界面

圖5 檢測數(shù)據(jù)全息可視化系統(tǒng)三維子系統(tǒng)界面

[4]龔增進(jìn)，余祖俊. 鐵路綜合檢測列車采集分析系統(tǒng)總體設(shè)計方案[J]. 鐵路計算機應(yīng)用，2005，14(12)：27-29.

[5]肖樂斌，鐘耳順，劉紀(jì)遠(yuǎn)，等. 三維GIS的基本問題探討[J]. 中國圖像圖形學(xué)報，2001，16(9)：842-848.

[6]劉義勤，潘 懋，彭 博，等. 基于三維城市GIS的交互式三維隧道建模算法[J]. 解放軍理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012，13(1)：57-61.