城軌車站空間數據服務平臺設計

劉 宇，郭冬冬，董守放，王愛麗，于士堯

（1. 中鐵信（北京）網絡技術研究院有限公司，北京 100044；2. 中國鐵路信息科技集團有限公司，北京 100038；3. 城市軌道交通系統(tǒng)安全保障技術國家工程實驗室，北京 100044；4. 深圳地鐵運營集團有限公司，廣東深圳 518000）

1 引言

近年來，我國城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）快速發(fā)展。截至2019 年12 月31 日，我國內地新增運營線路974.8 km，總運營里程達6 736.2 km，城軌已成為我國城市重要的公共交通方式[1]。巨大的城軌線路網絡及眾多的城軌車站是重要的空間數據信息源，利用這些空間數據信息保障城軌安全運營，并服務運營者和乘客，正逐漸被人們所重視。

許多研究者對建筑信息模型（BIM）、虛擬現(xiàn)實（VR）、增強現(xiàn)實（AR）等空間信息技術在城軌領域的應用與融合進行了積極的探索與研究。祝嘉提出將BIM技術用于城軌規(guī)劃、建設、施工等階段的設想[2]；柯尉詳細探討了如何在軌道交通工程建設中應用BIM 技術[3]；王玨、張成方、蔣奇緯等對BIM 技術在城軌建設全過程中的應用做了分析與總結[4-6]；馬勇軍等將BIM技術與VR 技術相結合，對地鐵的機電安裝過程進行模擬與培訓，提高了實際操作中的安全性[7]；李鈺等將BIM 技術分別與VR、AR 技術結合，構建了地鐵施工事前分析平臺與施工過程安全管理體系[8]。此外，還有部分學者對空間信息技術與智慧城軌的結合進行了探索。例如，秦志遠提出以地鐵信息資源為基礎，建設一系列智慧融合應用系統(tǒng)的設想[9]；江志彬等闡述了智慧車站的內涵，并指出BIM 等空間信息技術的融合是智慧車站的實現(xiàn)途徑之一[10]；黃天印等提出將BIM 技術與地理信息系統(tǒng)（GIS）相融合，建立數字地鐵信息資源模型[11]；張文彬、陳韻舟等介紹了上海地鐵如何將BIM數據、視頻數據及車站各系統(tǒng)業(yè)務數據相融合，建立智慧車站管控系統(tǒng)[12-13]；朱建峰分別從軌道交通乘客和運營企業(yè)的角度對智慧車站的應用技術現(xiàn)狀進行了總結，并對其未來發(fā)展提出對策[14]。

目前，BIM、AR 等空間信息技術主要用于城軌建設階段的輔助施工，而對于車站管理及運維過程中的空間數據及基于空間數據的服務開發(fā)利用較少。因此，需進一步深化對城軌空間數據的應用研究，使其與相關業(yè)務系統(tǒng)聯(lián)動和疊加，構建空間數據服務平臺，實現(xiàn)不同空間維度的可視化應用，為城軌安全運營、應急管理、設施設備運維等提供輔助支撐。本文以城軌車站空間數據服務為重點，整合基于空間數據的城軌相關應用，集成BIM、AR、VR、超寬帶（UWB）定位、視頻監(jiān)控等技術，形成城軌車站空間數據服務平臺。

2 需求分析

2.1 行業(yè)發(fā)展需求

隨著交通強國建設決策的落實，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，從行業(yè)層面對智慧城軌的發(fā)展與建設進行了統(tǒng)籌規(guī)劃[15]。其中，融合車站模型、客流動態(tài)與列車運行狀態(tài)為乘客提供智能出行服務，基于常態(tài)、節(jié)假日、突發(fā)事件下的客流預測與動態(tài)監(jiān)測為運營人員的客流疏導與應急處置提供可視、可調、可控的解決方案，實現(xiàn)車站的全息感知、全景監(jiān)控及其公共服務設施的一體化信息共享及聯(lián)動，成為智慧城軌的重要發(fā)展目標。這也使車站空間數據和運營業(yè)務數據的融合管理與綜合應用成為推動智慧城軌建設與發(fā)展的必然選擇。

2.2 業(yè)務需求

2.2.1 數據融合需求

隨著現(xiàn)代信息技術在交通工程管理中的廣泛應用，BIM、實景影像、點云等空間數據在城軌建設與運營中發(fā)揮著日益重要的作用?，F(xiàn)有的空間數據管理與應用形式呈現(xiàn)出以BIM+VR、BIM+AR、BIM+實景等為代表的數據融合趨勢，但仍存在數據利用率較低、數據管理缺乏統(tǒng)一性、系統(tǒng)性與標準性等問題?；贐IM、點云、實景影像、UWB 定位等多源數據，構建集二維地圖、三維模型、全景影像等為一體的多源空間數據庫，融合數據資源并進行統(tǒng)一管理，成為數據高效管理與協(xié)同應用的發(fā)展需求。

2.2.2 系統(tǒng)集成需求

面對既有相關業(yè)務系統(tǒng)之間融合性較差、數據利用效率較低等問題，應基于空間數據庫與其他業(yè)務系統(tǒng)的聯(lián)動，以VR、AR、空間信息智能分析等技術為基礎，利用功能、網絡、軟件界面集成等多種集成技術，構建空間數據信息業(yè)務的集成系統(tǒng)，使系統(tǒng)具有成本低、效率高、性能勻稱、擴充性好和維護性強等優(yōu)勢。

圖1 平臺總體架構

3 平臺技術方案

3.1 總體架構

城軌車站空間數據服務平臺采用分層設計的原則。根據所使用的硬件設備、數據信息、技術系統(tǒng)及表現(xiàn)形式等，將平臺分為基礎設備層、數據資源層、技術層、應用層和表現(xiàn)層5 個層次，如圖 1所示。

（1）基礎設備層。包含各類基礎設施設備，如應用服務器、網絡設備、安全設備、監(jiān)控設備等基礎硬件資源，以及各業(yè)務系統(tǒng)的專用設備，為平臺的建設、運行提供基礎硬件支撐。

（2）數據資源層。包含由基礎設備層產生及匯集的各類業(yè)務系統(tǒng)數據資源，如城軌車站CAD 平面圖、城軌車站BIM 模型、點云推掃數據、實景地圖數據等。利用這些數據可進行BIM 模型、可量測實景影像模型的構建，為平臺的業(yè)務應用提供數據支撐。

（3）技術層。負責為空間數據管理建模、服務發(fā)布、可視化展示、Web 服務等功能提供技術組件支撐，對數據層的多元異構數據進行融合與解析，并為上層業(yè)務應用提供服務接口。

（4）應用層。在數據層以及技術層的支持下，實現(xiàn)車站空間、客流感知、客運服務、站內導航等信息的可視化，以及虛擬培訓、隱蔽工程等業(yè)務功能。

（5）表現(xiàn)層。可根據不同功能需求，在Web 端和智能移動終端上以二維或三維模式展示實時客流、人員定位等監(jiān)測數據，在VR、AR 終端實現(xiàn)對導航、隱蔽工程、虛擬培訓等的增強現(xiàn)實或虛擬現(xiàn)實顯示，為車站運維人員的運營管理、設備巡檢、業(yè)務培訓等提供輔助支撐。

3.2 技術架構

城軌車站空間數據服務平臺采用瀏覽器/服務器（B/S）和客戶端/服務器（C/S）模式相結合的技術架構，支持Web 端和智能移動終端安裝，預留各類應用程序接口（API），具有良好的開放性與可拓展性。其技術架構如圖 2 所示。

平臺的技術架構分為操作系統(tǒng)層、數據層、解析層、功能層、客戶端5 個層次。操作系統(tǒng)層為平臺運行提供基礎運行環(huán)境；數據層通過點云推掃、實景采集、CAD 平面圖、視頻攝像頭、WIFI 基站等手段獲取空間地圖、客流、定位等空間數據和業(yè)務數據，并將獲取的源數據通過有線、無線的方式傳輸給解析層；解析層根據各業(yè)務數據的類型為其配備不同的解析工具，并對源數據進行解析；功能層對上述多元異構數據進行融合，形成平臺的各功能模塊；平臺以Web端訪問為主要展現(xiàn)形式，部分功能可安裝于智能移動終端，使系統(tǒng)兼具B/S 與C/S 的雙重展現(xiàn)形式。

4 平臺功能

城軌車站空間數據服務平臺功能分為系統(tǒng)管理及業(yè)務應用2 部分內容，其中系統(tǒng)管理實現(xiàn)用戶和數據的管理功能，業(yè)務應用實現(xiàn)多源數據融合展示、實景地圖導航、AR 隱蔽工程、VR應急演練培訓等業(yè)務應用功能。其功能架構如圖3 所示。

圖2 平臺技術架構

圖3 平臺功能架構

4.1 系統(tǒng)管理

4.1.1 用戶權限管理

用戶權限管理功能包括用戶管理、權限管理以及系統(tǒng)參數配置等。該功能為平臺后端管理功能，由管理員操作，可創(chuàng)建和刪除用戶，對用戶進行平臺功能及模塊的權限分配和取消，以及配置系統(tǒng)參數和工作空間等。

4.1.2 數據管理

數據管理功能可對城軌車站CAD 平面圖、BIM 模型、點云、實景影像等多源空間數據，以及定位坐標、視頻監(jiān)控等業(yè)務數據進行導入導出、備份還原、標準格式轉化、服務發(fā)布等操作。

4.1.3 數據編輯處理

數據編輯處理功能可對城軌車站CAD 平面圖、BIM 模型、點云及實景影像數據信息進行提取、修改、更新、融合、匹配，并在車站模型中對車站定位坐標與上述數據進行匹配和疊加顯示。

4.2 業(yè)務應用

4.2.1 多源數據融合展示

基于車站三維模型，平臺將空間數據與定位坐標、視頻監(jiān)控圖像、設備狀態(tài)信息等多源數據充分融合，實現(xiàn)車站環(huán)境實景展示、視頻監(jiān)控圖像與客流動態(tài)熱力圖實時更新、運營人員與導流設備位置實時展示等功能，為客流風險評估、大客流疏導、故障分析、乘客與運營人員異常行為監(jiān)測及應急處置提供有效的管控手段。

4.2.2 實景地圖導航

平臺可基于實景地圖模型為乘客提供站內導航服務。當乘客在站內任意位置掃描車站提供的二維碼或連接站內WiFi，平臺可對其進行定位，并為其提供當前所在點的實景位置信息；乘客還可通過輸入關鍵詞獲取站內目標位置處的實景影像，并通過輸入起點和終點獲取平臺規(guī)劃的最優(yōu)路徑?？偠灾?，平臺可支持乘客選擇路徑，以及當前視角和全域視角觀察，為乘客提供更加直觀和便捷的出行服務。

4.2.3 AR隱蔽工程

平臺可基于AR 技術實現(xiàn)車站內隱蔽工程及資產管理信息在現(xiàn)實場景中的疊加顯示。對于車站墻體或走廊，可在車站真實畫面中顯示墻內管線的走向、相對位置關系、管徑、埋深等空間分布信息，降低隱蔽工程現(xiàn)場施工、維護的難度；對于設施設備，可疊加顯示材質、用途、維修記錄、維修人員等信息，輔助資產盤點、評估與評價工作。

4.2.4 VR應急演練培訓

平臺可基于VR 技術真實地模擬火災、大客流等各類突發(fā)事件發(fā)生、演變、應對的過程，為演練人員提供直觀、生動、準確的可視化演練場景和沉浸式的體驗，通過文字與動畫等形式指導運營人員在突發(fā)事件中采取規(guī)范操作，并指引乘客正確使用車站設備安全逃生，從而提升運營人員的應急處置能力，提高乘客的安全意識與自救能力。

5 平臺關鍵技術

5.1 BIM技術

平臺基于BIM 技術，為城軌車站三維模型的建立提供完整的、與實際情況一致的工程信息庫，該信息庫包含了建筑物構件的幾何信息、專業(yè)屬性、狀態(tài)信息，以及非構件對象的狀態(tài)信息；根據車站改擴建情況對BIM 數據進行修改與更新，動態(tài)更新和生成車站的平面、立面、剖面圖紙信息，提供二維、三維、漫游等數據查看形式，為多專業(yè)應用人員提供信息參考，實現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同工作；基于面積、結構、能量等分析工具實現(xiàn)基于空間模型的工程量統(tǒng)計、建筑系統(tǒng)分析與災難應急模擬。

5.2 多源數據融合技術

平臺整合城軌車站空間數據資源，建立標準數據格式、數據導入導出接口、數據格式轉換規(guī)則等，將CAD 平面圖、BIM 模型、車站空間點云、實景影像、定位坐標、視頻監(jiān)控等數據通過外部數據接口導入并存儲至服務器，通過數據調用API 接口將多源空間數據融合，并為業(yè)務系統(tǒng)數據應用提供高效的調用與管理方式。平臺基于空間數據融合管理，對多源空間數據進行整理、編輯和屬性查看，將人員定位、視頻監(jiān)控、客流量等業(yè)務數據與空間模型匹配疊加，實現(xiàn)多源數據的融合展示。

5.3 AR和VR技術

平臺可基于AR、二維碼等技術，獲取目標位置的隱蔽工程信息，并將隱蔽工程虛擬數據疊加顯示在真實環(huán)境中，實現(xiàn)不同隱蔽工程數據的切換顯示，以及隱蔽工程類型、材質、權屬等屬性信息的疊加顯示。平臺還通過VR 開發(fā)引擎為車站環(huán)境與人物模型添加物理屬性，實現(xiàn)車站場景內人-機-環(huán)境之間的交互，并基于粒子系統(tǒng)與動態(tài)路徑規(guī)劃，模擬火災等情景下的逃生和疏導，以文字和動畫的形式指導運營人員和乘客進行應急處置和逃生。

6 結語

本文提出城軌車站空間數據服務平臺的設計方案，并給出其總體架構和技術架構，介紹其功能及應用的關鍵技術。該方案將BIM、AR、VR、UWB 等空間信息技術集中應用于城軌車站，為車站安全運營提供了技術保障，也為進行客流監(jiān)測、人員定位等提供了新的思路與工具。目前，空間信息技術集成融合的實例較少，如何發(fā)揮其在城軌領域的優(yōu)勢，助力智慧城軌建設，仍需要進行深入研究。