便攜式采集裝置及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)設(shè)計

崔夢真，賀 晗，王 虎，王遙遙

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

我國鐵路具有分布廣、里程長、數(shù)據(jù)分散、類別龐雜、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)。鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)作為鐵路的關(guān)鍵信息資產(chǎn)，能夠?yàn)殚_展大規(guī)模的線路巡檢、檢測、維護(hù)等工作提供輔助決策[1]。但是，我國鐵路仍存在基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)缺失、無法完全掌握線路周邊真實(shí)環(huán)境、空間數(shù)據(jù)難以集中管理等問題。因此，高效、準(zhǔn)確地采集和管理鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)，對鐵路工作人員全面掌握基礎(chǔ)設(shè)施資源分布、落實(shí)精準(zhǔn)化管理、開展日常巡檢維修、進(jìn)行應(yīng)急搶險救援等工作具有重大意義。

目前，空間數(shù)據(jù)采集的研究主要集中在基于連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)（CORS，Continuously Operating Reference System）采集、三維激光掃描、無人機(jī)遙感測繪、移動測量等技術(shù)[2]。任潔[3]采用全球定位系統(tǒng)-實(shí)時動態(tài)（GPS-RTK，Global Positioning System &Real-Time Kinematic）技術(shù)在蘭州某段既有線路進(jìn)行不等間距實(shí)地測量，驗(yàn)證了所提方法的實(shí)用性。陳隆[4]結(jié)合鐵路線路的實(shí)際環(huán)境，提出利用無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行鐵路地理信息空間數(shù)據(jù)采集，并構(gòu)建了可視化的三維模型，所采集的數(shù)據(jù)能夠直觀地反映地物的詳細(xì)信息。移動測量技術(shù)是當(dāng)今測繪界的前沿技術(shù)，能夠在車輛高速行進(jìn)時實(shí)現(xiàn)道路及周邊地物的空間位置和屬性數(shù)據(jù)的快速采集[5]，提高數(shù)據(jù)的采集效率，因而是本文主要的研究內(nèi)容。在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)管理方面，晉杰等人[6]搭建了基于地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）的數(shù)據(jù)環(huán)鐵平臺，該平臺對中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限 公司國家鐵道試驗(yàn)中心（簡稱：國家鐵道試驗(yàn)中心）的環(huán)行鐵路試驗(yàn)線所采集的三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)了環(huán)形鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的信息集成和可視化表達(dá)。

為進(jìn)一步提高鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)的采集效率及管理水平，本文研究了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)采集及管理技術(shù)，設(shè)計了基于移動實(shí)景測量技術(shù)的便攜式非接觸采集裝置（簡稱：采集裝置），以及鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（簡稱：管理系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜場景下，對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)的快速、精確采集及有效管理。

1 鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)現(xiàn)狀分析

鐵路地理信息平臺是以實(shí)現(xiàn)鐵路地理信息和服務(wù)共享為目標(biāo)的信息化基礎(chǔ)平臺，是鐵路地理信息數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理中心、統(tǒng)一功能服務(wù)中心和統(tǒng)一發(fā)布中心。在中國國家鐵路集團(tuán)有限公司發(fā)布的《鐵路信息化總體規(guī)劃》中，進(jìn)一步明確鐵路地理信息平臺是一體化集成平臺中鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的重要組成部分。鐵路地理信息平臺中包含國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)和鐵路專業(yè)專用地理信息數(shù)據(jù)，采用“一張圖+N應(yīng)用”的服務(wù)模式，提供面向全國鐵路的鐵路地理信息數(shù)據(jù)和服務(wù)。該平臺包括132種鐵路數(shù)據(jù)，主要有全國鐵路干線、合資鐵路、客運(yùn)站、貨運(yùn)站、專題地圖、中歐班列（鐵路線）等數(shù)據(jù)，涵蓋鐵路路基、橋梁、隧道、信號機(jī)、基站等基礎(chǔ)設(shè)施。

鐵路地理信息平臺使用的是國家地理信息公共服務(wù)平臺“天地圖”（簡稱：“天地圖”）的數(shù)據(jù)，地圖比例尺為1∶2 000。表1為“天地圖”數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容。

表1 “天地圖”數(shù)據(jù)服務(wù)內(nèi)容

鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)指鐵路車務(wù)、機(jī)務(wù)、工務(wù)、電務(wù)、車輛、供電等業(yè)務(wù)部門之間共享的鐵路專業(yè)空間數(shù)據(jù)。鐵路專業(yè)專用地理信息數(shù)據(jù)主要包括鐵路各專業(yè)內(nèi)部專用的空間數(shù)據(jù)，以及與本專業(yè)的業(yè)務(wù)密切相關(guān)、與其他專業(yè)關(guān)系不大、不需要在專業(yè)之間進(jìn)行共享的鐵路專業(yè)空間數(shù)據(jù)。

目前，鐵路地理信息平臺已基本完成全國鐵路線路空間數(shù)據(jù)的建設(shè)，而對于工務(wù)、電務(wù)、供電、給水等各專業(yè)設(shè)備設(shè)施空間數(shù)據(jù)的建設(shè)范圍較小，現(xiàn)已完成部分線路的橋梁、信號機(jī)、基站和車站等空間數(shù)據(jù)的建設(shè)。此外，對于近幾年國家新建鐵路線的空間數(shù)據(jù)缺失較多，因此還需對全國各鐵路線、各專業(yè)的設(shè)備設(shè)施及新建鐵路線進(jìn)行大量的空間數(shù)據(jù)采集工作，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理和維護(hù)。

2 采集裝置

2.1 裝置功能

為了滿足鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)采集的實(shí)際需求，本文研制了基于移動實(shí)景測量技術(shù)的便捷式非接觸采集裝置，實(shí)現(xiàn)了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)的快速、精準(zhǔn)采集。采集裝置采集的內(nèi)容主要有3類，分別為坐標(biāo)數(shù)據(jù)（包含鐵路基礎(chǔ)設(shè)施高精度三維坐標(biāo)、列車行駛軌跡）、點(diǎn)云數(shù)據(jù)（包含軌旁基礎(chǔ)設(shè)施、接觸網(wǎng)、周邊地形等點(diǎn)云數(shù)據(jù)）、影像與視頻（包含裝置前視70°范圍內(nèi)可量測實(shí)景影像數(shù)據(jù)、運(yùn)行期間視頻等）。采集裝置由激光雷達(dá)模塊、工業(yè)相機(jī)模塊、組合導(dǎo)航模塊、監(jiān)控視頻模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、環(huán)境適應(yīng)模塊和綜合處理模塊組成。

（1）激光雷達(dá)模塊：獲取目標(biāo)的距離、方位、高度、速度、姿態(tài)、形狀等數(shù)據(jù)，從而對目標(biāo)進(jìn)行探測、跟蹤和識別。

（2）工業(yè)相機(jī)模塊：采用分辨率為 890萬像素、1英寸（1英寸≈2.54 cm）CMOS芯片的工業(yè)相機(jī)。該相機(jī)具有噪點(diǎn)低、分辨率高、圖像質(zhì)量好等特點(diǎn)。工業(yè)相機(jī)模塊通過千兆以太網(wǎng)接口實(shí)時傳輸非壓縮圖像，在全分辨率下的最高幀率可達(dá)到13 f/s。

（3）組合導(dǎo)航模塊：由全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS，Global Navigation Satellite System）和慣性測量單元（IMU，Inertial Measurement Unit）組成，姿態(tài)測量精度為0.02°。GNSS包括北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Positioning System）、格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GLONASS，Global Navigation Satellite System）。IMU采用高精度工業(yè)級慣性器件，輸出頻率為200 Hz。

（4）監(jiān)控視頻模塊：由2臺攝像機(jī)組成，其中，單臺攝像機(jī)的視場角為100°。2臺攝像機(jī)進(jìn)行組合，它們的視場角重疊20°，組成視場角為180°的前向攝像機(jī)。監(jiān)控視頻模塊所采集的影像數(shù)據(jù)通過4G/5G通信鏈路實(shí)時傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)。

（5）網(wǎng)絡(luò)通信模塊：內(nèi)置4G/5G通信模塊，通過收取RTK差分改正數(shù)據(jù)，將組合導(dǎo)航模塊的定位精度提高到厘米級；同時，將傳送采集裝置狀態(tài)、監(jiān)控視頻等數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾硐到y(tǒng)。

（6）環(huán)境適應(yīng)模塊：用于確保工業(yè)相機(jī)的感光器件互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS，Complementary Metal Oxide Semiconductor）在野外低溫環(huán)境的運(yùn)行安全。當(dāng)監(jiān)測到運(yùn)行溫度過低時，該模塊自動啟動預(yù)熱系統(tǒng)，將敏感器件加熱到0°以上，以保證采集裝置正常發(fā)揮。

（7）綜合處理模塊：采用內(nèi)置的高性能嵌入式計算機(jī)，將激光雷達(dá)和組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行融合解算，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)；將點(diǎn)云數(shù)據(jù)和影像融合，形成可量測影像數(shù)據(jù)，并存儲到內(nèi)置存儲器；將監(jiān)控視頻模塊獲得的視頻數(shù)據(jù)回傳到管理系統(tǒng)。

采集裝置模型如圖1所示，通過吸盤固定在列車駕駛室擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)。

圖1 采集裝置模型

2.2 試驗(yàn)測試

2.2.1 試驗(yàn)環(huán)境

本文選取國家鐵道試驗(yàn)中心的環(huán)形鐵路試驗(yàn)線進(jìn)行試驗(yàn)。環(huán)形鐵路試驗(yàn)線包括大環(huán)線、小環(huán)線及新建的城軌試驗(yàn)線，可進(jìn)行機(jī)車車輛、鐵道建筑、通信信號、鐵道電氣化設(shè)施、客貨運(yùn)輸、特種運(yùn)送等多專業(yè)的科學(xué)試驗(yàn)。在本次試驗(yàn)中，列車以160 km/h的速度繞環(huán)形鐵路試驗(yàn)線大環(huán)線（周長為9 km）運(yùn)行一圈，實(shí)現(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)的采集。為滿足不影響列車正常運(yùn)行和調(diào)度要求，試驗(yàn)采取添乘模式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。便攜采集裝置固定于駕駛室擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)，通過添乘模式完成數(shù)據(jù)采集作業(yè)。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

采集試驗(yàn)線路數(shù)據(jù)，獲取了試驗(yàn)線路基礎(chǔ)設(shè)施（包括橋梁、涵洞、隧道、軌道、防護(hù)柵欄、接觸網(wǎng)、信號機(jī)等）的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景影像數(shù)據(jù)，并對其精度進(jìn)行分析與驗(yàn)證。圖2為含有接觸網(wǎng)、軌道、防護(hù)柵欄等基礎(chǔ)設(shè)施的點(diǎn)云數(shù)據(jù)和實(shí)景影像數(shù)據(jù)。采集裝置技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。可以發(fā)現(xiàn)，采集裝置能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路沿線的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)、可量測實(shí)景影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、周邊環(huán)境視頻數(shù)據(jù)的快速、精準(zhǔn)、安全及一體化采集。

圖2 試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)

表2 采集裝置技術(shù)指標(biāo)的測試結(jié)果

在對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)精度進(jìn)行驗(yàn)證之后，本文對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、整理及入庫處理，并構(gòu)建了精確的線路里程與空間位置關(guān)系。同時，在鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)的集中存儲與管理維護(hù)，提供線路可視化、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理等功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 輕量化存儲與快速查詢

本文采用了面向鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)的輕量化存儲與快速查詢技術(shù)，其中，三維空間數(shù)據(jù)包括柵格數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)。輕量化存儲與快速查詢技術(shù)采用瓦片金字塔對柵格數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，將其分割為1組瓦片，并存儲于數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，建立合適的數(shù)據(jù)索引結(jié)構(gòu)來存儲瓦片，實(shí)現(xiàn)了輕量化存儲與快速查詢。輕量化存儲與快速查詢技術(shù)采用串表壓縮（LZW，Lempel-Ziv-Welch ）算法[7]，對矢量數(shù)據(jù)的幾何信息和屬性信息進(jìn)行壓縮。LZW算法具有簡單、快速、易于硬件實(shí)現(xiàn)、壓縮效果較好等優(yōu)點(diǎn)，且可通過一次性讀取全部數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲。壓縮后的數(shù)據(jù)依據(jù)MBTiles規(guī)范進(jìn)行存儲，通過應(yīng)用服務(wù)器處理后發(fā)布生成瓦片地圖，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速查詢。

3.2 線性參考系統(tǒng)構(gòu)建

線性參考系統(tǒng)（LRS，Linear Reference System）是國際上先進(jìn)的線性空間數(shù)據(jù)組織和構(gòu)建模型。LRS能夠?qū)ξ粗氐奈恢眯畔⑼ㄟ^其與己知線性要素起點(diǎn)位置之間的相對位置關(guān)系進(jìn)行表示或測量，而不是以經(jīng)緯度或平面坐標(biāo)系的方式表示，實(shí)現(xiàn)了線性設(shè)施中任意兩點(diǎn)之間里程的精確量算[8]。同時，LRS能夠?qū)崿F(xiàn)對任意空間位置和方向進(jìn)行任意里程位置的精確定位和查詢。

管理系統(tǒng)采用ArcGIS的線性參考工具（LRT，Linear Referencing Tools），對路徑要素類和事件表這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理?；诟呔雀呙芏鹊男旭傑壽E，依據(jù)給定路段起止點(diǎn)信息，本文構(gòu)建了鐵路LRS，將鐵路線路和基礎(chǔ)設(shè)施的經(jīng)緯度位置信息通過線性要素的相對位置來表示，建立鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)與臺賬數(shù)據(jù)之間的高度關(guān)聯(lián)，為鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間位置的快速查詢提供依據(jù)。

4 管理系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文基于上述兩種關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（簡稱：管理系統(tǒng)），實(shí)現(xiàn)將采集裝置所獲取的多種鐵路基礎(chǔ)設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理與存儲。管理系統(tǒng)采用多層架構(gòu)，從下到上依次為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、平臺層和應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 管理系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)層：主要包括服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件設(shè)施，是管理系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)層：在對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效、準(zhǔn)確采集的基礎(chǔ)上，基于輕量化存儲和快速查詢技術(shù)，構(gòu)建鐵路地理信息空間數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實(shí)景影像數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、臺賬數(shù)據(jù)等鐵路基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

（3）平臺層：包括管理系統(tǒng)所采用的基礎(chǔ)技術(shù)框架、組件，以及為應(yīng)用層提供的數(shù)據(jù)和GIS功能服務(wù)接口。

（4）應(yīng)用層：包括各個業(yè)務(wù)功能模塊，主要實(shí)現(xiàn)對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的可視化定位和查詢、基于實(shí)景測量的空間分析與量測、鐵路線路周邊狀況監(jiān)控等功能。

4.2 系統(tǒng)功能

管理系統(tǒng)包括鐵路線路可視化、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)管理4大功能，實(shí)現(xiàn)了對鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一集中管理。

（1）鐵路線路可視化

鐵路線路可視化功能具有鐵路線路及其基礎(chǔ)設(shè)施的二維地圖、三維實(shí)景地圖、多時相地圖的可視化展示功能，以及統(tǒng)一的檢索入口，能夠?qū)崿F(xiàn)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施定位查詢、鐵路線路里程的定位功能。鐵路可視化功能支持以點(diǎn)選、框選方式進(jìn)行設(shè)備設(shè)施定位查詢，還可以提供對三維實(shí)景對象的量算分析功能，例如，量測對象的距離、面積、垂距、立面、角度等。同時，鐵路線路可視化功能還可以關(guān)聯(lián)鐵路基礎(chǔ)設(shè)施臺賬數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施基本信息的查看?；诙鄷r相地圖，鐵路線路可視化功能可調(diào)閱和對比不同時間段鐵路實(shí)景影像數(shù)據(jù)，以及不同時段鐵路線路周邊狀況監(jiān)控視頻回放。典型示范鐵路線路的三維實(shí)景影像如圖4所示。

圖4 典型示范鐵路線路的三維實(shí)景影像

（2）統(tǒng)計分析

統(tǒng)計分析功能能夠?qū)崿F(xiàn)對空間數(shù)據(jù)的分類與綜合評價，涉及空間和非空間數(shù)據(jù)的處理和統(tǒng)計計算。為了將地圖上某類對象的某些屬性進(jìn)行橫向或縱向比較，統(tǒng)計分析功能將這些屬性制成統(tǒng)計專題地圖，以進(jìn)行直觀的綜合評價。

統(tǒng)計功能還可以按目錄樹和地圖框兩種選擇方式查詢或統(tǒng)計指定范圍內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)量和類型，并將統(tǒng)計結(jié)果在地圖上進(jìn)行可視化展示。

（3）數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理功能以鐵路工務(wù)、電務(wù)、供電等專業(yè)為標(biāo)準(zhǔn)，對線路臺賬數(shù)據(jù)、實(shí)景測量數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等進(jìn)行分類管理。同時，數(shù)據(jù)管理功能還能依據(jù)不同權(quán)限提供數(shù)據(jù)資源的上傳、下載、查詢、查看等，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的共享利用。

（4）系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理功能支持系統(tǒng)用戶管理、功能菜單權(quán)限管理、系統(tǒng)服務(wù)狀態(tài)監(jiān)控等，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫運(yùn)行監(jiān)控、系統(tǒng)訪問日志留痕等。

5 結(jié)束語

本文分析了我國鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)建設(shè)現(xiàn)狀，研制了便攜式非接觸空間數(shù)據(jù)采集裝置，并搭建了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鐵路基礎(chǔ)設(shè)施空間數(shù)據(jù)的實(shí)時采集和集中管理。本文成果有效地提高了鐵路線路相關(guān)數(shù)據(jù)的采集效率與信息化管理水平，為數(shù)字孿生鐵路、智慧鐵路的建設(shè)提供了科學(xué)、可靠、實(shí)用的數(shù)據(jù)支撐和管理平臺。