鐵路通信信號隱蔽工程可視化管理平臺的研究與應用

袁武民，馬志強，許 強，方 峰，孫斌君，魏孔勝

隱蔽工程是指工程施工完成后被隱蔽起來、表面上無法看到的施工項目，泛指不可見的各類管線和接地體等埋設于地面之下或墻面之內(nèi)的物體。鐵路通信信號隱蔽工程內(nèi)容主要包括光纜線路、電纜線路、綜合接地及其他附屬設施設備。由于隱蔽工程點多、面廣、不可見，故管理難度很大，運維管理的質(zhì)量難以保證。在作業(yè)現(xiàn)場曾出現(xiàn)多起因隱蔽工程資料不全、標識不清、標記不實等造成設備故障和應急處置困難等重大問題。因此科學、有效的隱蔽工程管理手段是信號設備維護、工程施工和應急處置等環(huán)節(jié)不可或缺的重要部分，對于鐵路應急處置和行車安全具有重要意義。

1 現(xiàn)狀分析

目前鐵路通信信號隱蔽工程管理面臨的主要問題有：技術資料信息單一，電子臺賬記錄零散，缺乏完整性；紙質(zhì)資料和電子資料混合管理，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繁雜凌亂，缺乏規(guī)范性；地下電纜受周圍環(huán)境影響，如塌方、地陷、沉降等原因造成電纜埋深或位置發(fā)生變化，相關技術資料修改不及時，缺乏準確性；電纜線路內(nèi)容復雜，許多信息孤立存在，相互關系無法清晰體現(xiàn)，缺乏實用性。尤其是電纜徑路管理，現(xiàn)場作業(yè)主要依據(jù)電纜標樁，對于關鍵參考物位置、電纜埋深、電纜防護、過軌管位置及使用情況等重要信息無法準確掌握，缺少電纜徑路可視化以及立體集中的數(shù)據(jù)信息管理工具。如何讓管理人員清晰直觀、準確高效地掌握隱蔽工程中的關鍵有效信息，實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)聯(lián)動和可視化管理，是當前鐵路通信信號隱蔽工程管理的迫切需求。

近年來，眾多學者研究各種方法進行隱蔽工程可視化應用。如吳軍［1］采用三維激光掃描技術構(gòu)建點云模型，實現(xiàn)隧道可視化——“去隱蔽化”；李雄周等［2］提出通過工程錄像的技術手段，搭建隱蔽工程管理系統(tǒng)，實現(xiàn)隱蔽工程關鍵過程的可見和可追溯管理；梁誠意［3］采用機器視覺實現(xiàn)配電網(wǎng)隱蔽工程的智能化管理，提高隱蔽工程缺陷查找率。上述研究雖實現(xiàn)了隱蔽工程可見性管理，但如何在此基礎上提供用戶實時交互功能，仍成為可視化管理的關鍵問題。

隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）技術在國內(nèi)的發(fā)展，趙曉東等［4］提出基于BIM 技術搭建信號設備可視化模型，以提高信號設備施工管理水平；李志祥等［5］研究了基于三維地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術的鐵路線路三維可視化建模方法；韓磊等［6］采用Unitiy 3D構(gòu)建電纜模型，實現(xiàn)海底電纜的可視化監(jiān)測。這些研究均實現(xiàn)了相關設施設備可見、可交互的可視化管理，但是模型復雜，信息量龐大，需要專業(yè)技術平臺和人員支持，對用戶設備性能和人員能力要求較高。

針對目前基于BIM 技術的鐵路通信信號隱蔽工程可視化管理研究較少的現(xiàn)狀，本文設計了一套基于三維可視化技術的隱蔽工程可視化管理平臺（簡稱“管理平臺”），實現(xiàn)基于多要素的光/電纜徑路三維一張圖，集中管理隱蔽工程所有對象及工程圖檔，有效彌補隱蔽工程不可見的管理痛點，為提高隱蔽工程管理和應急處置效率提供重要的技術支撐。

2 平臺設計

2.1 總體架構(gòu)

根據(jù)鐵路電務工程項目隱蔽工程管理要求，設計管理平臺采用三維可視化技術，實現(xiàn)對鐵路通信信號隱蔽工程管理對象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務處理及場景應用等內(nèi)容，其總體架構(gòu)見圖1。

圖1 管理平臺總體架構(gòu)

2.1.1 數(shù)據(jù)基礎設施層

1）數(shù)據(jù)采集是管理平臺建設的第一步，也是最重要的一步。一方面，將鐵路電務工程施工光纜、電纜、貫通地線等施工對象的實際敷設數(shù)據(jù)進行動態(tài)采集和實時更新，尤其是光/電纜的現(xiàn)場位置圖，包含參考位置、防護措施、數(shù)量及埋深、過軌位置、箱盒位置、余量及接續(xù)點等全要素數(shù)據(jù)信息，用于構(gòu)建清晰、準確的隱蔽工程可視化場景；另一方面，對電務工程施工過程中的寫實日志、驗收記錄、問題跟蹤、電纜傷損及修改圖紙等重要工程資料數(shù)據(jù)進行全程記錄，用于提高隱蔽工程驗收質(zhì)量及工程資料的可追溯管理。

2）數(shù)據(jù)管理用于實現(xiàn)隱蔽工程各項數(shù)據(jù)的接入、存儲、組織、融合、共享和安全等功能。面對現(xiàn)場采集的多元數(shù)據(jù)、異構(gòu)數(shù)據(jù)等，數(shù)據(jù)管理業(yè)務為管理平臺提供可靠的數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)共享服務，通過統(tǒng)一的訪問接口，為業(yè)務能力層提供標準、規(guī)范的數(shù)據(jù)交互和響應。

2.1.2 業(yè)務邏輯層

1）場景信息管理主要進行電纜徑路、光纜徑路、貫通地線等要素對象的維護管理。

2）數(shù)字資料庫提供施工記錄、施工圖紙、寫實日志等工程資料的目錄和權限維護管理，以及文件上傳和查閱瀏覽。

3）可視化交互包含三維可視化、用戶交互、定位檢索及信息關聯(lián)訪問等人機交互功能。

4）智能輔助實現(xiàn)電纜接線鏈路、電纜拓撲智能導航、徑路巡視、設備圖紙智能推薦，及電纜位置搜索定位等輔助功能。

2.1.3 場景應用層

以光/電纜徑路三維一張圖為核心，實現(xiàn)對鐵路通信信號隱蔽工程的可視化交互和智能輔助決策，包括隱蔽工程可視化、電纜走向指示信號電纜智能導航等用于運維作業(yè)和應急指揮的聯(lián)動功能。同時，建立隱蔽工程全套資料電子臺賬庫，實現(xiàn)標準統(tǒng)一、實時更新的數(shù)據(jù)跟蹤功能。滿足用戶隱蔽工程可視化、智能化、精細化的管理需求。

2.2 平臺功能

管理平臺主要圍繞隱蔽工程可視化這一核心要求，根據(jù)總體架構(gòu)業(yè)務邏輯層設計內(nèi)容，實現(xiàn)諸多關鍵功能，見圖2。

圖2 管理平臺功能

1）場景信息管理。以全要素［7］、數(shù)字化為原則，實現(xiàn)隱蔽工程所需要全部管理對象的數(shù)字化臺賬維護和管理功能，包括信息新增、刪除、修改、查找、導入、導出、上傳附件等。從工程結(jié)構(gòu)及實現(xiàn)功能的角度分類［8］，其全要素清單見表1。

表1 全要素清單

2）可視化交互。以三維站場平面圖為入口，實現(xiàn)基于光/電纜三維可視化顯示的用戶交互，直觀反映隱蔽工程分布示意圖。在可視化界面，通過信號設備、光/電纜名稱或公里標等可快速定位目標位置，同時展示電纜位置、埋設深度、電纜走向、電纜芯數(shù)、損傷情況、電纜接續(xù)、技術資料等關鍵信息，為用戶提供一種隱蔽工程可視化、高效化的交互管理手段。

3）智能輔助。根據(jù)信號設備接配線情況，實現(xiàn)單設備電纜徑路智能導航功能［9］。用戶選擇指定設備后，從“信號樓-分向盒-設備箱盒”全鏈路電纜高亮顯示，可調(diào)閱全鏈路箱盒實物照片及接配線路徑，實現(xiàn)信號設備電纜徑路智能導航。同時，用戶選擇指定電纜后，該電纜連通的所有信號設備都可高亮顯示，可調(diào)閱設備實物照片及原理圖，實現(xiàn)信號電纜拓撲走向智能導航。

4）數(shù)字資料庫。以施工線路為單位，制定統(tǒng)一的資料模板，為隱蔽工程全套資料建立全電子版數(shù)字化臺賬，包括目錄維護、資料上傳、文件瀏覽、資料下載、權限管理、文檔檢索等，解決隱蔽工程管理缺乏完整性和規(guī)范性的問題。

2.3 技術方案

1）物理結(jié)構(gòu)。平臺采用瀏覽器/服務器模式（Browser/Server，B/S）架構(gòu)，見圖3，以鐵路辦公網(wǎng)絡為媒介，通過服務器集中部署實現(xiàn)瀏覽器多端應用。B/S架構(gòu)具有較強的分布式應用能力，更加適應鐵路用戶分布廣、數(shù)量多的地理特點。平臺服務部署在路局中心機房，其內(nèi)部辦公網(wǎng)絡已覆蓋鐵路局電務部各科室、電務段各科室、通信/電務各車間、通信/電務各工區(qū)等，具備電務部、段、車間、工區(qū)的多級通信條件，完全可以實現(xiàn)平臺業(yè)務流轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)共享。用戶通過辦公終端瀏覽器訪問該平臺，根據(jù)用戶角色和權限訪問各自業(yè)務和數(shù)據(jù)，可隨時隨地進行查詢、瀏覽、維護管理等業(yè)務處理。

圖3 平臺部署架構(gòu)

2）安全策略。平臺分別從網(wǎng)絡節(jié)點、通信、應用和管理等4 個方面來保證安全。采用軟硬件防火墻結(jié)合使用策略，保證網(wǎng)絡節(jié)點安全；采用安全套接層（Secure Socket Layer，SSL）協(xié)議及數(shù)據(jù)加密策略［10］，保證數(shù)據(jù)通信安全；用戶訪問采取入網(wǎng)訪問控制、操作權限控制、目錄安全控制等控制策略，保證應用安全；制定網(wǎng)絡安全維護工作規(guī)范，保證管理安全。

3）實現(xiàn)技術。平臺服務端基于Spring MVC開發(fā)框架，采用MySQL 數(shù)據(jù)庫和Redis 數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和緩存管理。用戶端基于JavaScript 語言的GeoHash 組件、Geometry 組件和GeoLayout組件實現(xiàn)交互。其中，Geohash 組件用于計算要素對象Geohash 字符串；Geometry 組件包含各種要素對象三維模型構(gòu)建算法，通過傳參調(diào)用可動態(tài)生成輕量級三維模型；GeoLayout 組件用于生成和加載站場三維布置圖布局文件。三維可視化場景采用Three.js、Maptalks、UV 貼圖等Web 組件，其中Three.js 組件用于渲染顯示各類三維模型；Maptalks 組件用于渲染和加載三維顯示場景，并提供用戶交互界面；UV貼圖組件通過UV映射［11］將二維模型外表圖片包裹在三維模型上，使得三維模型更加形象和逼真。

通過上述技術的融合應用，實現(xiàn)輕量級、跨平臺的隱蔽工程可視化管理。

3 可視化實現(xiàn)

3.1 站場三維布置圖自動生成

以信號平面布置圖和電纜徑路圖為基礎，首先采集并制作站場三維布置圖專用數(shù)據(jù)集文件，包括信號樓、站臺、股道、信號機、道岔、軌道電路、設備箱盒等信息；其次調(diào)用GeoLayout組件自動解析數(shù)據(jù)集文件，并生成三維布置圖布局文件；最后通過繪圖引擎加載渲染布局文件，即可顯示完整的站內(nèi)和區(qū)間信號設備三維布置圖。

3.2 三維可視化場景創(chuàng)建

管理平臺基于WebGL 繪圖標準，采用Three.js三維繪圖引擎創(chuàng)建和渲染隱蔽工程輕量級可視化模型，通過Maptalks 三維地圖引擎創(chuàng)建用戶場景，并加載可視化模型，同時提供便捷的用戶交互操作界面。

Three.js是一款面向Web應用的開源三維繪圖引擎，封裝了所有WebGL 繪圖接口，功能豐富，使用簡單。相較于其他三維引擎，在自定義模型創(chuàng)建、渲染和優(yōu)化等方面具有較大的優(yōu)勢，更適合構(gòu)建輕量級的可視化應用。

Maptalks 是一款輕量級的三維地圖渲染引擎，包含地圖渲染、矢量渲染、繪圖交互、測距測面、定位交互等GIS 應用的核心功能。相較于其他地圖引擎，Maptalks 支持SVG、Canvas、Web-GL 等標準的插件渲染技術，完全兼容Three.js 三維繪圖，極大地方便了場景擴展和用戶自定義操作。

基于上述引擎構(gòu)建可視化場景，首先平臺自動加載站場管轄圖，顯示所有管轄站點；然后用戶選擇目標站場并點擊圖標進入，平臺讀取并加載站場布局文件，顯示該站場三維布置圖；接著加載站場所有三維模型，如果模型已緩存，則直接加載緩存模型，否則調(diào)用模型構(gòu)建算法庫動態(tài)創(chuàng)建后加載模型；最后渲染顯示所有已加載三維模型并監(jiān)聽用戶操作事件，提供用戶交互界面，即完成可視化場景的創(chuàng)建。三維可視化流程見圖4。

圖4 三維可視化流程

3.3 輕量級模型優(yōu)化

為提高三維模型實時渲染性能，需對三維模型進行輕量化處理［12］和渲染優(yōu)化［13］。在模型創(chuàng)建過程中，采用緩沖幾何體（Buffer Geometry）對象創(chuàng)建三維模型，采用簡化修飾符（Simplify Modifier）對象簡化幾何體，盡可能減小模型規(guī)模，提高渲染效率；模型材質(zhì)采用紋理集貼圖，減少材質(zhì)切換次數(shù)。在模型緩存階段，通過GeoJSON 數(shù)據(jù)緩存模型關鍵參數(shù)，減少模型重建參數(shù)計算時間，進一步提高模型渲染效率。在模型渲染階段，根據(jù)瀏覽器渲染節(jié)奏，采用按幀刷新方法動態(tài)調(diào)整場景動畫刷新速率，避免過度渲染。

3.4 動態(tài)分級渲染

由于隱蔽工程點多、涉及面廣，可視化平臺需創(chuàng)建和加載大量的三維模型，容易出現(xiàn)操作卡頓，影響平臺運行流暢性和用戶操作體驗。因此研究設計了一種分級預加載和動態(tài)定位加載的二級渲染方法。

1）分級預加載。根據(jù)模型類別和當前用戶界面縮放級別對應關系，實時加載當前縮放級別對應的要素模型，限制模型同步加載數(shù)量，從而減少卡頓現(xiàn)象。分級加載對應關系見表2，其中L為縮放級別。

表2 分級加載對應關系

2）動態(tài)定位加載。隨著用戶瀏覽界面的滑動變化，顯示視圖也應隨之變化，動態(tài)加載當前顯示視圖范圍內(nèi)的三維模型，移除顯示范圍之外的已渲染模型，進一步減少模型同步加載數(shù)量。

為實現(xiàn)上述局部加載策略，設計實現(xiàn)了一種基于Geohash 算法［14］的局部加載方法，動態(tài)定位加載流程見圖5。Geohash 算法根據(jù)地理距離精度不同，將地理區(qū)域劃分成多個子塊，再將每個子塊的經(jīng)緯度編碼成一個字符串。由于在一定經(jīng)緯度范圍內(nèi)的子塊擁有相同的字符串，因此可以通過字符串匹配算法，快速查詢某一地理區(qū)域內(nèi)的所有目標。

圖5 動態(tài)定位加載流程

用戶滑動顯示界面后，觸發(fā)滑動事件處理機制，先獲取顯示界面中心點經(jīng)緯度和顯示范圍矩形坐標；再根據(jù)中心點經(jīng)緯度計算對應Geohash 字符串，將Geohash 字符串作為檢索條件檢索對象數(shù)據(jù)庫，并返回滿足條件的對象列表，逐個渲染顯示上述對象模型；最后依次遍歷已加載模型集合，移除不在當前顯示范圍內(nèi)的對象模型。

經(jīng)過上述動態(tài)加載和移除過程，即實現(xiàn)了可視化模型的局部定位加載，大大減少了模型同步加載數(shù)量。

4 平臺應用

管理平臺通過對隱蔽工程全要素的三維建模，實現(xiàn)全線隱蔽工程的可視化交互管理、智能輔助決策和數(shù)字資料庫等功能，已在蘭州局集團公司管內(nèi)中蘭段試點應用。

電纜徑路三維可視化效果見圖6。其中，圖6（a）展示了某站場三維電纜徑路圖及電纜井數(shù)據(jù)，提供了電纜走向、電纜位置、埋設深度、電纜芯數(shù)、電纜接續(xù)、電纜井及過軌管等關鍵信息，支持用戶點擊、滑動、縮放、旋轉(zhuǎn)等人機交互操作，可清晰、直觀地展示隱蔽工程關鍵信息；以該電纜徑路一張圖為載體，實現(xiàn)了單設備電纜徑路全鏈路導航、電纜拓撲高亮導航、智能檢索等輔助決策功能，有助于用戶快速掌握信號設備從室內(nèi)到室外完整電纜走向及接配線情況，提高故障排查效率。圖6（b）則呈現(xiàn)了從信號樓至設備箱盒的全鏈路電纜走向?qū)Ш绞疽鈭D。同時，根據(jù)隱蔽工程資料管理要求，為線路隱蔽工程所有資料建立全電子版數(shù)字資料庫，實現(xiàn)隱蔽工程設計、施工、驗收和運維等全過程技術資料的可追溯管理。

圖6 電纜徑路三維可視化

5 結(jié)束語

以鐵路通信信號隱蔽工程管理“去隱蔽化”為出發(fā)點，遵循“全要素、數(shù)字化、可視化”的信息化建設要求，設計并實現(xiàn)了基于三維可視化技術的鐵路通信信號隱蔽工程可視化管理平臺。該平臺創(chuàng)建的光/電纜徑路三維一張圖能夠使隱蔽工程管理對象顯示更直觀、理解更容易，使復雜的數(shù)據(jù)信息易于表達、理解和傳播，從而消除了隱蔽工程管理過程中，不同角色之間的認知偏差和管控盲區(qū)，進而有效提高隱蔽工程管理效率。同時建立隱蔽工程全套資料的電子版數(shù)字資料庫，解決隱蔽工程資料不全、數(shù)據(jù)不準、更新不及時的管理問題，具有信息共享度高、業(yè)務處理效率快、升級維護方便等優(yōu)點，將在鐵路運營維護工作中發(fā)揮重要作用。