检测数据全息可视化系统设计与实现

周慧娟，贾利民，李红艳，秦 勇

（1.北方工业大学 智能交通系统研究所，北京 100144；2.北京交通大学 轨道交通控制与安全国家重点实验室，北京 100044；3.中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

0 引言

高速铁路综合检测列车是高速铁路车、机、工、电、辆各个部门获得道路状态信息、提供养修决策、指导现场作业的重要手段[1-2]。目前，世界铁路综合检测列车主要有日本的 East-I、意大利的阿基米德和法国的 MGV。我国自20世纪70年代以来，在轨道、接触网、轮轨动力学、通信和信号等检测领域进行了大量的研发和应用，陆续开发了具有自主知识产权的 GJ-1～GJ-4型轨道检测系统、JJC-1～JJC-3型弓网检测系统、间断式和连续式轮轨力检测系统、无线通信检测系统和信号检测系统等[3]。我国检测技术经过多年积累，在惯性导航、激光传感、图像处理、无线通信等技术领域拥有从传感器、数据采集和处理单元到高端软件的一系列技术和产品积淀[4]。

目前，检测车装备的发展趋势表现在以下几个方面。

（1）检测车逐渐成为高速铁路安全和高效运营的技术保障。

（2）综合检测车从各个专业相对独立转为相互关联和相互支撑。

（3）检测内容越来越丰富，并且还在不断增加；新的检测技术和手段不断应用到检测车中。

（4）激光、摄像等检测技术得到广泛应用，检测速度、精度和可靠性得到不断提高。

因此，传统的基于数字和表格的检测数据实时展示方式已不适应发展的需要。同时，基于空间和时间的数据综合展示技术在近年来也得到了长足的发展。数据综合展示技术在地理信息技术、动态视频技术、图片和三维技术的基础上，采用多维数据融合和联动展示等方法，为多种不同类型的实时数据展示提供了手段。该技术具有完整性、直观性和全面性的特点，目前已在青藏线综合监控中心、沪宁线安全综合监控等系统中得到了应用[5-6]。

高速综合检测列车的检测信息展示具有数据内容多、数据关系复杂、多个专业相互关联等特点，迫切需要在传统的采用表格、各个专业独立的综合检测数据展示方式的基础上，采用地理信息技术、三维虚拟现实技术和多媒体技术，基于空间、时间和业务数据进行关联性聚合，为综合检测车各类用户提供全息、直观、动态检测数据展示，即时展现高速铁路关键设施与设备的状态信息，为高速铁路的养修决策提供较为全面的综合性数据，从而提高工作效率。因此，结合高速综合检测列车的特点，研究提出基于三维 GIS 的检测数据全息可视化系统的框架、关键技术及其实现十分重要。

1 检测数据全息可视化系统架构

“全息”一词最初来源于英国电气工程师盖伯(Gabor，1948)创建的一种能够拍摄立体照片的技术，这种拍摄技术在记录被摄物体反射光强度的同时，记录其光波的相位状态，因此能够反映被摄物体的立体信息，即全息照相。全息照片上任意一点都存储了整个物体的信息，每个点都能独立地再现其所拍摄的完整图像，这是“全息”一词最初的科学含义。目前，广义上的“全息”是指自然界中“局部包含整体”或“整体与局部互相包含”的这种现象。

检测信息全息除具备普通意义上全息的特征外，还拥有一些特点，即时空立体性和多级次的叠加性。检测信息本身是将时间(检测时间)和空间(里程或地理坐标)融合在一起，而单独时间上的检测信息和单独空间上的检测信息都是不完整的，检测信息全息本身自然地融合了时间和空间信息，成为一种四维信息。全息是反映物体在空间存在时整个情况的全部信息，本文中的全息是指任一个空间剖面的大值报警数据以二维、三维、视频、动画、曲线、属性数据等方式来反映所有专业检测数据的现象，这些专业数据包括轨道几何、轮轨力、弓网、信号和通信等专业中的各项检测指标值。即通过任一点的某专业大值报警数据可以关联查询得到此次检测位置的相关专业检测数据和所有相关历史检测数据。

高速铁路综合检测数据全息可视化系统在对地图空间数据和专业数据集成融合的基础上，通过地图、地图分析、数据、二维发布、三维发布等服务来访问数据，然后通过接口层的地图引擎和服务接口实现各应用系统的功能，并最终提供给车载和地面终端用户使用，系统架构如图1所示。

图1 检测数据全息可视化系统架构示意图

检测数据全息可视化系统包含数据层、服务层、接口层、应用层和客户端层，各层的主要功能如下。

1.1 数据层

数据层提供地图数据的存储及地图数据的访问服务。系统提供的数据包括基础地理数据、航片数据、三维模型数据、铁路专业空间数据、检测数据和环境视频；检测数据内容包含列车运行状态信息、列车环境状态数据、各专业检测信息、检测历史数据、报警数据、专业视频；检测数据的表现形式有数值、波形图和视频3种方式。

该系统中的数据类型多样，主要涵盖基础地理空间数据、铁路专业空间数据、航片、DEM、三维模型、检测数据、视频等。根据不同的数据来源与用途，可以将其分为以下几类。

（1）铁路基础空间数据。该数据主要是各级比例尺电子地图所包含的基础地理要素和京沪铁路基础设施要素数据。该部分数据主要为京沪高速铁路检测数据的可视化提供基础背景资料，作为各种专题信息统一的空间定位控制、配准、显示的基础载体。

（2）铁路专业空间数据。该数据主要是铁路线路平面图、工务综合图(比例1:2000)。

（3）三维相关数据。该数据包括0.5m 分辨率的航片、从立体相对航片中抽取出来的 DEM、沿线三维模型。

（4）多媒体数据。该数据包括京沪高速铁路沿线的视频和检测列车的六路视频。六路视频分别设置在车头、车尾、左右轮轨各1个，以及前后接触网各1个。

（5）检测数据。该数据包括轨道几何、轮轨动力学、接触网、信号和通信五大专业的检测报警数据，以及检测列车的实时状态数据，如里程、速度、时间、GPS、线路、行别等。

1.2 服务层

服务层提供各类地图功能及专业服务，具体包括以下内容。

（1）地图服务层。地图服务层由二维地图服务层和三维地图服务层组合而成。地图基础服务软件是成熟的、产品化的服务软件，主要负责各种地图数据的加载及地图基本操作。

（2）地图分析服务层。地图分析服务层包括空间分析服务、数据查询(POI 等数据)、地理编码服务，主要用于支撑地图的各种查询分析功能。

（3）数据相关服务。数据相关服务包括实时动态数据服务、网络发布服务、视频服务、数据库服务等广义上的数据传输功能和业务数据的管理功能。

（4）二维引擎服务。二维引擎服务提供二维视图的渲染和地图数据管理优化功能。

（5）三维引擎服务。三维引擎服务除了提供三维视图的渲染和地图数据管理优化功能外，还提供三维的 DEM 数据、DOM 数据、DM 数据的展示功能，飞行路线支撑功能，视角切换、视图切换，模型高速运动驱动功能。

1.3 接口层

接口层的主要作用有两个：①定义统一的服务接口实现规范、封装服务，并基于 Soap、Rest、Socket 等方式发布服务；②定义统一的地图服务接口，基于二三维渲染引擎发布服务。

1.4 应用层

应用层主要包括地图相关模块、业务前台相关模块、业务后台相关模块和 IT 模块。应用层中涉及的数据流如图2所示。

1.5 客户端层

（1）车载全息可视化系统终端。在综合检测列车上以三维视图的方式提供列车及检测信息实时信息和历史信息可视化。

（2）地面全息可视化系统终端。在地面以二维、三维、视频、专业视图集合的方式，提供列车及检测信息实时信息和历史信息可视化。

1.6 软件平台

系统平台采用 BS 架构，服务器端采用 J2EE 架构，客户端使用浏览器进行可视化界面展示。可视化平台系统中的二三维应用支持模块采用 Web 表现层技术，包括 HTML/XML、Ajax/Javascript、Flash等。同时，采用以下相关主流软件平台。

（1）地理信息软件平台：二维地理信息系统平台 MapABC 地图引擎 Flash 版，三维地理信息系统平台 AnGeo。

（2）操作系统：Windows。

（3）数据库系统平台：统一采用 SQLSever。

（4）Web 服务器平台：结合利用 Apache/Tomcat 软件平台。

（5）流媒体服务软件：RealNetwork Helix Server。

1.7 开发软件环境

该系统涉及的数据类型多样，数据量大，如二维地图、三维地图、视频、属性数据、波形图。同时，对不同数据类型采取不同的可视化方式，因此系统中需要的服务器类型比较多，详细的服务器配置如表1所示。

由于列车的检测信息需通过无线的方式每隔5s 传输一次给地面检测中心数据库，因此车载全息可视化系统在局域网的环境下能保证实时性的显示要求，而地面全息可视化系统由于数据传输的延迟而只能做到数据随到随显示，也就是即时显示。检测数据可视化系统的数据传输流程如图3所示，数据的传输通过实时数据传输系统中的实时数据发布和接收模块实现。

图 2系统数据流 —— UML 用例图

表1 服务器配置表

2 系统关键技术与实现

京沪高速铁路检测数据全息可视化系统是针对最高试验时速400km 综合检测列车检测数据的实时在线三维可视化，系统实现需要解决的关键技术如下。

2.1 高速运动状态下大容量三维场景的实时加载技术

京沪高速铁路正线全长约1318km，铁路沿线三维场景的建模面积为铁路两侧各500m 宽范围，如此大范围的场景再加上丰富的三维模型数据，数据量很大，对于通过浏览器方式来浏览这些海量数据是个挑战。因此，针对不同的用户和需求采用不同的数据存储和加载方式，一种是在本地存储数据；另一种是在 Web 平台和程序之间按需求下载。本地存储数据适合车载检测数据全息可视化系统，对于地面系统尤其是在地面中心环境外使用该系统来说，采用按需求下载的方式。按需下载主要涉及数据缓冲的效率问题，需要在对数据模型、GIS 数据和动态数据进行取舍的基础上建立可行的策略，再确定三维数据的使用策略。

2.2 列车的实时驱动技术

检测数据全息可视化系统要求实时显示高速行驶的综合检测列车的运行状态，即根据检测系统传到车载/中心数据库中的列车状态实时更新列车的位置，必须满足系统实时性的要求。对于三维场景来说，列车位置的更新，意味着列车三维模型从前一里程处匀速或匀加/减速运行到当前里程处，不能出现跳跃、倒退等现象，且不能发生视角变化和偏移。

2.3 底层引擎对实时数据的访问接口技术

由于是实时显示检测列车检测数据的全息可视化系统，系统对实时性有很高的要求，同时系统中有相当多的数据需要进行实时传输，因此不能采用Web 的对答方式进行数据的传输，而是要在引擎端开发数据传输接口，建立长连接进行专业数据的传输。

2.4 高速变化下二三维空间数据与多媒体数据的实时联动技术

通过综合检测列车的实时 GPS 信息和里程信息，关联二维 GIS、三维 GIS、视频和专业数据，使这些数据能够同步展现，即在同一空间剖面将不同刻度的检测数据展示出来，且当有检测数据大值报警时，能同时在4个显示屏中同步显示。

系统实现的显示界面效果如图4和图5所示。图4是该系统的主界面，包含4个大屏，分别是专业数据展示界面、三维子系统界面、二维 GIS 子系统界面和视频界面。这4个界面通过里程在同一时刻从不同角度来展示检测车的运行环境和各专业检测数据的每个指标值。图5为三维子系统界面，从不同视角展示了高速综合检测列车的运行情况，同时展示了列车运行的当前里程和速度，以及轨道几何、弓网、通信3个专业的检测数据；当有大值报警时会在界面左上角显示出报警段的视频，并在三维场景上标注出报警的地点、专业、报警指标及其指标值；在界面的左下角以二维鹰眼的方式展示出列车运行过程中已检测到的报警情况。

3 结束语

高速综合检测列车的检测数据涵盖轨道几何、轮轨动力学、弓网、信号和通信等专业，其中各个专业内部的检测指标很多，对这些指标数据的传统展示是通过各专业系统中的数据表格和曲线图来表示，没有一个统一的显示平台。针对这种情况，通过设计并开发基于三维 GIS 的检测数据全息可视化系统，构建一个包含数据层、服务层、接口层、应用层、客户层的5层系统架构，研究高速铁路检测数据的三维可视化展现技术及二三维空间数据与属性数据和多媒体数据的实时联动技术，实现高效率、高精度、精细化的铁路三维地形数据的组织、发布和应用，为检测数据及其综合分析与展示提供一个全息、直观、动态的可视化平台。

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[1]Fumio FUJITA，赵学慧. 应用综合检测车对新干线电气设备进行维修[J]. 电气化铁道，1997(1)：19-26.

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

[3]杜鹤亭，高林奎，张继元，等. 安全综合检测车的研制[J]. 中国铁道科学，2003，24(1)：49-53.

图4 检测数据全息可视化系统主界面

图5 检测数据全息可视化系统三维子系统界面

[4]龚增进，余祖俊. 铁路综合检测列车采集分析系统总体设计方案[J]. 铁路计算机应用，2005，14(12)：27-29.

[5]肖乐斌，钟耳顺，刘纪远，等. 三维GIS的基本问题探讨[J]. 中国图像图形学报，2001，16(9)：842-848.

[6]刘义勤，潘 懋，彭 博，等. 基于三维城市GIS的交互式三维隧道建模算法[J]. 解放军理工大学学报：自然科学版，2012，13(1)：57-61.