高铁联调联试车载集成综合显示平台关键技术研究及应用

王万齐，沈海燕，王志华，杨玲玲，徐贵红，徐晓磊，端嘉盈

（中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081）

0 引言

随着智能京张、智能京雄建设的全面启动，以及云计算、物联网、大数据、北斗定位、5G通信、人工智能等先进技术在高铁的广度和深度应用，标志着我国高铁建设进入智能化时代，联调联试是高速铁路建设和运营准备的重要组成部分和必要环节[1-2]，智能京张高铁的高标准建设对联调联试也提出了更高要求。

联调联试主要包括轨道、接触网、供变电、通信、信号、客运服务等17大项600余子项的测试内容[3]，目前各系统各自监测检测、垂直管理，设备分散、接口多样、独立分析显示，缺乏协同联动。因此，基于“集成、融合、联动、可视”理念，本着整体性、便捷性、安全性、开放性、扩展性、稳定性、可靠性、经济性的原则，打破传统各子系统独立分散的垂直管理，采用“集中化、一体化、可视化”的设计模式，研发了智能京张高铁联调联试车载集成综合显示平台（简称平台）。平台统一规划、统一部署，软硬件资源统一配置和按需分配、统一运维[4]。现阶段目标：规范接口和安全传输、数据统一存储和管理、主题分区和布局、风格和谐统一，以及基于时空同步的联调联试动态实景、2D+3D平行展示、多专业综合叠加、跨专业融合分析、车载/地面监测检测等信息的协同联动和集中展示。便于及时洞察多专业、多维度下，线路设备状态、列车运行状态、车站及线路周边环境结构物状态及异常检测数据的变化规律，挖掘数据潜在价值，提高数据交互性、使用效率；填补行业空白，不断提升联调联试集中管理、整体研判、协同指挥、科学决策的水平，为高铁安全运营保驾护航。

1 平台总体设计

1.1 总体框架

平台总体框架由数据感知层、网络传输层、平台接口层、数据分析层、业务应用层以及安全保障体系和标准及评价体系组成（见图1）。

图1 平台总体框架

（1）数据感知层。基于全面泛在感知，采集车载专业（轨道状态、列车动力学、接触网、空气动力学、通信、轨旁信号）、地面专业（工务、供变电、综合接地、信息系统、声屏障、振动噪声）检测数据，为平台及时提供准确数据。

（2）网络传输层。通过车载局域网、Wi-Fi、4G公网、拷贝等方式上传车载及地面监测检测数据。

（3）平台接口层。基于统一标准、统一接入原则，提供硬件、网络、数据等接口。

（4）数据分析层。对接入的数据进行存储、融合、处理、分析，为业务应用层提供数据支持。

（5）业务应用层。围绕20个专业，基于时空同步对联调联试动态、车载/地面监测检测、车头/弓网视频、二维GIS、BIM+GIS、设备综合图、融合分析等信息进行一体化集成联动显示。

1.2 功能设计

平台主要包括动态实景、2D+3D跨专业展示、多专业协同联动叠加展示、跨专业融合分析展示、检测数据分析展示、基础信息维护、系统管理7大功能模块（见图2）。

（1）动态实景。主要对车头视频及弓网视频动态实时展示。

（2）2D+3D跨专业展示。①二维GIS的2D电子地图。以地理信息为数据载体，对列车追踪位置、大值报警、线路质量、接触网几何参数、动车组动力学、信号应答器状态等进行图数联动展示。②三维BIM+GIS数字孪生虚实互动。基于里程和轻量化模型流式加载、动态实景展示线路周边环境和构筑物；将超限值与构筑物关联并报警；首次利用BIM/GIS+平行技术，构建1︰1等比例重点构筑物3D模型，可全方位虚实互动，并身临其境地逐层纵览车站内设备、环境状态、测点位置等信息。

图2 平台功能结构

（3）多专业协同联动叠加展示。基于里程和时间同步，对工务（车站、桥梁、隧道、涵渠）、电务（通信基站）、供电（变电所）的6种设备信息，线路曲线、坡度2种参数信息，以及车载专业中的轨道几何、动力学响应、弓网受流等8个专业的超限预警值，地面专业的车站、风、雨、雪、异物侵限等监测点的直观标识等信息在“一张图”协同联动叠加展示。

（4）跨专业融合分析展示。对轨道几何、轮轨力、车辆加速度数据进行融合分析和协同联动展示。分析轨道病害与车辆动力学响应关系。对接触网检测多源数据进行融合分析，分析弓网接触力的波长特性与接触网悬挂关系。对比分析不同速度级、不同工况的波形数据，进行异常判断和线路区段状态评价。

（5）检测数据分析展示。车载专业对轨道几何（高低、轨向、水平、三角坑等）、动力学（脱轨系数、轮轴横向力等）、接触网（触线高度、拉出值等）、空气动力学（压力变化值、压差等）、通信（越区切换、呼叫建立时间等）、轨旁信号状态（补偿电容、应答器等）参数进行显示。地面专业对工务（轨道结构和道岔的安全性、振动等指标）、路基（动变形、振动加速度）、隧道（微气压波、瞬变压力）、桥梁（振幅、振动加速度）、供变电（变电所、AT所等参数）、综合接地（钢轨电位等参数）、客服（检测通过率、灾害报警时限、视频时延）、辐射噪声、环境振动等进行显示。

（6）基础信息维护。对GIS、BIM、基础设施等基础信息，GIS国家基础地理信息数据、京张高铁空间地理数据和线路实景影像，工电供设备基础信息，线桥隧和结构物等BIM模型，联调联试基础数据及测点进行维护。

（7）系统管理。包括用户管理（用户、角色）、权限管理（权限分配、功能授权）、系统监控、数据库管理、服务器部署和调优等功能。

1.3 总体效果

平台以实用适用、主题分区、屏幕交互联动、层次化布局、风格和谐统一、集多种交互方式、可视性强、提升客户体验为原则，设计了9个功能区。总体效果见图3，BIM+GIS功能区切换为全屏的展示效果见图4。

图3 平台总体效果

图4 BIM+GIS展示效果

2 数据安全传输设计

2.1 数据传输

车载各专业检测数据按约定的汇集频率通过车载局域网传输至数据传输中转站，自动同步至车载数据集成服务器。地面各专业检测数据按约定的汇集频率通过公网或拷贝传输至地面数据接收服务器，利用车-地无线传输至车载数据集成服务器。车头和弓网视频通过IP访问、复屏获取实时视频信息。车载4个专业通过socket接口实时传输，其他3个专业按照约定汇集频率采用.txt格式文本准实时传输。地面13个专业受车-地传输条件限制，隔天传输。数据及网络传输示意见图5。

图5 数据及网络传输示意图

2.2 信息安全

平台信息安全主要从物理安全、网络安全、主机安全、数据安全、应用安全和安全管理策略6个方面进行设计。物理安全体现在平台独立组网，逻辑隔离；网络安全采用边界控制、安全接入等技术；主机安全从虚拟机安全防护、漏洞扫描和防病毒等方面考虑，确保主机系统安全；数据安全采用国家保密局认证加密算法对数据加密，实现数据可用性、机密性和完整性；应用安全从身份认证、访问控制、软件容错、资源控制等方面设计；安全管理策略主要对普通用户和管理员操作规范、管理流程等进行认证和鉴权。

3 硬件设计

平台硬件由服务器、核心交换机、工作站、PC交互控制终端、移动交互控制终端、多屏处理器和大屏（拼接屏）组成。通过多屏处理器，实现前后端多路信号输入输出和高分辨率拼接显示。硬件组成及系统连接见图6。

平台服务器为平台提供应用部署、数据库管理、数据处理、存储等服务。核心交换机提供局域网络数据交换功能。工作站负责各应用程序的控制、管理、查看等，通过扩展多块高性能显卡，输出多个显示接口，把用户数据通过数字高清信号线（HDMI、DP、DVI等）投放到屏幕上。PC交互控制终端用于控制多屏处理器输入输出内容及显示效果。移动交互控制终端提供快捷灵活的大屏切换、缩放和管理功能。多屏处理器用于整合工作站输入内容，并输出到大屏LCD显示器显示工作站中的应用系统。

图6 平台硬件组成及系统连接

4 主题分区

平台以需求为导向，以总体设计为依据，设置5个主题：动态实景、2D+3D跨专业展示、多专业协同联动叠加展示、跨专业融合分析展示、检测数据分析展示。按照功能分区与大屏拼接缝尽量重合、跨多专业或叠加多专业设为主区、主区占据大屏显著位置、相邻区动静结合、避免快速滚动和频闪等原则，设计了9个功能区（见图7）。

图7 功能分区及尺寸示意图

功能区1+2：车头、弓网视频。车头视频随车动态显示并监测列车前方及周边环境、路况；弓网视频实时监视列车运行过程中受电弓与接触网真实接触状态，辅助弓网检测系统进行综合分析评判。

功能区3：联调联试概况。对基础信息、测试项目、计划、进度进行显示。

功能区4：设备综合图。在一张图上实现基于统一里程的多专业基础设施设备状况和质量的动态综合显示，并叠加车载多专业超限报警值协同展示。

功能区5：跨专业融合分析。通过对轨道几何与轮轨动力学数据、弓网受流检测与弓网几何参数检测数据、声屏障动力学与列车空气动力学等数据融合分析和深度挖掘，为决策者、管理者提供决策支持依据。

功能区6：二维GIS。二维GIS以地理信息为数据载体，进行检测数据的图数联动，实现机车车辆、线路工程、通信信号、信息系统、节能环保等多专业检测信息的综合展示。

功能区7+8：车载专业、地面专业。车载、地面涉及20个专业，车载大屏显示版面有限，特别设计了专业屏+弹窗+快速切换+自由放大+轮播+滚动等组合显示方式，展示内容丰富、全面、专业，全方位满足各类需求。

功能区9：BIM+GIS。实现基于时间同步、里程同步的BIM+GIS车-模联动、测点检测数据展示、基础设施基本信息展示和重点构筑物漫游。

5 关键技术及创新

5.1 车地多源异构信息无缝对接及实时、准实时传输策略的创新设计

针对车载及地面各专业系统不同的操作系统、数据库、存储、工具、数据类型、传输条件等，首先平台兼容了B/S或C/S架构开发的既有系统和新系统；其次根据业务需求和专业特点，统一设计传输节点、协议，以及多源异构信息实时、准实时传输策略和方法，实现多种数据叠加展示、自定义多种组合展示、便捷切换和自动弹屏，研发了直观性高、扩展性好的综合集成显示平台，填补了行业空白。

5.2 基于时空同步的多图协同联动技术

高速铁路基础设施系统复杂，动态检测项目众多，基于时空同步技术，即时间同步、里程同步。时间同步解决了通过隧道、桥梁、车站等GPS信号遮挡区段时信息丢失问题；里程同步通过采用速度编码器、DGPS定位系统和高速射频电子标签技术相结合，有效解决了地理数据信息采集和定位的问题。保障了动态实景、2D+3D跨专业展示、多专业协同联动叠加展示、跨专业融合分析展示、检测数据分析展示5个主题9大功能区信息的多图协同联动。

5.3 基于多维度、多种展现形式、人机交互的可视化技术

平台运用基于几何、图标、层次、图形的多维可视化技术，通过柱状图、折线图、气泡图、散点图、雷达图、热力图、地图等可视化展现形式，改变了大型、复杂、抽象的多维信息的表示和理解方式，利用人的视觉感知能力对数据进行呈现，使用户有效地观察、研究、浏览、探索多维信息及其结构，并与其进行交互、分析挖掘，发现隐藏在多维信息内部的数据特征和规律（见图8）。

图8 地面多专业、多展示形式

5.4 基于主题规划的从“集中”到“集成”的一体化集成显示

基于平台、主题、页面3层规划，解决多专业数据分散、体系独立、无法交互联动等问题。即页面是构成可视化系统的基本单元，每个页面都通过特定形式将数据进行综合显示；主题是以支撑业务决策为目标，通过可视化技术构建的一个或一组数据显示页面；平台覆盖业务领域多个主题，构成一体化集成系统（见图9）。

图9 基于主题规划的一体化集成显示

打破传统的“集中”显示模式，基于统一UI界面风格、统一主色调、统一布局、统一规划、协同联动、有机融合等设计原则，实现一体化集成协调联动显示，风格简约而不简单，色彩统一有层次感，给用户全新的视觉体验。传统显示与一体化集成显示对比见图10。

图10 传统显示与一体化集成显示对比

5.5 基于高速行驶和空间限制下的可靠加固和安全防护技术

高速综合检测列车需考虑行驶快，车厢净空低，运维人员多，振动、转弯、急速启停等众多因素，综合集成显示大屏需在材质、安装结构、加固技术、防护措施上进行特殊设计和定制，工程难度远超地面传统安装方式。

（1）大屏与车体结构间的连接加固架采用高强度轻钢或铝镁合金材料，模块化结构，保证结构强度的同时降低骨架质量，便于安装和后期维护。

（2）加固架与车体间通过上下贯穿的形式，保证安装稳定可靠，能够承受列车运行过程中产生的各种作用力。

（3）为了确保大屏表面不被外力损伤，在大屏外侧安装卷帘式或推拉式屏体保护装置，并喷涂醒目警示标识。

5.6 基于多层次评价指标体系的设备选型综合评估

基于高速综合检测列车的特殊性，针对大屏及管控设备、网络及服务器设备、供电设备、布线等，从空间、质量、功耗、性价比、尺寸、拼接缝大小、比例效果、观看距离、视觉舒适度、客户体验等指标，设计了多层次定量和定性的评价指标和量化的权重分配体系，采用多级模糊评价方法对设备进行综合评估（见图11）。同时通过建立仿真模型及搭建模拟环境，进一步对设备选型的合理性进行验证，降低了主观性评价，使设备选型更加科学合理。

6 结束语

基于“集成、融合、联动、可视”理念，打破传统各子系统独立分散的垂直管理，开展了时空同步、多图协同联动、多维可视化、融合分析、一体化集成显示、视觉验证仿真、加固防护等关键技术研究；采用“集中化、一体化、可视化”的设计模式，研发了可视性、直观性、扩展性灵活的高铁联调联试车载集成综合显示平台，根据不同对象采用多主题、多场景、多层次、多维度、多样式的一体化展示方式，轻松布局、便捷切换、自由集成，实现了多源异构信息的有机融合、协同联动、关联叠加、集成展示，便于决策者和工作人员多维度监控、一目了然发现潜在风险和问题，不断提升协同指挥、整体研判、科学决策水平，为智能京张高铁安全运营保驾护航。