城轨车站空间数据服务平台设计

刘 宇，郭冬冬，董守放，王爱丽，于士尧

（1. 中铁信（北京）网络技术研究院有限公司，北京 100044；2. 中国铁路信息科技集团有限公司，北京 100038；3. 城市轨道交通系统安全保障技术国家工程实验室，北京 100044；4. 深圳地铁运营集团有限公司，广东深圳 518000）

1 引言

近年来，我国城市轨道交通（以下简称“城轨”）快速发展。截至2019 年12 月31 日，我国内地新增运营线路974.8 km，总运营里程达6 736.2 km，城轨已成为我国城市重要的公共交通方式[1]。巨大的城轨线路网络及众多的城轨车站是重要的空间数据信息源，利用这些空间数据信息保障城轨安全运营，并服务运营者和乘客，正逐渐被人们所重视。

许多研究者对建筑信息模型（BIM）、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）等空间信息技术在城轨领域的应用与融合进行了积极的探索与研究。祝嘉提出将BIM技术用于城轨规划、建设、施工等阶段的设想[2]；柯尉详细探讨了如何在轨道交通工程建设中应用BIM 技术[3]；王珏、张成方、蒋奇纬等对BIM 技术在城轨建设全过程中的应用做了分析与总结[4-6]；马勇军等将BIM技术与VR 技术相结合，对地铁的机电安装过程进行模拟与培训，提高了实际操作中的安全性[7]；李钰等将BIM 技术分别与VR、AR 技术结合，构建了地铁施工事前分析平台与施工过程安全管理体系[8]。此外，还有部分学者对空间信息技术与智慧城轨的结合进行了探索。例如，秦志远提出以地铁信息资源为基础，建设一系列智慧融合应用系统的设想[9]；江志彬等阐述了智慧车站的内涵，并指出BIM 等空间信息技术的融合是智慧车站的实现途径之一[10]；黄天印等提出将BIM 技术与地理信息系统（GIS）相融合，建立数字地铁信息资源模型[11]；张文彬、陈韵舟等介绍了上海地铁如何将BIM数据、视频数据及车站各系统业务数据相融合，建立智慧车站管控系统[12-13]；朱建峰分别从轨道交通乘客和运营企业的角度对智慧车站的应用技术现状进行了总结，并对其未来发展提出对策[14]。

目前，BIM、AR 等空间信息技术主要用于城轨建设阶段的辅助施工，而对于车站管理及运维过程中的空间数据及基于空间数据的服务开发利用较少。因此，需进一步深化对城轨空间数据的应用研究，使其与相关业务系统联动和叠加，构建空间数据服务平台，实现不同空间维度的可视化应用，为城轨安全运营、应急管理、设施设备运维等提供辅助支撑。本文以城轨车站空间数据服务为重点，整合基于空间数据的城轨相关应用，集成BIM、AR、VR、超宽带（UWB）定位、视频监控等技术，形成城轨车站空间数据服务平台。

2 需求分析

2.1 行业发展需求

随着交通强国建设决策的落实，中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，从行业层面对智慧城轨的发展与建设进行了统筹规划[15]。其中，融合车站模型、客流动态与列车运行状态为乘客提供智能出行服务，基于常态、节假日、突发事件下的客流预测与动态监测为运营人员的客流疏导与应急处置提供可视、可调、可控的解决方案，实现车站的全息感知、全景监控及其公共服务设施的一体化信息共享及联动，成为智慧城轨的重要发展目标。这也使车站空间数据和运营业务数据的融合管理与综合应用成为推动智慧城轨建设与发展的必然选择。

2.2 业务需求

2.2.1 数据融合需求

随着现代信息技术在交通工程管理中的广泛应用，BIM、实景影像、点云等空间数据在城轨建设与运营中发挥着日益重要的作用。现有的空间数据管理与应用形式呈现出以BIM+VR、BIM+AR、BIM+实景等为代表的数据融合趋势，但仍存在数据利用率较低、数据管理缺乏统一性、系统性与标准性等问题。基于BIM、点云、实景影像、UWB 定位等多源数据，构建集二维地图、三维模型、全景影像等为一体的多源空间数据库，融合数据资源并进行统一管理，成为数据高效管理与协同应用的发展需求。

2.2.2 系统集成需求

面对既有相关业务系统之间融合性较差、数据利用效率较低等问题，应基于空间数据库与其他业务系统的联动，以VR、AR、空间信息智能分析等技术为基础，利用功能、网络、软件界面集成等多种集成技术，构建空间数据信息业务的集成系统，使系统具有成本低、效率高、性能匀称、扩充性好和维护性强等优势。

图1 平台总体架构

3 平台技术方案

3.1 总体架构

城轨车站空间数据服务平台采用分层设计的原则。根据所使用的硬件设备、数据信息、技术系统及表现形式等，将平台分为基础设备层、数据资源层、技术层、应用层和表现层5 个层次，如图 1所示。

（1）基础设备层。包含各类基础设施设备，如应用服务器、网络设备、安全设备、监控设备等基础硬件资源，以及各业务系统的专用设备，为平台的建设、运行提供基础硬件支撑。

（2）数据资源层。包含由基础设备层产生及汇集的各类业务系统数据资源，如城轨车站CAD 平面图、城轨车站BIM 模型、点云推扫数据、实景地图数据等。利用这些数据可进行BIM 模型、可量测实景影像模型的构建，为平台的业务应用提供数据支撑。

（3）技术层。负责为空间数据管理建模、服务发布、可视化展示、Web 服务等功能提供技术组件支撑，对数据层的多元异构数据进行融合与解析，并为上层业务应用提供服务接口。

（4）应用层。在数据层以及技术层的支持下，实现车站空间、客流感知、客运服务、站内导航等信息的可视化，以及虚拟培训、隐蔽工程等业务功能。

（5）表现层。可根据不同功能需求，在Web 端和智能移动终端上以二维或三维模式展示实时客流、人员定位等监测数据，在VR、AR 终端实现对导航、隐蔽工程、虚拟培训等的增强现实或虚拟现实显示，为车站运维人员的运营管理、设备巡检、业务培训等提供辅助支撑。

3.2 技术架构

城轨车站空间数据服务平台采用浏览器/服务器（B/S）和客户端/服务器（C/S）模式相结合的技术架构，支持Web 端和智能移动终端安装，预留各类应用程序接口（API），具有良好的开放性与可拓展性。其技术架构如图 2 所示。

平台的技术架构分为操作系统层、数据层、解析层、功能层、客户端5 个层次。操作系统层为平台运行提供基础运行环境；数据层通过点云推扫、实景采集、CAD 平面图、视频摄像头、WIFI 基站等手段获取空间地图、客流、定位等空间数据和业务数据，并将获取的源数据通过有线、无线的方式传输给解析层；解析层根据各业务数据的类型为其配备不同的解析工具，并对源数据进行解析；功能层对上述多元异构数据进行融合，形成平台的各功能模块；平台以Web端访问为主要展现形式，部分功能可安装于智能移动终端，使系统兼具B/S 与C/S 的双重展现形式。

4 平台功能

城轨车站空间数据服务平台功能分为系统管理及业务应用2 部分内容，其中系统管理实现用户和数据的管理功能，业务应用实现多源数据融合展示、实景地图导航、AR 隐蔽工程、VR应急演练培训等业务应用功能。其功能架构如图3 所示。

图2 平台技术架构

图3 平台功能架构

4.1 系统管理

4.1.1 用户权限管理

用户权限管理功能包括用户管理、权限管理以及系统参数配置等。该功能为平台后端管理功能，由管理员操作，可创建和删除用户，对用户进行平台功能及模块的权限分配和取消，以及配置系统参数和工作空间等。

4.1.2 数据管理

数据管理功能可对城轨车站CAD 平面图、BIM 模型、点云、实景影像等多源空间数据，以及定位坐标、视频监控等业务数据进行导入导出、备份还原、标准格式转化、服务发布等操作。

4.1.3 数据编辑处理

数据编辑处理功能可对城轨车站CAD 平面图、BIM 模型、点云及实景影像数据信息进行提取、修改、更新、融合、匹配，并在车站模型中对车站定位坐标与上述数据进行匹配和叠加显示。

4.2 业务应用

4.2.1 多源数据融合展示

基于车站三维模型，平台将空间数据与定位坐标、视频监控图像、设备状态信息等多源数据充分融合，实现车站环境实景展示、视频监控图像与客流动态热力图实时更新、运营人员与导流设备位置实时展示等功能，为客流风险评估、大客流疏导、故障分析、乘客与运营人员异常行为监测及应急处置提供有效的管控手段。

4.2.2 实景地图导航

平台可基于实景地图模型为乘客提供站内导航服务。当乘客在站内任意位置扫描车站提供的二维码或连接站内WiFi，平台可对其进行定位，并为其提供当前所在点的实景位置信息；乘客还可通过输入关键词获取站内目标位置处的实景影像，并通过输入起点和终点获取平台规划的最优路径。总而言之，平台可支持乘客选择路径，以及当前视角和全域视角观察，为乘客提供更加直观和便捷的出行服务。

4.2.3 AR隐蔽工程

平台可基于AR 技术实现车站内隐蔽工程及资产管理信息在现实场景中的叠加显示。对于车站墙体或走廊，可在车站真实画面中显示墙内管线的走向、相对位置关系、管径、埋深等空间分布信息，降低隐蔽工程现场施工、维护的难度；对于设施设备，可叠加显示材质、用途、维修记录、维修人员等信息，辅助资产盘点、评估与评价工作。

4.2.4 VR应急演练培训

平台可基于VR 技术真实地模拟火灾、大客流等各类突发事件发生、演变、应对的过程，为演练人员提供直观、生动、准确的可视化演练场景和沉浸式的体验，通过文字与动画等形式指导运营人员在突发事件中采取规范操作，并指引乘客正确使用车站设备安全逃生，从而提升运营人员的应急处置能力，提高乘客的安全意识与自救能力。

5 平台关键技术

5.1 BIM技术

平台基于BIM 技术，为城轨车站三维模型的建立提供完整的、与实际情况一致的工程信息库，该信息库包含了建筑物构件的几何信息、专业属性、状态信息，以及非构件对象的状态信息；根据车站改扩建情况对BIM 数据进行修改与更新，动态更新和生成车站的平面、立面、剖面图纸信息，提供二维、三维、漫游等数据查看形式，为多专业应用人员提供信息参考，实现多专业的协同工作；基于面积、结构、能量等分析工具实现基于空间模型的工程量统计、建筑系统分析与灾难应急模拟。

5.2 多源数据融合技术

平台整合城轨车站空间数据资源，建立标准数据格式、数据导入导出接口、数据格式转换规则等，将CAD 平面图、BIM 模型、车站空间点云、实景影像、定位坐标、视频监控等数据通过外部数据接口导入并存储至服务器，通过数据调用API 接口将多源空间数据融合，并为业务系统数据应用提供高效的调用与管理方式。平台基于空间数据融合管理，对多源空间数据进行整理、编辑和属性查看，将人员定位、视频监控、客流量等业务数据与空间模型匹配叠加，实现多源数据的融合展示。

5.3 AR和VR技术

平台可基于AR、二维码等技术，获取目标位置的隐蔽工程信息，并将隐蔽工程虚拟数据叠加显示在真实环境中，实现不同隐蔽工程数据的切换显示，以及隐蔽工程类型、材质、权属等属性信息的叠加显示。平台还通过VR 开发引擎为车站环境与人物模型添加物理属性，实现车站场景内人-机-环境之间的交互，并基于粒子系统与动态路径规划，模拟火灾等情景下的逃生和疏导，以文字和动画的形式指导运营人员和乘客进行应急处置和逃生。

6 结语

本文提出城轨车站空间数据服务平台的设计方案，并给出其总体架构和技术架构，介绍其功能及应用的关键技术。该方案将BIM、AR、VR、UWB 等空间信息技术集中应用于城轨车站，为车站安全运营提供了技术保障，也为进行客流监测、人员定位等提供了新的思路与工具。目前，空间信息技术集成融合的实例较少，如何发挥其在城轨领域的优势，助力智慧城轨建设，仍需要进行深入研究。