三维可视化技术在轨道交通数字化运营管理的应用

娄亭

摘要 文章将三维可视化技术与轨道交通车站超大规模线网运营管理要求相结合，通过对运营管理需求、实现技术架构、可视化设计三个方面的分析及设计，梳理了通过三维可视化技术为车站管理人员提供一个满足各专业资源共享、互联互通、态势可视的数字化运营管理平台的实现技术路线。为三维可视化技术在轨道交通数字化运营管理方面的应用探索提供借鉴。

关键词 数字化;运营管理;三维可视化技术

中图分类号 F572.88文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）13-0004-03

0 引言

目前上海地铁已全面进入超大规模线网时代，运营线路20条（含浦江线、磁浮），运营长度772 km，运营460余座车站，占全市公共交通出行分担率已超67%，线网规模稳居世界第一，地铁已成为上海市民首选的公共交通出行方式[1]。庞大的建设规模和运营线路对行车运营及乘客服务带来了前所未有的挑战：一方面需要保障运营有序、高效，另一方面需要满足乘客乘坐地铁时安全、舒适、便捷等不断提高的服务需求。

探索通过三维可视化技术实现轨道交通车站设备、人员、业务的动态展示，充分发挥数据互通、数据融合、数据共享的作用，将业务和管理在统一的三维可视化平台上进行构建，可以实现对轨道交通管理模式的数字化升级。

1 功能设计

三维可视化技术是利用计算机图形学和图像处理技术，将对象及数据转换成图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的技术和方法。通过基于三维可视化的数字车站综合信息看板以可视化为管理手段，可以实现对数据资产设备、乘客流量情况、设备运行状况等进行监控管理。基于三维可视化的数字车站综合信息看板设计功能如下：

（1）多场景功能：三维立体环境中，各种场景类型都可以在车站整体的大环境中模拟与显示，操作人员不再需要监视不同的子显示系统而了解全局的实时情况。

（2）容量可视化功能：轨道交通运营组织的基础是客流分析，从客流认知、可视化、人机交互的综合视角出发，对容客空间、承重大小、节能容量以更简明的形式做可视化展示。

（3）设备可视化功能：实现对车站内设备进行3D建模，使虚拟场景与实际场景一一对应;可快速搜索定位目标设备并实时显示其状态信息。

（4）资产可视化功能：直观掌握机房设备分布，建立故障资料库，可以模拟现实场景，查看实时状态和资产信息，从而快速排除并修复故障，提高故障解决效率。

（5）监控可视化功能：实现对车站模拟三维场景中的设备实时状态监控、告警可视化。

（6）任务盘点功能：对监控告警历史数据进行盘点统计，发布任务信息，支持日检、运维、维修等任务管理，并对任务历史数据盘点统计。

（7）自动巡检功能：模拟运维人员自动巡检动画，进行相关机房的惯例巡检，巡检监控视频显示在软件或者软件机器人巡检界面上。

（8）人员定位功能：实现车站服务人员日常勤务的定位可视化管理，实时掌握勤务人员的部署和动态，便于及时调派，响应人员快速布岗要求。

（9）决策可视化功能：从底层数据中提取关键数据，以数据驱动运营方向，使运营场景可视化，对决策提供科学支撑。

（10）场景联动功能：根据业务逻辑判定条件，自动触发场景联动指令，对运营人员提供相关操作建议，并指挥各系统执行一系列的控制动作快速对场景及事件进行处置。

2 架構设计

目前轨道交通系统采集到的数据主要分为设备运行、人员管理、任务管理三方面，其特点主要是：

（1）数据产生速度快，随机性强：监测数据每时每刻都在发生变化，并以ms或μs的时间间隔发生变化，而且变化的随机性强、动态性强。

（2）数据维度多样，交叉性强：外部数据包括交通路况、天气数据、乘客流量和其他相关公共数据等;内部数据包括运营数据、服务数据、生产数据、维修数据、人员数据、物资数据、财务数据等。

（3）数据体量庞大，异构性强：由于数据来源多、采集间隔小，使得数据量异常庞大;由于数据来源于多种不同系统和用户输入，除了存在结构化数据外还存在非结构化数据，且非结构化数据的占比较大。

（4）数据安全等级高，安全性强：数据中既有生产系统等物联网系统采集终端传感器的第一手数据，又有管理管控类的人财物数据，上述数据涉及企业秘密和公共安全，需要较高的安全性。

（5）数据应用价值较高：通过轨道交通运营过程中产生的数据研究成果，妥善安排运营管理工作，有助于解决乘客出行难题和协调应急联动指挥。

结合上述轨道交通行业的数据特点，设计基于三维可视化的数字车站综合信息看板的数据架构，主要分为三个层面的内容，如图1所示。

数据中心层：系统通过数据采集和传感器、智慧感知设备集成框架实现不同系统和数字综合信息看板的对接，实现数据信息在系统中的统一管理和实时数据浏览。

数据处理层：对数据中心的数据进行清洗、抽取、存储、计算、分析，通过可视化技术优化的数据为实现系统各种终端流畅的可视化展示车站运行模式、乘客流量、系统实时状态等信息提供依据和条件。

数据展示层：系统可实现数据处理后的数据结合建筑物建模、建筑物内部格局建模、房间内部设备建模以及内部的采光、阴影等效果的建模展示。系统从用户的应用方式和应用场景考虑，提供多种先进的数据展示效果，满足整体调度、智能监控、运营任务的要求。

3 可视化设计

3.1 可视化设计流程

数据可视化的流程模型有很多种，最为基础的是图2所示的线性模型。

在此基础上有验证加迭代的嵌套模型、首尾连接的循环模型、加入用户交互的整体循环模型等。

3.2 车站数据可视化设计78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

车站数据三维可视化车站设计，是车站数据综合信息的可视化，需要从设备运行、人员管理、任务管理三方面内容进行展示。

3.2.1 设备运行

在设备运行方面，智慧地铁，智能联动。

（1）还原车站整体三维视图，多角度全景展示。在一个视图中展示综合的实景信息。管理人员不需要监视不同的子显示系统而了解全局的实时情况。看板将实时传感器监视点与三维模型结合起来，管理人员可以在一个视图内获得全面的实景信息。同时管理人员可以使用三维的控制工具，对数字建筑模型进行控制，隐藏/显示不同的设备信息，来获得更详尽有效的实景信息。用户通过鼠标完成对整个3D场景自由漫游、缩放和旋转操作，从而满足用户360°查看场景的需要，给用户带来良好的交互感和浸入感。

（2）对接车站子系统进行信息处理，展示设备状态信息。用户可以查看设备基本信息，通过点击的形式查看设备的基本属性信息;系统自动预警、自动分析、数据报表查看，数据历史视频查看，实时监控设备运行状态和设备控制范围，故障或超出阈值时，自动报警，自动定位，并闪烁提示。当系统检测到设备出现告警信息时，在该设备的上方弹出对应的警告标志，用户点击报警标志，弹出报警详情，包括告警时间、告警类别、告警原因等。

（3）在三维车站模型上，进行设备管理、运营管理。3D 可视化告警系统釆用三维可视化技术在客户端对工业生产设备进行虚拟化仿真模拟，并基于综合监控管理平台采集到的数据进行设备运行情况的形象立体化展示，多种形式的图表展示设备环境，使管理人员摆脱表格、文本等传统方式的数据可视化方式。

（4）有效联动各专业子系统，形成一站式综合管理的三维可视化底图。在可视化视角下，多系统联动效果实时显示，更方便快捷地实现故障分析、环境监控、火灾报警、广播、乘客信息等系统的联动。

3.2.2 人员管理

在人员管理方面，可做到的客流量控制、大客流处置、站内人员管理。

（1）结合客流系统，客流实时和动态数据情况展示。利用趋势图、星状图等显而易见的图表形式对客流量实时监测，进行人群密度分析、决策调度，防止突发和踩踏事件;除了实时数据，三维数字看板还可提供由可视化传感器衍生的数据层，例如追踪目标（访客、工作人员或对象）的最近踪迹、脚步热图、温度分布图等。通过实时获取客流信息，实现客流变化情况的动态展示效果，将相对静态的客流数据信息转化为动态变化的客流热力图，通过动态图表可以生动展示地铁站全天各时段的人流量情况和人口分布情况，为车站客流管理系统提供直观的数据支撑和决策依据。

（2）在三维车站模型上，进行客流管理。应急准备管理人员，在对三维传感器状态有了统一的认识了解后，用户可以对一些相关事件采取必要的防范措施。此外，三维仿真系统可以管理警报系统，并自动地依据传入的警报根事件参数显示最相关的实景。有了三维建筑模型，管理人员可以轻松快速地了解乘客周围环境并依据此做出预防危机发生的措施，或者准备好如何处理已经发生的危机。

（3）站内工作人员的工作情况展示。基于三维可视化的数字车站综合信息看板可实现日常勤务的可视化管理，实时掌握车站人员的部署和动态，便于及时调派，支持勤务布岗、勤务监督、勤务考核等功能。统计车站的主要工作人员流动信息及工作范围、时长等信息;当前车站人员排班布岗显示，定位在三维车站的可视化動态展示。预防实景中的盲点，传统的二维平面图显示只能够提供分散的局部实景，因此管理人员可能会缺少对于全局环境的掌控，而产生信息及管理盲点。三维可视化看板可以有效地阻止此类盲点的产生，管理人员可以得到正确的事态信息并做出明智的决策。

3.2.3 任务管理

在任务管理方面，有效支持地铁做运营的调整、故障的维修，调度作业。

（1）结合应急事件管理，展示应急处置预案。当车站发生应急事件后，可以从车站运营管理系统获取预案启动指令。通过三维可视化方式显示各区域客流密度、人员疏散方向、工作人员的到岗情况、相关设备的联动情况，让车站管理者通过一站式平台快速、有效地处理应急事件。响应组织内容主要包括：人员布岗情况、设备启停准备、出入口关闭情况等。通过应急预案的展示功能，可以帮助值班站长提前对各级大客流预案的部署情况进行了解，并对相关负责人员进行工作安排。

（2）自动巡检情况展示。自动巡检，用户可以根据车站环境和设备布局情况，设定巡检路径，当用户点击自动巡检按钮时，可以沿着设定好的路径进行巡视，无须用户手动操作，就能够对路径上的设备健康情况进行全局了解，大大减少了用户的工作量，提高了工作效率。通过结合视频监控系统实现电力系统等重点系统的日常巡更功能，形成图文并茂的巡检报告，实现电子巡更功能。

（3）任务编制、部署、执行情况展示。强大的三维资产规划和管理，在面对突发事件或者业务培训时，管理人员经常需要制定、传达或者部属运营及安全计划，管理人员可以通过三维数字模型简洁地介绍及部署工作任务。使得管理人员可以轻松制定计划方案面对不同的事件，例如培训、简述、以及紧急事件，有利于协调调度。包括计划进度编制、进度模拟、实际进度条，实现任务可视化进度更为简单易看的图形化监控等功能。

4 结语

基于三维可视化技术的轨道交通车站数字化运营管理应用，可以为车站管理人员提供一个能够满足各专业领域资源共享、互联互通、系统态势可视、可监、可控的综合管理平台来为用户服务，保证列车安全、准点、快捷、舒适、不间断运行，是未来智慧轨道交通一个十分重要的发展基础和方向。

参考文献

[1]俞光耀. 上海超大规模轨道交通网络运营管理对策研究[M]. 上海：上海书店出版社， 2018.78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C