智能铁路时空信息云平台应用研究

2020-03-21李顺成祝晓红

通信电源技术 2020年3期

李顺成，祝晓红

（中铁武汉电气化局集团有限公司，湖北武汉 430074）

0 引言

国家已出台实质性的规划和政策，如“2025年中国制造”的行动计划、“互联网+”和新一代人工智能发展计划。智能化是促进铁路现代化和运营的核心圈，是铁路运输业务有效发展的重要支撑。全球铁路服务需求的不断增长以及智能设备和信息技术的快速发展，给现有铁路的建设、运营和维护带来了前所未有的压力。然而，传统技术和方法并没有很好地解决这些问题，因此提出一种利用新技术捕获、关联和分析所有铁路运营信息的方法，以提高铁路部门的效率和灵活性，同时更快地创建更灵活的操作环境。构建铁路智能时空信息云平台的愿景是利用智能识别和计量、更全面的互联和更详细的信息，将智能铁路信息传输到整个铁路系统和技术合作伙伴。感知和测量可以帮助铁路管理局共享相关信息，从而更好地监控运营并采取更积极的措施；信息整合、场景建模和数据分析可将战略或运维决策与敏锐的洞察力结合起来，有利于提高服务质量品质、服务的安全性与可靠性以及铁路的运维效率，并有效节约铁路运维成本。

1 总体架构

根据铁路公司智能铁路总体规划的内容，智能云平台作为铁路的智能地理信息载体，建立了比较完整的基础地理信息数据存储系统，可以满足各大铁路企业的需求，包括机务、车务、工务、电务以及车辆等多个不同关键部门的协同合作，形成铁路时空信息资源共享交换机制，通过北斗高精度导航、大数据、云计算、物联网、智能终端等技术设备的综合应用以及原有基础设施的升级改造，利用智能平台统一调度所有资源，实现合理使用，进一步提升整体效率和服务质量。用于构建智能铁路时空信息云平台的总体框架如图1所示[1]。

2 建设内容

2.1 数据建设

2.1.1 数据建设内容

数据组成内容主要包括基础地理信息数据的DLG数据、DOM数据、DEM数据、编码单元数据、铁路基础设施数据、地名地址数据、动态数据、3D数据、运维以及紧急情况等。

2.1.2 时空信息数据库建设

数据资源是智能铁路建设最重要的价值体现，基于积累的数据能够辅助对铁路运行中问题的预警、处理、趋势预判起到重要作用。智能铁路云平台以时空信息资源整合为重点，完善智能铁路数据中心时空数据库的建设，实现资源共享。对数据资源的深入分析与利用主要包括基础地理信息数据库、业务数据库、实时动态数据库、运维数据库以及应急防灾数据库等数据库规划和设计。

2.2 主要基础设施建设

2.2.1 智能铁路北斗地基增强系统建设

地面增强系统（GBAS）是卫星定位、计算机网络、数字通信等与其他技术的组合，以满足高铁的操作管理效率和安全监控要求。

图1 智能铁路时空信息云平台建设总体框架示意图

2.2.2 数据中心与数据采集设备

数据中心基础设施建设是智能铁路云平台建设最重要的硬件基础，是铁路信息化软硬件运行的承载体。构建数据中心基础设施主要包括构建云平台的基础设施和安全设施。

高铁的速度已经显著提高，新技术如高架桥、碎石道和大量的无缝线路可以用来做一个平稳的列车运行，确保铁路、桥梁、隧道等基础设施的技术运行状态，保障高速铁路列车的安全稳定运行。众多无线传感器设备对服务状态和环境等信息进行长期监控，确保高速铁路交通安全。无线传感器由分布式网络组成，该网络由许多传感器节点和无线通信方法组成，其中目标信息被实时收集和处理，且数据被发送到铁路监控部门。

2.3 智能铁路云服务管理平台建设

在时空数据库建设和铁路大数据建设成果的基础上，基于开放的面向服务的架构体系设计理念和服务聚合技术，建立统一的、标准的智能铁路云服务体系，提供基础地图服务地名地址服务、动态服务、地理计算服务、铁路专题、搜索服务以及感知服务等多种不同类型的服务，实现智能铁路时空信息资源的整合、集成、管理、共享及维护更新，向铁路行业的相关部门以及社会公众提供泛在网络环境下的多维度、多类型、多用途时空信息服务，真正实现铁路时空信息资源的共通、共融、共享[2]。

3 关键技术

3.1 基于BDS的地基增强系统

北斗卫星导航系统是中国建造的全球卫星导航系统，独立运行，与世界上其他卫星导航系统兼容。该系统目前覆盖亚太地区，为亚太地球提供导航、定位及通信服务，并将于2020年完成。在建立全球供应能力前，已经开发出改进的系统以改进卫星导航和定位系统的定位性能，并满足更精确定位的应用要求。

北斗卫星地面改善系统是一个基于本地高速网络互联网的参考星际网络，主要由参考站网络、通信网络、中心和用户部分组成。IP服务和参考站访问主要使用光纤或受限数据网络，中央服务器使用分布式传送方法。

3.2 面向目标动态监测的流式计算技术

主要针对视频实时流进行实时分类识别。视频流的对象分类识别的主要核心技术包含标准视频流协议RTSP、RTMP、HLS访问支持和视频H264、H265解码。图像内容识别分类时，为了克服传统的图像识别对视频这类随机复杂的环境识别能力弱、误报率高而无法满足实际应用要求的情况，系统采用卷积的深度神经网络技术，通过大量的图像对象分割样本输入卷积深度神经网络模型进行训练，实现当前复杂环境人、车、动物内容实时高准确率的识别与分割。为了加快深度学习网络的计算速度，运算使用nvidia GPU并行计算技术实现毫秒级的识别速度，服务模块采用图像运动目标的判别快速算法，对视频帧的冗余信息进行过滤预处理，大大提升了节点处理视频路数并发能力，减少了成本。

4 智能铁路应用示范

针对铁路的时空信息云平台的演示智能应用建设的主要思想，是以云的形式提供Web应用程序。北斗卫星导航系统（BDS）由中国自行研制的具有定位、导航和授时（PNT）3个功能的全球卫星导航系统。随着“十三五”规划的推进，国务院、国家交通运输部等多个部门相继编制、印发了与铁路行业相关的“十三五”规划。结合铁路行业相关规划需求和北斗PNT能力分析可知，北斗技术在铁路行业可提供多方面的服务能力。

4.1 列车监控、调度管理系统

以时空信息云为核心，利用精度较高的卫星导航接收信息，通过RTK（实时动态差分法）或P3（精密单点定位法）计算得到目标物的三维数据、运行速度以及方向，并且通过信息网络将所得数据及时回馈给控制中心，最后控制中心以相关技术获取数据信息，并将信息发送给调度人员，进而保证列车行驶和线路运输。

4.2 北斗铁路形变监测系统

以时空信息云为核心，综合运用铁路物联网、云计算等先进技术，通过北斗技术监测铁路形变，主要用于铁路沿线地质灾害监测、沉降监测、铁路桥梁监测以及铁路隧道监测等。

4.2.1 铁路沿线地灾监测

铁路沿线地质灾害的监测包括监控、分析以及灾害和综合信息服务的预测3个主要部分。利用卫星导航传感器和数据采集终端进行数据（发生灾害区域的变形信息以及诱发因素信息）采集，随后通过特征提取、数据融合等方式进行灾情分析，最后在地理信息系统平台的辅助下整合所有数据，以地图形式展开，便于进行分析和探讨。

4.2.2 路基沉降监测

采用精密测量技术，集合网络传输、信号处理、嵌入式系统设计，建立远程的、实时的、自动的、高精度的路基沉降观测系统，可实现实时重载铁路路基沉降的自动监测和预警。

4.2.3 铁路桥梁安全监测

利用北斗的高精度，实时在线监测铁路桥梁挠度、位移、索力、裂缝、加速度、振动、倾角以及各类受力构件的应力状态等，确保铁路桥梁安全运行。

4.2.4 隧道安全监测

实时监测隧道运营过程中的拱顶下沉、周边收敛、路面沉降、地表沉降、压力、应变以及裂缝等结构性能参数的变化，实时评估隧道的安全性和适用性，为隧道运营管理提供数据支持。

4.3 北斗铁路云巡检

北斗导航卫星系统、卫星通信系统和北斗移动通信技术中，时空信息云是其核心。铁路轨道的设备检查点与检查轨道相结合，不仅可以了解每个铁路段检查部门检查人员的到达和离开时间，还可以了解检查轨道、各铁路系统的故障和设备检验部门，使管理人员能够清楚地了解检查员的工作状态和线路的检查状态，便于及时发现和处理故障，提高铁路运营的安全性。