智慧城軌土建設施地理信息平臺應用
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據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計，截至2020年12月31日，中國內(nèi)地累計有45個城市開通城軌交通運營線路7978.19km。2020年初，中國城市軌道交通協(xié)會了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，同年，上海申通地鐵了《5G+智慧地鐵白皮書》，北京地鐵了《首都智慧地鐵發(fā)展白皮書》。奉行“交通強國，城軌擔當”的歷史使命，遵循“推進城軌信息化，發(fā)展城軌智能化，建設城軌智慧化”的建設主線，落實“感知—學習—研判—決策—行動”為內(nèi)涵的智慧城軌建設迫在眉睫。對此，構(gòu)建統(tǒng)一的高精度時空基準，匯集地鐵系統(tǒng)各元素綜合時空信息與狀態(tài)數(shù)據(jù)，搭建滿足地鐵運維所需的基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺，對于城軌智慧運維、城市地下空間基礎設施數(shù)字化管理具有重要意義。
1項目介紹
本項目針對地鐵運營管理過程中存在沿線地上建構(gòu)筑物與地下管隧設施精確定位、土建設施及周邊環(huán)境信息不全面、保護區(qū)可視化程度不高等問題和需求，以某城市地鐵運營公司的基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺建設為例，收集在營線路的線站區(qū)間信息、土建設施信息，地質(zhì)、水文，勘設平面圖、剖面圖，以及保護區(qū)內(nèi)地上地下的建構(gòu)筑物、管線、風險源等數(shù)據(jù)，對其進行梳理、整合、優(yōu)化，形成結(jié)構(gòu)化、標準化的地理信息數(shù)據(jù)，存儲至地理信息數(shù)據(jù)倉，形成城市級全網(wǎng)絡時空地理信息數(shù)據(jù)湖，構(gòu)建智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺，為地鐵的智慧運行、智慧維護、智慧管理、智慧客服奠定數(shù)據(jù)基礎，為后續(xù)業(yè)務系統(tǒng)開放空間調(diào)用接口，為空間開發(fā)決策提供數(shù)據(jù)支持。
2平臺設計
智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺研究與應用涉及諸多方面，既要考慮當下各業(yè)務應用場景，又要思考智慧地鐵后續(xù)服務支持；既涉及到平臺的安全性、可復用性、可冗余性、可維護性、可擴展性，又需思考頂層整體規(guī)劃、分階段分期建設。
2.1頂層設計
建立地鐵沿線基礎設施時空地理信息“一張圖”，融合空間地理模型、線路數(shù)據(jù)、遙感影像、電子地圖等，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)不同緯度的可量化、可視化。頂層設計整體構(gòu)想是實現(xiàn)感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務層產(chǎn)業(yè)鏈支持，為后續(xù)線路接入提供可擴容性，及相關智慧應用提供空間數(shù)字化接口服務（圖1）。
2.2功能特點
智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺基本功能實現(xiàn)查詢、定位、量測、檢索，以及開放其他業(yè)務調(diào)用接口，其功能創(chuàng)新表現(xiàn)為：全：提供車站內(nèi)詳細的暴露空間和地鐵非暴露空間、隧道路線、車站及沿線周邊地圖、附屬設施等多尺度空間信息；準：支持地鐵網(wǎng)絡客流、列車、設備設施、環(huán)境的時空分布的空間地圖、空間分析和時空展示的高精度時空融合場景，支持與北斗定位導航對接的快速定位、導航、路徑規(guī)劃、軌跡追蹤等多功能；多：可視化形式多樣，有基于地圖的二維展示、基于三維的場景展示、專項數(shù)據(jù)的清單列表展示、宏觀微觀展示等；動：構(gòu)建數(shù)據(jù)采集、更新與反饋機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的動態(tài)更新；省：支持客流預測客運管理、設備管理、應急指揮調(diào)度、平行推演等專項分析的空間數(shù)據(jù)共享使用，無需重復構(gòu)建數(shù)據(jù)底層，節(jié)省成本。
3應用案例
地鐵保護區(qū)是指地鐵車輛在軌道交通線路上運行必須確保線路結(jié)構(gòu)有一個安全的空間，該空間一般在結(jié)構(gòu)周邊50m范圍內(nèi)的空間。保護區(qū)管理是地鐵安全運行和維護的重要內(nèi)容?；A地理信息一張圖可為地鐵保護區(qū)管理提供有效的數(shù)據(jù)支撐，結(jié)合保護區(qū)施工審批、安全巡檢、監(jiān)測檢測等業(yè)務，實現(xiàn)數(shù)據(jù)湖與應用系統(tǒng)之間的反饋與更新，對于地鐵保護區(qū)安全管理、提質(zhì)增效發(fā)揮重要作用。
3.1基礎地理信息平臺
提高數(shù)據(jù)治理能力，實現(xiàn)“安全用數(shù)、高效用數(shù)、用優(yōu)質(zhì)數(shù)”，才能更好的支持數(shù)據(jù)創(chuàng)新應用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)價值，推動地鐵保護區(qū)管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型。保護區(qū)數(shù)據(jù)治理主要是把結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（含模型、CAD圖、工程建設信息、地鐵運營數(shù)據(jù)等）、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（含報告、PDF文件、圖紙、圖片等）集成到智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺，并實現(xiàn)檢索、定位、查詢、量測等基本功能。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，以地鐵運營線路數(shù)據(jù)為基礎，結(jié)合沿線地理地信、周邊環(huán)境、土建設施、地質(zhì)平面圖、地質(zhì)剖面圖、管線調(diào)查圖、遙感影像等，對其進行相應的梳理，形成“采集—處理—表達—分析—服務”一體化的智慧決策系統(tǒng)（朱合華等，2018），建立規(guī)范化的數(shù)據(jù)標準，進行數(shù)據(jù)歸倉入庫，健全數(shù)據(jù)治理體系，構(gòu)建地鐵保護區(qū)基礎地理信息“一張圖”數(shù)據(jù)倉。同時，對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行分類分倉，賦予時空地理信息，利用索引技術建立非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)檢索，將不同環(huán)境中的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)有機結(jié)合，構(gòu)建知識、軌跡圖譜，實現(xiàn)在線“一張圖”快捷瀏覽及便捷查詢（圖2）。
3.2地鐵保護區(qū)安全巡檢業(yè)務
軌道運營線路工程地處城市繁華區(qū)，周邊環(huán)境復雜、高樓林立，地下管網(wǎng)密集，安全風險因素較多；保護區(qū)內(nèi)工程多、參建單位多、安全施工信息和數(shù)據(jù)多，綜合管理壓力大；傳統(tǒng)保護區(qū)現(xiàn)場巡檢只能通過文字和現(xiàn)場照片進行說明展示，不能滿足“實時掌控、全局把握”的需求。地保巡檢人員努力掌握和運用信息化技術，借助基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺技術實現(xiàn)對地鐵保護區(qū)進行巡查、管理，增加覆蓋范圍及巡查頻次，精確巡查點位并通過對以往數(shù)據(jù)進行比對，及時發(fā)現(xiàn)異常情況。通過智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺，將地鐵運營過程中對地鐵沿線在施工程及其周邊環(huán)境信息掌握不全不精準及保護區(qū)管理信息化水平不高的問題予以解決，對沿線及周邊環(huán)境空間地理信息數(shù)據(jù)進行綜合治理，引進信息技術手段，提高安全巡檢水平，進一步完善保護區(qū)管理制度，解決地上建構(gòu)筑物與地下管隧設施精確定位、設施及周邊環(huán)境信息不全面、巡檢信息化等問題，為生產(chǎn)決策提供及時、準確的依據(jù)，促進軌道交通安全、高效運行，為保護區(qū)綜合管理提供有力支持。
3.3地鐵保護區(qū)施工審批
地鐵保護區(qū)施工審批：一方面依靠空間數(shù)字化地理信息平臺形成三維可視化的地保預警區(qū)域，加強保護區(qū)內(nèi)的施工作業(yè)規(guī)范化，保護合法合規(guī)作業(yè)、提高對違規(guī)施工的聯(lián)合執(zhí)法力度；另一方面將保護區(qū)內(nèi)的水電氣熱等管線、建構(gòu)筑物、風險源可視化，借助日漸成熟的三維地質(zhì)模型（宋越等，2019），方便施工的精確定位、風險規(guī)避，確保地鐵正常運行，保障人民群眾生命財產(chǎn)安全。在規(guī)范施工作業(yè)、強化聯(lián)合執(zhí)法方面，無論是施工方在未制定地鐵保護方案同時也未征得地鐵公司同意就開始施工作業(yè)；還是施工方的地保方案經(jīng)過地鐵公司審查或?qū)＜以u審同意，手續(xù)齊全，但施工作業(yè)中仍未按地鐵保護方案實施（高墅，2020）；這都需要加大地保安全巡檢頻次，精確定位施工作業(yè)區(qū)域，及時觸發(fā)施工審批預警條件，全面監(jiān)控違規(guī)施工情況。依靠移動手持端APP、高點全景相機、無人機巡檢、工程審批預警等，形成多部門聯(lián)動、監(jiān)管執(zhí)法一體化的預警處置機制。
3.4地鐵保護區(qū)自動化監(jiān)測
智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺在地鐵保護區(qū)土建設施自動化監(jiān)測管理方面應用較為廣泛。既可對土建設施進行日常維護性監(jiān)測，又可對所在重點區(qū)域進行沉降、位移、地下水等監(jiān)測，也可對重點區(qū)域地質(zhì)進行監(jiān)測，如大地沉降、區(qū)域水文等。就土建設施監(jiān)測而言，可借助部署其上的傳感器及感知設備，先將基準點與變形點的數(shù)據(jù)傳回邊緣Edge計算節(jié)點，進行結(jié)構(gòu)化預處理；再將計算結(jié)果傳回空間數(shù)字化地理信息平臺數(shù)據(jù)倉，實現(xiàn)自動采集、預處理、回傳、存儲、變形趨勢分析及變形報表可視化。通過實時在線的現(xiàn)場自動化監(jiān)測，實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)在智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺的模擬仿真；土建維保部門根據(jù)仿真結(jié)果，發(fā)出人工復審及修補指令，進行相應流程環(huán)節(jié)（圖3）。
4結(jié)論及展望
本文介紹了智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺是智慧地鐵建設的數(shù)據(jù)基礎，為智慧管理提供數(shù)據(jù)保障；通過對平臺研究與應用，可借助現(xiàn)代化信息技術與管理理念，運用數(shù)字化、智能化手段，加強各領域統(tǒng)計分析、構(gòu)建精細化、高效化管理機制，實現(xiàn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。通過移動APP、空間定位等信息化手段的應用，提高管理運行效率，增強運營保護區(qū)安全管理的針對性、科學性和主動性，有效降低巡查人員成本；通過對運營保護區(qū)安全管理歷史數(shù)據(jù)的分析，預測預判保護區(qū)的安全隱患，及時采取預防整治措施，為軌道交通安全運營提供快速、優(yōu)質(zhì)、高效的綜合服務。創(chuàng)新地鐵保護區(qū)安全管理機制和監(jiān)控巡查手段，實現(xiàn)降本增效。在地鐵運營整體框架下的智慧城軌基礎設施空間數(shù)字化地理信息平臺的應用，可實現(xiàn)運營保護區(qū)安全管理事件及時發(fā)現(xiàn)、快速處置、動態(tài)監(jiān)管和政府、管理部門、軌道交通企業(yè)職責明確、統(tǒng)籌聯(lián)動、資源共享的信息化管理平臺，提高管理水平和工作效率，提升軌道交通安全運營保障能力，通過保障能力的提升，追求實現(xiàn)地鐵運營零事故?？梢詾榈罔F運營提供決策輔助，對以后的智慧運營具有重要參考意義。
作者：林琳 于淼 李珂 馮增文 李祿維單位： 北京城建勘測設計研究院有限責任公司
