CN102855659A - 高速综合检测列车三维全息可视化系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于列车信息展示领域的高速综合检测列车三维全息可视化系统与方法。本发明提供一种高速综合检测列车的全息信息展示系统及方法，在地理信息技术、视频技术、图片和三维技术的基础上，采用多维数据融合和联动展示等方法，为多种不同类型的实时数据展示提供了手段。本发明的有益效果为：为综合检测列车提供了一种全息信息展示的方法和系统，通过地理空间数据将轨道几何、轮轨力、牵引供电、通信信号等四个专业的检测数据集成到一个全息展示平台，为检测数据的实时在线分析、关联报警、故障诊断提供了基础，解决了各专业检测系统之间孤立不能共享数据的问题。

Description

高速综合检测列车三维全息可视化系统与方法

技术领域

本发明属于列车信息展示领域，特别涉及高速综合检测列车三维全息可视化系统与方法。

背景技术

作为中国铁路现代化的重要组成部分，动态智能化综合检测列车是中国高速铁路工程的关键配套技术，为实现中国高速铁路自动化、智能化目标，提高车辆运行安全性，动态智能化综合检测列车被用于检测动车组运行环境，实时检测线路轨道几何、轮轨作用力、牵引供电、通信信号、周边环境中影响列车运行安全的技术指标和相关信息。为辅助检测列车的实时检测工作，显示检测列车的实时位置及检测结果，及时掌握动车运行环境状况，需开发一个高速列车三维全息信息展示系统平台。

目前在检测列车上运行的展示系统主要是以文字、图表、视频相结合的方式进行检测数据的展示。在国内的数据集成综合展示发展的初期，展示是以图表为主的，即通过表格、曲线图和饼图等方式对数据进行展示。近年来随着技术的发展，集成数据综合展示也开始采用了越来越多的多媒体、视频、虚拟现实等技术，并重视数据展示的形象化。

在综合数据展示的应用中，基于三维地理信息系统、视频监控等方式已经相对比较成熟，但在检测列车的应用上，还没有相关的系统。高速综合检测列车三维全息可视化系统是在基于GIS的三维可视化检测数据集成展现技术的基础上，建立车载和地面展示系统，实现对京沪高速铁路视频图像、报警信息、检测关键数据、检测列车运行实况和相关地理信息的实时可视化综合展现。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种高速综合检测列车的全息信息展示系统及方法，在地理信息技术、视频技术、图片和三维技术的基础上，采用多维数据融合和联动展示等方法，为多种不同类型的实时数据展示提供了手段，用户可以从一个界面中获取完整性、直观性和全面性的状态信息。

高速综合检测列车三维全息可视化系统的结构如下：基础地理数据模块分别连接三维引擎服务模块、地图服务层模块和地图分析服务层模块，三维引擎服务模块、地图服务层模块和地图分析服务层模块实现两两互联，以上三者均分别连接三维引擎接口层和服务接口层，三维引擎接口层连接服务接口层，三维引擎接口层和服务接口层均分别连接三维地图相关模块、场景展示管理模块和报警管理模块，三维地图相关模块、场景展示管理模块、监控数据管理模块和报警管理模块实现两两互联，客户端分别连接维地图相关模块、场景展示管理模块、监控数据管理模块和报警管理模块。

所述地图服务层模块包括栅格地图服务模块、矢量地图服务模块和影像地图服务模块。

所述地图分析服务层模块包括空间分析服务模块和地理编码模块。

所述三维引擎服务模块包括DEM数据服务模块、DOM数据服务模块、DM数据服务模块、视角切换服务模块、嵌入窗口服务模块、飞行路线服务模块和模型高速驱动服务模块。

所述三维地图相关模块包括三维数据发布模块、三维渲染模块、三维空间分析模块、两点通视分析模块、可视域分析模块和三维飞行路线模块。

所述场景展示管理模块包括实时场景展示子模块和历史场景展示子模块。

所述报警管理模块包括实时报警管理模块和历史报警管理模块。

所述客户端包括地面展示终端和车载展示终端。

高速综合检测列车三维全息可视化方法包括以下步骤:

1）基础地理数据模块提供三维基础地理数据、航片数据，其中三维基础地理数据为矢量数据，航片数据为栅格数据；

2）地图服务层模块提供地图标准服务：首先读取提供基础地理数据模块的二维基础地理数据和航片数据，具体说明如下：

栅格地图服务模块：为分辨率为0.5米的航拍影像提供预先渲染生成的栅格地图瓦片，瓦片按照缩放级别、行和列组织存储，并建金字塔地图索引；

矢量地图服务模块：实现矢量地图数据服务；

影像地图服务模块：航拍影像地图使用户以俯视角度直观地观察铁路线及周边真实的地理状态和人文景观；

地图分析服务层模块主要用来支撑地图的各种查询分析功能；具体说明如下：

空间分析服务模块：包括距离量测功能，面积测量功能，两点通视分析和可视域分析；

地理编码模块：用于提供地理编码和逆地理编码标准服务，地理编码即地址匹配，传入格式规范的地址，返回所在坐标，从而根据地址描述，匹配到具体坐标位置；

三维引擎服务模块提供三维场景的渲染和地图数据管理优化功能；具体说明如下：

DEM数据服务模块：根据经纬度坐标在DEM格网数据中查找DEM高程信息，展现地形的起伏，体现真实地形；

DOM数据服务：根据经纬度坐标选取相应的DOM格网数据，叠加在DEM数据之上，体现真实地貌特征；

DM数据服务：根据视窗范围选取相应的模型，对各种地面建筑进行建模，最终生成三维建筑数字模型，体现真实场景；视窗范围指窗口能看到的三维场景大小；

视角切换服务模块：三维场景主窗口提供了跟随列车前视、跟随列车后视、车前视角、侧面视角和手动控制视野范围的功能，并通过键盘、鼠标和操纵杆的方式进行操作；

嵌入窗口服务模块：在用户操作窗口中嵌入IE浏览器控件和Flash控件；

飞行路线服务模块：提供三维飞行路线定制服务，该服务给用户提供一个自定义浏览的工具，用户可以根据指定的线路和地点，按照指定的飞行方式，制定浏览路径；

模型高速驱动服务模块：在三维场景中人的视角进行高速运动时，使模型和纹理迅速加载，实现三维场景平滑的过渡；

三维地图渲染模块：提供三维场景的渲染；

3）服务接口层提供数据与用户相关操作的通信接口；

三维引擎接口层：提供功能包括：地图发布接口、搜索接口、组件接口；

4）三维地图相关模块：包括展示铁路线附近相关地图信息，并能进行地图的基本操作；具体说明如下：

三维数据发布模块：发布三维的各种数据，包括影像数据、DEM数据、DOM数据、DM数据和矢量数据；

三维渲染模块：渲染三维地图，并提供基础的地图操作；基础的地图操作包括放大、缩小、上下左右移动和上下左右翻转；

三维空间分析模块：针对三维场景中的对象进行水平距离量算、垂直距离量算和投影面积量算；

两点通视分析模块：针对三维场景中的对象进行两点通视分析；

可视域分析模块：针对三维场景中的对象进行可视域分析；

三维飞行路线模块：在三维场景上，根据设定好的飞行路线，控制物体运行的速度、位置和视角，物体指火车、汽车、飞机或轮船；

场景展示管理模块：管理三维场景展示的列车状态数据，由三维引擎展示相应场景；具体说明如下：

实时场景展示子模块：根据时间、列车运行速度和列车运行里程）获得列车位置和列车周边环境信息，在渲染引擎中驱动列车和变换天气；驱动列车的含义如下：通过获取到的实时列车里程数据来驱动地图上的列车点移动到该里程处，以确保地图上列车位置与实际的列车位置一致；变换天气的含义如下：根据实时传入的天气状况，实时改变三维场景中的天气状态；

历史场景展示子模块：根据查询条件到地面展示数据库和车载展示数据库中查找相应的历史列车运行关键数据，并传递到二维渲染模块中；历史列车运行关键数据包括：时间、列车运行速度和列车运行里程；

地面系统到地面展示数据库，车载系统到车载展示数据库；

监控数据管理模块：解析实时列车监控数据信息，并发布到三维场景窗口中展示；实时列车监控数据信息指轨道几何、轮轨作用力、牵引供电、通信信号的检测数据信息和大值报警信息；

报警管理模块：提供大值报警数据、报警截图、1分钟视频；具体说明如下：

实时报警管理模块：解析实时列车报警数据信息，并发布到三维场景窗口中展示；列车报警数据信息包括时间、里程、速度、专业、指标和检测值；

历史报警管理模块，根据历史报警数据查询条件，到展示数据库中查询到相应的历史报警数据，并传递给三维场景窗口展示。

本发明的有益效果为：为综合检测列车提供了一种全息信息展示的方法和系统，通过地理空间数据将轨道几何、轮轨力、牵引供电、通信信号等四个专业的检测数据集成到一个全息展示平台，为检测数据的实时在线分析、关联报警、故障诊断提供了基础，解决了各专业检测系统之间孤立不能共享数据的问题。

附图说明

图1为本发明高速综合检测列车二维检测信息展示系统的数据传输流程图；

图2为本发明京沪高铁高速综合检测列车二维展示系统总体架构示意图。

具体实施方式

下面，结合附图说明系统的具体实施：

首先说明本发明高速综合检测列车三维检测信息展示系统是基于虚拟现实、GIS等各种技术手段，形象、完整的展现高速综合检测列车的实时运行状态和检测信息状态；通过全息展示，用户可以从一个界面中获取完整的状态信息。

如图2所示，高速综合检测列车二维全息可视化系统的结构如下：基础地理数据模块分别连接三维引擎服务模块、地图服务层模块和地图分析服务层模块，三维引擎服务模块、地图服务层模块和地图分析服务层模块实现两两互联，以上三者均分别连接三维引擎接口层和服务接口层，三维引擎接口层连接服务接口层，三维引擎接口层和服务接口层均分别连接三维地图相关模块、场景展示管理模块和报警管理模块，三维地图相关模块、场景展示管理模块、监控数据管理模块和报警管理模块实现两两互联，客户端分别连接维地图相关模块、场景展示管理模块、监控数据管理模块和报警管理模块。相关模块、场景展示管理模块、监控数据管理模块和报警管理模块。

地图服务层模块包括栅格地图服务模块、矢量地图服务模块和影像地图服务模块。

地图分析服务层模块包括空间分析服务模块和地理编码模块。

三维引擎服务模块包括DEM数据服务模块、DOM数据服务模块、DM数据服务模块、视角切换服务模块、嵌入窗口服务模块、飞行路线服务模块和模型高速驱动服务模块。

三维地图相关模块包括三维数据发布模块、三维渲染模块、三维空间分析模块、两点通视分析模块、可视域分析模块和三维飞行路线模块。

场景展示管理模块包括实时场景展示子模块和历史场景展示子模块。

报警管理模块包括实时报警管理模块和历史报警管理模块。

客户端包括地面展示终端和车载展示终端。

高速综合检测列车三维全息可视化方法包括以下步骤:

1）基础地理数据模块提供三维基础地理数据、航片数据，其中三维基础地理数据为矢量数据，即二维地理空间数据及其表格属性数据，航片数据为栅格数据；

2）地图服务层模块提供地图标准服务：首先读取提供基础地理数据模块的二维基础地理数据和航片数据，具体说明如下：

栅格地图服务模块：为分辨率为0.5米的航拍影像提供预先渲染生成的具备出版级地图显示品质的栅格地图瓦片，瓦片按照缩放级别、行和列组织存储，并建金字塔地图索引；

矢量地图服务模块：实现多比例尺、全要素、高性能和高质量的矢量地图数据服务；

影像地图服务模块：航拍影像地图使用户以俯视角度直观地观察铁路线及周边真实的地理状态和人文景观；

航拍影像是通过航飞的方式拍摄的；

地图分析服务层模块主要用来支撑地图的各种查询分析功能；具体说明如下：

空间分析服务模块：包括距离量测功能，面积测量功能，两点通视分析和可视域分析；

地理编码模块：用于提供地理编码和逆地理编码标准服务，地理编码即地址匹配，传入格式规范的地址，返回所在坐标，从而根据地址描述，匹配到具体坐标位置；

三维引擎服务模块提供三维场景的渲染和地图数据管理优化功能；具体说明如下：

DEM数据服务模块：根据经纬度坐标在DEM格网数据中查找DEM高程信息，展现地形的起伏，体现真实地形；

DEM格网数据带有空间信息，即经纬度坐标；

DOM数据服务：根据经纬度坐标选取相应的DOM格网数据，叠加在DEM数据之上，体现真实地貌特征；

DOM格网数据带有空间信息，即经纬度坐标；

DM数据服务：根据视窗范围选取相应的模型，对各种地面建筑进行建模，最终生成三维建筑数字模型，体现真实场景；视窗范围指窗口能看到的三维场景大小；

视角切换服务模块：三维场景主窗口提供了跟随列车前视、跟随列车后视、车前视角、侧面视角和手动控制视野范围的功能，并通过键盘、鼠标和操纵杆的方式进行操作；

嵌入窗口服务模块：在用户操作窗口中嵌入IE浏览器控件和Flash控件、；

飞行路线服务模块：提供三维飞行路线定制服务，该服务给用户提供一个自定义浏览的工具，用户可以根据指定的线路和地点，按照指定的飞行方式，制定浏览路径；

模型高速驱动服务模块：在三维场景中人的视角进行高速运动时，使模型和纹理迅速加载，实现三维场景平滑的过渡；

三维地图渲染模块：提供三维场景的渲染；

3）服务接口层提供数据与用户相关操作的通信接口；

三维引擎接口层：提供功能包括：地图发布接口、搜索接口、组件接口；

通过组件接口调用搜索接口，搜索接口再去访问地图发布接口，调取当前数据；

4）三维地图相关模块：包括展示铁路线附近相关地图信息，并能进行地图的基本操作；具体说明如下：

三维数据发布模块：发布三维的各种数据，包括影像数据、DEM数据、DOM数据、DM数据和矢量数据；

三维渲染模块：根据提供的各类数据渲染三维地图，并提供基础的地图操作；基础的地图操作包括放大、缩小、上下左右移动和上下左右翻转；

三维空间分析模块：针对三维场景中的对象进行水平距离量算、垂直距离量算和投影面积量算；

两点通视分析模块：针对三维场景中的对象进行两点通视分析；

可视域分析模块：针对三维场景中的对象进行可视域分析；

三维飞行路线模块：在三维场景上，根据设定好的飞行路线，控制物体运行的速度、位置和视角，物体指火车、汽车、飞机或轮船；

场景展示管理模块：管理三维场景展示的列车状态数据，由三维引擎展示相应场景；具体说明如下：

实时场景展示子模块：根据时间、列车运行速度和列车运行里程）获得列车位置和列车周边环境信息，在渲染引擎中驱动列车和变换天气；驱动列车的含义如下：通过获取到的实时列车里程数据来驱动地图上的列车点移动到该里程处，以确保地图上列车位置与实际的列车位置一致；变换天气的含义如下：根据实时传入的天气状况，实时改变三维场景中的天气状态；

历史场景展示子模块：根据查询条件到地面展示数据库和车载展示数据库中查找相应的历史列车运行关键数据，并传递到二维渲染模块中；历史列车运行关键数据包括：时间、列车运行速度和列车运行里程；

地面系统到地面展示数据库，车载系统到车载展示数据库；

监控数据管理模块：解析实时列车监控数据信息，并发布到三维场景窗口中展示；实时列车监控数据信息指轨道几何、轮轨作用力、牵引供电、通信信号各专业的检测数据信息和大值报警信息；

报警管理模块：提供大值报警数据、报警截图、1分钟视频（分辨率为640*480）；具体说明如下：

实时报警管理模块：解析实时列车报警数据信息，并发布到三维场景窗口中展示；列车报警数据信息包括时间、里程、速度、专业、指标和检测值；

历史报警管理模块，根据历史报警数据查询条件，到展示数据库中查询到相应的历史报警数据，并传递给三维场景窗口展示。

如图1所示，视频采集设备将视频数据上传至检测系统，车载中心数据库接收来自检测系统的数据，然后将该数据发送至地面中心数据库；地面中心数据库将数据分别发送至地面分析数据库和地面展示数据库，地面展示数据库将数据发送至高速综合检测列车三维全息可视化系统；车载中心数据库到高速综合检测列车三维全息可视化系统的延迟少于5秒；

本发明能够展示三维视图场景，包括：当前车辆实时运行状况、已经检测的线路、未检测的线路以及检测异常点的等检测功能，还具有控制整个系统的功能，在该视图中具有主菜单。

三维视图场景包括：自然环境信息，地质状况，基础设施，区域气象状况等。铁路设施的展示：坡度、曲线、上下行公里标、隧道、桥梁、车站、电力设施、道岔等。当前检测状态展示功能：或者线路网；已经检测过的路段；未检测的路段；车辆当前运行位置；报警数据的状态。三维视图的信息标注：在三维视图上展示沿线的检测关键数据和报警数据，并沿着铁路线进行标注。历史信息展示功能：针对全息数据提供多视图的叠加比较分析功能，可以直观的发现检测信息沿着时间的变化情况。 功能菜单：三维GIS视图提供了整个系统的控制功能，因此整个系统的主菜单设置在该视图中。主菜单内容主要包括有：用户、查询、统计、帮助等功能。

本发明可显示实时报警列表和历史报警列表。检测系统采集列车运行过程中的报警信息、轨道几何报警信息、轨道动力学报警信息等专业数据。这些数据首先传输到车载中心数据库，车载中心数据库会将信息发送到车载展示数据库并通过GSM无线信号的方式将这些数据和地面中心数据库同步，地面中心数据库再将这些数据发送到地面展示中心数据库，且事先处理好里程与帧的对应关系。

Claims (9)

1.高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，它的结构如下：基础地理数据模块分别连接三维引擎服务模块、地图服务层模块和地图分析服务层模块，三维引擎服务模块、地图服务层模块和地图分析服务层模块实现两两互联，以上三者均分别连接三维引擎接口层和服务接口层，三维引擎接口层连接服务接口层，三维引擎接口层和服务接口层均分别连接三维地图相关模块、场景展示管理模块和报警管理模块，三维地图相关模块、场景展示管理模块、监控数据管理模块和报警管理模块实现两两互联，客户端分别连接维地图相关模块、场景展示管理模块、监控数据管理模块和报警管理模块。

2.根据权利要求1所述的高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，所述地图服务层模块包括栅格地图服务模块、矢量地图服务模块和影像地图服务模块。

3.根据权利要求1所述的高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，所述地图分析服务层模块包括空间分析服务模块和地理编码模块。

4.根据权利要求1所述的高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，所述三维引擎服务模块包括DEM数据服务模块、DOM数据服务模块、DM数据服务模块、视角切换服务模块、嵌入窗口服务模块、飞行路线服务模块和模型高速驱动服务模块。

5.根据权利要求1所示的高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，所述三维地图相关模块包括三维数据发布模块、三维渲染模块、三维空间分析模块、两点通视分析模块、可视域分析模块和三维飞行路线模块。

6.根据权利要求1所示的高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，所述场景展示管理模块包括实时场景展示子模块和历史场景展示子模块。

7.根据权利要求1所示的高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，所述报警管理模块包括实时报警管理模块和历史报警管理模块。

8.根据权利要求1所示的高速综合检测列车三维全息可视化系统，其特征在于，所述客户端包括地面展示终端和车载展示终端。

9.高速综合检测列车三维全息可视化方法，其特征在于，它包括以下步骤:

1）基础地理数据模块提供三维基础地理数据、航片数据，其中三维基础地理数据为矢量数据，航片数据为栅格数据；

2）地图服务层模块提供地图标准服务：首先读取提供基础地理数据模块的二维基础地理数据和航片数据，具体说明如下：

栅格地图服务模块：为分辨率为0.5米的航拍影像提供预先渲染生成的栅格地图瓦片，瓦片按照缩放级别、行和列组织存储，并建金字塔地图索引；

矢量地图服务模块：实现矢量地图数据服务；

影像地图服务模块：航拍影像地图使用户以俯视角度直观地观察铁路线及周边真实的地理状态和人文景观；

地图分析服务层模块主要用来支撑地图的各种查询分析功能；具体说明如下：

空间分析服务模块：包括距离量测功能，面积测量功能，两点通视分析和可视域分析；

地理编码模块：用于提供地理编码和逆地理编码标准服务，地理编码即地址匹配，传入格式规范的地址，返回所在坐标，从而根据地址描述，匹配到具体坐标位置；

三维引擎服务模块提供三维场景的渲染和地图数据管理优化功能；具体说明如下：

DEM数据服务模块：根据经纬度坐标在DEM格网数据中查找DEM高程信息，展现地形的起伏，体现真实地形；

DOM数据服务：根据经纬度坐标选取相应的DOM格网数据，叠加在DEM数据之上，体现真实地貌特征；

DM数据服务：根据视窗范围选取相应的模型，对各种地面建筑进行建模，最终生成三维建筑数字模型，体现真实场景；视窗范围指窗口能看到的三维场景大小；

视角切换服务模块：三维场景主窗口提供了跟随列车前视、跟随列车后视、车前视角、侧面视角和手动控制视野范围的功能，并通过键盘、鼠标和操纵杆的方式进行操作；

嵌入窗口服务模块：在用户操作窗口中嵌入IE浏览器控件和Flash控件、；

飞行路线服务模块：提供三维飞行路线定制服务，该服务给用户提供一个自定义浏览的工具，用户可以根据指定的线路和地点，按照指定的飞行方式，制定浏览路径；

模型高速驱动服务模块：在三维场景中人的视角进行高速运动时，使模型和纹理迅速加载，实现三维场景平滑的过渡；

三维地图渲染模块：提供三维场景的渲染；

3）服务接口层提供数据与用户相关操作的通信接口；

三维引擎接口层：提供功能包括：地图发布接口、搜索接口、组件接口；

4）三维地图相关模块：包括展示铁路线附近相关地图信息，并能进行地图的基本操作；具体说明如下：

三维数据发布模块：发布三维的各种数据，包括影像数据、DEM数据、DOM数据、DM数据和矢量数据；

三维渲染模块：渲染三维地图，并提供基础的地图操作；基础的地图操作包括放大、缩小、上下左右移动和上下左右翻转；

三维空间分析模块：针对三维场景中的对象进行水平距离量算、垂直距离量算和投影面积量算；

两点通视分析模块：针对三维场景中的对象进行两点通视分析；

可视域分析模块：针对三维场景中的对象进行可视域分析；

三维飞行路线模块：在三维场景上，根据设定好的飞行路线，控制物体运行的速度、位置和视角，物体指火车、汽车、飞机或轮船；

场景展示管理模块：管理三维场景展示的列车状态数据，由三维引擎展示相应场景；具体说明如下：

实时场景展示子模块：根据时间、列车运行速度和列车运行里程）获得列车位置和列车周边环境信息，在渲染引擎中驱动列车和变换天气；驱动列车的含义如下：通过获取到的实时列车里程数据来驱动地图上的列车点移动到该里程处，以确保地图上列车位置与实际的列车位置一致；变换天气的含义如下：根据实时传入的天气状况，实时改变三维场景中的天气状态；

历史场景展示子模块：根据查询条件到地面展示数据库和车载展示数据库中查找相应的历史列车运行关键数据，并传递到二维渲染模块中；历史列车运行关键数据包括：时间、列车运行速度和列车运行里程；

地面系统到地面展示数据库，车载系统到车载展示数据库；

监控数据管理模块：解析实时列车监控数据信息，并发布到三维场景窗口中展示；实时列车监控数据信息指轨道几何、轮轨作用力、牵引供电、通信信号的检测数据信息和大值报警信息；

报警管理模块：提供大值报警数据、报警截图、1分钟视频；具体说明如下：

实时报警管理模块：解析实时列车报警数据信息，并发布到三维场景窗口中展示；列车报警数据信息包括时间、里程、速度、专业、指标和检测值；

历史报警管理模块，根据历史报警数据查询条件，到展示数据库中查询到相应的历史报警数据，并传递给三维场景窗口展示。

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