上海軌道交通空間數字底座建設探索

張瑞衛

（1.上海市測繪院，上海 200063）

上海全面推進數字化轉型工作[1]，城市交通的數字化轉型是近年來智慧城市發展的熱點之一。北京、上海、廣州、深圳等城市分別推出了關于城市軌道交通企業數字化轉型的意見[2-3]和促進數字化轉型若干的政策措施，以及相應的實施方案。上海市在城市工作中也提出要進一步加強交通數字化轉型工作。

1 底座目標研究與框架設計

1.1 需求分析

目前，上海軌道交通運營線路共20 條線路、500 多座車站，總里程800 多km[4]。根據2035 上海城市總體規劃，未來線路也會增加很多，總里程將超過1 000 km。超大城市的軌道交通發展對空間信息的支撐能力提出了更高要求。同時，軌道交通內部多頭管理，已有遠程監控、土地房屋管理、監護等多個運營系統，各系統基本為獨立建設，缺乏統一的空間底板，智慧交通的發展要求更多的條塊協同作業，對基礎空間信息的服務能力也提出需求[5]。因此，面對上海城市軌道交通的快速發展，急需建立一個集成融合、開放共享、精準權威的空間數字底座[6]，實現技術、業務和應用多層面協同合作。

1.2 目標分析與研究

經過多方走訪調研，梳理形成軌道交通空間數字底座系統項目的建設目標：建成軌道交通線路覆蓋“規劃-建設-管理-運營”的“全空間、全周期、全要素”空間數字管理模式，實現“一套時空數據云、一條數據共享生態鏈、一系列應用場景服務”的核心效益。其中，“全空間、全周期、全要素”的上海地鐵空間數據，將作為空間信息共享的最核心數據層，為軌道交通全生命管理提供空間基礎信息支撐。一套時空數據云是要建設覆蓋既有線路、在建線路和十四五期間規劃線路的時空數據，制定統一的空間數據標準體系，充分發揮空間數據要素在地鐵數字化轉型發展中的作用；一個數據共享生態鏈是厘清集團各部門共享現狀困難（如集團大數據中心、資產管理部、建設集團、監護公司等），通過研制標準服務接口，構建安全可靠、靈活高效的數據智慧共享生態鏈，實現空間數據的智慧共享；一系列應用場景服務是為集團實現一個空間底板服務、多個應用場景管理提供集團空間數據的前置服務能力，使得規劃遠景能預見，運營施工能明確。

通過項目成果優化和轉化，科學化、精準化、智慧化的數據服務能力將有效提升數據在線、數據決策能力，實現數據不遺失、功能日?；?、效果可視化、統計便捷化，為上海軌道交通的數字化轉型提供堅實的空間數據服務，為上海建立面向全球卓越城市的上海智慧交通脈絡提供決策支撐。

1.3 底座框架設計

底座框架設計是以空間信息為核心，建設可開放共享的軌道交通空間數字底座，解決相對獨立相對隔離而無法達到信息自由交換的問題，提高信息輔助決策作用。平臺架構如圖1所示。

圖1 總體框架圖

1）基礎平臺層?；A平臺層主要包括服務、存儲、網絡等及其他設備，還包括平臺、系統等。

2）數據資源層。數據資源層包括基礎地理信息數據資源；軌道交通專題數據，如立項投資、規劃設計、竣工運營等業務數據；軌交相關數據，如建筑物、地下管線、地質環境等與軌道交通相關的其他空間數據。

3）感知層[7]。感知層主要包括與軌道交通相關的具備實時傳輸功能的智能感知設備，如軌交車站的視頻監控、隧道區間的自動化監測設備、智慧工地建設、消防、?；愤\輸等相關設備，可通過實時傳輸獲取。

4）服務支撐層[8]。服務支撐層系統設計將以WEB服務為中心、以分布式數據庫為基礎、以XML為橋梁來搭建，實現有效處理信息的互操作和共享問題，體現分布和集中相結合的特點，同時可以作為系統功能拓展延伸的基礎。

5）應用系統層。應用系統是實現業務應用的功能模塊或定制化系統。包括元數據管理，用戶管理系統，基礎地理信息數據管理，二三維一體地理信息支撐平臺，地理信息服務管理平臺等，可根據軌交具體業務再進行劃分，如管線投資控制系統、施工全過程安全管理等。

2 底座建設關鍵技術研究與實踐

2.1 空間地理信息服務

以空間地理為基準，建設統一開放的軌道交通空間基礎地理信息服務。依托上海市地理信息時空大數據平臺，在全市統一的GIS 地圖基礎上，將軌道交通各類與空間位置有關的信息整合進來。研制標準地理信息服務接口，具備為其他信息系統提供空間服務的能力，為軌道交通各類應用場景提供標準統一、開放共享的空間地理數據服務。

2.1.1 建設內容

空間基礎地理信息服務由專業地理信息服務部門維護和更新，一般包括以下部分：

1）全市基礎地理信息服務。全市基礎地理信息服務一般包括地圖、影像、地名地址、行政區域等服務，提供基礎定位、地圖查詢等功能。

2）軌道交通線路周邊地理信息服務。①大比例尺帶狀地形：線路沿線兩側各200 m 寬度范圍的帶狀地形，地形圖比例尺一般應大于1∶2 000，制作帶狀圖切片，提供分級切片服務。②高清正射影像：線路沿線高清正射影像，一般應優于3 cm，用于線路兩側巡查使用。③數字高程模型（DEM）：線路沿線數字高程模型，用于三維空間要素融合使用。④三維城市模型：軌道交通線路沿線建筑物三維模型，可用于軌道交通建設前期拆遷及后期運營管理使用。

3）其他相關空間基礎地理信息服務?？臻g服務管理控制可實現空間服務的注冊、管理、申請、用戶權限管理及資源統計。

2.1.2 空間分析與服務

空間基礎地理信息服務采用ArcGIS Server發布成Web服務，考慮到基礎地理信息的數據安全，將Web服務共享至獨立ArcGIS Server站點，部署在專用服務器上。在內網環境設置管理權限，提供開放性服務。各GIS 系統可以根據具體業務需求，按圖層類型調用服務?？臻g基礎地理信息服務，既可以提供給不同的GIS平臺服務，給項目管理人員直接使用，又可以作為數據基礎，給專業技術人員進行空間計算和分析使用。

以高清正射影像服務為例，可用于軌道交通安全保護區范圍巡查工作。以往軌交安全保護區巡查主要采用人工巡查的方式，人工工作量大、效率低、難以覆蓋全域，存在較多巡查遺漏等問題。高清正射影像服務，通過密集匹配生成數字表面模型（DSM），利用DSM差分技術自動發現高程有變化的區域。將其與正射影像圖結合使用，可以快速、清晰地掌握軌道沿線的施工情況。如圖2，通過影像識別發現新建5 m×6 m 的臨時建筑。如圖3，采用DSM 技術自動分析，發現堆土和新建建筑物。

圖2 臨時建筑

圖3 堆土和新建建筑物

圖4 三維點云數據

圖5 車站三維模型

圖6 可視化大屏

圖7 車站三維空間管理系統

2.2 二三維軌道交通專題數據庫

2.2.1 數據庫設計

軌道交通專題數據覆蓋軌道交通規劃、建設、管理、運營等全過程服務，具備數據交換能力。研究設計包括軌道交通全流程管理數據、線路矢量數據和車站三維實景數據等3 類數據，分別形成數據字典?？臻g數據可采用shp或gdb等標準GIS服務數據格式，相關表單數據可建立oracle 數據庫進行管理，既可以與底座的感知層相關聯，又可以支撐應用系統層使用。

1）全流程管理數據。研究軌道交通全流程管理，形成包括有立項及前期批復資料、投融資資料、規劃設計資料、用地資料、特殊情況處置資料、規劃土地驗收及不動產登記資料、屬地化及移交接管資料、運營相關批復資料和項目竣工資料等9大類21小類相關管理數據。

①立項及前期批復資料：建設規劃文件、批復文件、工可、初步設計等相關文件。

②投融資資料：投資分工框架協議、前期工作委托協議、結建協議、土地轉讓協議、線路商業接入等書面協議等。

③規劃設計資料：方案報審資料、建設工程規劃許可證等相關許可資料。

④用地資料：房屋土地權屬調查報告、國有土地劃撥決定書、建設項目用地批文、建設用地規劃許可證、借地協議等征借地資料。

⑤特殊情況處置資料：土地協調及相關矛盾協調處置等。

⑥規劃土地驗收及不動產登記資料：建設工程“多測合一”成果報告書、規劃驗收合格證、土地核驗合格證、地產權證、房屋產權證等。

⑦屬地化及移交接管資料：屬地化協議、實物資產移交協議、土地資產移交資料、項目資產價值量（清冊）編制移交等。

⑧運營相關批復資料：試運營批復、正式運營批復。

⑨項目竣工資料：審計報告、國家驗收資料、項目綜合驗收備案資料等。

2）線路矢量數據。線路矢量數據主要包括以下7 類要素：車站主體結構輪廓；車站出入口和風井；盾構區間；敞開段、地面及高架區間；地鐵車輛的停車場；主變電站；停車場開發有關的地塊。制作軌道交通線路矢量數據，將全市軌道交通站點的線路、站點、土地范圍和在建線路、借地等信息展現在地圖上。建立7 類要素的數據字典，以盾構區間為例，存放連接2 個車站的地下盾構路線，屬性表字段設計如表1 所示，其中“Status2”字段記錄項目的狀態，包括竣工、開工、未開工；“Status”字段記錄詳細開工狀態，包括未推進、推進、貫通等。

表1 盾構區間字段設置

3）車站三維實景模型。數字化背景下，對軌道交通車站數據提出了更高的要求，車站實景三維數據可與底座的其他二三維數據無縫集成，為感知層和應用層提供更精準、更高效的實景數據。

車站主要結構有外部的車站頂棚、獨立出入口等，內部主要是站臺層和站廳層中的開放區域、房間、手扶電梯，無障礙電梯和設備等。研究將移動激光實景技術應用到軌道交通數據獲取和信息管理中，根據現場條件選擇手持式掃描儀或測站式掃描儀以及2 種結合的方式，獲取全空間的高精度三維點云數據。將掃描后的車站室內外三維點云數據進行拼接，優化去噪后，采用計算機識別提取建構筑物的結構特征線，可制作車站的三維結構。結合實景照片制作高分辨率三維實景模型。

研究設計統一編碼的車站結構，設計圖式符號，以站廳層為例，設計結構要素如表2所示。

表2 站廳層結構要素

2.2.2 云大數據管理

采用“云GIS”技術，構建由元數據、基礎地理信息數據、軌道交通線路專題數據等組成的私有數據云。打造獨立的數據管理功能，將對這些多源多尺度數據的加工、處理和管理作為一種服務融入到空間數字底座系統中，形成了數據與軟件的一體化，使來自于桌面端、移動端、Web端的各種應用系統合理高效使用地理信息資源，最大化資源的利用率，改變了傳統的GIS應用方法和建設模式。

2.3 部分應用場景實踐

2.3.1 可視化大屏系統

開發可視化大屏系統，整體實現軌道交通空間數字底座可視化。系統界面一般分為3 大版塊。左側的為總體概況以及線路選擇區域。中間為基于二三維一體化地圖的數據區域，默認為暗色專題地圖，具有形象、直觀等特點，適用于大屏展示以及匯集分析等。此外，也可以將地圖切換成素色專題地圖，具有現勢、權威等特點，適用于在此底圖上疊加各類專業應用，可以作為各種專題信息的空間定位基準。右側為指標版塊，對關鍵指標、環節進行專題統計分析。

1）基礎功能：①二三維一體化瀏覽：提供地上地下瀏覽模式、圖層管理、視點管理等三維瀏覽等工具，輔助用戶靈活方便地了解地下管線三維空間分布的詳細狀況；②地上瀏覽：用戶可以從地面上方瀏覽三維場景，當進行透明度設置后，可以看到地面及地面下的地下管線模型等；③地下瀏覽：用戶可以從地面下方瀏覽三維場景，當進行透明度設置后，可以看到地面及地面上的建筑模型等；④視點管理：觀察者所處的位置定義為一點，叫視點，在三維系統中，視點不同，所看到的三維場景也不同。

2）搜索引擎。搜索引擎是根據門牌號、某小區或者商場等興趣點、道路、道路交叉口和軌道交通等搜索條件，實現地址在地圖上的定位服務。用戶可以查詢定位自己感興趣的目標點信息。

3）統計功能。一鍵掌握宏觀統計信息。以空間數據庫為基礎，設計軌道交通線路管理的指標看板，一覽軌道交通重要指標。指標看板與線路建設階段相關聯，從宏觀到微觀統計展示項目的投資金額、建設情況、資產情況和土地情況等。

2.3.2 業務系統

1）土地管理子系統。按照軌交線路記錄土地批準和移交情況，詳細記錄軌交線路的用地信息及土地利用的各類批文信息，形成詳細的土地資源臺賬和移交履歷。土地范圍按權屬調查報告精確落圖。土地移交履歷可查詢導出。

通過系統可以在土地利用前全方位了解地塊的原始地貌、地質情況、周邊道路、房屋建筑、地下管線情況，對土地利用成本進行估算，合理預估風險成本；用地過程中，對征借地手續進行梳理歸類，征借地嚴格遵守合同周期，減少額外的項目動態成本；對各類用地性質的地塊做限額設計，控制項目整體的用地成本。

2）車站三維實景子系統。軌道交通車站的三維空間數字化管理，可以為日常運營和管理提供權威、準確、直觀的決策依據。通過室外實景，清晰查看車站出入口分布和安全保護區范圍內相關建筑物情況。同時結合遙感影像資源，對保護區內房屋拆除、房屋搭建、堆土施工等可能影響線路安全的施工過程進行及時監測。室內實景，可通過分層平面圖明確權屬和分布狀況，摸清現狀和經營屬性，詳細記錄集團房屋建筑等資產的線路信息、使用單位、用房性質、租借期限、租借費用等信息，支持軌道交通車站的三維數字資產管理。此外，還可接入車站實時視頻，動態掌握車站客流信息，為應急安全保障提供支撐。

3）風險分析子系統。依托空間地理信息服務，摸清軌道交通車站及線路周邊一定范圍的現狀信息，包括土壤地質情況、建筑物、地下空間、樁基、建設施工、管線等情況，繼而建立風險評估與預警模型，對軌道交通車站及線路的安全情況進行評估，同時對可能存在的風險隱患進行預測預警，為軌道交通的安全健康運行提供支持。

4）視頻監控子系統。平臺通過接入軌道交通車站的多級視頻監控接口形成無縫集成，將所有的攝像頭的空間位置和監控方向與三維實景模型聚合，實現視頻實時監控，做到立體可視化，監控無盲區。

根據視頻系統獲得的視頻內容進行自動分析和事件報警，如發現軌道交通線路或車站周邊有違法建設施工等情況，系統自動報警，這能有效輔助管理員監測地鐵內部或周邊的安全。

4 結 語

本文主要對底座需求進行分析，設計了總體架構，對基礎空間地理服務、軌道交通專題數據和基于數字孿生的應用場景進行了研究與實踐，其中，基礎平臺層技術和條件相對成熟，感知層涉及各專業內容較多，本文對這兩部分不進行闡述。全面數字化轉型的目標要求下，軌道交通空間數字底座建設能夠整合覆蓋規劃、建設、運營和各專業管理的全面需求，有效促進各獨立專業系統的融合，能夠支撐實現上海軌道交通規劃建設一張圖、運營管理一盤棋的管理要求。