令永春，吳云天，陳云峰，閔永智

（1.蘭州鐵路局，高級(jí)工程師；2.蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，副教授；甘肅 蘭州 730070）

隧道是鐵路的咽喉區(qū)域，一旦在隧道發(fā)生安全事故，后果極其嚴(yán)重。隨著我國(guó)鐵路向著“高速、重載”方向發(fā)展，鐵路隧道越來(lái)越多，越來(lái)越長(zhǎng)，為了及時(shí)掌握隧道的安全運(yùn)營(yíng)狀況，近年來(lái)在各個(gè)隧道安裝了各種隧道安全監(jiān)測(cè)設(shè)施。鐵路分布式隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、分析、掌握隧道安全現(xiàn)狀，有效地協(xié)助鐵路運(yùn)營(yíng)部門(mén)掌握了解鐵路隧道總體安全狀況及其變化發(fā)展趨勢(shì)，為有效應(yīng)對(duì)鐵路隧道安全事故打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。由于各個(gè)在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相互獨(dú)立，無(wú)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式和系統(tǒng)規(guī)范，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息共享，難以形成一個(gè)全面反映鐵路隧道安全狀況的完整監(jiān)控體系。其次，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)果一般還需人工分析，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且還容易由主觀因素造成錯(cuò)誤，無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)分析〔1，2〕。從而導(dǎo)致高層管理決策用戶對(duì)于緊急安全事故無(wú)法及時(shí)響應(yīng)并做出正確決策?？梢?jiàn)，解決目前各隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中由于信息共享困難及交換障礙造成的信息孤島問(wèn)題，是隧道安全監(jiān)測(cè)信息共享中急需解決的技術(shù)難題。

由此，本文基于已測(cè)試運(yùn)行的烏鞘嶺隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中分布式隧道安全監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的架構(gòu)，研究隧道安全監(jiān)測(cè)信息的集成與共享，以及時(shí)空聯(lián)合建模表達(dá)等關(guān)鍵問(wèn)題。其中信息共享是隧道安全在線監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)的核心功能模塊，將為隧道運(yùn)營(yíng)部門(mén)提供隧道安全在線監(jiān)測(cè)的信息管理、結(jié)果分析和數(shù)據(jù)可視化等決策支持服務(wù)。

1 隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型與信息元數(shù)據(jù)

1.1 隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)類型 由于分布式隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由各種監(jiān)測(cè)設(shè)備構(gòu)成，其數(shù)據(jù)格式各不相同，為了有效地融合異構(gòu)隧道安全監(jiān)測(cè)設(shè)施，這里對(duì)由前端設(shè)備采集來(lái)的隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理使用了以下2種基本類型。

1）隧道安全基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括隧道運(yùn)營(yíng)中常規(guī)安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和其它必須的輔助基礎(chǔ)信息。

2）隧道安全監(jiān)測(cè)輸入數(shù)據(jù)。由各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)是安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要的分析對(duì)象。

由于各種隧道安全要素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性，因而與一般數(shù)據(jù)的共享與集成有所不同。首先，從隧道安全在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集成本身來(lái)講，全系統(tǒng)沒(méi)有統(tǒng)一的模式，因此無(wú)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析和高階應(yīng)用。其次，由于隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的多樣性、多維和海量性，并且還存在大量的多對(duì)多或一對(duì)多關(guān)系，使得以文件為主的管理方式根本無(wú)法滿足要求，還造成大量存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)，這給其數(shù)據(jù)的應(yīng)用造成困難。最后，由于隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)還具有地理特性，為此可以按地理空間位置將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織。

為此，本文將安全信息元數(shù)據(jù)〔3〕、時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理引擎和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)等技術(shù)引入隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息集成與共享中去，以解決目前隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獨(dú)立，互不兼容的集成及管理方式。

1.2 隧道安全監(jiān)測(cè)信息元數(shù)據(jù) 隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的目的就是建立信息共享規(guī)范，建立合理的資源描述，而資源描述主要依靠元數(shù)據(jù)。元數(shù)據(jù)也即“關(guān)于數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)”，是說(shuō)明數(shù)據(jù)內(nèi)容、質(zhì)量、狀況和其它有關(guān)特征的背景信息。隧道安全在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其元數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)包括：

1）隧道安全在線監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)規(guī)范，包括隧道安全環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和安全監(jiān)測(cè)分析方法標(biāo)準(zhǔn)等。

2）隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信規(guī)范。規(guī)范隧道安全監(jiān)測(cè)信息交換與傳輸中的格式、協(xié)議等內(nèi)容：一是數(shù)據(jù)采集終端與系統(tǒng)之間通信以及監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。用于解決安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)、傳輸協(xié)議和數(shù)據(jù)格式互不相同的問(wèn)題。二是安全監(jiān)控系統(tǒng)與其它管理系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。

2 隧道安全監(jiān)測(cè)信息元數(shù)據(jù)庫(kù)

2.1 隧道安全監(jiān)測(cè)信息元數(shù)據(jù)分析 隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)對(duì)象是對(duì)隧道安全監(jiān)測(cè)信息和反映這一信息的輔助信息等。該系統(tǒng)依據(jù)表示深度和抽象層次等不同的概念，完全可以把相應(yīng)的數(shù)據(jù)劃分相關(guān)的核心數(shù)據(jù)、相關(guān)的依賴數(shù)據(jù)、相關(guān)的地理支持?jǐn)?shù)據(jù)和相關(guān)性數(shù)據(jù)。其中，相關(guān)的核心數(shù)據(jù)指系統(tǒng)采集的監(jiān)測(cè)信息與基本信息等內(nèi)容；而表達(dá)核心數(shù)據(jù)時(shí)所須的輔助數(shù)據(jù)即為相關(guān)的依賴數(shù)據(jù)。對(duì)于一個(gè)具體的數(shù)據(jù)樣本，例如對(duì)隧道安全監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)，隧道安全監(jiān)測(cè)因子的數(shù)據(jù)為核心層；其相應(yīng)的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)等必要信息則為依賴數(shù)據(jù)；另外，相應(yīng)區(qū)域的基本信息等信息為地理支持?jǐn)?shù)據(jù)及其相關(guān)數(shù)據(jù)。

基于隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集的類型、學(xué)科分類及時(shí)空特點(diǎn)等，本文從以下方面進(jìn)行信息規(guī)劃并建立元數(shù)據(jù)表。一是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及其編碼就是相應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)。系統(tǒng)依據(jù)環(huán)境的實(shí)際情況，需要對(duì)各個(gè)指標(biāo)建立必要的約束信息表。二是規(guī)劃空間要素。系統(tǒng)需要對(duì)空間信息編碼分類，其依據(jù)是根據(jù)現(xiàn)有管理方法和模式，建立其地理支持信息所需要的結(jié)構(gòu)表，并根據(jù)該結(jié)構(gòu)表對(duì)應(yīng)的安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)加上相應(yīng)的特征代碼采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)、管理單位等信息才能實(shí)現(xiàn)其分類。三是建立所需各類數(shù)據(jù)的相關(guān)性說(shuō)明，包括系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口及數(shù)據(jù)有效性等。

2.2 元數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì) 利用層次化結(jié)構(gòu)，建立面向?qū)ο髷?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)元數(shù)據(jù)庫(kù)。元數(shù)據(jù)作為系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)形式，應(yīng)用于隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中所有環(huán)節(jié)。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)是隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的核心數(shù)據(jù)，也是該系統(tǒng)中變化最為頻繁的內(nèi)容，包括隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)維護(hù)記錄、系統(tǒng)報(bào)表、運(yùn)行情況等內(nèi)容。隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括隧道安全監(jiān)測(cè)站點(diǎn)信息、監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息、監(jiān)測(cè)管理報(bào)表數(shù)據(jù)及其所在相應(yīng)環(huán)境的輔助信息等。圖形數(shù)據(jù)庫(kù)包括基礎(chǔ)線路布局圖、隧道結(jié)構(gòu)分布圖、隧道功能區(qū)域劃分及根據(jù)管理要求生成的所有專項(xiàng)的專題圖等。參數(shù)集包括系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)接口及各類相關(guān)數(shù)據(jù)分析模型所需的參數(shù)。

其中，隧道安全監(jiān)測(cè)圖形數(shù)據(jù)和隧道安全監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一方面通過(guò)元數(shù)據(jù)形式建立內(nèi)部相關(guān)聯(lián)的組織結(jié)構(gòu)，另一方面又共同作為基礎(chǔ)，供動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)使用，表示它們之間所對(duì)應(yīng)的時(shí)空關(guān)系。

3 鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)

鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)信息中初始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以通過(guò)參照空間坐標(biāo)系與地圖相關(guān)聯(lián)，具有時(shí)空特性、更簡(jiǎn)單而高效的共享和表達(dá)。本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)針對(duì)鐵路隧道安全信息的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，集信息采集、存儲(chǔ)、檢索、分析處理和輸出系統(tǒng)化于一體，能夠提供多種檢索與查詢方法，為鐵路隧道管理部門(mén)提供可靠的決策依據(jù)，并為鐵路不同部門(mén)提供所需的信息。

傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的空間數(shù)據(jù)具有特殊性，不具備直接支持功能?，F(xiàn)有解決方法是通過(guò)把空間數(shù)據(jù)類型置入關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，以對(duì)象的形式在已有關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中存在，改進(jìn)系統(tǒng)相關(guān)功能。這種改進(jìn)的系統(tǒng)通常稱為對(duì)象關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，能夠達(dá)到對(duì)屬性、空間等地理數(shù)據(jù)一體化管理的目的，關(guān)鍵技術(shù)是在邏輯層次上增加了一個(gè)空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理引擎。該引擎可以將操作和空間數(shù)據(jù)進(jìn)行抽象，提供對(duì)鐵路隧道線路信息的存儲(chǔ)、組織，提供對(duì)鐵路隧道線路信息的操作和高效查詢，同時(shí)對(duì)鐵路隧道線路各類信息進(jìn)行數(shù)據(jù)定義和描述〔4〕。

從結(jié)構(gòu)上分析，鐵路隧道信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)分為數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用層、數(shù)據(jù)庫(kù)引擎層、數(shù)據(jù)源層共3層（見(jiàn)圖1），而且使用空間數(shù)據(jù)庫(kù)引擎（SDE）和結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言服務(wù)（SQL Server）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 空間數(shù)據(jù)庫(kù)層次化結(jié)構(gòu)模型

數(shù)據(jù)庫(kù)引擎層中的空間服務(wù)器能夠在所有資料和用戶之間提供接口，這樣用戶可以非常方便地獲取屬性資料、空間資料和其它的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（DBMS）的資料，這些功能采用SDE技術(shù)，將每一個(gè)空間物體作為一個(gè)對(duì)象，對(duì)象數(shù)據(jù)模型是不含拓?fù)溥壿嫷暮瓦B續(xù)的。

采用層次化結(jié)構(gòu)進(jìn)行分層，還可以在縱向上將圖形分為鐵路隧道線路層、鐵路隧道安全參數(shù)層、鐵路隧道監(jiān)測(cè)站點(diǎn)層等，而且系統(tǒng)只需一次磁盤(pán)存取就能檢索出空間對(duì)象的幾何資料。采用SDE技術(shù)，可以將每種形狀的對(duì)象組成一個(gè)形狀表，并以記錄的形式存儲(chǔ)，空間幾何資料存儲(chǔ)在DBMS中的二進(jìn)制數(shù)據(jù)塊對(duì)象類型的字段中。

4 鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)

本文針對(duì)鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)信息的特性，設(shè)計(jì)了鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2）。在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的概念的基礎(chǔ)上〔5〕，系統(tǒng)融合了多種相關(guān)技術(shù)，包括鐵路隧道數(shù)據(jù)源、鐵路隧道數(shù)據(jù)準(zhǔn)備(抽取、轉(zhuǎn)換和裝載）、鐵路隧道元數(shù)據(jù)、鐵路隧道數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)工具等。鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)需要對(duì)初始信息進(jìn)行抽取、過(guò)濾、轉(zhuǎn)換和裝載，并進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，信息來(lái)源于多個(gè)相關(guān)的專業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，由一個(gè)統(tǒng)一的前臺(tái)界面管理。鐵路隧道元數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)存儲(chǔ)鐵路隧道數(shù)據(jù)模型、定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)換規(guī)劃、倉(cāng)庫(kù)結(jié)構(gòu)、控制信息等多種功能，是數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的核心。

圖2 鐵路隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

基于以上的研究成果，我們實(shí)現(xiàn)了隧道安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息集成共享的方法。系統(tǒng)包括6個(gè)模塊：人員管理、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示模塊、信息交換模塊、信息發(fā)布模塊和后臺(tái)管理模塊。系統(tǒng)以隧道安全監(jiān)測(cè)信息空間數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)隧道安全數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、管理、分析及發(fā)布等基本功能，從而為維護(hù)人員提供了數(shù)據(jù)可視化服務(wù)。系統(tǒng)具有以下主要功能特點(diǎn)：

1）實(shí)時(shí)顯示基礎(chǔ)特征信息。在線路及隧道電子地圖上，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，顯示出各特征參數(shù)的基礎(chǔ)屬性信息和空間信息。

2）控制圖層的轉(zhuǎn)換?？梢詫?duì)已有圖層進(jìn)行管理，修改各種格式的矢量圖層和影像圖層，控制圖層顯示的范圍。

3）數(shù)據(jù)查詢。對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互式查詢，主要采用簡(jiǎn)單查詢和SQL復(fù)雜查詢兩種形式，其中包括屬性查詢、空間查詢和自動(dòng)切換查詢。

4）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的評(píng)判指標(biāo)。

5）圖形可視化。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果生成各類統(tǒng)計(jì)圖和專題圖，并輸出。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了基于隧道安全監(jiān)測(cè)信息元數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理引擎的集成方法，以隧道安全系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)為基礎(chǔ)，解決隧道安全監(jiān)測(cè)信息的共享與數(shù)據(jù)可視化問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了隧道安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)的核心功能，為維護(hù)部門(mén)提供隧道安全監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)管理、分析和可視化等決策支持服務(wù)。為進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)隧道安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。因此，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)作為一個(gè)面向主題的、集成的、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)集合，非常適合應(yīng)用于隧道安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。

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