■ 尹毅 張衛(wèi)軍

鐵路GIS技術(shù)發(fā)展及在通信網(wǎng)維護管理中的應(yīng)用

■ 尹毅 張衛(wèi)軍

隨著我國鐵路事業(yè)的不斷發(fā)展，對鐵路通信網(wǎng)管理、設(shè)備維護水平也提出了更高的要求。鐵路通信網(wǎng)的維護管理具有專業(yè)化（一般按通信各專業(yè)分類管理）、區(qū)域化（總公司、鐵路局、通信段三級管理體制）等特點。作為當今科技發(fā)展的主流與熱門技術(shù)，地理信息技術(shù)（簡稱GIS技術(shù)）的專題性、區(qū)域性、可擴展性等技術(shù)特點與鐵路通信網(wǎng)維護管理特點有許多相似之處，目前，鐵路通信網(wǎng)各專業(yè)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)及信息類系統(tǒng)多數(shù)為表單式、邏輯圖式界面，缺少直觀方便的地圖化的管理界面，各專業(yè)系統(tǒng)間也缺乏直接有效的地理信息資源數(shù)據(jù)互通、共享手段。如果GIS技術(shù)能夠廣泛應(yīng)用在鐵路通信網(wǎng)維護管理之中，將可能帶來鐵路通信管理及維護水平的提升。

1 GIS系統(tǒng)

1.1 GIS技術(shù)概述

GIS系統(tǒng)是以地理空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的和動態(tài)的地理信息，為地理研究和地理決策服務(wù)的計算機技術(shù)系統(tǒng)。

GIS系統(tǒng)的發(fā)展起源于20世紀60年代，先后經(jīng)歷了三代技術(shù)發(fā)展。目前第三代GIS軟件技術(shù)已趨于成熟，不斷演化為WebGIS、組件化、元數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)共享、服務(wù)共享和GIS系統(tǒng)互連等系統(tǒng)表現(xiàn)形式，最終建立內(nèi)容和服務(wù)更加豐富的空間數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用系統(tǒng)。

目前我國GB系列中與GIS有關(guān)的標準主要是一些地理編碼標準，包括：GB 2260—1980《中華人民共和國行政區(qū)劃代碼》，GB/T 13923—1992《國土基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)分類與代碼》，GB 14804—1993《1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形圖要素分類與代碼》，GB/T 5660—1995《1∶5 000、1∶1 0000、1∶25 000、1∶100 000地形圖要素分類與代碼》等。

1.2 GIS系統(tǒng)分類

GIS系統(tǒng)按其內(nèi)容可以分為三大類：

（1）專題GIS系統(tǒng)（Thematic GIS），是具有有限目標和專業(yè)特點的GIS系統(tǒng)，為特定的專門目的服務(wù)。例如，森林動態(tài)監(jiān)測信息系統(tǒng)、水資源管理信息系統(tǒng)、礦業(yè)資源信息系統(tǒng)、農(nóng)作物估產(chǎn)信息系統(tǒng)、草場資源管理信息系統(tǒng)、水土流失信息系統(tǒng)等。

（2）區(qū)域信息系統(tǒng)（Regional GIS），主要以區(qū)域綜合研究和全面的信息服務(wù)為目標，可以有不同的規(guī)模，如國家級、地區(qū)或省級、市級和縣級等為各不同級別行政區(qū)服務(wù)的區(qū)域信息系統(tǒng)；也可以按自然分區(qū)或流域為單位的區(qū)域信息系統(tǒng)。

（3）GIS系統(tǒng)工具或GIS系統(tǒng)外殼（GIS Tools），是一組具有圖形圖像數(shù)字化、存儲管理、查詢檢索、分析運算和多種輸出等GIS系統(tǒng)基本功能的軟件包。它們或是專門設(shè)計研制的，或者在完成了實用GIS系統(tǒng)后抽取掉具體區(qū)域或?qū)ｎ}的地理系空間數(shù)據(jù)后得到的，具有對計算機硬件適應(yīng)性強、數(shù)據(jù)管理和操作效率高、功能強且具有普遍性的實用性信息系統(tǒng)。

1.3 GIS系統(tǒng)組成

一個完整的GIS系統(tǒng)主要由4個部分構(gòu)成，即計算機硬件系統(tǒng)、計算機軟件系統(tǒng)、地理數(shù)據(jù)（或空間數(shù)據(jù)）和系統(tǒng)管理操作人員。其核心部分是計算機系統(tǒng)（軟件和硬件），空間數(shù)據(jù)反映GIS的地理內(nèi)容，而管理人員和用戶則決定系統(tǒng)的工作方式和信息表示方式。系統(tǒng)構(gòu)成見圖1。

1.4 GIS系統(tǒng)共通性分析

各行各業(yè)的GIS應(yīng)用都存在著或多或少的共性和可參考性。

從GIS技術(shù)的應(yīng)用范圍上分析，大部分通用GIS技術(shù)應(yīng)用的范圍都比較廣泛。比如：地圖控制、地圖標繪、地標屬性查詢、快速定位、業(yè)務(wù)圖層展示等功能幾乎在所有的GIS應(yīng)用系統(tǒng)中都有體現(xiàn)。例如軌跡跟蹤功能應(yīng)用于電力線路巡檢、燃氣綜合管理、城市地下管線運行突發(fā)事件領(lǐng)導決策支持、GIS貨物運輸管理、重大動物疫病應(yīng)急指揮等系統(tǒng)。緩沖區(qū)分析、專題圖展示等功能在各個GIS系統(tǒng)中也均有體現(xiàn)，但實際業(yè)務(wù)分析模型依據(jù)各行業(yè)需求個性化制定。二維場景分析（距離測算、面積測算、路徑分析）應(yīng)用于大部分系統(tǒng)。三維場景分析（坡度分析、高程分析、視域分析）可應(yīng)用于電信網(wǎng)絡(luò)資源管理、跨界河流地區(qū)綜合信息應(yīng)用系統(tǒng)等。

從應(yīng)用業(yè)務(wù)上分析，各行業(yè)的業(yè)務(wù)模型和鐵路行業(yè)應(yīng)用也存在很多相似的地方。如：電力線路巡檢業(yè)務(wù)與鐵路線設(shè)備巡檢業(yè)務(wù)相似，都涉及了線路查詢、巡檢軌跡跟蹤等業(yè)務(wù)功能；電信網(wǎng)絡(luò)資源業(yè)務(wù)與鐵路資源業(yè)務(wù)管理相似，涉及設(shè)備分布、設(shè)備定位、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等業(yè)務(wù)功能；三維數(shù)字北京系統(tǒng)與應(yīng)急指揮系統(tǒng)業(yè)務(wù)相似，涉及應(yīng)急搶險、事故區(qū)域分析、人員物資調(diào)度等業(yè)務(wù)功能。

圖1 GIS系統(tǒng)構(gòu)成

絕大部分GIS系統(tǒng)都是與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)互聯(lián)互通的。GIS系統(tǒng)的核心是各類相關(guān)數(shù)據(jù)接入后的展示和時空分析。如上面提到的跨界河流地區(qū)綜合信息應(yīng)用平臺，與水文、土壤、氣象等系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)河流、水系時空與水量情況的綜合分析；三維數(shù)字北京地理信息系統(tǒng)通過與城市監(jiān)控系統(tǒng)對接，實現(xiàn)在電子地圖上實時查看監(jiān)控視頻的功能；重大動物疫病應(yīng)急指揮系統(tǒng)通過與移動應(yīng)用系統(tǒng)對接，實現(xiàn)現(xiàn)場人員車輛行動軌跡的跟蹤，通過與動物養(yǎng)殖防疫信息系統(tǒng)對接，實現(xiàn)根據(jù)區(qū)域獲取養(yǎng)殖、防疫相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，輔助應(yīng)急決策。因此，一個完善的GIS系統(tǒng)應(yīng)該盡可能多的獲取各種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，來豐富空間分析的元數(shù)據(jù)。同時，也應(yīng)能夠向外部提供數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)，為其他GIS系統(tǒng)提供行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

也正因為GIS系統(tǒng)的這些共通性，使現(xiàn)有鐵路GIS系統(tǒng)的技術(shù)改進與擴展應(yīng)用成為可能。

2 鐵路GIS系統(tǒng)發(fā)展

2.1 系統(tǒng)概述

現(xiàn)有的鐵路GIS系統(tǒng)于2009年正式在全路投入使用，系統(tǒng)建設(shè)之初的主要目的是建立跨局長大交路行車車載設(shè)備的頻率、工作制式切換數(shù)據(jù)庫，保障列車運行安全。系統(tǒng)集中管理機車通信設(shè)備所用地理信息數(shù)據(jù)，制定了全路統(tǒng)一的地理信息數(shù)據(jù)版本，為機車調(diào)度通信在全路實現(xiàn)自動頻率制式切換提供標準的數(shù)據(jù)源。同時，通過采集全國鐵路沿線地理信息數(shù)據(jù)（地理坐標、經(jīng)緯度等），匯總機車通信設(shè)備屬性數(shù)據(jù)，建立全國統(tǒng)一的鐵路線路地理信息數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

經(jīng)過不斷地發(fā)展與數(shù)次升級改造，截至2013年6月，已經(jīng)存儲全國鐵路線路及相關(guān)數(shù)據(jù)約83 000 km，基本涵蓋全國所有的高速鐵路、客運專線等重要線路及鐵路線相關(guān)興趣點數(shù)據(jù)。系統(tǒng)軟件界面見圖2。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)成

現(xiàn)有鐵路GIS系統(tǒng)由中國鐵路總公司和鐵路局兩級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成?？偣炯壈偣緮?shù)據(jù)管理服務(wù)器、總公司數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，鐵路局級包含鐵路局數(shù)據(jù)管理服務(wù)器、采集管理器、數(shù)據(jù)采集終端等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。

2.3 技術(shù)改進方案

現(xiàn)有鐵路GIS系統(tǒng)存在著應(yīng)用方式較少（目前僅應(yīng)用于CIR設(shè)備），數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)主要為CIR設(shè)備運用定制，無法滿足多業(yè)務(wù)擴展應(yīng)用需求，系統(tǒng)設(shè)備軟、硬件擴展能力有限等問題。隨著鐵路業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，鐵路系統(tǒng)各專業(yè)特別是通信維護管理對本系統(tǒng)提出了更多的應(yīng)用需求。經(jīng)過調(diào)查研究，可對現(xiàn)有GIS系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)及功能性升級調(diào)整。

圖2 鐵路GIS系統(tǒng)軟件界面

圖3 鐵路GIS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3.1 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)改進

現(xiàn)有鐵路GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫建構(gòu)為單一架構(gòu)，所有的基礎(chǔ)線路數(shù)據(jù)及用戶數(shù)據(jù)均存儲于同一層面的數(shù)據(jù)庫中，興趣點增、刪、改均需要對系統(tǒng)進行升級改造，不利于系統(tǒng)的擴展應(yīng)用。因此建議將系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫修改為多層結(jié)構(gòu)，即用戶（專業(yè)）數(shù)據(jù)庫與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫分離，這樣做既有利于系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫升級改造，也有利于各類數(shù)據(jù)的安全保密，不同層級用戶可分層管理，分配不同的層級權(quán)限。改進后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫架構(gòu)見圖4。

2.3.2 系統(tǒng)軟硬件架構(gòu)改進

隨著軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，系統(tǒng)規(guī)劃進行數(shù)據(jù)庫容量升級，提高數(shù)據(jù)采集設(shè)備的操作系統(tǒng)擴展性，對數(shù)據(jù)管理設(shè)備的硬件升級，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持增量更新、無線更新。

同時，系統(tǒng)所支持的終端將多樣化，可定制化，運用范圍更廣，不僅限于現(xiàn)有CIR通信設(shè)備。系統(tǒng)具備標準化的地理信息數(shù)據(jù)接口，可與其他通信管理信息系統(tǒng)進行系統(tǒng)間互聯(lián)互通，實現(xiàn)業(yè)務(wù)互通、資源共享。改進后的系統(tǒng)架構(gòu)見圖5。

現(xiàn)有鐵路GIS系統(tǒng)的升級改造，將為GIS技術(shù)更好地運用在鐵路通信維護管理中提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)和可靠保障。

3 GIS技術(shù)在通信維護管理中的應(yīng)用

3.1 通信網(wǎng)資源管理

3.1.1 原理概述

圖4 改進后的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

圖5 改進后的系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 基于GIS技術(shù)的通信設(shè)備資源信息查詢

如圖6所示，GSM-R無線基站、鐵塔、無線列調(diào)電臺、區(qū)間通話柱、沿線光纜等各類通信設(shè)備的位置信息均可存儲在信息系統(tǒng)中，鐵路GIS系統(tǒng)再通過標準化的通信接口，依據(jù)設(shè)備名稱、線路名稱、維護單位等關(guān)鍵字段索引，可與現(xiàn)有的鐵路通信設(shè)備履歷管理系統(tǒng)等通信設(shè)備的資源信息系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)及共享。

通信維護人員可通過地圖展示查詢、關(guān)鍵字查詢、興趣點相關(guān)性查詢等多種查詢手段，及時了解通信設(shè)備的設(shè)備名稱、固定資產(chǎn)值、大修年限、歸屬維護單位、包機人、聯(lián)系方式、詳細地址等多種維護管理信息。

3.1.2 應(yīng)用場景

場景一：某通信段技術(shù)管理人員，接到上級主管部門防汛通知電報后，通過WEB查詢頁面，查詢了解到某線路歸屬的名稱為ABC的GSM-R無線基站為防洪重點設(shè)備，歸A車間維護，及時通過聯(lián)系人查詢功能，及時通知維護人員王某注意該設(shè)備近期防汛工作。

場景二：某路通信設(shè)備管理人員，通過鐵路GIS系統(tǒng)頁面查詢對比歸類功能，發(fā)現(xiàn)管內(nèi)部分地理位置接近的沿線通信設(shè)備均接近大修年限，依據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計功能，統(tǒng)一提報這些設(shè)備的大修計劃，并通過GIS系統(tǒng)及時更新設(shè)備維修情況等信息。

3.2 通信設(shè)備故障管理

3.2.1 原理概述

鐵路局管內(nèi)所有沿線通信設(shè)備，如高速鐵路沿線基站鐵塔設(shè)備等，可通過采集地理信息數(shù)據(jù)點，存儲于鐵路GIS系統(tǒng)。通過與GIS系統(tǒng)與綜合網(wǎng)管系統(tǒng)、專業(yè)設(shè)備網(wǎng)管的標準化接口互聯(lián)，可實時以地圖形式呈現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的運行狀況。一旦發(fā)生緊急設(shè)備故障，綜合網(wǎng)管或?qū)I(yè)設(shè)備網(wǎng)管實時發(fā)出設(shè)備故障告警，并以直觀的地圖形式呈現(xiàn)在通信網(wǎng)管人員面前。并且通過第三方短信或數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)接口，及時通知各級相關(guān)人員做好設(shè)備搶修工作。基于GIS技術(shù)的通信設(shè)備故障管理平臺見圖7。

3.2.2 應(yīng)用場景

某鐵路局網(wǎng)管中心值班人員正在進行夜間值班，突然基于GIS技術(shù)的圖形化通信設(shè)備搶修系統(tǒng)網(wǎng)管發(fā)出了聲光告警，提示某高鐵線路區(qū)間基站發(fā)生故障，無法進行遠程管理。值班人員通過圖形化的網(wǎng)管界面查詢到該基站屬于高鐵線路重點防護基站，且沿線周邊未發(fā)現(xiàn)其他傳輸?shù)仍O(shè)備的異常告警，也無地質(zhì)災(zāi)害預警，因此初步判斷屬于單點設(shè)備故障，立即將設(shè)備故障情況上報上級調(diào)度，并組織相關(guān)單位進行故障搶修。

與此同時，負責該基站設(shè)備維修的通信段維護人員已經(jīng)接到系統(tǒng)自動發(fā)送的故障告警提示，與網(wǎng)管人員確認情況后，立即攜帶搶修設(shè)備并發(fā)動搶修車，打開裝載在手機上的專業(yè)通信設(shè)備導航軟件，及時趕到故障點，排除設(shè)備故障。

依據(jù)故障設(shè)備的重要性等級信息設(shè)置，系統(tǒng)還可在設(shè)備故障發(fā)生時，通過短信等形式及時通知通信段相對應(yīng)的主管領(lǐng)導，使領(lǐng)導可以及時掌握故障設(shè)備地理位置、搶修情況等信息。

3.3 作業(yè)監(jiān)控與安全防護

3.3.1 原理概述

圖7 基于GIS技術(shù)的通信設(shè)備故障管理平臺

鐵路通信現(xiàn)場設(shè)備維護作業(yè)主要是圍繞鐵路沿線各類設(shè)備開展，鐵路GIS系統(tǒng)已經(jīng)存儲絕大部分鐵路線的詳細地理信息數(shù)據(jù)，通過維護人員攜帶的手持GPS定位設(shè)備，可以實時地了解維護人員位置信息，以及維護人員與鐵路沿線、通信設(shè)備的位置關(guān)系信息。通過系統(tǒng)設(shè)置的地理信息邏輯程序，可隨時監(jiān)控掌握維護人員作業(yè)情況，并可及時發(fā)現(xiàn)侵入鐵路線內(nèi)等危及列車行駛及人員生命安全的作業(yè)安全隱患。系統(tǒng)原理見圖8。

3.3.2 應(yīng)用場景

場景一：某通信段主管通過定制化的GIS系統(tǒng)，可了解一段時期內(nèi)之前工區(qū)維護人員的關(guān)鍵作業(yè)實際線路軌跡，以及是否所有需巡檢的設(shè)備都已有維護人員經(jīng)過。并通過上報的維護作業(yè)記錄，進行時間、地點、任務(wù)的綜合比對，及時掌握設(shè)備維修作業(yè)情況，發(fā)現(xiàn)實際上可能漏檢的通信設(shè)備，杜絕人為漏檢設(shè)備等問題。

場景二：某通信段維護人員正在攜帶具備GPS定位功能的作業(yè)終端進行線路天窗點維修作業(yè)，原定該作業(yè)無需上道施工，但是GIS系統(tǒng)軟件卻通過將作業(yè)人員定位信息與鐵路線定位信息進行實時比對，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)人員位置已進入鐵路線限界范圍，判斷可能發(fā)生人員侵線作業(yè)，及時發(fā)出聲光告警并通知調(diào)度值班人員，調(diào)度值班人員及時與現(xiàn)場人員聯(lián)系，確認確有超范圍、超計劃施工情況，立即命令現(xiàn)場人員撤離鐵路限界范圍，避免了一起可能發(fā)生的鐵路重大責任事故。

4 結(jié)束語

近年來，基于地理位置信息的各類行業(yè)應(yīng)用發(fā)展得如火如荼，地理信息技術(shù)已經(jīng)逐步滲透至各行各業(yè)，并對各行業(yè)發(fā)展產(chǎn)生了巨大的積極影響。作為站在世界鐵路技術(shù)頂尖行列的中國，在鐵路通信維護管理中，更應(yīng)該有效地利用先進的可擴展性強的GIS技術(shù)，全面提升通信設(shè)備維護管理水平，為中國鐵路事業(yè)發(fā)展作出更多的貢獻。

[1] GB 14804—1993 1∶500、1∶1 000、1∶2000地形圖要素分類與代碼[S].

[2] GB/ T 5660—1995 1∶5 000、1∶10 000、1∶25 000、1∶100 000地形圖要素分類與代碼[S].

[3] 張康聰. 地理信息系統(tǒng)導論[M]. 北京：科學出版社，2006.

[4] 吳信才. MAPGIS地理信息系統(tǒng)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[5] 劉湘南，黃方，王平. GIS空間分析原理與方法[M]. 2版. 北京：科學出版社，2008.

圖8 圖形化通信維修作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)示意

尹 毅：北京鐵路通信技術(shù)中心，工程師，北京，100038

張衛(wèi)軍：北京鐵路通信技術(shù)中心，高級工程師，北京，100038

責任編輯 陳曉云