胥昊

基于地理信息系統(tǒng)的軌道交通數(shù)據(jù)集成方法研究

胥昊

(中國鐵道科學(xué)研究院通信信號研究所北京100081)

針對城市軌道交通安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)，以其中的地理信息系統(tǒng)作為前端的主應(yīng)用，分析系統(tǒng)內(nèi)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方法的研究現(xiàn)狀。面向結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提出基于XML中間件的數(shù)據(jù)集成方法;而對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則提出基于信息提取和XML封裝的集成方法，從而實現(xiàn)在地理信息系統(tǒng)平臺中實時展示的數(shù)據(jù)直接通過中間件進行調(diào)用，為異構(gòu)數(shù)據(jù)集成后的應(yīng)用，特別是數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用提供可靠的保障。

城市軌道交通;安全生產(chǎn)系統(tǒng);地理信息系統(tǒng);異構(gòu)數(shù)據(jù);XML中間件

1 城市軌道交通安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城市軌道交通系統(tǒng)中各專業(yè)和運輸生產(chǎn)中的新技術(shù)、新裝備被廣泛應(yīng)用。城市軌道交通各專業(yè)工種的生產(chǎn)組織、經(jīng)營管理、安全管理、應(yīng)急指揮等也因此不斷地變化，城市軌道交通信息化已成為推動城市軌道交通提升生產(chǎn)經(jīng)營管理水平最重要、最核心的手段。然而由于各專業(yè)系統(tǒng)自身的信息化發(fā)展程度不平衡，在專業(yè)內(nèi)形成垂直化管理，從而相對獨立、自成體系，另外各專業(yè)系統(tǒng)間信息資源共享程度不高，沒有形成全局高度集中統(tǒng)一的信息平臺［1-2］，在一定程度上制約了“大運輸”的協(xié)調(diào)發(fā)展與管理創(chuàng)新，也不利于各類突發(fā)事件的應(yīng)急集中指揮。

為更好地發(fā)揮信息資源的作用，提高信息化保障水平，科學(xué)利用、擴充信息網(wǎng)絡(luò)，合理整合信息資源，形成全局網(wǎng)絡(luò)和信息資源共享，實現(xiàn)關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)全過程網(wǎng)上實時監(jiān)控、非正常情況和事故搶險全過程網(wǎng)上指揮、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行和效率效益指標(biāo)全面分析等功能，實時監(jiān)控安全生產(chǎn)重要信息和信息處理追蹤，就必須加快開展信息資源整合，建成覆蓋全局、功能完善、高度共享的信息共享平臺［3］，充分利用既有的計算機網(wǎng)絡(luò)安全平臺功能，綜合采用網(wǎng)絡(luò)隔離、多層交換、虛擬局域網(wǎng)、現(xiàn)代密碼、身份識別、網(wǎng)絡(luò)防火墻、入侵診斷和病毒防護等技術(shù)，確保城市軌道交通安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)的可靠性、可用性、保密性、完整性、真實性和可控性。

在系統(tǒng)頂層應(yīng)用中，將采用先進的地理信息系統(tǒng)，將城市軌道交通基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的空間信息與其相關(guān)屬性信息結(jié)合，為城市軌道交通車、機、工、電、輛等各專業(yè)部門信息系統(tǒng)提供GIS(地理信息系統(tǒng))數(shù)據(jù)服務(wù)和GIS功能服務(wù)，實現(xiàn)城市軌道交通基礎(chǔ)地理信息檢索、統(tǒng)計、分析等功能［4］。

2 數(shù)據(jù)集成概述

所謂數(shù)據(jù)集成是指針對結(jié)構(gòu)不同、用途不同、特征及性質(zhì)不同的數(shù)據(jù)，通過一定的技術(shù)手段實現(xiàn)在物理上的集中或邏輯上的集中，從而為企業(yè)提供全面數(shù)據(jù)融合的過程或者系統(tǒng)。數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的核心任務(wù)是對各種應(yīng)用系統(tǒng)的信息進行標(biāo)準(zhǔn)化或者規(guī)范化［5-6］處理。集成的原則是既要保持數(shù)據(jù)被集成后的副本與源數(shù)據(jù)的一致性，提高信息共享率，又要讓應(yīng)用層無需關(guān)心對異構(gòu)數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)調(diào)用的具體方法。實現(xiàn)這些功能的系統(tǒng)稱作數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，它為用戶提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)源接口協(xié)議，執(zhí)行應(yīng)用系統(tǒng)對數(shù)據(jù)源的訪問請求。只有解決數(shù)據(jù)集成這個階段，才能為其他諸如信息查詢、信息共享和挖掘應(yīng)用等服務(wù)提供基礎(chǔ)。

2.1 數(shù)據(jù)集成的難點

1)異構(gòu)性:在數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)中所要集成的數(shù)據(jù)源異構(gòu)性非常強。從數(shù)據(jù)類型、數(shù)值的表示方法、數(shù)據(jù)的取值范圍、數(shù)據(jù)語義等方面看，各個數(shù)據(jù)源均有不同的地方，這種多方位的異構(gòu)性給集成工作帶來很大的困難［7］。

2)分布性:根據(jù)前文所述，城市軌道交通企業(yè)的管理越來越傾向于跨地區(qū)、跨行業(yè)，由此而引發(fā)的信息系統(tǒng)必然也是分布式的，這種分布式不單指地理上的分布，在網(wǎng)絡(luò)拓撲上也存在著分布。數(shù)據(jù)源和數(shù)據(jù)存儲點分布在網(wǎng)絡(luò)拓撲的不同結(jié)點上，對數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的性能提出了較高的要求，沖突和數(shù)據(jù)副本的一致性等問題也隨之而來。

3)自治性:數(shù)據(jù)源系統(tǒng)本身有很強的自治性要求，使得在考慮系統(tǒng)集成的時候必須考慮保持原有系統(tǒng)的完整性。這個特點在城市軌道交通信息化系統(tǒng)中的表現(xiàn)尤為突出，例如瓦斯監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)國家規(guī)定，該系統(tǒng)必須自治，因此不能輕易地改變其系統(tǒng)內(nèi)的體系結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)，這給數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)的開放性和健壯性帶來了極大的困難［8］。

2.2 城市軌道交通安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)集成難點

1)各應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)量級非常大;

2)各應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)庫沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和通信協(xié)議;

3)各應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)不可以通過改變自身的設(shè)計來適應(yīng)統(tǒng)一集成;

4)各類數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是異構(gòu)的;

5)各數(shù)據(jù)庫之間是獨立的并且要求強自治性。

城市軌道交通生產(chǎn)企業(yè)所建立信息系統(tǒng)都是縱向獨立的，而橫向沒有信息交換，比如作為城市軌道交通安全生產(chǎn)重要保障手段的列車運行狀態(tài)信息系統(tǒng)、雨量監(jiān)測系統(tǒng)、車輛智能軸溫探測系統(tǒng)、車輛運行品質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、車輛滾動軸承軌邊故障聲學(xué)診斷系統(tǒng)、車輛故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)、車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)、客運超偏載檢測監(jiān)控系統(tǒng)、軌道衡計量檢測系統(tǒng)、危險貨物運輸安全監(jiān)控系統(tǒng)和城市軌道交通信息系統(tǒng)安全運行監(jiān)控系統(tǒng)等安全避險系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及相關(guān)設(shè)備產(chǎn)生大量的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與實時控制參數(shù)，對生產(chǎn)流程的實時控制、安全生產(chǎn)、業(yè)務(wù)分析等具有重要意義［9］。實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)有效性除了與數(shù)據(jù)正確性相關(guān)之外，還與數(shù)據(jù)的實時性關(guān)系密切。數(shù)據(jù)需要在其有效期內(nèi)被合理利用，對數(shù)據(jù)的存儲和檢索的實時性要求是非常嚴(yán)格的。因此對實時數(shù)據(jù)進行快速存儲和處理的實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)應(yīng)運而生。這種數(shù)據(jù)庫是傳統(tǒng)的實時系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，經(jīng)過近年的快速發(fā)展，已經(jīng)成為城市軌道交通企業(yè)分析信息化數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)工具，為提高企業(yè)管理水平、企業(yè)效益、安全生產(chǎn)、提升競爭力等提供了有力的支撐。

綜上所述，異構(gòu)數(shù)據(jù)集成面臨著嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。較長一段時間以來，各個研究機構(gòu)對集成問題提出了很多解決方案，但還是沒有統(tǒng)一的方法一次性解決全部難題，這也是學(xué)界持續(xù)關(guān)注數(shù)據(jù)集成研究的主要原因［10-11］。另外由于受設(shè)計和硬件發(fā)展技術(shù)水平的制約，各個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大差別，這也是數(shù)據(jù)源產(chǎn)生沖突的一大原因。因此，無論從應(yīng)用的需求還是技術(shù)解決方案來看，集成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成是一個值得研究的課題，必須建立具有開放性和集成性的運行支撐環(huán)境。

3 異構(gòu)數(shù)據(jù)分析

鑒于數(shù)據(jù)存儲格式的差異及傳輸協(xié)議的區(qū)別，城市軌道交通信息系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以分成兩類，一類是結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，另一類是非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也有部分研究者將數(shù)據(jù)分為三類，還有一類是半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，筆者采用兩類的分法。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)即行數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)庫里的表單內(nèi)，可以用二維表結(jié)構(gòu)邏輯表達實現(xiàn)的數(shù)據(jù)［12］。城市軌道交通信息化系統(tǒng)中涉及生產(chǎn)、安全和運營的數(shù)據(jù)大部分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，例如救援列車分布專題數(shù)據(jù)、車輛運行專題數(shù)據(jù)、變電所分布專題數(shù)據(jù)、供電臂分布專題數(shù)據(jù)、饋線分布專題數(shù)據(jù)等都屬于這類數(shù)據(jù)。

相對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)無法用數(shù)據(jù)庫里的二維邏輯表來表現(xiàn)，則把這類數(shù)據(jù)稱為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)通常產(chǎn)生于管理信息系統(tǒng)中。在城市軌道交通中每天的生產(chǎn)調(diào)度記錄、安全事故記錄、設(shè)備維護管理記錄等都屬于這一類數(shù)據(jù)。隨著城市軌道交通內(nèi)管理系統(tǒng)的不斷增多，需要處理的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)也迅速增長。由于歷史原因，系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的規(guī)劃，使得對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的集成問題成為集成系統(tǒng)中的難點。

對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，關(guān)系數(shù)據(jù)庫面對無法克服的困難，但有些關(guān)系數(shù)據(jù)庫也有相應(yīng)的解決辦法，例如ORACLE數(shù)據(jù)庫管理軟件使用其BLOB類型的方式來存儲非結(jié)構(gòu)化的辦公文檔、文本、圖片、各類報表、圖像和音視頻信息;用CLOB類型的方式直接存儲文本數(shù)據(jù)。這種處理方式表面上看解決了關(guān)系數(shù)據(jù)庫對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的管理，但在實際應(yīng)用時，這樣的存儲方式會造成數(shù)據(jù)查詢效率非常低。為了解決查詢和檢索的效率問題，有研究者提出了一種相對較為高效的方法，即全文檢索技術(shù)。

半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和上面兩種類別都不一樣，它實質(zhì)是結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，然而其特性是結(jié)構(gòu)變化非常大，不能夠簡單的建立一個表和它對應(yīng)，另外要了解數(shù)據(jù)的細節(jié)，也不能將數(shù)據(jù)簡單地組織成一個文件，按照非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)去處理。典型的HTML文檔、XML文檔、SGML文檔、Web數(shù)據(jù)以及由異構(gòu)數(shù)據(jù)集成而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等都是半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

筆者為了滿足地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)布平臺實時性的要求，對城市軌道交通安全生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采用了一種綜合集成模式(見表1)。在確保數(shù)據(jù)源的應(yīng)用系統(tǒng)能夠保持自身完整性、獨立性的前提下，采用XML數(shù)據(jù)同步技術(shù)對數(shù)據(jù)進行復(fù)制，數(shù)據(jù)副本經(jīng)XML封裝后直接提交給統(tǒng)一視圖的GIS數(shù)據(jù)發(fā)布平臺發(fā)布，從而保證數(shù)據(jù)的實時性，同時將數(shù)據(jù)副本按照數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)的規(guī)范，根據(jù)應(yīng)用層數(shù)據(jù)挖掘的需求進行標(biāo)準(zhǔn)化(離散化)后，按照數(shù)據(jù)主題存儲至數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，以備調(diào)用。這樣既不影響數(shù)據(jù)源系統(tǒng)的自治性，也滿足了城市軌道交通信息系統(tǒng)體系對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一集成的需求。

表1 城市軌道交通安全生產(chǎn)數(shù)據(jù)綜合集成方式

4 基于XM L的數(shù)據(jù)集成方案

對于實時監(jiān)測系統(tǒng)輸出的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，采用基于XML技術(shù)的中間件進行集成［13］。由于更新頻率的原因，實時結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)將無法直接從數(shù)據(jù)倉庫中的數(shù)據(jù)主題調(diào)用，只能通過XML封裝的中間件方式調(diào)用，同時將數(shù)據(jù)副本存儲到關(guān)系數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)倉庫的各個數(shù)據(jù)主題中，在保證調(diào)用效率的同時確保數(shù)據(jù)源頭各系統(tǒng)能夠獨立運行、互不影響。

4.1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成

在實際城市軌道交通生產(chǎn)中，由于運營環(huán)境、賦存條件等各方面的情況不同，所需要監(jiān)測的關(guān)鍵信息各不相同，因此在選擇監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備時往往采用多廠商設(shè)備。因此要集成這些數(shù)據(jù)需知悉所有系統(tǒng)的通信協(xié)議，在中間件的設(shè)計上必須做相應(yīng)的數(shù)據(jù)解析，雖然一次性工作量較大，但避免了后續(xù)開發(fā)的工作量。

基于對數(shù)據(jù)采集設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化描述，可利用XML文件構(gòu)建設(shè)備配置庫，用于存儲數(shù)據(jù)采集軟件所需的設(shè)備信息。另外，開發(fā)采集函數(shù)庫，每個數(shù)據(jù)采集設(shè)備將對應(yīng)一個動態(tài)鏈接庫，其內(nèi)部所定義的函數(shù)名、所在路徑、名稱均在設(shè)備配置庫中指定。

中間件在軟件設(shè)計上分為3個模塊，分別是接口模塊、驅(qū)動模塊和核心模塊。接口模塊和驅(qū)動模塊要根據(jù)各個監(jiān)控系統(tǒng)的接口規(guī)范和驅(qū)動程序編寫，并建立設(shè)備配置庫和采集函數(shù)庫。核心處理模塊按照設(shè)置的頻率從監(jiān)控子系統(tǒng)中取得數(shù)據(jù)副本;數(shù)據(jù)接口負責(zé)接收來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)抽取命令，按照子系統(tǒng)的規(guī)范映射為子系統(tǒng)的命令，并將采集到的數(shù)據(jù)副本返回給應(yīng)用層(見圖1)。

采用中間件技術(shù)后，應(yīng)用層系統(tǒng)設(shè)計時不再考慮底層傳感系統(tǒng)的技術(shù)細節(jié)，而只需提供調(diào)用數(shù)據(jù)的命令格式，這樣提高了軟件系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的可復(fù)用性、可靠性和可擴展性。整個數(shù)據(jù)采集中間件工作流程如圖2(a)所示，數(shù)據(jù)采集中間件接收到上層軟件發(fā)送的啟動采集命令時，首先讀取設(shè)備配置庫的采集配置信息，獲取設(shè)備相關(guān)信息并對設(shè)備接口進行初始化，然后調(diào)用采集函數(shù)庫中相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集函數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣，當(dāng)采樣完成后，按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)封裝上傳至應(yīng)用層，圖2(b)為該數(shù)據(jù)采集中間件的信息序列圖。

圖1 數(shù)據(jù)采集中間件層次結(jié)構(gòu)

圖2 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集中間件

4.2 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成方法

對于城市軌道交通信息系統(tǒng)中的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如礦井產(chǎn)量報表、安全事故分析報表等，一般以EXCEL表單或者WORD文件方式存儲，在集成此類數(shù)據(jù)時首先應(yīng)該明確文件中所包含關(guān)鍵信息。對于每一個文件，表單中的各類數(shù)據(jù)是否為關(guān)鍵數(shù)據(jù)是不確定的，因此，可以根據(jù)來自上層應(yīng)用系統(tǒng)的需求，如數(shù)據(jù)挖掘的需要來定義文件中的關(guān)鍵信息。在其導(dǎo)入系統(tǒng)時進行關(guān)鍵信息提取，并將提取的信息保存到XML文檔中，最后針對XML存儲文檔的查詢形成結(jié)果集合存儲到數(shù)據(jù)庫。當(dāng)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以文件的形式保存并需要集成時，首先應(yīng)針對文件格式的不同(文本文檔、電子表格等)制定不同的集成策略，規(guī)范關(guān)鍵信息的位置并建立屬性模板。這種屬性模板也可看做是一種中間件的形式，只不過數(shù)據(jù)采集的對象不是傳感器而是文件。文件模板對文件中關(guān)鍵屬性的定義可以看成中間件的數(shù)據(jù)接口，因此通過關(guān)鍵屬性提取這種對非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的集成也是數(shù)據(jù)采集中間件的一種模式。圖3為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)集成的流程。

非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用中間件模式進行集成后也可以參照結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理模式，按照數(shù)據(jù)主題存儲到數(shù)據(jù)倉庫中，以備應(yīng)用層調(diào)用。

圖4為城市軌道交通安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)體系內(nèi)兩類數(shù)據(jù)的集成流程。

5 結(jié)語

圖3 非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采集中間件工作流程

圖4 數(shù)據(jù)集成流程

綜上所述，首先調(diào)研了異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方法的研究現(xiàn)狀，然后按照存儲結(jié)構(gòu)的不同將異構(gòu)數(shù)據(jù)分成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。對于純結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提出了基于XML中間件的數(shù)據(jù)集成方法;對于非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)則提出了基于信息提取和XML封裝的集成方法。根據(jù)上層應(yīng)用系統(tǒng)的不同業(yè)務(wù)需求，對于需要在地理信息系統(tǒng)平臺中展示的實時數(shù)據(jù)直接通過中間件進行調(diào)用。最后綜合性地給出了城市軌道交通安全生產(chǎn)信息系統(tǒng)體系內(nèi)兩類數(shù)據(jù)的集成流程。

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(編輯:王艷菊)

Integration Method of Safety Production Data in Urban Rail Transit Based on GIS

Xu Hao
(Signal and Communication Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081)

For urban rail transit safety production information system，taking geographic information system as themain application of the front end，this paper analyzed the research status of heterogeneous data integration method in the information system.For structured data，we put forward themethod of data integration based on XMLmiddleware;for unstructured data，we presented integration method on the basisof information extraction and XML encapsulation.The data displayed realtime in the geographic information system platform can directly be called through themiddlewarewhich provides guarantee for the application of heterogeneous data after integration especially for the application of datamining.

urban rail transit;safety production system;geographic information system;heterogeneous data;XMLmiddleware

U231.7

A

1672-6073(2016)02-0044-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.010

2015-08-27

2015-09-22

胥昊，男，碩士，助理研究員，研究方向為城市軌道交通信息系統(tǒng)集成，d ickxh@163.com

中國鐵道科學(xué)研究院院基金項目(1351TH0902)