張 敏，李春艷，王福田

（北京交通大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，北京 100044）

鐵路是我國(guó)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，一旦發(fā)生事故，將會(huì)造成嚴(yán)重后果和不良社會(huì)影響。因此，事故預(yù)防及應(yīng)急管理至關(guān)重要。對(duì)于鐵路突發(fā)事件來(lái)說(shuō)，應(yīng)急救援以及物資的配送主要通過(guò)公路和鐵路兩種方式。而鐵路運(yùn)輸靈活性較差的特點(diǎn)決定了鐵路救援及物資的配送必須與公路運(yùn)輸相結(jié)合[1]。在這種情況中，需要保證運(yùn)輸過(guò)程的連續(xù)性，其中，地理位置信息的兼容性是解決運(yùn)輸連續(xù)性的首要問(wèn)題。

在鐵路事故的應(yīng)急救援中，事故地點(diǎn)所屬單位向上級(jí)報(bào)告，只報(bào)告事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、線名、里程、事故相關(guān)單位和人員，即位置信息是通過(guò)線名和里程表述，是一維坐標(biāo)系；而公路運(yùn)輸一般是利用經(jīng)緯度來(lái)確定事故發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行救援，即二維坐標(biāo)系。在實(shí)施救援過(guò)程中，這就需要一種能夠快速進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，并能按轉(zhuǎn)換得到的坐標(biāo)進(jìn)行定位與導(dǎo)航的方法。

目前，對(duì)于應(yīng)急管理的研究，主要集中在理論和實(shí)踐兩方面。鐵路應(yīng)急管理理論研究主要集中在應(yīng)急救援處置、預(yù)案、資源與物流、評(píng)價(jià)體系等方面；在實(shí)踐方面，主要是指鐵路應(yīng)急管理信息系統(tǒng)和應(yīng)急平臺(tái)的建設(shè)，如鐵路局應(yīng)急救援指揮系統(tǒng)[2]。里程和二維坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換主要應(yīng)用在公路、鐵路施工過(guò)程中的測(cè)量環(huán)境環(huán)節(jié)[2-6]，包括3方面的內(nèi)容：（1）里程與二維坐標(biāo)的相互轉(zhuǎn)換，如孫慧敏等[3]采用里程、偏距坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)的參數(shù)與工程坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換；（2）二維坐標(biāo)向里程的轉(zhuǎn)換，如李富強(qiáng)等[4]根據(jù)組成路線的線型的不同，使用CASIO fx-4800p袖珍計(jì)算器把測(cè)量坐標(biāo)變換為路線里程的方法；（3）里程向二維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如高潤(rùn)喜[5]分別用導(dǎo)線法與偏距法計(jì)算了曲線橋梁墩臺(tái)中心坐標(biāo)，并進(jìn)行了比較，在使用偏距法時(shí)按照線型的不同分別計(jì)算。綜上所述，將一維坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為二維坐標(biāo)系存在多種方法，但一般來(lái)說(shuō)存在計(jì)算復(fù)雜、參數(shù)較多或需按線型分情況討論的問(wèn)題。原有應(yīng)急管理平臺(tái)大多集成在PC端，缺乏靈活性，不能直接借助平臺(tái)導(dǎo)航到事故地點(diǎn)。

本文針對(duì)事故發(fā)生地點(diǎn)在鐵路運(yùn)輸和公路運(yùn)輸中的描述不兼容的問(wèn)題，研究一種快速有效的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換算法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于移動(dòng)終端的鐵路工務(wù)應(yīng)急定位與導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，建立鐵路線路中里程與經(jīng)緯度坐標(biāo)的映射數(shù)據(jù)庫(kù)，繪制鐵路線路圖，實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航。

1 坐標(biāo)換算

1.1 里程點(diǎn)的坐標(biāo)換算

利用MapInfo中鐵路線的基礎(chǔ)圖層生成控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。從圖1可以看出，控制點(diǎn)是鐵路線路中已知坐標(biāo)的點(diǎn)，屬性主要包括：線路名(railName)、里程(mileage)、緯度(lat)、經(jīng)度(longi)。這里的經(jīng)緯度坐標(biāo)系為WGS84[7]。鐵路線路圖是由相鄰控制點(diǎn)連接的折線組成，如圖1所示。

圖1 鐵路線路中的控制點(diǎn)

當(dāng)事故地點(diǎn)P點(diǎn)上報(bào)時(shí)，需要輸入P(railName,mileage)來(lái)計(jì)算P(longi,lat)，分以下3種情況：

（1）P點(diǎn)是控制點(diǎn)中的一個(gè)。遍歷所有控制點(diǎn)的railNamei和mileagei，查找railNamei=railName且mileagei=mileage，則獲得經(jīng)緯度。

（2）P點(diǎn)是折線段上的一點(diǎn)。遍歷所有控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，找出P點(diǎn)所在的線段，即起始點(diǎn)和終止點(diǎn)，根據(jù)比例關(guān)系求P點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)。起始點(diǎn)的里程為startMileage，緯度為startLat，經(jīng)度為startLongi；終止點(diǎn)的里程為endMileage，緯度為endLat，經(jīng)度為endLongi。公式如下：

（3）以上2種情況都不符合。如圖1所示，鐵路線路圖中第一個(gè)控制點(diǎn)并不是鐵路中里程為0的點(diǎn)，即存在部分里程點(diǎn)的mileagei值小于第一個(gè)控制點(diǎn)的mileage值。這時(shí)候需要選取鄰近控制點(diǎn)進(jìn)行近似處理。

1.2 算例

以京滬線中馬家堡立交為例，馬家堡立交的中心里程為10.014：（1）判斷控制點(diǎn)中是否存在mileagei=10.014的點(diǎn)，經(jīng)過(guò)查詢不存在；（2）判斷是否為折線段上的一點(diǎn)，根據(jù)京滬線折線段數(shù)據(jù)得知，馬家堡立交的中心里程是折線段133上的一點(diǎn)，則可根據(jù)式（1）、式（2）分別求出馬家堡立交的緯度和經(jīng)度。

經(jīng)過(guò)實(shí)例檢驗(yàn)[6]，里程點(diǎn)的坐標(biāo)換算滿足一定精確度的要求。而鐵路救援及物資配送中對(duì)事故地點(diǎn)定位的精確度要求不高，更側(cè)重快速和可到達(dá)性，即利用網(wǎng)絡(luò)地圖實(shí)現(xiàn)定位與導(dǎo)航。以百度地圖為例，即需要將上述所求坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為百度坐標(biāo)，借助百度地圖接口實(shí)現(xiàn)定位，并導(dǎo)航到目的地。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鐵路工務(wù)應(yīng)急定位與導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)是指在移動(dòng)終端利用網(wǎng)絡(luò)地圖接口開(kāi)發(fā)App，利用網(wǎng)絡(luò)地圖中的地圖服務(wù)繪制高精度鐵路線路圖，建立鐵路線路中里程坐標(biāo)與經(jīng)緯度坐標(biāo)的映射關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)，用戶能夠根據(jù)里程坐標(biāo)或工務(wù)設(shè)備名稱進(jìn)行應(yīng)急定位，基于網(wǎng)絡(luò)地圖進(jìn)行導(dǎo)航。系統(tǒng)功能，如圖2所示。

圖2 功能設(shè)計(jì)

2.1 繪制鐵路線路圖

利用鐵路線路中運(yùn)營(yíng)里程和經(jīng)緯度的映射關(guān)系，在網(wǎng)絡(luò)地圖的基礎(chǔ)圖層中繪制鐵路線路圖。

2.2 定位

分2種定位方式：（1）以鐵路線路名、里程定位；（2）以工務(wù)設(shè)備名稱定位，實(shí)現(xiàn)按照用戶輸入信息定位，并使其顯示在以網(wǎng)絡(luò)地圖為基礎(chǔ)的圖層上。

2.3 關(guān)鍵詞搜索

借助網(wǎng)絡(luò)地圖提供的接口，實(shí)現(xiàn)按用戶輸入的關(guān)鍵詞進(jìn)行搜索與定位，確定用戶出發(fā)點(diǎn)。

2.4 導(dǎo)航

借助網(wǎng)絡(luò)地圖提供的接口，實(shí)現(xiàn)從出發(fā)點(diǎn)到事故地點(diǎn)的導(dǎo)航。

2.5 數(shù)據(jù)采集與維護(hù)

開(kāi)發(fā)鐵路工務(wù)應(yīng)急定位與導(dǎo)航服務(wù)系統(tǒng)，需要建立鐵路線路的里程坐標(biāo)、設(shè)備名稱與經(jīng)緯度坐標(biāo)的映射關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。用戶在系統(tǒng)的使用過(guò)程中只對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，因此選擇將數(shù)據(jù)庫(kù)封裝到應(yīng)用程序中。同時(shí)管理人員需要定期對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行維護(hù)，主要包括控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，工務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)和里程處理表。（1）控制點(diǎn)數(shù)據(jù)指運(yùn)營(yíng)里程和經(jīng)緯度的映射關(guān)系數(shù)據(jù)；（2）工務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)指工務(wù)設(shè)備名稱與中心里程之間的映射數(shù)據(jù)；（3）里程處理表是指對(duì)相鄰控制點(diǎn)進(jìn)行里程做差得到的數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)以Java作為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，選用Android Studio作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，利用百度地圖接口，按功能設(shè)計(jì)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。本節(jié)將選取系統(tǒng)中的重要功能做簡(jiǎn)要介紹。

圖3是應(yīng)用程序的主界面。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，選取了京滬線的部分?jǐn)?shù)據(jù)，從圖中可以看到，京滬線的線路圖為用戶提供了2種定位方式。

圖3 繪制鐵路線路圖界面

圖4、圖5分別是用戶輸入線名、里程或者工務(wù)設(shè)備名稱進(jìn)行定位的結(jié)果界面，并提供了導(dǎo)航的按鈕。圖4中，京滬線里程為5的位置在地圖中用紅色圖標(biāo)標(biāo)識(shí)出來(lái)，在紅色圖標(biāo)附近顯示該位置在WGS84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度，同時(shí)在界面底部顯示了該點(diǎn)的位置信息，包括線路名、里程和與用戶當(dāng)前位置的直線距離。圖5中，京滬線馬家堡立交用紅色圖標(biāo)標(biāo)識(shí)出來(lái)，并在附近顯示該位置在WGS84坐標(biāo)系下的經(jīng)緯度，同時(shí)在界面底部顯示了該設(shè)備名稱及與用戶當(dāng)前位置的直線距離。

圖6為用戶導(dǎo)航界面，利用百度地圖接口實(shí)現(xiàn)。圖中為從北京站導(dǎo)航到馬家堡立交，顯示到達(dá)時(shí)間以及導(dǎo)航路線，并向用戶提供文字導(dǎo)航、語(yǔ)音播報(bào)。

圖4 輸入里程定位界面

圖5 輸入工務(wù)設(shè)備名稱定位界面

圖6 導(dǎo)航界面

4 結(jié)束語(yǔ)

在解決應(yīng)急管理中地理位置信息不兼容的過(guò)程中，一維線性坐標(biāo)系的里程向二維坐標(biāo)系的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換是首要問(wèn)題。在查閱文獻(xiàn)后，研究了一種快速有效、輸入信息較少的算法，滿足了里程點(diǎn)的坐標(biāo)換算，實(shí)現(xiàn)了一定精確度的要求，在此基礎(chǔ)之上，以百度地圖為例開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了定位與導(dǎo)航。本文采用的模型中數(shù)據(jù)維度較少，數(shù)據(jù)采集簡(jiǎn)單，計(jì)算模型和算法易于實(shí)現(xiàn)，可根據(jù)轉(zhuǎn)換得到的坐標(biāo)導(dǎo)航到目的地，對(duì)應(yīng)急管理中的救援具有重要意義。