孫 嶸

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

1 鐵路地理信息系統(tǒng)研究應用現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下，對整個或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關地理分布數(shù)據(jù)進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統(tǒng)。鐵路資源信息與地理信息存在緊密的關聯(lián)性和依附性。因此，可將地理信息技術納入鐵路信息系統(tǒng)建設框架中，通過全過程動態(tài)、靜態(tài)信息的高度融合，以及多層次、多粒度、多維度的信息匯聚與關聯(lián)，實現(xiàn)資源信息的立體化、可視化，為管理與決策提供強有力的技術支撐。

鐵路信息系統(tǒng)在不同程度上引入了GIS的概念：用直觀的圖形方式來管理、顯示和分析與地理空間相關的各種數(shù)據(jù)。按照系統(tǒng)各自需求，對鐵路空間數(shù)據(jù)進行收集、整理和利用，有些還建立了各自的GIS子系統(tǒng)，如工務部門PWMIS[1]、鐵路應急平臺、鐵路用地管理系統(tǒng)等[2]。受研發(fā)經(jīng)費、技術支撐、組織方式等方面的約束，鐵路地理信息應用系統(tǒng)普遍存在以下三個方面的問題。

(1)共享困難

由于沒有統(tǒng)一規(guī)劃，沒有考慮和其他應用系統(tǒng)的交互，地理信息的格式、內(nèi)容尚無統(tǒng)一的標準。各業(yè)務系統(tǒng)僅從本部門的需求出發(fā)，采用不同的GIS軟件。另外，地理信息數(shù)據(jù)的加工格式也存在差異，造成業(yè)務系統(tǒng)間的地理信息不能共享。

(2)重復建設

為構建自己的GIS應用，各業(yè)務系統(tǒng)分別購置GIS軟件，采購、收集鐵路地理數(shù)據(jù)，造成人力、物力、投資的巨大浪費。

(3)維護困難

每個系統(tǒng)都要維護各自的鐵路地理信息數(shù)據(jù)和GIS服務器，大大增加了維護人員和維護費用。

為更好地服務于京張高鐵的建設，發(fā)揮空間地理信息的基礎支撐作用，將從統(tǒng)一、規(guī)范化的角度，建設京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)，為京張高鐵各業(yè)務信息系統(tǒng)提供標準化的鐵路地理信息數(shù)據(jù)和空間信息服務，實現(xiàn)鐵路空間信息資源的共享和共用。

2 建設目標和原則

構建完整的京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)，建設地理信息空間數(shù)據(jù)庫，形成京張高鐵空間數(shù)據(jù)制作的標準規(guī)范，統(tǒng)一管理京張高鐵空間信息數(shù)據(jù)和服務，對外提供標準空間數(shù)據(jù)和服務接口。

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)符合中國鐵路總公司《鐵路地理信息平臺總體方案》(運信規(guī)劃函[2014]541號)、《鐵路地理信息分類與編碼》(Q/CR 520-2016)等相關標準規(guī)范，按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標準、統(tǒng)一資源、統(tǒng)一管理的原則進行建設。同時，為滿足北京局集團公司信息化規(guī)劃中基礎數(shù)據(jù)的管理需求，通過基礎支撐環(huán)境和系統(tǒng)站點擴展，可將北京局集團公司鐵路地理信息數(shù)據(jù)納入其中并進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)北京局集團公司地理信息數(shù)據(jù)的共享共用。

3 關鍵技術研究

3.1 面向對象的空間數(shù)據(jù)管理技術

京張高鐵地理信息平臺管理的鐵路地理信息數(shù)據(jù)比例從1∶100萬到1∶200，即包括小比例粗粒度數(shù)據(jù)，也包括大比例細粒度數(shù)據(jù)。如何實現(xiàn)不同粒度、空間和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一有效存儲，并且保證多用戶并發(fā)訪問的快速性和數(shù)據(jù)的一致性，是需要解決的關鍵問題。

與屬性數(shù)據(jù)相比，空間數(shù)據(jù)具有空間特征、非結構化特征、空間關系特征等特點?；谏鲜鎏卣?，空間數(shù)據(jù)庫需以面向對象技術來設計，確?？臻g數(shù)據(jù)屬性與空間的一致性，并提供靈活的規(guī)則制定方法，滿足空間數(shù)據(jù)的表示、存取、檢索、更新等要求[3]。

3.2 服務式GIS(Service GIS)技術

采用基于Web 服務的SOA(面向服務的體系架構)構建，以滿足不斷變化的業(yè)務優(yōu)先級[4]。采用Service GIS技術，即面向服務的軟件工程方法，把GIS的全部功能封裝為Web服務，從而實現(xiàn)跨平臺、網(wǎng)絡、語言的調用。

3.3 地圖緩存及更新技術

(1)地圖緩存

使用地圖緩存技術對地圖進行切片，有效地減輕了服務器的計算負載和網(wǎng)絡傳輸負擔，極大地改進了客戶端和服務器端的交互效率，提升了網(wǎng)絡地圖的服務應用水平，改善了客戶端的用戶體驗[5]。

(2)地圖更新

獲取空間數(shù)據(jù)對應的“瓦片”(一張或者幾張)，計算這部分“瓦片”的地圖范圍，并在后臺重新生成這個范圍的地圖圖片。用新生成的圖片替換這些舊有的“瓦片”，具體流程如下：

①使用地圖緩存技術對地圖進行切片；

②獲取所對應的“瓦片”；

③獲取每個“瓦片”所對應的地圖范圍；

④重新生成“瓦片”，并替換原“瓦片”。

3.4 智能集群技術

京張高鐵地理信息系統(tǒng)平臺部署在中國鐵路總公司的主數(shù)據(jù)中心云平臺，采用智能集群技術，可隨時、按需、方便地提供服務，并可以在云端調配和動態(tài)擴展[6]。

4 技術方案

4.1 系統(tǒng)架構

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)是中國鐵路總公司鐵路地理信息平臺面向智能鐵路的應用延伸。在京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)中，接入了國家基礎地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了國家地理基礎數(shù)據(jù)與高速鐵路地理數(shù)據(jù)的融合，形成京張高鐵“一張圖”?；谶@“一張圖”，可開展面向鐵路多業(yè)務、多模式的空間信息服務共享。結合鐵路業(yè)務的不同應用，搭建“一張圖+N項服務”的空間信息應用模式，提供以空間信息為統(tǒng)一坐標的信息共享，為京張高鐵智能時空分析提供數(shù)據(jù)基礎保障。

(1)一張圖

“一張圖”的數(shù)據(jù)來源主要為國家基礎地理信息數(shù)據(jù)、京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)[8]。其中，國家基礎地理信息數(shù)據(jù)采用國家測繪地理信息局主導建設的“天地圖”前置服務；京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)需自行建設，具體包括鐵路線路、車站、四電、房屋、沿線設備設施的空間要素數(shù)據(jù)，以及專業(yè)設施設備臺賬數(shù)據(jù)，與設施設備相關的圖紙、技術資料、圖片、視頻等，涵蓋工務、供電、通信、信號、房建、給排水、旅服、土地、防災等專業(yè)[9-10]。

(2)基礎平臺

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)是中國鐵路總公司鐵路地理信息平臺面向鐵路的應用延伸，其地理空間數(shù)據(jù)的編制實現(xiàn)了多源異構空間數(shù)據(jù)的存儲與管理，可保證數(shù)據(jù)的有效性；同時，面向京張高鐵旅客出行便捷化、鐵路經(jīng)營服務精準化、技術裝備運管修智能化、應急管理一體化的總體目標，結合京張高鐵各業(yè)務信息系統(tǒng)和用戶對鐵路地理空間信息和服務的實際需求，對外發(fā)布京張高鐵統(tǒng)一、標準的空間地理信息，并提供京張GIS門戶、在線地圖、功能服務發(fā)布、空間服務管理、空間數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理與監(jiān)控等功能[11]。

(3)N項服務

基于“一張圖+N項服務”的地理空間信息應用模式，采用了多種標準空間信息服務接口OGC、REST以及SOAP協(xié)議，以滿足京張高鐵工程建設、智能裝備、智能經(jīng)營和公眾服務等各類業(yè)務的應用需求。同時，可通過“在線地圖”為系統(tǒng)用戶(京張公司維管人員和路局沿線各站段業(yè)務人員)提供資源搜索定位、專題業(yè)務數(shù)據(jù)分析展示等功能。系統(tǒng)構架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

4.2 邏輯架構

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)采用分層架構，從上至下依次分為終端層、訪問層、服務支撐層、交互層、中間層、數(shù)據(jù)層、硬件層和網(wǎng)絡層共8層[3]?？墒瓜到y(tǒng)結構清晰、分工明確，以達到松散耦合、邏輯復用、標準定義的目的，增強了系統(tǒng)的可擴展性和安全性。

應用系統(tǒng)采用集中式部署。依托鐵路內(nèi)部服務網(wǎng)，對京張高鐵各業(yè)務應用系統(tǒng)和用戶提供訪問服務。對于不在鐵路內(nèi)部服務網(wǎng)的系統(tǒng)和用戶，可以通過鐵路安全平臺或者其他安全防護設備等方式進行訪問。

在數(shù)據(jù)層，建設了空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了業(yè)務數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的分離。同時，在這些數(shù)據(jù)庫之上增加內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)的訪問可通過內(nèi)存數(shù)據(jù)庫進行，以最大限度降低數(shù)據(jù)訪問的處理時間。中間層是整個系統(tǒng)的核心部分，其設計基于功能模塊(每個模塊的功能盡可能單一)。模塊內(nèi)部高內(nèi)聚，便于功能的橫向擴展；模塊之間松耦合，可增強系統(tǒng)的容錯能力。交互層支持多種方式的協(xié)議規(guī)范，包括WebServices、Ftp、DBLink等[12]，大大提升了系統(tǒng)的兼容性。對于空間數(shù)據(jù)的交互，采用業(yè)界通用的OGC、REST、SOAP等標準協(xié)議，能夠覆蓋大多數(shù)的空間數(shù)據(jù)交換需求。

服務支撐層是京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)的業(yè)務服務單元，包括京張高鐵GIS門戶、在線地圖、功能服務、功能管理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理與監(jiān)控6個部分，提供了京張高鐵各業(yè)務信息系統(tǒng)和用戶的空間數(shù)據(jù)訪問、空間數(shù)據(jù)管理、在線地圖應用等系統(tǒng)功能。訪問層和終端提供了工程建設、智能裝備、智能經(jīng)營、公共服務等各業(yè)務系統(tǒng)，以及京張高鐵公司管理人員、運維人員使用地理信息系統(tǒng)的各種方式和手段(如圖2所示)。

圖2 邏輯架構

4.3 功能設計

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)是京張高鐵信息化系統(tǒng)的基礎保障，為其他業(yè)務系統(tǒng)和系統(tǒng)用戶提供了路地多源空間信息融合服務。系統(tǒng)用戶主要由其他業(yè)務系統(tǒng)的開發(fā)人員(基于GIS服務進行二次開發(fā)的技術人員)和京張城際公司維管人員、高鐵沿線各站段業(yè)務管理及運維人員組成，可為用戶提供基于GIS地圖的業(yè)務數(shù)據(jù)可視化展示、分析等[13]。系統(tǒng)功能模塊設計如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構

(1)京張高鐵GIS門戶

主要用于展示京張高鐵的各類空間信息資源，是用戶登錄系統(tǒng)的入口，也是京張高鐵地理信息GIS功能服務的集中展示模塊。用戶可根據(jù)實際需要，使用系統(tǒng)所提供的各類信息及功能，包括用戶登錄與身份認證、GIS服務概覽、GIS服務資源列表、典型應用展示、開發(fā)接口示例及說明、新聞通告中心、資料下載中心等。

(2)在線地圖

在線地圖子系統(tǒng)可為京張高鐵系統(tǒng)用戶(京張城際公司人員和高鐵沿線各站段運維人員)提供全線“一張圖”可視化、設備設施定位查找、時空關聯(lián)分析、路地線路規(guī)劃、專題數(shù)據(jù)分析展示、個人工作地圖等功能，滿足京張高鐵各類用戶的使用需求。

(3)功能服務

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)提供的服務可分為四類：GIS可視化服務、GIS查詢服務、GIS分析服務及GIS專題服務。

(4)數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)統(tǒng)一管理京張高鐵地理信息數(shù)據(jù)，為全線提供標準地圖及GIS功能服務，實現(xiàn)鐵路地理信息數(shù)據(jù)的科學存儲、有效管理。

(5)服務管理

服務管理子系統(tǒng)提供對各種類型服務的管理功能，包括服務發(fā)布、注冊、啟動、停止、刪除、查詢、統(tǒng)計等功能。

(6)系統(tǒng)管理與監(jiān)控

對用戶、角色、權限等進行統(tǒng)一身份認證及授權分布管理。

4.4 數(shù)據(jù)建設

京張高鐵空間數(shù)據(jù)建設內(nèi)容包括國家基礎地理信息數(shù)據(jù)和京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)兩部分[14]。

國家基礎地理信息數(shù)據(jù)可提供京張高鐵周邊要素(地貌、植被、水系、交通、社會人文等)信息，是京張高鐵空間數(shù)據(jù)建設不可或缺的部分。京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)中的國家基礎地理信息數(shù)據(jù)為自行建設。為了節(jié)約成本，減少資源浪費，綜合考慮建設經(jīng)濟效益，京張高鐵的國家基礎地理信息數(shù)據(jù)應與中國鐵路總公司《鐵路地理信息平臺總體方案》的要求一致，可為全路各業(yè)務系統(tǒng)提供國家公共基礎地圖服務。

京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)是京張高鐵線路及附屬設備設施空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)稱，此部分數(shù)據(jù)為自行建設。根據(jù)《鐵路地理信息平臺總體方案》，京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)可劃分為京張高鐵專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)和京張高鐵專業(yè)專用地理信息數(shù)據(jù)兩部分。其中，京張高鐵專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)用于鐵路各專業(yè)之間的共享，依據(jù)《鐵路地理信息分類與編碼》(Q/CR 520—2016)進行分類；京張高鐵專業(yè)專用地理信息數(shù)據(jù)是非鐵路專業(yè)共享共用的數(shù)據(jù)，此部分數(shù)據(jù)主要面向京張高鐵各專業(yè)系統(tǒng)的應用需求。為實現(xiàn)資源集中管理，優(yōu)化資源配置，此兩部分數(shù)據(jù)均放置在鐵路總公司鐵路地理信息數(shù)據(jù)庫中。

4.5 數(shù)據(jù)部署

京張高鐵的所有空間數(shù)據(jù)(即國家基礎地理信息數(shù)據(jù)和京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù))集中部署于中國鐵路總公司鐵路地理信息數(shù)據(jù)庫。

4.6 接口方案

(1)服務接口類型

為滿足不同業(yè)務系統(tǒng)對GIS服務的調用，京張高鐵GIS系統(tǒng)將提供業(yè)界通用的OGC、SOAP和REST三種標準服務接口方式，并采用網(wǎng)絡協(xié)議標準TCP/IP、HTTP來進行通信控制[15]。

(2)二維可視化服務接口

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)二維可視化服務接口情況如表1所示[16-18]。

(3)三維可視化服務接口

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)三維可視化服務可實現(xiàn)鐵路線路、沿線地形地貌的可視化和直觀化，對外提供基于B/S架構、輕量化的三維可視化服務，在瀏覽器端就能實現(xiàn)三維服務的集成[19]。京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)三維可視化服務情況如表2所示。

表1 二維可視化服務接口

表2 三維可視化服務接口

(4)GIS功能服務接口

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)功能服務設計的核心內(nèi)容包括GIS功能服務類型和功能設計。目前，系統(tǒng)對外提供的地理信息功能服務包括參考性服務、網(wǎng)絡分析服務、幾何服務、三維空間分析服務、緩沖區(qū)分析服務、空間統(tǒng)計分析服務、空間查詢服務及地圖標注服務等。此外，系統(tǒng)同時提供在線服務的二次開發(fā)接口(API)[20]，如表3所示。

表3 地理信息功能服務接口

4.7 網(wǎng)絡方案

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)部署在中國鐵路總公司主數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，運行于鐵路內(nèi)部服務網(wǎng)。京張

高鐵用戶可通過內(nèi)部服務網(wǎng)直接訪問，實現(xiàn)對京張高鐵空間數(shù)據(jù)的管理、預覽。

5 結論

通過京張高鐵鐵路地理信息平臺的建設，形成如下創(chuàng)新：

(1)提出面向京張高鐵多業(yè)務、多模式的鐵路地理信息平臺建設方案。

(2)完整集成了國家基礎地理信息數(shù)據(jù)、鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了“全線一張圖”。

(3)可提供標準、規(guī)范的鐵路地理信息數(shù)據(jù)。

(4)可提供GIS可視化、空間分析等功能服務，以及標準、規(guī)范、統(tǒng)一的接口，為鐵路規(guī)劃設計、工程建設、運營管理、客貨營銷深度應用打下基礎。

(5)提出了京張高鐵地理信息平臺標準體系框架。