李少卿

（北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京100044）

高速鐵路的運(yùn)營具有高速、高密度、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，安全運(yùn)營是其面臨的巨大挑戰(zhàn)。建設(shè)現(xiàn)代化鐵路地理信息系統(tǒng)（RGIS）是預(yù)防和應(yīng)對各類自然災(zāi)害、外部侵害和設(shè)備故障的必然要求。

目前，鐵路基本實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化管理，各業(yè)務(wù)部門都有自己的MIS 系統(tǒng)，維護(hù)著鐵路網(wǎng)的日常運(yùn)營。但鐵路設(shè)備及相應(yīng)資源目前按照工務(wù)、電務(wù)、機(jī)務(wù)、供電、運(yùn)輸、車輛等專業(yè)系統(tǒng)管理和維護(hù)，是條塊分割的數(shù)據(jù)資源管理方式，對本來就需要大聯(lián)動的鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)指揮和安全管理造成了諸多不便和不利影響[1]。高速鐵路測繪服務(wù)信息化依然面臨著各類生產(chǎn)資料亟需整合、需要一體化數(shù)據(jù)處理平臺、豐富成果的表達(dá)方式和深度挖掘數(shù)據(jù)價(jià)值等挑戰(zhàn)。

在不改變現(xiàn)有數(shù)據(jù)存儲方式的前提下，結(jié)合鐵路生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)存儲需求與數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，可實(shí)現(xiàn)高速鐵路各類數(shù)據(jù)資源的集中信息化管理；通過構(gòu)建面向多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織的基準(zhǔn)地理格網(wǎng)，作為多源多尺度異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行同構(gòu)映射的空間基準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)復(fù)合金字塔模型，以實(shí)現(xiàn)三維鐵路場景中海量多源數(shù)據(jù)的一體化表達(dá)；利用當(dāng)前三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)表達(dá)鐵路要素的空間信息，提供交互式地理信息空間分析功能，是提高鐵路管理水平、運(yùn)輸生產(chǎn)指揮和應(yīng)急處置的能力和的關(guān)鍵。

網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)(WebGIS)是基于互聯(lián)網(wǎng)平臺、客戶端應(yīng)用軟件采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，運(yùn)用在互聯(lián)網(wǎng)平上的地理信息系統(tǒng)，是目前GIS 系統(tǒng)開發(fā)的主要方式[2]。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能夠?qū)崿F(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成的，可視、可量測、可感知、可分析、可控制的三維鐵路信息管理與綜合決策平臺，并從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)、功能設(shè)計(jì)等方面介紹了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合與集成技術(shù)

多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一表達(dá)方法是整合與集成分散、異構(gòu)及不同格式數(shù)據(jù)的有效手段，包括多尺度地理格網(wǎng)構(gòu)建、數(shù)據(jù)預(yù)處理、映射關(guān)系構(gòu)建和描述規(guī)則設(shè)計(jì)等步驟。該方法首先將測區(qū)空間劃分為多尺度地理格網(wǎng)單元，作為異構(gòu)三維模型數(shù)據(jù)統(tǒng)一組織的空間基準(zhǔn)。其次，建立多源異構(gòu)數(shù)據(jù)與地理格網(wǎng)單元的映射關(guān)系。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一描述規(guī)則，從數(shù)據(jù)屬性、空間范圍、空間關(guān)系等方面對異構(gòu)三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一描述。最后將異構(gòu)數(shù)據(jù)劃分到統(tǒng)一的地理格網(wǎng)中[3]。采用這種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)統(tǒng)一表達(dá)方法可實(shí)現(xiàn)跨部門、跨行業(yè)、跨平臺之間的數(shù)據(jù)交換、共享和協(xié)同處理，實(shí)現(xiàn)地理信息資源的一體化、標(biāo)準(zhǔn)化管理。

1.2ComGIS

ComGIS，即組件式對象模型地理信息系統(tǒng)。COMGIS 的思想是將組件式技術(shù)應(yīng)用到GIS 軟件開發(fā)體系中。將地理信息系統(tǒng)各個(gè)功能模塊劃分為若干構(gòu)件，這些構(gòu)件都能單獨(dú)使用，也可根據(jù)應(yīng)用要求，靈活構(gòu)造更為高層和更粗粒度的GIS 系統(tǒng)模塊，或封裝為更低層和更細(xì)粒度的邏輯實(shí)現(xiàn)，最終形成應(yīng)用系統(tǒng)[4]。這種按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)接口，實(shí)現(xiàn)地理信息系統(tǒng)基本功能函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造單元的ComGIS 技術(shù)，具有可定制、高復(fù)用、可封裝、可組裝的特性，可縮短軟件開發(fā)的周期，實(shí)現(xiàn)高效、無縫的系統(tǒng)集成。

圖1 框架結(jié)構(gòu)圖

2 總體框架設(shè)計(jì)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)邏輯層次上劃分為：數(shù)據(jù)存儲區(qū)、數(shù)據(jù)庫服務(wù)層、基礎(chǔ)設(shè)備層、應(yīng)用支撐層、用戶層5 個(gè)層次。除上述五層外，還要建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和系統(tǒng)安全體系，確保鐵路信息化建設(shè)和運(yùn)營的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)安全。系統(tǒng)總體框架結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

3 平臺實(shí)現(xiàn)

三維鐵路信息管理與綜合決策系統(tǒng)由B/S 模式的應(yīng)急處置基礎(chǔ)資料系統(tǒng)和移動終端協(xié)同會商系統(tǒng)兩部分組成。數(shù)據(jù)庫端采用Postgresql + Postgis 數(shù)據(jù)服務(wù)器，利用ArcGis Server 10.6 進(jìn)行地圖服務(wù)的配置和發(fā)布。

3.1 應(yīng)急處置基礎(chǔ)資料系統(tǒng)

客戶端的應(yīng)急處置基礎(chǔ)資料系統(tǒng)采用Vsual Studo Code 集成開發(fā)環(huán)境，以JavaScript 作為開發(fā)語言，使用Vue 作為用戶界面的搭建框架，以ArcGIS api for JavaScript 為開發(fā)工具和組件包進(jìn)行插件式開發(fā)，數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用客戶端圍繞數(shù)據(jù)中心服務(wù)器構(gòu)成了一個(gè)具有B/S 結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)。應(yīng)急處置基礎(chǔ)資料系統(tǒng)運(yùn)行如圖2 所示。

圖2 應(yīng)急處置基礎(chǔ)資料系統(tǒng)運(yùn)行圖

根據(jù)功能特性劃分為智能搜索、里程定位、應(yīng)急救援、系統(tǒng)管理等模塊。智能搜索模塊提供了包括關(guān)鍵字查詢、模糊查詢、緩沖區(qū)查詢、按類型查詢、聯(lián)合查詢等方式；應(yīng)急救援模塊可在電子沙盤中進(jìn)行事故模擬，生成詳細(xì)的救援方案并進(jìn)行比選，支持救援過程的動畫模擬和控制。各功能模塊如圖3 所示。

圖3 功能模塊示意圖

3.2 基于地圖的移動終端協(xié)同會商系統(tǒng)

移動終端協(xié)同會商系統(tǒng)作為系統(tǒng)的事故點(diǎn)信息采集端和應(yīng)急處置決策信息的接收端，使用北斗定位裝置收集移動終端的定位信息。通過http 協(xié)議，接收服務(wù)器端推送的由文字、語音、文件、圖表等救援信息壓縮加密成的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包。移動終端協(xié)同會商系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

在實(shí)際事故的應(yīng)急處置的協(xié)同會商過程中，存在以下問題：

（1）發(fā)生緊急情況時(shí)，高鐵調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）和列車長的簡要報(bào)告無法實(shí)時(shí)共享多維度的時(shí)空信息，為故障判斷和應(yīng)急處置提供準(zhǔn)確的空間分析決策依據(jù)。

（2）各方各自掌握部分災(zāi)情動態(tài)和救災(zāi)資源，難以實(shí)時(shí)地集中進(jìn)行綜合研判，給實(shí)時(shí)動態(tài)掌握災(zāi)情全局和整體部署帶來困難[6]。

（3）執(zhí)行應(yīng)急處置決策時(shí)，由于缺少技術(shù)支持，列車長無法對現(xiàn)場形成客觀準(zhǔn)確的空間認(rèn)知，可能對決策產(chǎn)生錯(cuò)誤理解和判斷。

圖4 協(xié)同會商系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

為解決上述問題，移動終端系統(tǒng)在傳統(tǒng)協(xié)同會商系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了分布式地理信息系統(tǒng)。使異地會商的各方能夠借助于基于地圖的遠(yuǎn)程會商系統(tǒng)實(shí)時(shí)共享救援位置、救援路線、救援時(shí)間等時(shí)空信息，協(xié)作將掌握的災(zāi)情、救災(zāi)信息標(biāo)繪到應(yīng)急專題地圖上。這種地理信息網(wǎng)絡(luò)會議模式便于決策方準(zhǔn)確、快速研判決策部署。移動終端協(xié)同會商系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 移動終端協(xié)同會商系統(tǒng)

4 結(jié)論

基于鐵路基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，深度融合鐵路應(yīng)急資源數(shù)據(jù)以及各部門生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)，應(yīng)用WebGIS，空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)和圖形圖像處理等技術(shù)，在Web 環(huán)境下構(gòu)建了三維鐵路信息管理與綜合決策系統(tǒng)。組件式等技術(shù)的采用實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的松散性耦合，降低了模塊之間的依賴性，使系統(tǒng)各模塊可以靈活的復(fù)用、分散組合與擴(kuò)展。該系統(tǒng)為高速鐵路生產(chǎn)資料數(shù)據(jù)的有序管理與高效利用，高速鐵路安全運(yùn)營和應(yīng)急處置的協(xié)同會商提供了技術(shù)保障，對鐵路信息化的建設(shè)具有重要意義。