鐵路GIS技術發展及在通信網維護管理中的應用

■ 尹毅 張衛軍

鐵路GIS技術發展及在通信網維護管理中的應用

■ 尹毅 張衛軍

隨著我國鐵路事業的不斷發展，對鐵路通信網管理、設備維護水平也提出了更高的要求。鐵路通信網的維護管理具有專業化（一般按通信各專業分類管理）、區域化（總公司、鐵路局、通信段三級管理體制）等特點。作為當今科技發展的主流與熱門技術，地理信息技術（簡稱GIS技術）的專題性、區域性、可擴展性等技術特點與鐵路通信網維護管理特點有許多相似之處，目前，鐵路通信網各專業網絡管理系統及信息類系統多數為表單式、邏輯圖式界面，缺少直觀方便的地圖化的管理界面，各專業系統間也缺乏直接有效的地理信息資源數據互通、共享手段。如果GIS技術能夠廣泛應用在鐵路通信網維護管理之中，將可能帶來鐵路通信管理及維護水平的提升。

1 GIS系統

1.1 GIS技術概述

GIS系統是以地理空間數據庫為基礎，采用地理模型分析方法，適時提供多種空間的和動態的地理信息，為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。

GIS系統的發展起源于20世紀60年代，先后經歷了三代技術發展。目前第三代GIS軟件技術已趨于成熟，不斷演化為WebGIS、組件化、元數據、空間數據共享、服務共享和GIS系統互連等系統表現形式，最終建立內容和服務更加豐富的空間數據庫及應用系統。

目前我國GB系列中與GIS有關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劃代碼》，GB/T 13923—1992《國土基礎信息數據分類與代碼》，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系統分類

GIS系統按其內容可以分為三大類：

（1）專題GIS系統（Thematic GIS），是具有有限目標和專業特點的GIS系統，為特定的專門目的服務。例如，森林動態監測信息系統、水資源管理信息系統、礦業資源信息系統、農作物估產信息系統、草場資源管理信息系統、水土流失信息系統等。

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

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

1.3 GIS系統組成

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

1.4 GIS系統共通性分析

各行各業的GIS應用都存在著或多或少的共性和可參考性。

從GIS技術的應用范圍上分析，大部分通用GIS技術應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、業務圖層展示等功能幾乎在所有的GIS應用系統中都有體現。例如軌跡跟蹤功能應用于電力線路巡檢、燃氣綜合管理、城市地下管線運行突發事件領導決策支持、GIS貨物運輸管理、重大動物疫病應急指揮等系統。緩沖區分析、專題圖展示等功能在各個GIS系統中也均有體現，但實際業務分析模型依據各行業需求個性化制定。二維場景分析（距離測算、面積測算、路徑分析）應用于大部分系統。三維場景分析（坡度分析、高程分析、視域分析）可應用于電信網絡資源管理、跨界河流地區綜合信息應用系統等。

從應用業務上分析，各行業的業務模型和鐵路行業應用也存在很多相似的地方。如：電力線路巡檢業務與鐵路線設備巡檢業務相似，都涉及了線路查詢、巡檢軌跡跟蹤等業務功能；電信網絡資源業務與鐵路資源業務管理相似，涉及設備分布、設備定位、設備狀態監測等業務功能；三維數字北京系統與應急指揮系統業務相似，涉及應急搶險、事故區域分析、人員物資調度等業務功能。

圖1 GIS系統構成

絕大部分GIS系統都是與其他業務系統互聯互通的。GIS系統的核心是各類相關數據接入后的展示和時空分析。如上面提到的跨界河流地區綜合信息應用平臺，與水文、土壤、氣象等系統實現數據對接，實現河流、水系時空與水量情況的綜合分析；三維數字北京地理信息系統通過與城市監控系統對接，實現在電子地圖上實時查看監控視頻的功能；重大動物疫病應急指揮系統通過與移動應用系統對接，實現現場人員車輛行動軌跡的跟蹤，通過與動物養殖防疫信息系統對接，實現根據區域獲取養殖、防疫相關業務數據，輔助應急決策。因此，一個完善的GIS系統應該盡可能多的獲取各種業務數據，來豐富空間分析的元數據。同時，也應能夠向外部提供數據發布服務，為其他GIS系統提供行業數據服務。

也正因為GIS系統的這些共通性，使現有鐵路GIS系統的技術改進與擴展應用成為可能。

2 鐵路GIS系統發展

2.1 系統概述

現有的鐵路GIS系統于2009年正式在全路投入使用，系統建設之初的主要目的是建立跨局長大交路行車車載設備的頻率、工作制式切換數據庫，保障列車運行安全。系統集中管理機車通信設備所用地理信息數據，制定了全路統一的地理信息數據版本，為機車調度通信在全路實現自動頻率制式切換提供標準的數據源。同時，通過采集全國鐵路沿線地理信息數據（地理坐標、經緯度等），匯總機車通信設備屬性數據，建立全國統一的鐵路線路地理信息數據庫系統。

經過不斷地發展與數次升級改造，截至2013年6月，已經存儲全國鐵路線路及相關數據約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興趣點數據。系統軟件界面見圖2。

2.2 系統構成

現有鐵路GIS系統由中國鐵路總公司和鐵路局兩級網絡構成?？偣炯壈偣緮祿芾矸掌?、總公司數據庫服務器，鐵路局級包含鐵路局數據管理服務器、采集管理器、數據采集終端等。系統結構見圖3。

2.3 技術改進方案

現有鐵路GIS系統存在著應用方式較少（目前僅應用于CIR設備），數據庫結構主要為CIR設備運用定制，無法滿足多業務擴展應用需求，系統設備軟、硬件擴展能力有限等問題。隨著鐵路業務的不斷發展，鐵路系統各專業特別是通信維護管理對本系統提出了更多的應用需求。經過調查研究，可對現有GIS系統進行結構及功能性升級調整。

圖2 鐵路GIS系統軟件界面

圖3 鐵路GIS系統結構

2.3.1 數據庫結構改進

現有鐵路GIS系統的數據庫建構為單一架構，所有的基礎線路數據及用戶數據均存儲于同一層面的數據庫中，興趣點增、刪、改均需要對系統進行升級改造，不利于系統的擴展應用。因此建議將系統數據庫修改為多層結構，即用戶（專業）數據庫與基礎數據庫分離，這樣做既有利于系統數據庫升級改造，也有利于各類數據的安全保密，不同層級用戶可分層管理，分配不同的層級權限。改進后的系統數據庫架構見圖4。

2.3.2 系統軟硬件架構改進

隨著軟硬件技術的不斷發展，系統規劃進行數據庫容量升級，提高數據采集設備的操作系統擴展性，對數據管理設備的硬件升級，基礎數據支持增量更新、無線更新。

同時，系統所支持的終端將多樣化，可定制化，運用范圍更廣，不僅限于現有CIR通信設備。系統具備標準化的地理信息數據接口，可與其他通信管理信息系統進行系統間互聯互通，實現業務互通、資源共享。改進后的系統架構見圖5。

現有鐵路GIS系統的升級改造，將為GIS技術更好地運用在鐵路通信維護管理中提供了堅實的技術基礎和可靠保障。

3 GIS技術在通信維護管理中的應用

3.1 通信網資源管理

3.1.1 原理概述

圖4 改進后的系統數據庫結構

圖5 改進后的系統架構

圖6 基于GIS技術的通信設備資源信息查詢

如圖6所示，GSM-R無線基站、鐵塔、無線列調電臺、區間通話柱、沿線光纜等各類通信設備的位置信息均可存儲在信息系統中，鐵路GIS系統再通過標準化的通信接口，依據設備名稱、線路名稱、維護單位等關鍵字段索引，可與現有的鐵路通信設備履歷管理系統等通信設備的資源信息系統實現數據互聯及共享。

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

3.1.2 應用場景

場景一：某通信段技術管理人員，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備，歸A車間維護，及時通過聯系人查詢功能，及時通知維護人員王某注意該設備近期防汛工作。

場景二：某路通信設備管理人員，通過鐵路GIS系統頁面查詢對比歸類功能，發現管內部分地理位置接近的沿線通信設備均接近大修年限，依據系統統計功能，統一提報這些設備的大修計劃，并通過GIS系統及時更新設備維修情況等信息。

3.2 通信設備故障管理

3.2.1 原理概述

鐵路局管內所有沿線通信設備，如高速鐵路沿線基站鐵塔設備等，可通過采集地理信息數據點，存儲于鐵路GIS系統。通過與GIS系統與綜合網管系統、專業設備網管的標準化接口互聯，可實時以地圖形式呈現相關設備的運行狀況。一旦發生緊急設備故障，綜合網管或專業設備網管實時發出設備故障告警，并以直觀的地圖形式呈現在通信網管人員面前。并且通過第三方短信或數據業務接口，及時通知各級相關人員做好設備搶修工作?；贕IS技術的通信設備故障管理平臺見圖7。

3.2.2 應用場景

某鐵路局網管中心值班人員正在進行夜間值班，突然基于GIS技術的圖形化通信設備搶修系統網管發出了聲光告警，提示某高鐵線路區間基站發生故障，無法進行遠程管理。值班人員通過圖形化的網管界面查詢到該基站屬于高鐵線路重點防護基站，且沿線周邊未發現其他傳輸等設備的異常告警，也無地質災害預警，因此初步判斷屬于單點設備故障，立即將設備故障情況上報上級調度，并組織相關單位進行故障搶修。

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

依據故障設備的重要性等級信息設置，系統還可在設備故障發生時，通過短信等形式及時通知通信段相對應的主管領導，使領導可以及時掌握故障設備地理位置、搶修情況等信息。

3.3 作業監控與安全防護

3.3.1 原理概述

圖7 基于GIS技術的通信設備故障管理平臺

鐵路通信現場設備維護作業主要是圍繞鐵路沿線各類設備開展，鐵路GIS系統已經存儲絕大部分鐵路線的詳細地理信息數據，通過維護人員攜帶的手持GPS定位設備，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、通信設備的位置關系信息。通過系統設置的地理信息邏輯程序，可隨時監控掌握維護人員作業情況，并可及時發現侵入鐵路線內等危及列車行駛及人員生命安全的作業安全隱患。系統原理見圖8。

3.3.2 應用場景

場景一：某通信段主管通過定制化的GIS系統，可了解一段時期內之前工區維護人員的關鍵作業實際線路軌跡，以及是否所有需巡檢的設備都已有維護人員經過。并通過上報的維護作業記錄，進行時間、地點、任務的綜合比對，及時掌握設備維修作業情況，發現實際上可能漏檢的通信設備，杜絕人為漏檢設備等問題。

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

4 結束語

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

[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. 地理信息系統導論[M]. 北京：科學出版社，2006.

[4] 吳信才. MAPGIS地理信息系統[M]. 北京：電子工業出版社，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監控系統示意

尹 毅：北京鐵路通信技術中心，工程師，北京，100038

張衛軍：北京鐵路通信技術中心，高級工程師，北京，100038

責任編輯 陳曉云