基于WebGIS的鐵路煤炭運輸抑塵管理系統設計與實現

馬樹峰

(中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京 100081)

基于WebGIS的鐵路煤炭運輸抑塵管理系統設計與實現

馬樹峰

(中國鐵道科學研究院 標準計量研究所，北京 100081)

鐵路煤炭運輸過程中的揚塵問題是危及運輸安全、造成環境污染和煤炭資源浪費的重大隱患。針對全國鐵路煤炭運輸抑塵作業噴灑質量、評價抑塵效果、管理抑塵信息等難以監管的問題，在分析系統需求的基礎上，提出基于 WebGIS 的鐵路煤炭運輸抑塵管理系統設計方案，包括系統總體功能結構、系統架構及系統實現的技術方案，據此開發的系統可展示鐵路抑塵作業站點分布情況，能夠實時監控、查詢、調度、指揮各作業站點的抑塵信息，實現煤炭運輸抑塵管理的指揮垂直化、組織扁平化，有效地提高煤炭抑塵作業質量和工作效率。

抑塵站；地理信息系統；系統設計；空間數據

鐵路煤炭運輸過程中的揚塵問題是危及運輸安全、造成環境污染和煤炭資源浪費的重大隱患[1]。隨著列車速度的不斷提高，煤炭揚塵危害呈愈演愈烈之勢。為降低煤炭在鐵路運輸過程中的損耗，減少對環境的污染，保證運輸安全，鐵路貨運管理部門在充分研究論證的基礎上，于 2009 年開始推廣應用煤炭運輸抑塵技術。截至 2015 年底，全路共建成并投入運用近 400 個固定式煤炭抑塵噴灑站，通過自動化設備控制抑塵劑的噴灑，經 6 大鐵路干線運輸的煤炭實現100% 抑塵處理[2]。鐵路煤炭運輸實施抑塵后，大大減少了煤炭顆粒擊打列車前風擋、車窗玻璃事故的發生，降低了沿線鐵路設備和機車故障率，確保了鐵路運輸安全，有效地控制了沿線環境的污染，改變了過去老百姓窗門緊閉的境遇，確保了鐵路沿線群眾的身體健康，得到沿線地區老百姓的贊譽，也得到地方政府和煤炭發運企業的理解和支持，社會反映良好。但是，在抑塵作業質量控制方面也存在一些問題，如抑塵作業信息數據不能實時備份、查詢、統計、分析，無法監測、調度、管理、指揮抑塵作業，易發生漏噴、多噴、少噴、停噴等抑塵作業質量問題。為此研發基于網絡地理信息系統 (Web Geographic Information System，WebGIS) 的鐵路煤炭運輸抑塵管理系統，用于對煤炭抑塵作業信息進行遠程網絡控制，監控、分析、調度、管理煤炭抑塵作業質量。

1 鐵路煤炭運輸抑塵管理系統需求分析

1.1 抑塵管理組織結構

目前，鐵路煤炭運輸抑塵工作實行中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 (段) (含貨運中心)、抑塵站點 4

級管理。中國鐵路總公司貨運主管部門負責全路煤炭抑塵工作的組織、監督及指導工作，負責組織制定全路范圍的鐵路煤炭抑塵管理有關規章、辦法和技術條件；鐵路局貨運主管部門負責對局管內煤炭抑塵生產安全、設備設施管用修、抑塵作業質量等工作進行監督，負責制定管內煤炭運輸抑塵工作管理辦法及相關規定并組織實施，負責抑塵作業人員培訓等工作；直屬站 (段) 負責制定煤炭抑塵管理實施細則，負責管內煤炭抑塵日常生產組織、監督和指導；抑塵站點負責落實具體的規章、辦法和技術條件，按規定配制抑塵劑，保證噴灑質量達到規定要求，定期維護保養抑塵設備，保證設備運用狀態良好。

1.2 功能需求

煤炭運輸抑塵技術推廣應用以來，鐵路貨運管理部門先后制定發布《鐵路貨運安全檢測監控與管理系統總體技術規范》《“十二五”鐵路貨運設備設施建設的實施意見》《鐵路煤炭運輸抑塵作業技術條件》《散裝礦物粉料鐵路運輸抑塵劑暫行技術條件》《散裝礦物粉料鐵路運輸抑塵噴灑系統暫行技術條件》《散裝礦物粉料鐵路運輸抑塵作業暫行技術條件》等 10 余項規章、辦法和標準，在抑塵作業安全、抑塵劑選用配制、抑塵劑噴灑質量、抑塵作業環境、抑塵設施設備配置、抑塵設施設備管用修、抑塵服務質量等方面提出了具體工作要求，同時明確了抑塵系統建設的功能需求、基本組成、主要技術要求和配置要求等內容[3]，為研發鐵路煤炭運輸抑塵管理系統提供了技術依據。系統應以提高鐵路煤炭運輸抑塵作業質量和管理水平為目的，采用自動控制技術和信息化技術手段，通過中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 (段) 3 級聯網，提高抑塵作業的自動化程度，并且為各級貨運及抑塵管理部門提供噴灑情況及質量信息服務，實現對噴灑過程與效果的實時監控與評估，使管理部門能夠及時、全面掌握抑塵作業質量情況。

（1）抑塵信息展示。將抑塵站相關信息共享到網絡上，展示鐵路抑塵作業站點分布情況，各級用戶能夠利用基于地理信息系統 (GIS) 的集中監控功能，對管理權限內的煤炭運輸抑塵作業信息進行集中展示，管理人員可以監控、調度、指揮各抑塵站的抑塵作業，實現抑塵作業的集中化、動態化和可視化[4]。

（2）抑塵噴灑監控。①對場景進行智能分析和監控，自動判斷是否有需要抑塵的貨車經過；當出現需要抑塵的貨車時，系統立即啟動抑塵劑噴灑裝置，并且通過網絡傳輸到監控中心，實現對抑塵劑噴灑的智能化管理；能夠按車號自動計量噴灑量，根據貨車運行速度自動調節噴灑流量，識別鉤檔并且停噴[5]。②提供抑塵情況的視頻監控，作業視頻能夠遠程控制和回放。

（3）統計分析。對抑塵作業質量進行實時監控，按照日、周、月、年生成抑塵作業信息統計圖表等；各級管理用戶可按權限實時查詢各抑塵站作業完成情況、實時作業影像，生成站段、鐵路局或全路統計圖表等。

2 基于WebGIS的鐵路煤炭運輸抑塵管理系統設計

WebGIS 是 Web 技術與 GIS 相結合的產物，它通過互聯網進行地理空間數據的發布和應用，以實現空間數據的共享和互操作。WebGIS 具有良好的可擴展性和跨平臺性等特點，并且易于部署[6-8]。

2.1 系統總體功能結構

基于 WebGIS 的鐵路煤炭運輸抑塵管理系統將抑塵站相關信息共享到網絡上，管理人員可以監控、調度、指揮各抑塵站的抑塵作業，系統主要包括數據管理、GIS 基本功能和抑塵站信息管理功能模塊。系統總體功能結構如圖 1 所示。

（1）數據管理。①數據采集：從各抑塵站采集相關的空間數據和屬性數據，并對數據進行整理，為后續工作提供支持。②數據查詢與編輯：實現數據的錄入、查詢、修改等操作，可以進行站點信息的查詢、編輯。③數據分析：對各抑塵站空間數據和抑塵信息進行分析，統計每個站點每天的過車總數、噴灑量等信息。

（2）GIS 基本功能。①圖層管理：用于對地圖圖層進行管理，包括顯示地圖、對不同圖層的顯示順序進行設定、添加地圖、刪除地圖等功能。②空間分析：用于在地圖上進行交互操作，主要是空間分析相

關的操作，包括計算 2 點之間的實際距離、某個范圍的實際面積、在地圖中查詢某站點的位置等。③地圖操作：包括鼠標滾輪實現放大、縮小，鼠標點擊事件實現放大、縮小、移動地圖、區域選擇等功能。

（3）抑塵站信息管理。①系統工作狀態顯示：模擬顯示抑塵站點的抑塵作業狀態、抑塵劑從配制到噴灑的整個過程中各個傳感器的工作狀態。②庫存管理：對抑塵站的抑塵劑庫存信息進行管理。③視頻監控：實時監視站點的噴灑操作情況并且進行錄像。④噴灑記錄管理：實時顯示噴灑信息，可以進行日統計和月統計，也可以將統計結果輸出。

（4）用戶權限管理。系統用戶分為中國鐵路總公司級、鐵路局級、直屬站 (段) 級用戶，以及抑塵站點級生產作業及管理崗位用戶，通過用戶角色和功能的劃分，為不同用戶提供不同的功能和使用權限。

2.2 系統架構設計

2.2.1 邏輯架構

由于 B/S 結構具有分布式的特點，可以隨時隨地通過 Web 瀏覽器進行查詢、瀏覽等業務處理，而且部署和維護方便，易于擴展，因而系統采用 B/S 架構。系統邏輯架構由數據層、服務層、業務層和表示層4 部分組成，如圖 2 所示。

（1）數據層。存儲矢量、屬性和其他相關數據，是系統的主要數據源。

圖 2 系統邏輯架構

（2）服務層。由 GIS 服務和緩存服務組成。GIS服務由 GeoServer 發布的 WMS (Web Map Service)、WFS (Web Feature Service) 和 WCS (Web Coverage Service) 服務組成，其中WMS主要利用具有地理空間位置信息的數據制作地圖；WFS 返回的是要素級的 GML 編碼，并且提供對要素的增加、修改、刪除等操作；WCS 則面向空間影像數據，它將包含地理位置值的地理空間數據作為“覆蓋 (Coverage)”在網上相互交換。緩存服務是在 GIS 服務器前添加的一個功能，它將數據庫中的地圖數據轉換成靜態圖片并且存儲在 Web 服務器中，客戶端從緩存中獲取靜態的瓦片以代替動態渲染的地圖服務。

（3）業務層。用來實現系統的業務邏輯，它將業務邏輯和數據分離，有利于系統的擴展和移植。

（4）表示層。為不同用戶對象群體提供信息展現界面，在客戶端通過瀏覽器方式實現信息瀏覽和交

互操作等功能。系統采用 HTML 技術和 OpenLayers顯示地圖，采用 Ajax 完成簡單的業務邏輯。

2.2.2 數據組織和管理

系統包含大量空間、屬性等數據，對靜態基礎地圖數據，采用 XML 方式對不同格式的數據進行組織；對動態數據，則采用 PostgreSQL/PostGIS 進行數據的創建和管理。

（1）空間數據結構。將空間數據按照一定的數據結構轉換為易于計算機存儲和處理的形式。①矢量數據結構。通過記錄坐標的方式來表示點、線、面等地理實體的空間分布。②柵格結構。將地圖表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網格陣列，每個網格作為一個像元或像素，由行、列號定義，并包含一個代碼，表示該像素的屬性類型或量值，或僅僅包含指向其屬性記錄的指針。③矢柵一體化數據結構。將矢量數據結構和柵格數據結構結合起來，是一種以矢量的方式組織柵格數據的數據結構。

（2）基礎地圖數據組織和管理。鐵路煤炭運輸抑塵管理系統需要使用全國基礎地理數據進行輔助顯示，主要包括鐵路線路分布圖層、高速鐵路線路分布圖層、火車站分布圖層、省會分布圖層、省界繪制圖層、地級市分布圖層、縣級分布圖層等。將全國鐵路運輸數據作為底層數據，將全國地圖及相應的行政區界線等數據作為基礎地圖數據，采用 XML 文件對基礎地圖數據進行組織和管理。

（3）動態數據組織和管理。實時、動態的鐵路煤炭運輸抑塵數據包括抑塵噴灑信息、庫存管理信息和監控數據等，PostGIS 是 PostgreSQL 的一個擴展，它支持所有的空間數據類型，并且具有源代碼公開和功能擴展性好等優點，因而動態數據均采用 PostgreSQL/PostGIS 進行存儲和管理。

2.2.3 空間數據的發布

采用 GeoServer 將數據發布到互聯網上，網絡用戶通過互聯網進行訪問。系統提供友好的用戶接口，包括對內容的合理組織與布局，對頁面形式、布局內容、色調搭配、菜單形式與內容、對話作業方式等的合理設計，使系統簡潔實用；在性能上實現穩定、安全的運行，并提供完善的維護管理。

2.3 系統實現的技術路線

系統實現的技術路線如圖 3 所示，主要技術過程：①獲取原數據文件；②用 PostgreSQL/PostGIS 對數據進行編輯和修改；③用 GeoServer將PostGIS 中的數據發布成 WMS，WFS，WCS 服務；④實時繪制地圖；⑤緩存處理抑塵信息和地圖數據；⑥將經過處理后的作業數據部署到服務器上；⑦制作客戶端網頁，用 JavaScript 結合 XMLHttpRequest 向服務器發送地圖操作的請求。

圖 3 系統實現的技術路線

3 結束語

WebGIS 具有更廣泛的訪問范圍、平臺獨立性、更簡單的操作、平衡高效的計算機負載等諸多優點，在鐵路交通、國土資源、環境保護、農業、海洋、城市建設等各領域已經得到廣泛應用，并且取得了良好的經濟和社會效益。基于 WebGIS 技術的鐵路煤炭運輸抑塵管理系統集空間數據組織和管理、空間數據可視化、動態標繪和空間分析于一體，實現了按圖查詢鐵路煤炭運輸抑塵站點的分布情況，以及對各站點抑塵信息的實時監控、查詢、調度、指揮，解決了系統中大量空間、屬性、時間、抑塵信息、工作狀況等各

種不同數據的數據結構存儲及處理問題。系統開發完成后于 2013 年開始在部分鐵路局進行了試點應用，實現了煤炭運輸抑塵管理的指揮垂直化、組織扁平化，有效地提高了煤炭抑塵作業質量和工作效率。

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（責任編輯 劉 新）

Design and Application of Dust Suppression Management System of Railway Coal Transportation based on WebGIS

MA Shu-feng
(Standards & Metrology Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Being 100081, China)

Dust problem during railway coal transportation is harmful to transportation safety and can cause environmental pollution and waste of coal resources. In the view of the problems in spraying quality, evaluation of result for dust suppression, and management of dust suppression information during the process of railway coal transportation, this paper puts up with design plan of dust suppression management system for railway coal transportation based on WebGIS based on analyzing business and function requirement, including overall system function structure and technical plan for system realization. This system can show distribution of location for railway station with dust suppression service, supervise, inquire and dispatch dust suppression information, and realize vertical command and flattening organization of dust suppression operation so as to increase operation quality and efficiency.

Dust Suppression Station; GIS; System Design; Spatial Data

1004-2024(2016)09-0054-05

TP399：U298

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.09.12

2016-08-16

馬樹峰 (1977—)，男，吉林德惠人，大學本科。

鐵道部科技研究開發計劃課題 (2013F020)