三維鐵路信息管理與綜合決策系統的設計與實現

李少卿

（北京建筑大學 測繪與城市空間信息學院，北京100044）

高速鐵路的運營具有高速、高密度、運行環境復雜等特點，安全運營是其面臨的巨大挑戰。建設現代化鐵路地理信息系統（RGIS）是預防和應對各類自然災害、外部侵害和設備故障的必然要求。

目前，鐵路基本實現了數字化管理，各業務部門都有自己的MIS 系統，維護著鐵路網的日常運營。但鐵路設備及相應資源目前按照工務、電務、機務、供電、運輸、車輛等專業系統管理和維護，是條塊分割的數據資源管理方式，對本來就需要大聯動的鐵路運輸生產指揮和安全管理造成了諸多不便和不利影響[1]。高速鐵路測繪服務信息化依然面臨著各類生產資料亟需整合、需要一體化數據處理平臺、豐富成果的表達方式和深度挖掘數據價值等挑戰。

在不改變現有數據存儲方式的前提下，結合鐵路生產資料數據存儲需求與數據的特點，對生產資料數據進行分類管理，可實現高速鐵路各類數據資源的集中信息化管理；通過構建面向多源異構數據統一組織的基準地理格網，作為多源多尺度異構數據進行同構映射的空間基準，在此基礎上設計復合金字塔模型，以實現三維鐵路場景中海量多源數據的一體化表達；利用當前三維地理信息系統技術表達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、運輸生產指揮和應急處置的能力和的關鍵。

網絡地理信息系統(WebGIS)是基于互聯網平臺、客戶端應用軟件采用網絡協議，運用在互聯網平上的地理信息系統，是目前GIS 系統開發的主要方式[2]。在此基礎上設計并實現了能夠實現多源異構數據集成的，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，并從數據結構、系統架構、功能設計等方面介紹了系統實現的關鍵技術。

1 關鍵技術

1.1 多源異構數據整合與集成技術

多源異構數據統一表達方法是整合與集成分散、異構及不同格式數據的有效手段，包括多尺度地理格網構建、數據預處理、映射關系構建和描述規則設計等步驟。該方法首先將測區空間劃分為多尺度地理格網單元，作為異構三維模型數據統一組織的空間基準。其次，建立多源異構數據與地理格網單元的映射關系。在此基礎上設計異構數據的統一描述規則，從數據屬性、空間范圍、空間關系等方面對異構三維模型數據進行統一描述。最后將異構數據劃分到統一的地理格網中[3]。采用這種多源異構數據統一表達方法可實現跨部門、跨行業、跨平臺之間的數據交換、共享和協同處理，實現地理信息資源的一體化、標準化管理。

1.2ComGIS

ComGIS，即組件式對象模型地理信息系統。COMGIS 的思想是將組件式技術應用到GIS 軟件開發體系中。將地理信息系統各個功能模塊劃分為若干構件，這些構件都能單獨使用，也可根據應用要求，靈活構造更為高層和更粗粒度的GIS 系統模塊，或封裝為更低層和更細粒度的邏輯實現，最終形成應用系統[4]。這種按照統一的標準開發接口，實現地理信息系統基本功能函數的標準構造單元的ComGIS 技術，具有可定制、高復用、可封裝、可組裝的特性，可縮短軟件開發的周期，實現高效、無縫的系統集成。

圖1 框架結構圖

2 總體框架設計

系統技術架構邏輯層次上劃分為：數據存儲區、數據庫服務層、基礎設備層、應用支撐層、用戶層5 個層次。除上述五層外，還要建立相應的標準規范和系統安全體系，確保鐵路信息化建設和運營的數據與系統安全。系統總體框架結構如圖1 所示。

3 平臺實現

三維鐵路信息管理與綜合決策系統由B/S 模式的應急處置基礎資料系統和移動終端協同會商系統兩部分組成。數據庫端采用Postgresql + Postgis 數據服務器，利用ArcGis Server 10.6 進行地圖服務的配置和發布。

3.1 應急處置基礎資料系統

客戶端的應急處置基礎資料系統采用Vsual Studo Code 集成開發環境，以JavaScript 作為開發語言，使用Vue 作為用戶界面的搭建框架，以ArcGIS api for JavaScript 為開發工具和組件包進行插件式開發，數據管理和應用客戶端圍繞數據中心服務器構成了一個具有B/S 結構的局域網。應急處置基礎資料系統運行如圖2 所示。

圖2 應急處置基礎資料系統運行圖

根據功能特性劃分為智能搜索、里程定位、應急救援、系統管理等模塊。智能搜索模塊提供了包括關鍵字查詢、模糊查詢、緩沖區查詢、按類型查詢、聯合查詢等方式；應急救援模塊可在電子沙盤中進行事故模擬，生成詳細的救援方案并進行比選，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同會商系統

移動終端協同會商系統作為系統的事故點信息采集端和應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 協議，接收服務器端推送的由文字、語音、文件、圖表等救援信息壓縮加密成的網絡數據包。移動終端協同會商系統結構如圖4 所示。

在實際事故的應急處置的協同會商過程中，存在以下問題：

（1）發生緊急情況時，高鐵調度集中系統（CTC）和列車長的簡要報告無法實時共享多維度的時空信息，為故障判斷和應急處置提供準確的空間分析決策依據。

（2）各方各自掌握部分災情動態和救災資源，難以實時地集中進行綜合研判，給實時動態掌握災情全局和整體部署帶來困難[6]。

（3）執行應急處置決策時，由于缺少技術支持，列車長無法對現場形成客觀準確的空間認知，可能對決策產生錯誤理解和判斷。

圖4 協同會商系統功能結構圖

為解決上述問題，移動終端系統在傳統協同會商系統的基礎上，增加了分布式地理信息系統。使異地會商的各方能夠借助于基于地圖的遠程會商系統實時共享救援位置、救援路線、救援時間等時空信息，協作將掌握的災情、救災信息標繪到應急專題地圖上。這種地理信息網絡會議模式便于決策方準確、快速研判決策部署。移動終端協同會商系統如圖5 所示。

圖5 移動終端協同會商系統

4 結論

基于鐵路基礎地理信息數據，深度融合鐵路應急資源數據以及各部門生產資料數據，應用WebGIS，空間數據庫技術和圖形圖像處理等技術，在Web 環境下構建了三維鐵路信息管理與綜合決策系統。組件式等技術的采用實現了系統結構的松散性耦合，降低了模塊之間的依賴性，使系統各模塊可以靈活的復用、分散組合與擴展。該系統為高速鐵路生產資料數據的有序管理與高效利用，高速鐵路安全運營和應急處置的協同會商提供了技術保障，對鐵路信息化的建設具有重要意義。