三维铁路信息管理与综合决策系统的设计与实现

李少卿

（北京建筑大学 测绘与城市空间信息学院，北京100044）

高速铁路的运营具有高速、高密度、运行环境复杂等特点，安全运营是其面临的巨大挑战。建设现代化铁路地理信息系统（RGIS）是预防和应对各类自然灾害、外部侵害和设备故障的必然要求。

目前，铁路基本实现了数字化管理，各业务部门都有自己的MIS 系统，维护着铁路网的日常运营。但铁路设备及相应资源目前按照工务、电务、机务、供电、运输、车辆等专业系统管理和维护，是条块分割的数据资源管理方式，对本来就需要大联动的铁路运输生产指挥和安全管理造成了诸多不便和不利影响[1]。高速铁路测绘服务信息化依然面临着各类生产资料亟需整合、需要一体化数据处理平台、丰富成果的表达方式和深度挖掘数据价值等挑战。

在不改变现有数据存储方式的前提下，结合铁路生产资料数据存储需求与数据的特点，对生产资料数据进行分类管理，可实现高速铁路各类数据资源的集中信息化管理；通过构建面向多源异构数据统一组织的基准地理格网，作为多源多尺度异构数据进行同构映射的空间基准，在此基础上设计复合金字塔模型，以实现三维铁路场景中海量多源数据的一体化表达；利用当前三维地理信息系统技术表达铁路要素的空间信息，提供交互式地理信息空间分析功能，是提高铁路管理水平、运输生产指挥和应急处置的能力和的关键。

网络地理信息系统(WebGIS)是基于互联网平台、客户端应用软件采用网络协议，运用在互联网平上的地理信息系统，是目前GIS 系统开发的主要方式[2]。在此基础上设计并实现了能够实现多源异构数据集成的，可视、可量测、可感知、可分析、可控制的三维铁路信息管理与综合决策平台，并从数据结构、系统架构、功能设计等方面介绍了系统实现的关键技术。

1 关键技术

1.1 多源异构数据整合与集成技术

多源异构数据统一表达方法是整合与集成分散、异构及不同格式数据的有效手段，包括多尺度地理格网构建、数据预处理、映射关系构建和描述规则设计等步骤。该方法首先将测区空间划分为多尺度地理格网单元，作为异构三维模型数据统一组织的空间基准。其次，建立多源异构数据与地理格网单元的映射关系。在此基础上设计异构数据的统一描述规则，从数据属性、空间范围、空间关系等方面对异构三维模型数据进行统一描述。最后将异构数据划分到统一的地理格网中[3]。采用这种多源异构数据统一表达方法可实现跨部门、跨行业、跨平台之间的数据交换、共享和协同处理，实现地理信息资源的一体化、标准化管理。

1.2ComGIS

ComGIS，即组件式对象模型地理信息系统。COMGIS 的思想是将组件式技术应用到GIS 软件开发体系中。将地理信息系统各个功能模块划分为若干构件，这些构件都能单独使用，也可根据应用要求，灵活构造更为高层和更粗粒度的GIS 系统模块，或封装为更低层和更细粒度的逻辑实现，最终形成应用系统[4]。这种按照统一的标准开发接口，实现地理信息系统基本功能函数的标准构造单元的ComGIS 技术，具有可定制、高复用、可封装、可组装的特性，可缩短软件开发的周期，实现高效、无缝的系统集成。

图1 框架结构图

2 总体框架设计

系统技术架构逻辑层次上划分为：数据存储区、数据库服务层、基础设备层、应用支撑层、用户层5 个层次。除上述五层外，还要建立相应的标准规范和系统安全体系，确保铁路信息化建设和运营的数据与系统安全。系统总体框架结构如图1 所示。

3 平台实现

三维铁路信息管理与综合决策系统由B/S 模式的应急处置基础资料系统和移动终端协同会商系统两部分组成。数据库端采用Postgresql + Postgis 数据服务器，利用ArcGis Server 10.6 进行地图服务的配置和发布。

3.1 应急处置基础资料系统

客户端的应急处置基础资料系统采用Vsual Studo Code 集成开发环境，以JavaScript 作为开发语言，使用Vue 作为用户界面的搭建框架，以ArcGIS api for JavaScript 为开发工具和组件包进行插件式开发，数据管理和应用客户端围绕数据中心服务器构成了一个具有B/S 结构的局域网。应急处置基础资料系统运行如图2 所示。

图2 应急处置基础资料系统运行图

根据功能特性划分为智能搜索、里程定位、应急救援、系统管理等模块。智能搜索模块提供了包括关键字查询、模糊查询、缓冲区查询、按类型查询、联合查询等方式；应急救援模块可在电子沙盘中进行事故模拟，生成详细的救援方案并进行比选，支持救援过程的动画模拟和控制。各功能模块如图3 所示。

图3 功能模块示意图

3.2 基于地图的移动终端协同会商系统

移动终端协同会商系统作为系统的事故点信息采集端和应急处置决策信息的接收端，使用北斗定位装置收集移动终端的定位信息。通过http 协议，接收服务器端推送的由文字、语音、文件、图表等救援信息压缩加密成的网络数据包。移动终端协同会商系统结构如图4 所示。

在实际事故的应急处置的协同会商过程中，存在以下问题：

（1）发生紧急情况时，高铁调度集中系统（CTC）和列车长的简要报告无法实时共享多维度的时空信息，为故障判断和应急处置提供准确的空间分析决策依据。

（2）各方各自掌握部分灾情动态和救灾资源，难以实时地集中进行综合研判，给实时动态掌握灾情全局和整体部署带来困难[6]。

（3）执行应急处置决策时，由于缺少技术支持，列车长无法对现场形成客观准确的空间认知，可能对决策产生错误理解和判断。

图4 协同会商系统功能结构图

为解决上述问题，移动终端系统在传统协同会商系统的基础上，增加了分布式地理信息系统。使异地会商的各方能够借助于基于地图的远程会商系统实时共享救援位置、救援路线、救援时间等时空信息，协作将掌握的灾情、救灾信息标绘到应急专题地图上。这种地理信息网络会议模式便于决策方准确、快速研判决策部署。移动终端协同会商系统如图5 所示。

图5 移动终端协同会商系统

4 结论

基于铁路基础地理信息数据，深度融合铁路应急资源数据以及各部门生产资料数据，应用WebGIS，空间数据库技术和图形图像处理等技术，在Web 环境下构建了三维铁路信息管理与综合决策系统。组件式等技术的采用实现了系统结构的松散性耦合，降低了模块之间的依赖性，使系统各模块可以灵活的复用、分散组合与扩展。该系统为高速铁路生产资料数据的有序管理与高效利用，高速铁路安全运营和应急处置的协同会商提供了技术保障，对铁路信息化的建设具有重要意义。