基于GIS的鐵路設(shè)施空間數(shù)據(jù)可視化管理系統(tǒng)

陶 潔 鄒智元 鄭 偉 劉渭濱

(1.中國鐵路北京局集團有限公司通信段，北京 100077;2.北京交通大學(xué)，北京 100044 )

面向鐵路設(shè)施的空間數(shù)據(jù)可視化管理系統(tǒng)(Spatial Data Visualization Management System,SDVMS)能夠為系統(tǒng)運維人員、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員及中高層管理人員提供直觀、可視化的鐵路設(shè)施信息管理平臺。該系統(tǒng)可以對鐵路設(shè)施進行空間定位與屬性管理，將地圖、數(shù)據(jù)和文本集成在統(tǒng)一平臺上，實現(xiàn)高效地鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)更新與信息維護；對鐵路設(shè)施的空間屬性及物理屬性進行有效數(shù)據(jù)庫組織與存儲，實現(xiàn)對各類設(shè)施分布、運行情況等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進行全方位展示與分析；進而以真實地理空間方式展現(xiàn)各個設(shè)施相關(guān)位置信息和屬性信息，可快速、準(zhǔn)確地進行各個設(shè)施的查詢和定位，實現(xiàn)鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)空間分析、圖形與交互展示。

1 現(xiàn)狀分析

目前對鐵路設(shè)施基礎(chǔ)信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、樞紐地區(qū)設(shè)施覆蓋等管理工作仍通過傳統(tǒng)的臺賬、數(shù)據(jù)表格等方式記錄，缺乏直觀的圖形化顯示和管理工具。由于鐵路設(shè)施管理涉及大量的信息數(shù)據(jù)和資料，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，信息管理工作負(fù)擔(dān)越來越重，對鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)整理維護的速度遠跟不上信息更新速度，致使鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)資料的有效性得不到保證，造成鐵路設(shè)施管理工作的不及時性，在運行維護工作中出現(xiàn)信息延遲和決策失誤[1]。另外，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化方面，只有熟悉當(dāng)?shù)貙嶋H地理情況的少數(shù)維護人員對網(wǎng)絡(luò)分布和覆蓋情況較為清楚[2]，對高級管理人員而言，缺乏高效可視化管理工具的問題尤其突出，對既有網(wǎng)絡(luò)的安全形成了潛在管理隱患。因此，迫切需要建立有效鐵路設(shè)施管理系統(tǒng)，實現(xiàn)可視化管理[3,4]，整合現(xiàn)有的信息處理方式，為鐵路設(shè)施基礎(chǔ)信息管理、資產(chǎn)管理、電路調(diào)度、安全分析等提供科學(xué)、高效的信息管理平臺，而基于Oracle等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建立信息管理系統(tǒng)是一種有效的解決方案。

隨著地理信息技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（Geographical Information System，GIS）已經(jīng)在很多領(lǐng)域投入應(yīng)用，尤其是在鐵路設(shè)施管理系統(tǒng)中，憑借其強大的空間數(shù)據(jù)[5]處理能力為各個相關(guān)行業(yè)提供決策支持服務(wù)[6,7]。在比較成熟的GIS平臺開基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用型地理信息系統(tǒng)，可以有效的降低開發(fā)難度并且提高開發(fā)效率。而ArcGIS是業(yè)內(nèi)較為成熟的一款GIS平臺，除了提供ArcMap和ArcCatalog等數(shù)據(jù)處理工具之外，也提供軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）用于支持其他系統(tǒng)開發(fā)，例 如 ArcGIS Engine[8,9]和 ArcGIS SDE[10]（Spatial Database Engine）等。ArcGIS SDE提供了面向Microsoft SQL Server的一系列空間數(shù)據(jù)庫管理功能，包括創(chuàng)建、連接、讀寫等。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

根據(jù)軟件工程的方法，在需求分析的基礎(chǔ)上依據(jù)面向?qū)ο蟮姆治雠c設(shè)計原則，通過建立業(yè)務(wù)模型、數(shù)據(jù)庫 E-R模型（Entity-Relationship Model，E-R Model），完成子系統(tǒng)設(shè)計和數(shù)據(jù)庫設(shè)計。

2.1 子系統(tǒng)設(shè)計

在分析鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù)需求和流程之后，建立業(yè)務(wù)模型，如圖1所示。鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù)由三部分組成，包括數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)存儲。其中數(shù)據(jù)可視化面向網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員和高層管理人員，在GIS平臺的基礎(chǔ)上提供圖形界面，從而實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)展現(xiàn)和非空間數(shù)據(jù)的查詢；數(shù)據(jù)管理則主要面向數(shù)據(jù)運維人員，將采集到的鐵路設(shè)施的空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)經(jīng)過規(guī)范化處理后導(dǎo)入管理系統(tǒng)中，規(guī)范化的過程可以借助ArcGIS平臺完成；數(shù)據(jù)存儲主要提供空間數(shù)據(jù)庫和非空間數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)的持久化保存，保證數(shù)據(jù)的安全性和準(zhǔn)確性。

圖1 鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)管理業(yè)務(wù)Fig.1 Data management service of railway infrastructure

依據(jù)業(yè)務(wù)模型將面向鐵路設(shè)施的SDVMS分為三個“業(yè)務(wù)子系統(tǒng)”（簡稱“子系統(tǒng)”），如圖2所示。分別是鐵路設(shè)施空間數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)（簡稱“可視化子系統(tǒng)”）、鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)（簡稱“數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)”）和鐵路設(shè)施信息數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)（簡稱“數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)”）。

圖2 子系統(tǒng)劃分Fig.2 Division of subsystems

2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計指對數(shù)據(jù)庫模式的設(shè)計，通常以E-R模型的形式表達，數(shù)據(jù)的E-R模型表現(xiàn)了數(shù)據(jù)之前的關(guān)聯(lián)關(guān)系。本章主要介紹空間數(shù)據(jù)庫模式和非空間數(shù)據(jù)庫模式的設(shè)計。

2.2.1 空間數(shù)據(jù)庫模式

本系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)模式主要依賴ArcGIS提供的空間數(shù)據(jù)存儲模式，針對鐵路設(shè)施（包括鐵路鐵、基站等）進行設(shè)計?？臻g數(shù)據(jù)庫設(shè)計不同于一般的關(guān)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計，首先，要按照鐵路設(shè)施的類型將其抽象為空間要素；然后，每種空間要素作為一張表，稱為空間要素表，并確定表的屬性。通常，每個空間要素表以一個整型自增ID字段作為主鍵，包含了地空間信息相關(guān)的字段，并且用Shape字段標(biāo)識空間要素實例的形狀。

2.2.2 非空間數(shù)據(jù)庫模式

通過對非空間數(shù)據(jù)進行分析，本系統(tǒng)的非空間數(shù)據(jù)庫模式設(shè)計如圖3所示。該E-R模型中共定義13種數(shù)據(jù)實體，又根據(jù)實體間的關(guān)系將其中存在關(guān)系的實體分為一類，共分為4類。13種實體分別是，業(yè)務(wù)類實體：鐵路線（Railway）、基站（Base）、鐵路線坐標(biāo)點（Position）、車站（Station）和鐵路局（Department）；用戶權(quán)限類實體：用戶（User）、用戶類型（UserType）和權(quán)限（Previliege）；地圖元數(shù)據(jù)類實體：圖層分組元數(shù)據(jù)（MetaGroup）、鐵路線元數(shù)據(jù)（MetaRailway）、基站元數(shù)據(jù)（MetaBase）和基礎(chǔ)地圖元數(shù)據(jù)（Meta-Map）；數(shù)據(jù)類型類實體：數(shù)據(jù)類型（DataType）。各種數(shù)據(jù)實體均選用整型的自增ID字段作為主鍵。

圖3 E-R模型Fig.3 E-R model

3 系統(tǒng)實現(xiàn)效果

本章主要介紹鐵路設(shè)施空間數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的實現(xiàn)效果和相關(guān)功能。

3.1 鐵路設(shè)施空間數(shù)據(jù)可視化子系統(tǒng)

可視化子系統(tǒng)的相關(guān)功能主要依靠客戶端數(shù)據(jù)客戶端頂部的工具欄如圖4所示和可視化地圖界面如圖5所示實現(xiàn)，客戶端頂部的工具欄它提供了大量空間數(shù)據(jù)可視化操作，根據(jù)其功能大致可以分為兩部分，分別是空間元素相關(guān)操作和地圖相關(guān)操作

3.1.1 數(shù)據(jù)可視化界面實現(xiàn)

系統(tǒng)客戶端頂部的工具欄如圖4所示，它提供了大部分的空間數(shù)據(jù)可視化操作，根據(jù)其功能大致可以分為兩部分。分別是空間元素相關(guān)操作和地圖相關(guān)操作，例如繪制鐵路線元素、繪制基站元素、繪制鐵路線坐標(biāo)點元素等。

圖4 客戶端頂部工具欄（部分）Fig.4 Client top toolbar (part)

如圖5所示，而可視化地圖界面分別提供了鐵路設(shè)施列表（左側(cè)）、鐵路設(shè)施主地圖（中間）和鐵路設(shè)計數(shù)據(jù)信息面板與鳥瞰地圖（右側(cè)），通過工具進行的空間數(shù)據(jù)操作會在主地圖中實時展現(xiàn)。

圖5 數(shù)據(jù)可視化地圖界面Fig.5 Data visualization map interface

3.1.2 數(shù)據(jù)可視化功能

可視化子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可視化功能主要包括展現(xiàn)空間要素、繪制空間元素、空間數(shù)據(jù)查詢、空間數(shù)據(jù)定位、實時數(shù)據(jù)編輯，以下對前3種進行介紹。

1）展現(xiàn)空間要素

進入系統(tǒng)客戶端啟動并加載空間要素數(shù)據(jù)后，即可在主地圖中看到空間數(shù)據(jù)的圖形展現(xiàn)，如圖4中間所示，進而通過工具欄的工具進行操作；而左側(cè)的樹狀展開結(jié)構(gòu)則是根據(jù)圖層元數(shù)據(jù)進行組織的，通過元數(shù)據(jù)管理界面可以查看和管理這部分?jǐn)?shù)據(jù)。

客戶端已經(jīng)對鼠標(biāo)左鍵和右鍵預(yù)定義了地圖操作，在主地圖中，單擊鼠標(biāo)左鍵、右鍵可以選擇空間元素或者拖拽地圖；在鳥瞰地圖中，單擊或按住鼠標(biāo)左鍵可以移動定位矩形框，主地圖的顯示范圍也會隨之移動。

2）繪制空間元素

對空間要素綁定非空間數(shù)據(jù)，需要先完成空間元素的繪制。主地圖中會展現(xiàn)鐵路線、鐵路線坐標(biāo)點和基站三種設(shè)施的空間元素繪制。其中鐵路線是多段線，不同的鐵路線用不同的顏色標(biāo)識，同一條鐵路線的上行線和下行線的顏色也不同；鐵路線坐標(biāo)點由是圓點，上行線的點為黃色，下行線的點為藍色；而基站則是由特殊的圖標(biāo)來標(biāo)識的。

3）空間數(shù)據(jù)查詢

在工具欄的輸入框中輸入查詢關(guān)鍵字后點擊“查詢”按鈕即可使用空間數(shù)據(jù)查詢功能。此處的查詢也是類似模糊查詢的方式，用戶只需要關(guān)注查詢的內(nèi)容即可。

3.2 鐵路設(shè)施數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的實現(xiàn)包括空間數(shù)據(jù)管理和非空間數(shù)據(jù)管理兩方面，這里主要介紹系統(tǒng)客戶端對非空間數(shù)據(jù)管理的實現(xiàn)，空間數(shù)據(jù)管理可以通過ArcCatalog輔助實現(xiàn)。該系統(tǒng)是一個Windows桌面應(yīng)用程序，安裝成功后，雙擊客戶端的桌面圖標(biāo)即可啟動。

3.2.1 數(shù)據(jù)管理客戶端實現(xiàn)

進行數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)的客戶端后可以切換到數(shù)據(jù)管理界面，如圖6所示，在該界面頂部是切換不同數(shù)據(jù)管理界面的選項卡，左側(cè)是展現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄的表格，右側(cè)是數(shù)據(jù)操作面板，底部顯示當(dāng)前數(shù)據(jù)操作的進度和數(shù)據(jù)服務(wù)器的連接狀態(tài)。不同數(shù)據(jù)管理界面的右側(cè)數(shù)據(jù)操作面板會根據(jù)管理的數(shù)據(jù)類型加載對應(yīng)屬性，界面其他部分均相同。此外，元數(shù)據(jù)管理的界面與該界面相同，實現(xiàn)的功能也相同，因此不再列舉。在管理管理界面右側(cè)可以看到數(shù)據(jù)操作面板，由三部分組成：數(shù)據(jù)搜索、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)導(dǎo)入/導(dǎo)出。

圖6 數(shù)據(jù)管理界面Fig.6 Data management interface

3.2.2 數(shù)據(jù)管理功能

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要對非空間數(shù)據(jù)進行管理，該子系統(tǒng)提供的主要功能包括數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)修改、數(shù)據(jù)刪除等，以下對前兩種進行介紹。

1）數(shù)據(jù)導(dǎo)入和導(dǎo)出

下面以數(shù)據(jù)的鐵路線數(shù)據(jù)的導(dǎo)入為例進行介紹。用戶點擊右下角“導(dǎo)入鐵路線數(shù)據(jù)”按鈕后，會彈出文件選擇窗口。用戶選擇需要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件打開后，會彈出提示，要求用戶確認(rèn)是否導(dǎo)入選擇的數(shù)據(jù)文件，防止用戶選錯文件導(dǎo)致數(shù)據(jù)導(dǎo)入錯誤。此時用戶如果取消操作，則導(dǎo)入數(shù)據(jù)的過程被取消并退回到數(shù)據(jù)管理界面。

2）數(shù)據(jù)查詢

數(shù)據(jù)查詢需要用到數(shù)據(jù)操作面板頂部的數(shù)據(jù)搜索部分，用戶首輸入想要查詢的關(guān)鍵詞，然后點擊“搜索”按鈕，即可在左側(cè)數(shù)據(jù)表格中看到查詢結(jié)果。這里提供模糊搜索的功能，用戶不需要指定按照哪一個屬性來搜索，只需要輸入搜索內(nèi)容。

4 結(jié)束語

面向鐵路設(shè)施的SDVMS實現(xiàn)了對鐵路設(shè)施的空間數(shù)據(jù)的可視化展現(xiàn)與操作，系統(tǒng)部署實施后可以向鐵路系統(tǒng)的管理人員和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員提供直觀、便捷的鐵路設(shè)施地理信息查看。本系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計和C/S系統(tǒng)架構(gòu)都使得系統(tǒng)具有良好的可擴展性和可伸縮性，系統(tǒng)進一步的優(yōu)化完善主要分為兩個方面，第一，可以不斷收集用戶的反饋，并選擇其中有價值的信息，探討可行性，制定系統(tǒng)升級方案進行設(shè)計實現(xiàn)；第二，可以不斷與同類型的新產(chǎn)品進行比較，吸收其中良好的特性進行系統(tǒng)擴展。