基于GIS技術(shù)的地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 睿

（貴陽(yáng)市公共交通投資運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081）

0 引言

隨著現(xiàn)代化城市軌道交通的飛速發(fā)展，運(yùn)營(yíng)問(wèn)題不斷產(chǎn)生，地鐵線網(wǎng)智能化應(yīng)用備受關(guān)注。隨著客運(yùn)需求量不斷提升，城市地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)工作隨之增加，相關(guān)安全問(wèn)題同步產(chǎn)生[1]。同一鐵路線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)形式多樣，每條線路之間也需要進(jìn)行有效和及時(shí)的運(yùn)營(yíng)效果交流。將不同線路控制中心的資源整合，實(shí)現(xiàn)一體化的運(yùn)營(yíng)管理，能夠組織在緊急狀態(tài)下的協(xié)調(diào)指揮。通過(guò)線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)使得協(xié)調(diào)更加完善，控制更加便捷。線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)具有整體監(jiān)控、調(diào)度協(xié)調(diào)、應(yīng)急指導(dǎo)、資源共享等功能，增加了鐵路線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的實(shí)時(shí)性和安全性。地鐵線網(wǎng)調(diào)度中心通過(guò)對(duì)各線的控制集中點(diǎn)與線路運(yùn)營(yíng)進(jìn)行協(xié)調(diào)與調(diào)度，幫助線路管理中心集中協(xié)同調(diào)度，做到控制管轄線路的正常順暢通行。與此同時(shí)，支持各線路系統(tǒng)專業(yè)數(shù)據(jù)資源的一體化整合和大容量長(zhǎng)期存儲(chǔ)，獲取科學(xué)決策的基礎(chǔ)信息。由于運(yùn)用傳統(tǒng)方法的線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)資源共享速度慢，線路故障問(wèn)題發(fā)現(xiàn)匯報(bào)不及時(shí)，使得應(yīng)急中心處理事務(wù)中存在多種問(wèn)題，導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)[2]。為提升指揮中心和運(yùn)營(yíng)企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理水平，本文基于GIS 技術(shù)的應(yīng)用對(duì)地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并采取科學(xué)的方法對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與實(shí)用性進(jìn)行測(cè)試和分析。

1 地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)運(yùn)用的硬件基礎(chǔ)設(shè)施為超融合云平臺(tái)架構(gòu)，其中包括TCC 數(shù)據(jù)接口系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心、應(yīng)用系統(tǒng)、PCC、CCTV、開(kāi)發(fā)測(cè)試等[3]。同時(shí)系統(tǒng)提供充足數(shù)量的IaaS 層虛擬機(jī)，云平臺(tái)支持節(jié)點(diǎn)拓展的熱插拔和熱遷移，具體的TCC系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 TCC系統(tǒng)構(gòu)成圖

其中CCTV 監(jiān)控系統(tǒng)中增設(shè)前置攝像機(jī)，交換機(jī)等設(shè)備及線纜，對(duì)線網(wǎng)中心內(nèi)外區(qū)域?qū)嵭斜O(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)視頻信息自動(dòng)化管理。網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻存儲(chǔ)設(shè)備提供相應(yīng)的儲(chǔ)存內(nèi)存與IO配置。攝像機(jī)內(nèi)的全部視頻存儲(chǔ)期限為90d，圖像分辨率為高清640×1080P，碼流要求在3M 以上。同時(shí)，支持消除電源冗余，按照RAID0-6的盤陣集合，允許存在一塊磁盤摩擦現(xiàn)象，保證圖頻的存儲(chǔ)有效性，在盤陣中將圖像與視頻進(jìn)行存儲(chǔ)[4]。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)視頻傳輸每秒不少于25 幀，圖像分辨率為Full HD，640×1080P，攝像機(jī)鏡座選用CS 標(biāo)準(zhǔn)，鏡頭選擇相應(yīng)的適配型號(hào)，選擇具有自動(dòng)白平衡，光感平衡，光圈較大的攝像機(jī)。

2 地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 GIS技術(shù)監(jiān)控定位模塊

TCC對(duì)地鐵軌線網(wǎng)資源高度管理，并基于GIS系統(tǒng)進(jìn)行查詢，定點(diǎn)救援和實(shí)時(shí)定位[5]。其監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成示意圖如圖2所示。

圖2 GIS監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

通過(guò)GIS 系統(tǒng)定點(diǎn)對(duì)線網(wǎng)中的建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)急救援等資源進(jìn)行定位。劃分有可能或者已發(fā)生安全問(wèn)題的地區(qū)，使得救援人員在救援中可以得到動(dòng)態(tài)圖頻信息。運(yùn)用GIS 系統(tǒng)定位相關(guān)地點(diǎn)，運(yùn)用圖像顯示劃分對(duì)應(yīng)范圍內(nèi)的救援點(diǎn)位置，通過(guò)建立周邊資源信息文件夾，按照現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境制定GIS 救援預(yù)案，并進(jìn)行處置決策判定。設(shè)定其中交點(diǎn)的坐標(biāo)為p(a,b,c)，事故點(diǎn)的坐標(biāo)為bp(a,b,c)，其中(a,b) =(a,b)。設(shè)置線網(wǎng)監(jiān)控事故點(diǎn)中所涉及到的范圍定點(diǎn)公式為：

式中：k——監(jiān)測(cè)范圍；

r——路線；

X——所需要的信息數(shù)據(jù)。

在遺傳算法中的目標(biāo)函數(shù)值為監(jiān)測(cè)路線中的坐標(biāo)值與事故點(diǎn)相應(yīng)坐標(biāo)之和的絕對(duì)值之差，公式為：

式中：k——設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)值；

C1——設(shè)定的事故點(diǎn)；

c1——事故點(diǎn)。

同時(shí)，結(jié)合GIS 地圖對(duì)現(xiàn)場(chǎng)處置展開(kāi)自主工作，采集不同線路的實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)信息，并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)。監(jiān)測(cè)并記錄線網(wǎng)中不同線路的列車運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)得到發(fā)生事故時(shí)的報(bào)警信號(hào)，報(bào)警級(jí)別設(shè)定為三級(jí)。同時(shí)在PC 模塊中監(jiān)測(cè)客流程度，并將客流態(tài)勢(shì)進(jìn)行繪制。運(yùn)用三維GIS 智能技術(shù)將線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)完成三維可視化，可視項(xiàng)目為客流狀態(tài)，列車運(yùn)行公里數(shù)等[6]。用戶可以通過(guò)多種交互方式在系統(tǒng)的三維場(chǎng)景中探索，在探索的過(guò)程中點(diǎn)擊三維模型可以獲取列車等信息的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，用戶探索到危險(xiǎn)設(shè)備區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)地對(duì)用戶展開(kāi)危險(xiǎn)預(yù)警。運(yùn)用相應(yīng)措施緩解SQL 中客流數(shù)據(jù)過(guò)多情況，在客流過(guò)大時(shí)，協(xié)調(diào)各運(yùn)營(yíng)部門分解客流信息。接入線網(wǎng)車載CCTV 信息，對(duì)所有列車監(jiān)控與切換，設(shè)置4 種鏡頭畫面顯示，對(duì)大客流線列車數(shù)據(jù)定時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)畫面及時(shí)監(jiān)控問(wèn)題。在線網(wǎng)中發(fā)生安全問(wèn)題時(shí)，全線統(tǒng)計(jì)PIIS數(shù)據(jù)，并將PIIS信息數(shù)據(jù)傳送給TCC 端。經(jīng)過(guò)處理后，將TCC信息調(diào)度與各線指揮中心反應(yīng)做好備份。

2.2 線網(wǎng)無(wú)線調(diào)度模塊

線網(wǎng)無(wú)線調(diào)度模塊將有線與無(wú)線集群互聯(lián)，滿足線網(wǎng)調(diào)度臺(tái)用戶與車載臺(tái)集群用戶之間的交流與溝通，獲取對(duì)應(yīng)的服務(wù)數(shù)據(jù)[7]。主要有TCC信息調(diào)度使用，網(wǎng)頁(yè)收藏夾中設(shè)置固定監(jiān)控的網(wǎng)站，建立專用保密的用戶名，突發(fā)事件時(shí)，使用專用用戶名在網(wǎng)站發(fā)布正面引導(dǎo)信息。建立線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)廣域網(wǎng)，在SQL中添加運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)報(bào)表，獲取鐵路各類會(huì)議數(shù)據(jù)信息。在需要信息發(fā)布時(shí)，通過(guò)該系統(tǒng)，向公司各部門、中心及領(lǐng)導(dǎo)發(fā)布相關(guān)運(yùn)營(yíng)信息。信息發(fā)布過(guò)程中按照發(fā)布對(duì)象進(jìn)行組別分類，主要按照事件需要通知的對(duì)象分類。設(shè)定專業(yè)的調(diào)度命令，監(jiān)控各線的調(diào)度命令，應(yīng)急需要時(shí)發(fā)布TCC調(diào)度命令。TCC調(diào)度命令有最高權(quán)限，調(diào)度命令只針對(duì)各區(qū)域指揮室，各指揮室按照TCC命令執(zhí)行，需要時(shí)將命令轉(zhuǎn)發(fā)至區(qū)域指揮室的相關(guān)車站或部門。線網(wǎng)軌行區(qū)施工從約束模型中優(yōu)化，雙層優(yōu)化模型公式為：

式中：x——線路優(yōu)化決策變量值；

S(x,y)——優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)可行域決策得到線路優(yōu)化的約束條件；

y——運(yùn)營(yíng)優(yōu)化決策變量，通過(guò)D(x,y)優(yōu)化函數(shù)得到?jīng)Q策可行域的約束條件。

將數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代，收斂條件得到最優(yōu)解。管理者可以通過(guò)該系統(tǒng)監(jiān)控與檢測(cè)不同線之間的施工作業(yè)，檢測(cè)全線網(wǎng)施工計(jì)劃兌現(xiàn)率數(shù)據(jù)，得到施工分類的數(shù)據(jù)，包括氣象預(yù)警監(jiān)控信息。ATS 信息在線網(wǎng)各區(qū)域中，通過(guò)所轄各區(qū)域指揮中心正線ATS工作進(jìn)行調(diào)控，主要包括各線的ATS 信息，即軌道和信號(hào)圖形錯(cuò)誤顯示，數(shù)量ID 屬性等信息。設(shè)定鐵路信號(hào)ID 為A，線路站ID 為B、車站公里數(shù)ID 為C 建立相關(guān)數(shù)據(jù)表。并能夠在ATS 工作站上建立顯示GIS 定位圖像，同時(shí)記錄有關(guān)信息。建立全線網(wǎng)線路站點(diǎn)展示圖，根據(jù)各站客流變化，分析各站圖標(biāo)顏色變化，得到斷面客流量程度。以上個(gè)年度日均客流為標(biāo)準(zhǔn)值，在標(biāo)準(zhǔn)值或標(biāo)準(zhǔn)值以下的為藍(lán)色，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值15%為橙色，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值65%為紅色，剩下的部分為紫色。將不同站閘機(jī)來(lái)往的客流情況數(shù)據(jù)添加到SQL 中，導(dǎo)入到軟件中分析，生成相應(yīng)數(shù)據(jù)，并展示在AFC客流終端中。與此同時(shí)，結(jié)合AFC 客流觀測(cè)設(shè)備，檢測(cè)并傳輸每天不同時(shí)段內(nèi)的全線網(wǎng)客流數(shù)據(jù)，并統(tǒng)計(jì)不同月份和不同年份之間的線網(wǎng)客流數(shù)據(jù)總值。

3 測(cè)試與分析

3.1 測(cè)試環(huán)境

為測(cè)試地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)并發(fā)使用過(guò)程中的性能變化，模擬100個(gè)用戶同時(shí)并發(fā)登陸訪問(wèn)系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行并發(fā)寫入監(jiān)管信息，并讀取數(shù)據(jù)庫(kù)中的運(yùn)營(yíng)相關(guān)數(shù)據(jù)，測(cè)試系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。設(shè)定查詢事務(wù)最大響應(yīng)時(shí)間為3s，業(yè)務(wù)成功率為100%，CPU和內(nèi)存的使用率小于85%視為成功。設(shè)置用戶訪問(wèn)數(shù)為100，在Controller中設(shè)置開(kāi)啟同步位置，運(yùn)行事務(wù)，在用戶達(dá)到同步位置后進(jìn)行釋放。系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境系統(tǒng)架構(gòu)見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模擬并發(fā)用戶進(jìn)行測(cè)壓，當(dāng)所用用戶加載完畢后連續(xù)運(yùn)行一定的時(shí)間。同時(shí)采用集合點(diǎn)方式，當(dāng)用戶數(shù)量并發(fā)用戶全部加載完畢后進(jìn)行釋放，最后完成退出。性能測(cè)試工具選用LOADRUNNER 12.3。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

為了使得測(cè)試結(jié)果具有普遍性，試驗(yàn)設(shè)置10 個(gè)測(cè)試小組。模擬多個(gè)用戶同時(shí)并發(fā)登錄使用系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行寫入操作，觀察服務(wù)器端點(diǎn)的相應(yīng)時(shí)間和系統(tǒng)性能，得到在測(cè)試下系統(tǒng)查詢事務(wù)響應(yīng)時(shí)間，事務(wù)成功率和CPU使用率的結(jié)果，具體如表2所示。

表2 系統(tǒng)查詢事務(wù)響應(yīng)測(cè)試

由測(cè)試結(jié)果可知，在并發(fā)下，事務(wù)成功率均為100%，說(shuō)明用戶使用系統(tǒng)查詢事務(wù)的并發(fā)訪問(wèn)方面不存在問(wèn)題。同時(shí)，10組測(cè)試結(jié)果顯示，CPU使用率均在85%以下。10 組測(cè)試事務(wù)響應(yīng)時(shí)間均在3s 以內(nèi)，不存在系統(tǒng)延遲現(xiàn)象，計(jì)算平均響應(yīng)時(shí)間結(jié)果比預(yù)期的理想響應(yīng)時(shí)間結(jié)果小，說(shuō)明在地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)查詢事務(wù)響應(yīng)中有極好的反應(yīng)速度。通過(guò)Spring 框架的注解事物控制來(lái)控制事務(wù)的并發(fā)訪問(wèn)，及時(shí)解決系統(tǒng)并發(fā)問(wèn)題。通過(guò)上述測(cè)試和分析，說(shuō)明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性與實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本次研究從地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)入手，探究基于GIS 技術(shù)的地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，構(gòu)建高質(zhì)量的管理體系和符合協(xié)同發(fā)展的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。對(duì)數(shù)據(jù)收集中的重點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與存檔，使得數(shù)據(jù)更加完善，有利于對(duì)線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)的構(gòu)建和優(yōu)化。但是本文方法中還存在著不足，比如存在對(duì)主要樣本分析與選取不完善，對(duì)采樣數(shù)據(jù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的提取還不夠全面，樣本數(shù)量不足等問(wèn)題。今后應(yīng)更加完善計(jì)算，通過(guò)對(duì)計(jì)算樣本數(shù)量方法的不斷完善，協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)指揮的優(yōu)化，提高服務(wù)水平，提升網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)中突發(fā)事件的應(yīng)急處理效率，實(shí)現(xiàn)基于GIS技術(shù)的地鐵線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)的優(yōu)化管理。