京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)構(gòu)建研究

孫 嶸

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

1 鐵路地理信息系統(tǒng)研究應(yīng)用現(xiàn)狀

地理信息系統(tǒng)(GIS)是在計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)支持下，對(duì)整個(gè)或部分地球表層(包括大氣層)空間中的有關(guān)地理分布數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)存、管理、運(yùn)算、分析、顯示和描述的技術(shù)系統(tǒng)。鐵路資源信息與地理信息存在緊密的關(guān)聯(lián)性和依附性。因此，可將地理信息技術(shù)納入鐵路信息系統(tǒng)建設(shè)框架中，通過全過程動(dòng)態(tài)、靜態(tài)信息的高度融合，以及多層次、多粒度、多維度的信息匯聚與關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)資源信息的立體化、可視化，為管理與決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

鐵路信息系統(tǒng)在不同程度上引入了GIS的概念：用直觀的圖形方式來管理、顯示和分析與地理空間相關(guān)的各種數(shù)據(jù)。按照系統(tǒng)各自需求，對(duì)鐵路空間數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理和利用，有些還建立了各自的GIS子系統(tǒng)，如工務(wù)部門PWMIS[1]、鐵路應(yīng)急平臺(tái)、鐵路用地管理系統(tǒng)等[2]。受研發(fā)經(jīng)費(fèi)、技術(shù)支撐、組織方式等方面的約束，鐵路地理信息應(yīng)用系統(tǒng)普遍存在以下三個(gè)方面的問題。

(1)共享困難

由于沒有統(tǒng)一規(guī)劃，沒有考慮和其他應(yīng)用系統(tǒng)的交互，地理信息的格式、內(nèi)容尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。各業(yè)務(wù)系統(tǒng)僅從本部門的需求出發(fā)，采用不同的GIS軟件。另外，地理信息數(shù)據(jù)的加工格式也存在差異，造成業(yè)務(wù)系統(tǒng)間的地理信息不能共享。

(2)重復(fù)建設(shè)

為構(gòu)建自己的GIS應(yīng)用，各業(yè)務(wù)系統(tǒng)分別購置GIS軟件，采購、收集鐵路地理數(shù)據(jù)，造成人力、物力、投資的巨大浪費(fèi)。

(3)維護(hù)困難

每個(gè)系統(tǒng)都要維護(hù)各自的鐵路地理信息數(shù)據(jù)和GIS服務(wù)器，大大增加了維護(hù)人員和維護(hù)費(fèi)用。

為更好地服務(wù)于京張高鐵的建設(shè)，發(fā)揮空間地理信息的基礎(chǔ)支撐作用，將從統(tǒng)一、規(guī)范化的角度，建設(shè)京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)，為京張高鐵各業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)化的鐵路地理信息數(shù)據(jù)和空間信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)鐵路空間信息資源的共享和共用。

2 建設(shè)目標(biāo)和原則

構(gòu)建完整的京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)，建設(shè)地理信息空間數(shù)據(jù)庫，形成京張高鐵空間數(shù)據(jù)制作的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，統(tǒng)一管理京張高鐵空間信息數(shù)據(jù)和服務(wù)，對(duì)外提供標(biāo)準(zhǔn)空間數(shù)據(jù)和服務(wù)接口。

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)符合中國鐵路總公司《鐵路地理信息平臺(tái)總體方案》(運(yùn)信規(guī)劃函[2014]541號(hào))、《鐵路地理信息分類與編碼》(Q/CR 520-2016)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，按照統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一資源、統(tǒng)一管理的原則進(jìn)行建設(shè)。同時(shí)，為滿足北京局集團(tuán)公司信息化規(guī)劃中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理需求，通過基礎(chǔ)支撐環(huán)境和系統(tǒng)站點(diǎn)擴(kuò)展，可將北京局集團(tuán)公司鐵路地理信息數(shù)據(jù)納入其中并進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)北京局集團(tuán)公司地理信息數(shù)據(jù)的共享共用。

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 面向?qū)ο蟮目臻g數(shù)據(jù)管理技術(shù)

京張高鐵地理信息平臺(tái)管理的鐵路地理信息數(shù)據(jù)比例從1∶100萬到1∶200，即包括小比例粗粒度數(shù)據(jù)，也包括大比例細(xì)粒度數(shù)據(jù)。如何實(shí)現(xiàn)不同粒度、空間和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)一有效存儲(chǔ)，并且保證多用戶并發(fā)訪問的快速性和數(shù)據(jù)的一致性，是需要解決的關(guān)鍵問題。

與屬性數(shù)據(jù)相比，空間數(shù)據(jù)具有空間特征、非結(jié)構(gòu)化特征、空間關(guān)系特征等特點(diǎn)?；谏鲜鎏卣?，空間數(shù)據(jù)庫需以面向?qū)ο蠹夹g(shù)來設(shè)計(jì)，確保空間數(shù)據(jù)屬性與空間的一致性，并提供靈活的規(guī)則制定方法，滿足空間數(shù)據(jù)的表示、存取、檢索、更新等要求[3]。

3.2 服務(wù)式GIS(Service GIS)技術(shù)

采用基于Web 服務(wù)的SOA(面向服務(wù)的體系架構(gòu))構(gòu)建，以滿足不斷變化的業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)[4]。采用Service GIS技術(shù)，即面向服務(wù)的軟件工程方法，把GIS的全部功能封裝為Web服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)、語言的調(diào)用。

3.3 地圖緩存及更新技術(shù)

(1)地圖緩存

使用地圖緩存技術(shù)對(duì)地圖進(jìn)行切片，有效地減輕了服務(wù)器的計(jì)算負(fù)載和網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，極大地改進(jìn)了客戶端和服務(wù)器端的交互效率，提升了網(wǎng)絡(luò)地圖的服務(wù)應(yīng)用水平，改善了客戶端的用戶體驗(yàn)[5]。

(2)地圖更新

獲取空間數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的“瓦片”(一張或者幾張)，計(jì)算這部分“瓦片”的地圖范圍，并在后臺(tái)重新生成這個(gè)范圍的地圖圖片。用新生成的圖片替換這些舊有的“瓦片”，具體流程如下：

①使用地圖緩存技術(shù)對(duì)地圖進(jìn)行切片；

②獲取所對(duì)應(yīng)的“瓦片”；

③獲取每個(gè)“瓦片”所對(duì)應(yīng)的地圖范圍；

④重新生成“瓦片”，并替換原“瓦片”。

3.4 智能集群技術(shù)

京張高鐵地理信息系統(tǒng)平臺(tái)部署在中國鐵路總公司的主數(shù)據(jù)中心云平臺(tái)，采用智能集群技術(shù)，可隨時(shí)、按需、方便地提供服務(wù)，并可以在云端調(diào)配和動(dòng)態(tài)擴(kuò)展[6]。

4 技術(shù)方案

4.1 系統(tǒng)架構(gòu)

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)是中國鐵路總公司鐵路地理信息平臺(tái)面向智能鐵路的應(yīng)用延伸。在京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)中，接入了國家基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了國家地理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與高速鐵路地理數(shù)據(jù)的融合，形成京張高鐵“一張圖”?；谶@“一張圖”，可開展面向鐵路多業(yè)務(wù)、多模式的空間信息服務(wù)共享。結(jié)合鐵路業(yè)務(wù)的不同應(yīng)用，搭建“一張圖+N項(xiàng)服務(wù)”的空間信息應(yīng)用模式，提供以空間信息為統(tǒng)一坐標(biāo)的信息共享，為京張高鐵智能時(shí)空分析提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)保障。

(1)一張圖

“一張圖”的數(shù)據(jù)來源主要為國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)[8]。其中，國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)采用國家測(cè)繪地理信息局主導(dǎo)建設(shè)的“天地圖”前置服務(wù)；京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)需自行建設(shè)，具體包括鐵路線路、車站、四電、房屋、沿線設(shè)備設(shè)施的空間要素?cái)?shù)據(jù)，以及專業(yè)設(shè)施設(shè)備臺(tái)賬數(shù)據(jù)，與設(shè)施設(shè)備相關(guān)的圖紙、技術(shù)資料、圖片、視頻等，涵蓋工務(wù)、供電、通信、信號(hào)、房建、給排水、旅服、土地、防災(zāi)等專業(yè)[9-10]。

(2)基礎(chǔ)平臺(tái)

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)是中國鐵路總公司鐵路地理信息平臺(tái)面向鐵路的應(yīng)用延伸，其地理空間數(shù)據(jù)的編制實(shí)現(xiàn)了多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，可保證數(shù)據(jù)的有效性；同時(shí)，面向京張高鐵旅客出行便捷化、鐵路經(jīng)營服務(wù)精準(zhǔn)化、技術(shù)裝備運(yùn)管修智能化、應(yīng)急管理一體化的總體目標(biāo)，結(jié)合京張高鐵各業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)和用戶對(duì)鐵路地理空間信息和服務(wù)的實(shí)際需求，對(duì)外發(fā)布京張高鐵統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)的空間地理信息，并提供京張GIS門戶、在線地圖、功能服務(wù)發(fā)布、空間服務(wù)管理、空間數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理與監(jiān)控等功能[11]。

(3)N項(xiàng)服務(wù)

基于“一張圖+N項(xiàng)服務(wù)”的地理空間信息應(yīng)用模式，采用了多種標(biāo)準(zhǔn)空間信息服務(wù)接口OGC、REST以及SOAP協(xié)議，以滿足京張高鐵工程建設(shè)、智能裝備、智能經(jīng)營和公眾服務(wù)等各類業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求。同時(shí)，可通過“在線地圖”為系統(tǒng)用戶(京張公司維管人員和路局沿線各站段業(yè)務(wù)人員)提供資源搜索定位、專題業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析展示等功能。系統(tǒng)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 邏輯架構(gòu)

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)采用分層架構(gòu)，從上至下依次分為終端層、訪問層、服務(wù)支撐層、交互層、中間層、數(shù)據(jù)層、硬件層和網(wǎng)絡(luò)層共8層[3]?？墒瓜到y(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰、分工明確，以達(dá)到松散耦合、邏輯復(fù)用、標(biāo)準(zhǔn)定義的目的，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和安全性。

應(yīng)用系統(tǒng)采用集中式部署。依托鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)，對(duì)京張高鐵各業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)和用戶提供訪問服務(wù)。對(duì)于不在鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)的系統(tǒng)和用戶，可以通過鐵路安全平臺(tái)或者其他安全防護(hù)設(shè)備等方式進(jìn)行訪問。

在數(shù)據(jù)層，建設(shè)了空間數(shù)據(jù)庫、屬性數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)的分離。同時(shí)，在這些數(shù)據(jù)庫之上增加內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)的訪問可通過內(nèi)存數(shù)據(jù)庫進(jìn)行，以最大限度降低數(shù)據(jù)訪問的處理時(shí)間。中間層是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其設(shè)計(jì)基于功能模塊(每個(gè)模塊的功能盡可能單一)。模塊內(nèi)部高內(nèi)聚，便于功能的橫向擴(kuò)展；模塊之間松耦合，可增強(qiáng)系統(tǒng)的容錯(cuò)能力。交互層支持多種方式的協(xié)議規(guī)范，包括WebServices、Ftp、DBLink等[12]，大大提升了系統(tǒng)的兼容性。對(duì)于空間數(shù)據(jù)的交互，采用業(yè)界通用的OGC、REST、SOAP等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，能夠覆蓋大多數(shù)的空間數(shù)據(jù)交換需求。

服務(wù)支撐層是京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)的業(yè)務(wù)服務(wù)單元，包括京張高鐵GIS門戶、在線地圖、功能服務(wù)、功能管理、數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)管理與監(jiān)控6個(gè)部分，提供了京張高鐵各業(yè)務(wù)信息系統(tǒng)和用戶的空間數(shù)據(jù)訪問、空間數(shù)據(jù)管理、在線地圖應(yīng)用等系統(tǒng)功能。訪問層和終端提供了工程建設(shè)、智能裝備、智能經(jīng)營、公共服務(wù)等各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，以及京張高鐵公司管理人員、運(yùn)維人員使用地理信息系統(tǒng)的各種方式和手段(如圖2所示)。

圖2 邏輯架構(gòu)

4.3 功能設(shè)計(jì)

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)是京張高鐵信息化系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障，為其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)和系統(tǒng)用戶提供了路地多源空間信息融合服務(wù)。系統(tǒng)用戶主要由其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的開發(fā)人員(基于GIS服務(wù)進(jìn)行二次開發(fā)的技術(shù)人員)和京張城際公司維管人員、高鐵沿線各站段業(yè)務(wù)管理及運(yùn)維人員組成，可為用戶提供基于GIS地圖的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可視化展示、分析等[13]。系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

(1)京張高鐵GIS門戶

主要用于展示京張高鐵的各類空間信息資源，是用戶登錄系統(tǒng)的入口，也是京張高鐵地理信息GIS功能服務(wù)的集中展示模塊。用戶可根據(jù)實(shí)際需要，使用系統(tǒng)所提供的各類信息及功能，包括用戶登錄與身份認(rèn)證、GIS服務(wù)概覽、GIS服務(wù)資源列表、典型應(yīng)用展示、開發(fā)接口示例及說明、新聞通告中心、資料下載中心等。

(2)在線地圖

在線地圖子系統(tǒng)可為京張高鐵系統(tǒng)用戶(京張城際公司人員和高鐵沿線各站段運(yùn)維人員)提供全線“一張圖”可視化、設(shè)備設(shè)施定位查找、時(shí)空關(guān)聯(lián)分析、路地線路規(guī)劃、專題數(shù)據(jù)分析展示、個(gè)人工作地圖等功能，滿足京張高鐵各類用戶的使用需求。

(3)功能服務(wù)

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)提供的服務(wù)可分為四類：GIS可視化服務(wù)、GIS查詢服務(wù)、GIS分析服務(wù)及GIS專題服務(wù)。

(4)數(shù)據(jù)管理

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)統(tǒng)一管理京張高鐵地理信息數(shù)據(jù)，為全線提供標(biāo)準(zhǔn)地圖及GIS功能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)鐵路地理信息數(shù)據(jù)的科學(xué)存儲(chǔ)、有效管理。

(5)服務(wù)管理

服務(wù)管理子系統(tǒng)提供對(duì)各種類型服務(wù)的管理功能，包括服務(wù)發(fā)布、注冊(cè)、啟動(dòng)、停止、刪除、查詢、統(tǒng)計(jì)等功能。

(6)系統(tǒng)管理與監(jiān)控

對(duì)用戶、角色、權(quán)限等進(jìn)行統(tǒng)一身份認(rèn)證及授權(quán)分布管理。

4.4 數(shù)據(jù)建設(shè)

京張高鐵空間數(shù)據(jù)建設(shè)內(nèi)容包括國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)兩部分[14]。

國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)可提供京張高鐵周邊要素(地貌、植被、水系、交通、社會(huì)人文等)信息，是京張高鐵空間數(shù)據(jù)建設(shè)不可或缺的部分。京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)中的國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為自行建設(shè)。為了節(jié)約成本，減少資源浪費(fèi)，綜合考慮建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益，京張高鐵的國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)應(yīng)與中國鐵路總公司《鐵路地理信息平臺(tái)總體方案》的要求一致，可為全路各業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供國家公共基礎(chǔ)地圖服務(wù)。

京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)是京張高鐵線路及附屬設(shè)備設(shè)施空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的統(tǒng)稱，此部分?jǐn)?shù)據(jù)為自行建設(shè)。根據(jù)《鐵路地理信息平臺(tái)總體方案》，京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù)可劃分為京張高鐵專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)和京張高鐵專業(yè)專用地理信息數(shù)據(jù)兩部分。其中，京張高鐵專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)用于鐵路各專業(yè)之間的共享，依據(jù)《鐵路地理信息分類與編碼》(Q/CR 520—2016)進(jìn)行分類；京張高鐵專業(yè)專用地理信息數(shù)據(jù)是非鐵路專業(yè)共享共用的數(shù)據(jù)，此部分?jǐn)?shù)據(jù)主要面向京張高鐵各專業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。為實(shí)現(xiàn)資源集中管理，優(yōu)化資源配置，此兩部分?jǐn)?shù)據(jù)均放置在鐵路總公司鐵路地理信息數(shù)據(jù)庫中。

4.5 數(shù)據(jù)部署

京張高鐵的所有空間數(shù)據(jù)(即國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和京張高鐵空間地理信息數(shù)據(jù))集中部署于中國鐵路總公司鐵路地理信息數(shù)據(jù)庫。

4.6 接口方案

(1)服務(wù)接口類型

為滿足不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)GIS服務(wù)的調(diào)用，京張高鐵GIS系統(tǒng)將提供業(yè)界通用的OGC、SOAP和REST三種標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口方式，并采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP、HTTP來進(jìn)行通信控制[15]。

(2)二維可視化服務(wù)接口

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)二維可視化服務(wù)接口情況如表1所示[16-18]。

(3)三維可視化服務(wù)接口

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)三維可視化服務(wù)可實(shí)現(xiàn)鐵路線路、沿線地形地貌的可視化和直觀化，對(duì)外提供基于B/S架構(gòu)、輕量化的三維可視化服務(wù)，在瀏覽器端就能實(shí)現(xiàn)三維服務(wù)的集成[19]。京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)三維可視化服務(wù)情況如表2所示。

表1 二維可視化服務(wù)接口

表2 三維可視化服務(wù)接口

(4)GIS功能服務(wù)接口

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)功能服務(wù)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容包括GIS功能服務(wù)類型和功能設(shè)計(jì)。目前，系統(tǒng)對(duì)外提供的地理信息功能服務(wù)包括參考性服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)分析服務(wù)、幾何服務(wù)、三維空間分析服務(wù)、緩沖區(qū)分析服務(wù)、空間統(tǒng)計(jì)分析服務(wù)、空間查詢服務(wù)及地圖標(biāo)注服務(wù)等。此外，系統(tǒng)同時(shí)提供在線服務(wù)的二次開發(fā)接口(API)[20]，如表3所示。

表3 地理信息功能服務(wù)接口

4.7 網(wǎng)絡(luò)方案

京張高鐵GIS地理信息系統(tǒng)部署在中國鐵路總公司主數(shù)據(jù)中心環(huán)境中，運(yùn)行于鐵路內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)。京張

高鐵用戶可通過內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)直接訪問，實(shí)現(xiàn)對(duì)京張高鐵空間數(shù)據(jù)的管理、預(yù)覽。

5 結(jié)論

通過京張高鐵鐵路地理信息平臺(tái)的建設(shè)，形成如下創(chuàng)新：

(1)提出面向京張高鐵多業(yè)務(wù)、多模式的鐵路地理信息平臺(tái)建設(shè)方案。

(2)完整集成了國家基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、鐵路專業(yè)公用地理信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了“全線一張圖”。

(3)可提供標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的鐵路地理信息數(shù)據(jù)。

(4)可提供GIS可視化、空間分析等功能服務(wù)，以及標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、統(tǒng)一的接口，為鐵路規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、運(yùn)營管理、客貨營銷深度應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

(5)提出了京張高鐵地理信息平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)體系框架。