（交通信息工程及控制专业论文）基于SVG和WebGIS的高速公路资产养护评估管理系统研究.pdf

摘要 近年来，我国高速公路得到了迅猛的发展，但由于“重修轻养”的思想，以及传统 人工养护管理方式在面对庞大的路网时所体现的低效性，造成了高速公路资产养护管理 工作相对滞后，严重影响了高速公路的正常运营。因此，如何实现高速公路路产的信息 化管理，成为国内外的研究热点。随着网络时代的到来，w e b g i s 技术在大规模资产养 护管理工作中体现出了巨大的优势，将资产管理的信息化水平提升到一个新的台阶。 本文在对高速公路资产养护工作的现状以及存在问题的研究基础上，提出了将 w e b g i s 技术应用于高速公路资产养护评估管理工作的方案。通过对w e b g i s 实现技术 的对比分析，最终选取基于j a v a 的w e b g i s 构架来实现系统设计。 传统的g i s 地图文件在b s 应用有很多不足之处，本文在对s v g ( s c a l a b l ev e c t o r g r a p h i c s ) 可伸缩矢量图作为w e b g i s 应用的地图图元的可行性、实现方法以及优缺点进 行了充分的研究之后，发现使用s v g 作为地图图元更适合b s 设计模式，因此选取s v g 标记语言作为系统的地图图元文件。 目前，国内高速公路资产养护工作大多是针对路面层进行设计与实现，而路面层仅 是高速公路资产中重要的元素之一。本文在研究了大量的高速公路资产养护规定与技术 文献的基础上，针对路面养护质量指数p q i ( p a v e m e n tq u a l i t yi n d e x ) 、路基养护状态 指数s c i ( s u b g r a d e f a c i l i t i e si n d e x ) 、桥涵构造物养护状态指数b c i ( b r i d g ea n dt u n n e l c o n d i t i o ni n d e x ) 、沿线设施养护状态指数t c i ( t r a f f i c f a c i l i t yc o n d i t i o ni n d e x ) 四项指 标将高速公路资产分为路面、路基、桥涵隧构造物和沿线设施四层，对每一层根据相关 养护评估规定抽象出相应的数据模型，并设计出处理该数据的业务模型，从而使得系统 的处理对象覆盖到高速公路的所有资产。 本文通过在s v g 文件中嵌入j a v as c r i p t 脚本语言实现了常用的g i s 地图操作功能。 此外，实现了简单的业务处理功能，走通了基本的用户流程，从而验证了文中设计方案 的可行性。 关键词：高速公路养护管理、w e b g i s 、可伸缩矢量图 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，e x p r e s sw a yh a sar a p i dd e v e l o p m e n t ，b u tb yt h et h o u g h to f ”a t t e n t i o no n c o n s t r u c t i o nn o to nm a i n t e n a n c e ”，a sw e l la st h el o we f f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a lm a n p o w e r m a i n t e n a n c em a n a g e m e n tm e t h o d st ot h em e g a - r o a dn e t ，t h er o a da s s e t sm a i n t e n a n c e m a n a g e m e n tw o r kh a sl a g g e db e h i n d ，s e r i o u s l yi n f l u e n c i n gt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h e e x p r e s sw a y t h e r e f o r e ，h o wt or e a l i z et h ei n f o r m a t i o n a lm a n a g e m e n tn ot h em a i n t e n a n c eo f e x p r e s sw a yh a sb e e nah o tr e s e a r c hp o i n ta th o m ea n da b r o a d w i t ht h ec o m i n go fi n t e r n e t a g e ，t h et e c h n o l o g yo fw e b g i sh a ss h o w e dt r e m e n d o u sp o t e n t i a lt ot h em e g a - s c a l ea s s e t s m a n a g e m e n tw o r k ，l i f t e dt h el e v e lo fi n f o r m a t i o n a lm a n a g e m e n tt oan e w s t a n d a r d t h ep a p e rp u tf o r w a r dap r o p o s a lw h i c hu s e dw e b g i si nm a i n t e n a n c ea n de v a l u a t i o n m a n a g e m e n ts y s t e mo fe x p r e s sw a ya s s e t s ，b a s e do nt h er e s e a r c ho fc u r r e n ts i t u a t i o na n d p r o b l e m si ne x p r e s sw a ya s s e t sm a i n t e n a n c em a n a g e m e n t t h et e c h n o l o g yo fw e b g i sb a s e d o hj a v al a n g u a g e ，w i t ht h ec o m p a r i s o na n da n a l y s i st ot h er e a l i z i n gt e c h n o l o g yo fw e b g i s ， h a sf i n a l l yu s e dt oc o m p l e t et h ed e s i g no ft h es y s t e m b u tt h et r a d i t i o n a lg i sm a ph a ss o m ed e f i c i e n c i e sa n dd i s a d v a n t a g e si nt h ea p p l i c a t i o n o fb s a f t e rs u f f i c i e n tr e s e a r c h i n go nt h ef e a s i b i l i t yr e a l i z i n gm e t h o d s ，a d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fu s i n gs v g m a r k e dl a n g u a g et ob et h em a pb i to ft h ew e b g i sa p p l i c a t i o n , i t h a sb e e nf o u n dt h a ti ti sm o r es u i t a b l eb yu s i n gs v gt ob em a pb i ti nb sd e s i g nm o d e s o t h ep a p e ra d o p t e ds v gm a r k e dl a n g u a g et ob et h em a pb i td o c u m e n to ft h es y s t e m a tp r e s e n tm o s te x p r e s sw a ya s s e t sm a i n t e n a n c ee v a l u a t i o nm a n a g e m e n tw o r kh a s d e s i g n e df o rt h er o a dp a v e m e n tl a y e r ，w h i c hi sj u s to n eo ft h ei m p o r t a n te l e m e n t si nt h e e x p r e s sw a ya s s e t s b a s i n go nal a r g eo fl i t e r a t u r e s f o re x p r e s sw a ya s s e t sm a i n t e n a n c e r e g u l a t i o na n dt e c h n o l o g y , t h ep a p e rc l a s s i f i e de x p r e s sw a yi n t of o u rl a y e r s ：p a v e m e n tl a y e r ， s u b - g r a d el a y e r ，b r i d g ea n dt u n n e ll a y e ra n dt r a f f i c - f a c i l i t yl a y e r ，a c c o r d i n gt o t h ef o u r e x p r e s sw a ya s s e t se v a l u a t i o ni n d e x e sp q i ，s c i ，b c ia n dt c i a c c o r d i n gt ot h er e l a t i v e m a i n t e n a n c er e g u l a t i o n ，t h ef o u ri n d e x e sa b s t r a c t e dd a t am o d a la n ds e r v i c em o d a lf o r p r o c e s s i n gd a t ai ne v e r yl a y e r ，i no r d e rt om a k ea l le x p r e s sw a ya s s e t st ob ec o v e r e dw i t ht h e s y s t e mp r o c e s s i n go b j e c t s i nt h i sp a p e r , s v gd o c u m e n te m b e d d e di nt h ej a v as c r i p tl a n g u a g ei no r d e rt oa c h i e v e t h eo p e r a t i n gf u n c t i o n so fg i sm a p s a n de v a l u a t et h eb u s i n e s sp r o c e s s i n gf u n c t i o n sb y m a k i n gb c im o d u l ea s a l le x a m p l e t h i sp r o c e s so fu s e r sv e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e d e s i g n k e yw o r d s ：e x p r e s sw a y m a i n t e n a n c em a n a g e m e n t ；w e b g i s ；s v g 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下。独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：触中 2 例多年月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：4 彬瑚号辱乞ag 黾 导师签名： 羽、真f 1 弓加7 年厂月彳日 长安大学硕士学位论文 1 1 背景 第一章绪论 道路作为公众基础设施之一，与经济发展之间有着很强的相关性。世界银行9 2 年 的分析报告指出，良好运营状况下的道路基础设施与经济发展有着很好的相关性，即国 民生产总值g n p ( g r o s sn a t i o n a lp r o d u c t ) 随着道路密度( k r n 千人口) 的增加呈直线 增长，并且指出，在道路上的投资大约会在四年后体现为国民总收入的增长。但是如果 在设施维护和技术改造方面的投资不足，将会显著影响基础设施的健康状况及可用量， 这将会严重影响到经济发展。 1 2 问题的提出 目前大部分有着悠久基础设施建设历史的国家都面临着如何维护并修复这些基础 设施的问题。对于这些国家而言，尤其是在大量的基础设施快速老化的情况下，如何有 效地维护其价值、功能以及如何在有限的财政基础上达到最优的使用性能或是在既定的 服务水平下达到最少的资本投入，是一个共同的目标。 在经济高速发展的时代，人们最关心的问题是保证基础设施的绝对安全，而建设及 维护费用可以不必过分考虑。然而，随着设施逐渐完善，投入资金的不断衰减，就不得 不对每项经费的性能和收益是否相称这个问题作仔细考虑，基础设施的维护费用也不例 外。 从1 9 8 8 年上海至嘉定高速公路建成通车至今，在“五纵七横”国道主干线系统规划 的指导下，我国高速公路从无到有，总体上实现了持续、快速和有序的发展。特别是1 9 9 8 年以来，国家实施积极财政政策，加大了包括公路在内的基础设施建设投资力度，高速 公路建设进入了快速发展期，年均通车里程超过4 0 0 0 公里。2 0 0 4 年1 2 月，我国政府正式 批准了国家高速公路网规划，它6 7 条首都放射线，9 条南北纵线和1 8 条东西横线组 成，简称“7 9 1 8 网。我国已建立一个相当规模的公路体系，n 2 0 2 0 年，我国公路网总 里程将达n 3 0 0 万公里，其中高速公路里程达n 8 5 万公里。资料显示：截至2 0 0 6 年底， 我国公路总里程数达至1 j 3 4 5 7 0 万公里，其中高速公路为4 5 3 万公里，二级及二级以上高 等级公路里程3 5 3 3 万公里，占公路总里程的1 0 2 ，2 0 0 6 年全国交通固定资产完成投资 7 3 8 3 8 2 亿元，公路投资6 2 3 1 0 5 亿元，占8 4 以上【1 1 。 1 第一章绪论 高速公路的快速发展，沟通了沿线地区与大城市、交通枢纽、工业中心的联系，极 大提高了我国公路网的整体技术水平，优化了交通运输结构，对缓解交通运输的“瓶颈 制约发挥了重要作用，有力地促进了我国经济发展和社会进步。但伴随着高速公路里程 的不断增长和高速公路网的逐渐形成，高速公路沥青路面的早期病害如裂缝、车辙、抗 滑力不足等造成了高速公路的路面品质呈逐年下降趋势，严重影响了高速公路的使用效 率，高速公路作为投资额很大的资产，亟需进行科学地管理，因此高速公路管理问题也 越来越受到普遍关注和重视，帮助管理机构采集、分析、总结数据的工具也越来越重要。 此外目前，国有道路资产的经济属性由过去单纯的公益资产通过转让经营权、股份 制改革、发行债券等多种形式具有了商品属性，变成可保值增值的资本。所以，盘活交 通行业国有资产存量，进行交通资本运营，带动增量投入，使道路资产保值增值，己成 为交通经济工作中的热点与重点。 由此可以看到了近些年中国道路建设的巨大进步；而另一方面，摆在公路管理者面 前的重大任务，将是如何使这些整个社会正常运转所依赖的公共基础设施保持良好状 态。因为这些设施的状况影响到国民的生活方式、生活质量以及安全，影响到一个社会 的经济及商业活动持续稳定发展，更体现一个国家的经济实力。 1 3 国内外研究现状及发展趋势 交通设施是公共资产的重要组成部分，在政府资助企业的费用中占据很大的份额。 这些投资用于基础设施的修建、运营及维护，主要向行人及物品提供各式各样的运动形 式的帮助。有效、经济、安全的运输对于一个社会实现其经济增长、社会福利及紧急储 备等目标是不可或缺的部分。考虑到不断增长的个人商业活动与有限的资源，以及公众 期望的改变、技术上的特殊进展、提供运输服务的任务比过去任何时候都显得更为迫切。 目前，世界范围内的运输机构越来越多地采用一种战略性的方式交通资产管理，进 行投资决策，从全盘和前摄的角度，利用综合信息对系统进行保护、扩充及运营 2 1 。路 产管理便是其中之一。事实上，道路资产管理是在道路基础设施管理的基础上发展而来 的，而道路基础设施管理又以路面设施管理为先驱。所以，路产管理系统的雏形是2 0 世纪7 0 年代初期出现的路面管理系统，8 0 年代出现桥梁管理系统，随后有了各种单个 的管理系统。 2 长安大学硕上学位论文 1 3 1 国内研究现状 我国从1 9 8 4 年开始陆续引进了英国的b s m 路面评价系统、芬兰f p m s 路面管理系 统及世界银行h d m i i i 公路投资效益分析模型。“七五 期间在引进和学习国外先进系 统的基础上，通过对国家重点项目“干线公路路面评价养护系统成套技术”的研究，建 立路面管理系统c p m s ( c h i n ap a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ) 。“七五”期间，我国的路面 管理系统研究得到了巨大的发展，产生了一系列( 北京、广东、山东、河南和江西等) 省市级或地区级路面管理系统。潘玉利【3 j 提出了普通公路网级路面管理系统的设计方 案，给出了系统架构和一些数据模型。同济大学和北京、广东省公路管理局参考美国陆 军工兵团的p a v e r 系统明确给出了我国普通沥青路面的使用性能评价指标、评价方法 以及评价标准，并提出了路面大中修决策的方案。广东省在建立高速公路数据库系统时， 加入了地理信息系统g i s 子模块，但该系统不能动态的分析路产信息数据。 图1 1资产管理全过程中的道路资产管理【4 】 近年来，随着大量高速公路的投入运营，各级管理部门对管理系统迫切需求，我国 对高速公路管理系统的研究发展很快。据不完全统计，到目前为止，国内存在的路面管 理系统就超过t 2 0 余种，有5 0 多家单位拥有路面管理系统。长安大学依托青藏公路建立 了青藏公路路基路面管理系统，从路基整体的角度考虑了路基的评价，包括路基变形、 3 第一章绪论 路基强度、路基开裂及路基附属物四个部分：东南大学对在高等级公路路基养护管理模 型中，对于路肩、边坡、排水设施、挡土墙部分养护质量的初步评价也作了相应研究； 9 0 年代交通部编制的桥梁管理通用软件c b m s ，在全国各省市公路部门分批推广。目前 很多大型的桥梁都有各自专门的管理系统，但这些仅是单个系统的发展。而且，已有的 系统在理论和实际应用上存在缺陷。理论上，因缺乏规范完整的历史数据，使得我国的 路面管理理论基础薄弱；我国理论借鉴国外多，针对国情少，体系不完整，实用性不高； 很少对已有系统的应用情况跟踪调查，已经使用的理论得不到迸一步完善。实际应用中， 因开发过程经常脱离养护管理实际以及当时计算机应用水平、软件的系统平台、软件开 发技术等情况的限制，开发的系统通常使用复杂，一线养护技术人员使用积极性不高： 目前的系统基本不具备网络管理功能，不能满足高速公路管理部门资源共享的需求；系 统不能适应我国高速公路管理体制的实际情况。 目前，国内对于道路资产管理系统的研究尚处在起步阶段。2 0 0 7 年，上海市政工程 管理处和同济大学联合开展的城市道路基础设施资产的评估与管理方法研究课题成 果通过鉴定。该课题在国外道路基础设施管理的研究基础上，结合国内基础设施管理的 现状，提出了城市道路基础设施资产管理的定义和方法，在城市道路基础设施管理方面 做出了探索。此外，根据世界银行的报告1 4 】，福建、河南、湖北三省也针对高速公路实 施了道路管理系统，但是基于多方原因实际中未能成功开展。也有部分省市开发了路产 管理系统，但也仅是单项系统的简单整合，离真正意义上的路产管理系统仍有距离，研 究者也仅限于框架阐述与数据采集管理技术的研究。 1 3 2 国外发展应用与研究现状 2 0 世纪7 0 年代，加拿大首次发明了“路面管理系统( p a v e m e n tm a n a g e m e n ts y s t e m ) 一词，并建立了世界上第一个“p m s ”系统。该系统的出现，引起了各国的注意，开始将 改进公路养护现状，实现公路资产信息化管理的工作提上日程，在此系统的基础上开展 了大量的研究工作。而管理对象也由单一的路面管理向隧道、桥梁等其他的公路资产构 造物扩展。 澳大利亚“a u s t r o a d s ”【5 】开发出名为“道路资产管理系统 的p m s 系统，并在“改 进资产管理实践战略”中，将其定义为“长期管理资产的一种结构化的综合工具，旨在 对公众利益进行合理的分配 ，这是首次在道路资产管理工作中引入“资产”的概念， 是第一次将道路基础设施视为有价值的商品，这为后来“资产管理”概念的产生奠定了 4 长安大学硕士学位论文 良好的基础。目前，澳大利亚和新西兰现已实施立法要求政府机构使用资产管理系统， 主要负责向澳大利亚和新西兰提供关于公路的整体发展、管理及运营的战略性指导，在 已经出版的资产管理指南与策略中定义了道路资产的构成，并指出对于国家、地区、市 县的公路系统资产管理决策应区别对待 a u s t r o a d s ，1 9 9 7 】。策略中针对资产的物理处 置、使用限制等一些可能影响其自身和使用性能的管理活动开发了一套程序，并为公路 使用者提供最终的服务水平以及社区的受益，包括可达性、经济发展、社会正义、安全 及环境等方面。 加拿大运输协会( t a c ) 发布的资产管理入门中描述资产管理是在资金限制条件下， 对人员、信息、技术进行有效分配的过程 t a c ，1 9 9 9 】。入门手册中资产管理系统的主要 组成部分包括：资产清单、性能预测模型、实例分析工具及决策支持工具。手册进一步 陈述了实施资产管理的关键步骤，包括目标定义，现有方法回顾及缺陷分析、框架构成、 费效分析、专家库评估、管理变更及投资策略与功能特性之间的评估，然后，通过性能 指标计算道路资产的价值用于评估设施的状况和性能，利用性能指标可与外部观薇粥亍 有效地对话交流 t a c ，2 0 0 0 。 英国国家通过立法委托英国公路机构( e h a ) 对基础设施的发展与维护采用基于资产 管理的方法，目前该机构正致力于开发基于g i s 的路面管理系统，这一系统日后将做作 资产管理系统的一个基础组成部分 c a m b r i d g es y s t e m a t i ce ta 1 2 0 0 2 1 。 a a s h t o 于1 9 9 7 年研究实施美国交通资产管理1 0 年战略规划。美国公用事业学 会t h e a m e r i c a np u b l i cw o r k s a s s o c i a t i o n ( a p w a ) 同样承担了资产管理的任务，1 9 9 8 年8 月向a p w a 董事会递交了一份题为公用事业中的资产管理：挑战与战略。【d a n y l oa n d l e m e r , 1 9 9 8 】。1 9 9 9 年2 月，美国联邦公路局( f h w a ) 成立了资产管理办公室并制定了 资产管理入门供相关的部门讨论 f h w a ，1 9 9 9 。它的主要职责是向全美公路基础设施资 产管理提供指导和权威性的专家意见，并与a a s h t 0 ，及f h w a 相关部门合作在全国 范围内开展道路基础设施的信息化、系统化管理，将道路基础设施视为一种的公共投资， 希望找到一种更为合理更具经济效益的投资方案。交通资产管理仍旧是一个正在成长的 学科，一些洲际的交通机构已经提前开展了部分首创的资产管理活动，比如纽约交通部 9 8 年就开始了，密歇根在9 0 年中期就在资产管理中加入商业与信息技术，亚利桑那、 印第安纳、宾夕法尼亚等交通部目前也正致力于开发资产管理策略，过去的实践已证实 了资产管理的益处。 n e u m a n n ，1 9 9 7 。1 9 9 9 年1 2 月，f h w a 发布了资产管理的初级规 范( a s s e tm a n a g e m e n tp r i m e r ) 【6 】，规范中明确了资产管理的定义、依据原则、管理工 5 第一章绪论 作的组成元素等基本内容，并给出了对资产管理过程的描述。这为实现公路资产管理提 供了依据和参考。管理的资产对象不再局限于路面、路基、桥梁和隧道等基本的道路元 素，还包括道路运营养护工作中使用到的检测设备、维修车辆、原材料、人力资源和数 据等。 美国政府预算会计标准局( g o v e r n m e n t a c c o u n t i n gs t a n d a r d sb o a r d ) 1 9 9 9 年6 月3 4 号文件州和地方政府的基本财务报表以及管理讨论与分析，明确指出了在各州和地 方政府提交的基本财务报表中必须包含基础设施的价值评估。此外，3 4 号文件建议州及 以下的各级政府的年度财务报告中列出所管理的设施的目录、初始价值、现值及每年在 维护上的投入、性能的保持等等详细的信息，管理机构可以选择不执行3 4 号文，但将在 贷款时支出额外的利息。该文件极大地推动了资产管理系统在美国的各个基础设施领域 的发展，尤其是交通领域。目前已有纽约、弗吉尼亚州等一些地方采用了公路资产管理 系统，大部分州正在从事把原有的路面管理系统、桥梁管理系统升级为路产管理系统的 工作。 同时，公众对政府在公共资产投资上的效益观也发生了改变，大众希望政府对公众 资产的投资和管理过程更加透明，能够有一个公开的监督平台，以便对资产设施的管理 工作进行监督。此外，新技术的出现，造就了更加完善的资产管理平台。第一，先进的 检测设备和检测技术的出现，不仅提高了数据的采集速度，同时也提高了数据的质量与 精度。利用数据库来存储和管理大量的数据信息，不仅克服了人工管理的低效性，更提 高了数据的安全性。第二，使用专业数据处理软件对数据进行分析，增强了数据处理速 度和能力。第三，多媒体技术的采用，增强了数据的表现力，系统与用户之间的交互功 能更加强大。 综上，我们可以看到路产管理已经成为各国交通部门的研究热点和主要议程且具有 广阔的前景。 1 4 存在问题 通过对国内外高速公路养护管理系统发展现状的研究和分析，可以发现在现有的高 速公路养护管理系统中存在着一些问题和不适应性。主要归结为以下几点： 1 、现有的高速公路养护管理系统大多是基于c s ( 客户端服务器) 模式设计开发 的，因为无法避免c s 模式开发的种种弊端。 6 长安大学硕上学位论文 系统的通用性差：由于c s 模式是针对性开发，因此缺少通用性的特点。 系统的可维护性和可扩展性差：对于业务的变更和改变不够灵活，需要重新设计和 开发，增大系统维护和管理的难度。用户业务和系统功能的拓展更加困难。 系统的分布性弱：一方面，需要安装专门的客户端程序，才能使用系统，造成系统 分布功能弱，不能够实现快速部署安装和配置；另一方面，采用数据集中式管理，造成 养护信息采集人员无法在第一时间更新公路资产的养护数据。 系统的开发周期长，成本高，需要具有一定专业水准的技术员才能完成。 2 、现有的高速公路养护管理系统大多以路面养护作为主要的业务对象，而对高速 公路其它资产设施的养护还没有系统化得实现，没有一个较为完备的高速公路资产管理 系统。 3 、由于高速公路养护管理系统应用g i s 技术来组织资产设施的空间数据，增加了 系统开发的复杂度以及开发周期；使用费用高昂的专业g i s 软件进行二次开发，大大增 加了系统的开发成本；此外已有的g i s 图元不6 月匕e , 一t k e t 好的满足公路资产养护的功能需求， 需要对其进行修改。 4 、现有的高速公路养护管理系统操作复杂，一线养护人员使用热情不高，一方面 系统在养护工作中不能真正地发挥作用，另一方面，由于得不到足够的用户建议，系统 完善工作难于开展 1 5 研究意义 基于g i s 的高速公路资产管理系统将高速公路资产设施的空间数据和属性数据作 为管理对象。通过计算机软、硬件的协同工作，将资产设施的空间数据即地理位置关系 直观的表现在用户眼前，同时，能够对其属性数据进行采集、处理、分析和汇总比较等 功能，通过上述功能来实现资产设施的管理工作【7 1 。g i s 技术的应用，为高速公路资产 养护管理工作提供了一种更为高效的更为便捷的方法，即降低了养护工作的难度和大工 作量，又提高了执行效率。 交通管理部门现有的基于g i s 的资产管理系统大多采用c s ( 客户端服务器) 模 式设计实现。而且多数采用集中式的数据管理，即将与高速公路资产相关联的数据信息 存储在服务器上，在客户端运行管理系统程序，数据通过局域网进行传输和处理【8 】。该 模式在提高客户端的响应速度上有着一定得优势，同时也存在一定的缺陷，如：数据更 7 第一章绪论 新在服务器端进行，而大量的系统维护升级工作则必须在客户端完成，而且由于系统操 作的复杂性，只有专业人员才能进行客户端的维护和升级工作，增加了维护成本，降低 了工作效率；系统的功能扩展难于实现，增加系统功能意味着整个客户端程序需要重新 部署；系统在局域网内使用，限制了系统的用户群体，系统在一线养护人员中无法普及 使用，使用权限掌握在管理部门，系统的优势和效果得不到充分的利用例。 基于b s ( 浏览器n 务器) 模式开发的w e b g i s ( 网络地理信息系统) 可以有效地 解决上述问题，同时，由于w e b g i s 的技术特点，决定了基于w e b g i s 的高速公路资产 养护管理系统具有运行维护成本更低，使用范围更广泛，系统功能的变更与扩展更易于 实现等优点。 1 6 本课题主要研究内容及技术路线 1 6 1 主要研究内容 本课题的主要研究内容可分为两个方面。 一方面以s t r u t s 框架作为系统底层架构，通过对高速公路资产养护评定的相关文件 进行分析，抽象出用于高速公路资产养护评定的属性数据，并设计相应的业务模型对其 进行处理； 另一方面，采用s v g 标记语言作为地图图元文件，结合j a v a s c r i p t 脚本语言来实 现高速公路资产空间数据的操作。 通过高速公路资产属性数据和空间数据的统一，设计出基于w e b g i s 的高速公路资 产养护评估管理系统的设。 1 6 2 技术路线 技术路线如图1 2 所示。 ( 1 ) 利用s v g 标记语言作为w e b g i s 的矢量地图图元。 ( 2 ) 采用s t r u t s 框架实现系统架构。在s t r u t s 框架的视图层( v i e w 层) ，采用j a v a s c r i p t 脚本语言实现g i s 地图操作；根据高速公路养护标准及规定抽象出数据模型，并设 计相应的业务模型，即s t r u t s 框架的模型层( m o d e l 层) 。 8 长安大学硕士学位论文 s t r u t s 框架 c o n t r o l l e r 层 s v g 作 完成业务控制， 流程控制 w e b g i s 地图 v i e w 层m o d e l 层 图元 利用j a v a s c r i p t 脚 贴合高速公路养护评 本语言实现公路定标准设计资产的属 资产的空问数据性数据以及相应的业 的操作务模型 1 7 论文组织 图1 2 技术路线 论文正文部分一共分为五章： 第一章引言。介绍了项目背景和研究意义，通过对国内外研究现状的分析找到研究 现存的问题，最后给出了本文的研究内容，以及论文的组织。 第二章w e b g i s 技术研究。介绍了w e b g i s 的产生背景、技术特点和结构模型，对 w 曲g i s 现有的实现技术的优劣进行对比分析。 第三章相关技术和理论的研究。主要介绍了系统架构所采用的s t r u t s 框架，以及s v g 标记语言作为w e b g i s 图元文件的相关研究。 第四章基于s v g 技术的高速公路养护评估管理系统设计。介绍项目背景，进行需 求分析，从系统结构设计、用户流程设计、功能模块设计和地图图层设计四个层面给出 了系统的设计方案，针对功能模块抽象出数据模型并设计出相应的业务处理模型。 第五章通过实现基本的g i s 地图操作功能和数据业务处理功能，验证设计方案的可 行性。 最后结论部分一方面总结了本文已经完成的研究工作，给出了本文工作得到的结 论；另一方面指明了本文工作存在的问题，根据该问题提出了未来工作的方向和规划。 9 第二章w e b g i s 的研究分析 第二章w e b g i s 的研究分析 2 1w e b g i s 的产生背景 在人们的日常生活中，会频繁地接触各类空间信息，例如地图，气象图等。地理信 息系统( g i s ) 作为6 0 年代提出并逐步发展起来的一种采集、存储、管理、分析和描述空 间和地理分布有关的数据的空间信息系统，为地理信息的电子化、可视化、网络化、中 央存储管理化带来了重大革新。但是在传统的g i s 中，地理信息只局限于局域网内部使 用，而社会对地理信息的需求在不断增长。i n t e m e t 技术的迅速发展为g i s 提供了一种 崭新而又非常有效的地理信息载体。尤其是“数字地球”概念的提出引起了人们对g i s 技术的广泛关注，已经成为新的研究热点。这就使得i n t e r n e t 环境下的空间信息处理技 术成为实现“数字地球”的关键支撑技术之一，因而受到整个信息领域的高度重视。 g i s 网络化应用趋势已成必然，以单机或局域网为操作平台的工作模式终究被i n t e m e t 操作平台所取代。w e b g i s 就是在这一背景下产生并发展起来的【l o 1 1 】。 2 2w e b g ls 的定义及特点 w e b g i s 是通过网络对地理信息数据( 包括构造物的空间数据和属性数据) 进行管 理的信息系统。其实现过程为，系统通过i n t e r n e t 将地理信息数据发布在网络之上，用 户通过使用浏览器来获取和显示该数据，通过对数据进行分析、运算、操作、存储等功 能实现信息的管理 1 2 】。传统的基于c s 模式的g i s 系统大多采用桌面应用程序作为应 用载体，而且数据共享和传递也仅限于局域网内，相比之下，w e b g i s 具有以下的优点 1 3 】： 1 、全球i n t e r n e t 数据共享 w e b g i s 支持多种i n t e r n e t 网络通信协议，并采用标准的h t m l 浏览器作为应用载 体。表2 1 给出了w e b g i s 体系结构所支持的各种技术标准【1 4 】。由于支持t c p i p 和h t t p 协议，因此地理信息不再像传统的g i s 系统那样，只能在局域网中实现数据共享，在 w e b g i s 中地理信息是全球共享的。即无论用户身处何地，只需要一台接入i n t e r n e t 的 终端设备( 电脑、p d a 和手机等手持移动设备) ，就可以访问w e b g i s 服务器提供的 g i s 操作、数据分析和数据操作功能。此外由于w e b g i s 的分布式数据管理模式，只需 1 0 长安大学硕士学位论文 在服务器端就可完成数据更新工作，因此地理信息的更新也是全球化的。 表2 1w e b g i s 体系结构支持的各项标准 支持技术 技术标准 网络通讯协议 t c p i p 文档和文件传输协议 h t t p 文档显示与应用程序集成 h t m l 客户端集成 p l u g - i n ，a c t i v e x ，j a v a a p p l e t 服务器端集成 c g i ， 服务器a p i ， j a v a 客户端扩展h t m l ， j a v a s c r i p t ，v b s c r i p t 2 、分布式的体系结构。 w e b g i s 采用分布式的体系结构，即将g i s 数据、地图分析工具和数据操作工具以 模块的形式部署在i n t e m e t 上不同的应用服务器或数据服务器上。用户无须在本地计算 机上下载和安装任何应用程序，只需在浏览器中安装相应的插件，便可通过网络节点访： 问服务器上部署的数据和应用。其流程为用户通过浏览器向服务器发送页面请求，服务 器接收用户请求，将相应的数据和业务处理逻辑发送给用户，用户进行操作后，服务器 将处理结果以页面的形式返回给用户。分布式体系结构的另一个优点是服务器管理人员 对数据和应用的更新是实时的，从而确保了用户可用的数据和应用都将是最新的。 3 、系统成本低，系统维护工作易于实现 - 传统的g i s 系统，需要在客户端安装应用程序来部署g i s 服务，因此对客户端的 软硬件有特定的要求和限制。此外g i s 应用程序都需要专业的g i s 软件来支持，这些 软件的费用是非常昂贵的，而通常用户使用的仅是一些基本的、简单的g i s 功能，因此 造成了系统使用成本高，资源极大地浪费。在w e b g i s 中，客户端只需通过在浏览器中 安装免费的插件如a c t i v e x 或j a v a a p p l e t 就可实现系统功能，从而大大降低了系统的使 用成本。同时，由于w e b g i s 的空间数据及应用程序大多集中在服务器端，系统维护工 作只需在服务器端进行，广大的终端用户无需进行数据更新和系统维护工作。 4 、易于与其他的w e b 应用集成，跨平台 w e b g i s 对终端计算机的软硬件环境没有特殊的限制，只要能够接入到i n t e m e t 的 终端设备都可以使用w e b g i s 应用。由于j a v a 语言的跨平台性，决定了结合j a v a 语言 开发出的w e b g i s 可以做到“一次编写，随处运行 。此外，由于w e b g i s 支持开放式 第二章w e b g i s 的研究分析 的i n t e r n e t 标准，使得w e b g i s 可以与其他的w e b 应用更好的集成，从而使得w e b g i s 的处理功能更加强大。 5 、高效的负载平衡 传统的g i s 系统将所有的数据和业务处理功能均放在服务器端进行，其运行速度处 理效率完全依赖于服务器的性能，在多用户大运算量的操作环境下，系统执行效率低， 且易造成服务器瘫痪等情况，同时客户端的资源得不到充分的利用。在w e b g i s 中，对 于简单的g i s 操作和数据处理功能均放在客户端进行，而对于复杂的空间分析和大数据 量的操作才在服务器端进行，在客户端和服务器端进行合理的分工，从而实现了动态的 负载平衡，即减轻了服务器的负担，又使得客户端的资源能得到充分的利用。【1 5 16 1 。 6 、更加易用，更广泛的用户群体 g i s 在大众的日常生活中，有着很好的应用，可以为用户提供便利的服务和帮助。 而在传统的g i s 系统中，用户群体仅限于某些受过专业培训的专业人员。若想要推广和 发展g i s 技术，首要的目标就是降低系统的操作要求。而w e b g i s 通过w e b 浏览器使 用g i s 服务在很大程度上降低了操作的复杂度，使得g i s 应用得到更加广泛的用户群 体。 2 3w 曲g i s 的结构模型 当前主流的w e b g i s 大多采用由客户端浏览器，应用服务器和空间数据库组成的三 层结构体系( 见图2 1 ) ，其中应用服务器又包括提供g i s 应用操作的g i s 服务器和提供 w e b 服务的w e b 服务器。该三层结构的优势在于，它将应用服务与数据库操作分离： 相对于最初的两层结构，由于数据库与应用逻辑的解耦合，使得数据库的变更对应用程 序造成的影响很低。基本的用户流程为，用户使用浏览器向w e b 服务器发送h t t p 请 求，服务器响应用户请求进行相应的数据操作，并将处理结果以h t m l 服务页面的形 式返回客户端【l7 1 。 1 2 长安大学硕十学位论文 h t t p 请求数据请求 ，、 、 一 w e bw e b g i s 应用 浏览器服务器 服务器 结果集 结果集 ，、 一 。 ；w e b g i s 客户端 ；x 蚕荔：月区，r 否哥 空间数 据库 图2 1b s 模式下w e b g i s 的三层结构示意图 基于b s 三层结构体系的w e b g i s ，根据其在客户端和服务器端功能的配比不同可 分为三类，基于服务器端模式( 瘦客户端胖服务器模式) 、基于客户端模式( 胖客户端 瘦服务器模式) 和中型客户端模式( 服务器客户端均衡模式) ； 1 、基于服务器端模式 对于这种模式，空间操作和分析功能以及结果的输出均由服务器完成，客户端浏览 器只发送请求并接受结果页面，而不承担任何的数据处理操作功能。其架构模型如图 2 2 所示 图2 2 瘦客户端胖服务器模式构造模型 该处理模式的优点在于：可利用服务器端强大的数据处理能力完成复杂的空间分析 功能；对大型数据库的访问和管理由服务器端程序完成，限制了用户对数据库的直接读 写，避免由用户误操作造成的数据篡改和丢失，从而保证了数据的安全可靠性。 其缺点在