（机械设计及理论专业论文）基于gis的集装箱运输设备优化调度研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 加入w t o 为我国集装箱运输业提供了良好的发展机遇，各大主要集装箱港 口的吞吐量也不断攀升，与此同时，港1 3 经营者遇到的一个普遍问题就是：船 公司为了降低成本，要求港口在船舶大型化发展的同时或超前，提高装卸大型 集装箱船舶能力，减少船舶在港停留时间，提高船舶装卸船时量，另一方面， 港口经营者为了吸引船舶挂靠，就必须提供最具竞争力的装卸效率和服务内容， 并最大程度地降低港口运营成本，提高企业竞争力。 这一问题不仅涉及港口航道和码头前沿水深、码头前沿机械设备数量和性 能、装卸工艺和效率，还关系到与集装箱港口相匹配的集疏运条件、多式联运 组织管理和港口的政策环境等诸多问题。本论文主要集中在港口运输设备的优 化调度这一点上，g i s 的发展应用及其诸多优点。使得本课题的研究具有理论上 的发展和实践上的价值。 首先阐述了课题的研究目的和意义，系统分析了国内外有关技术的研究现 状，并就系统的研究目标、研究内容和关键技术三个方面作了简要的叙述。 其次介绍了地理信息系统的基本概念以及地理信息系统的几种数据管理方 法，对组件式g i s ( c o m g i s ) 的概念、基本思想以及基于c o m g i s 的开发实现方 法进行了研究，并详细介绍了典型的c o m g i s 产品m o 。 第三，就算法设计与分析的理论基础进行了详尽的叙述，主要介绍了用于 解决最短路问题的常用算法：库鲁斯卡尔( k r u s k a l ) 算法、普林( p r i i n ) 算法和戴克 斯德拉( d i j k s t r a ) 算法。 第四，就调度系统需求分析以及软硬件配置、总体设计以及基本功能这三 个方面进行了论述，详细介绍了调度系统的界面设计以及g i s 基本功能的实现 并给出部分代码。 第五，就设备调度中的若干问题进行了阐述，且特别对优化调度中的路径 优化问题进行了实验分析，并结合集装箱港e l 道路网和城市道路网的实际情况 给出了实验结果和评价分析。 最后，就本课题取得的成果和存在的一些问题，以及今后的发展方向进行 了简要的叙述。 关键词：集装箱；运输设备；优化调度；g i s 武汉理_ t 大学硕士学伊论文 a b s t r a c t a f t e rc h i n aj o i n e dw t o ，t h ec o n t a i n e rt r a n s p o r ti no u rc o u n t r yf a c e sg r e a t d e v e l o p m e n to p p o r t u n i t ya n dt h et h r o u g h p u ti ne a c hm a i nc o n t a i n e rt e r m i n a lk e e p s r i s i n ga c c o r d i n g l y a tt h es a n l et i m e ，aw i d e s p r e a dp r o b l e mt e r m i n a lo p e r a t o r sm e e ti s t h a t ，i no r d e rt os a v et h ec o s t ，t h es h i p p i n gc o m p a n yr e q u i r e st h et e r m i n a lo p e r a t o rt o i m p r o v et h ea b i l i t yo fh a n d l i n gl a r g ec o n t a i n e rv e s s e l s ，r e d u c et h et i m eo ft h ev e s s e l s e t t l i n gi np o r ta n di n c r e a s et h eh a n d l i n gp e r f o r m a n c e i na nh o u rw h e no rb e f o r et h e d e v e l o p m e n to ft h eu p s i z i n gc o n t a i n e rs h i p ；o nt h eo t h e rh a n d ，i no r d e rt oa t t r a c t v e s s e l st ob e r t h ，t e r m i n a lo p e r a t o r ss h o u l dp r o v i d et h em o s tc o m p e t i t i v eh a n d l i n g e f f i c i e n c y a n ds e r v i c e ，r e d u c et h eo p e r a t i o nc o s ti nu t m o s ta n di m p r o v et h e e n t e r p r i s e sc o m p e t i t i v e n e s s t h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e mi sn o to n l yr e l a t e dt ot h eh a r b o rw a t e r w a y , t h e f o r e d o c kd e p t h t h ea m o u n ta n dp e r f o r m a n c eo ft h ef o r e d o c km a c h i n e ，t h ep r o c e s s a n de f f i c i e n c yo fl o a d i n ga n dd i s c h a r g i n ga sw e l la st h ei n g a t h e r i n ga n do u t p u t t i n g s y s t e m ，m u l t i - t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n ta n dt h ep o l i c yo ft h ep o r te t c ，t h i st h e s i s f o c u s e sm a i n l yo nt h eo p t i m i z e dd i s p a t c ho fp o r tt r a n s p o r te q u i p m e n t a n dt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fg i sa n dt h em a n ym e r i t so fi tm a k es u r et h a tt h e r e s e a r c ho nt h i sp r o b l e mb o a s t st h ed e v e l o p m e n ti nt h e o r ya n dv a l u ei np r a c t i c e f i r s t l y ，t h et h e s i sp r e s e n t st h es t u d y i n gp u r p o s ea n dm e a n i n g ，s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e st h es t u d ys t a t u sq u oa th o m ea n da b r o a da n ds k e t c h e st h es t u d yg o a l ，s t u d y c o n t e n ta n dk e yt e c h n o l o g yo f t h es y s t e m s e c o n d l y , t h eb a s i cc o n c e p ta n ds e v e r a ld a t am a n a g i n gm e t h o do fg i sa r e i n t r o d u c e da n dt h ec o n c e p t b a s i ci d e a sa n dd e v e l o p m e n tm e t h o do fc o m g i sa r e d i s c u s s e d t h e no n eo f t h ec o m g i sp r o d u c t sm oi si n t r o d u c e di nd e t a i l t h i r d l y , t h ed e s i g na n da n a l y s i so fa l g o r i t h m si si n d i s c u s s e di nd e t a i l t h et h e s i s m a i n l yi n t r o d u c e dt h eu s u a la l g o r i t h m si ns o l v i n g t h es h o r tp a t hf i n d i n gp r o b l e m ，s u c h a sk r u s k a l ，p r i m ea n dd i j k s t r a f o u r t h l y , t h et h e s i sm a i n l yi n t r o d u c e st h er e q u i r e m e n t sa n a l y s i sa n dd i s p o s eo f s o f l w a r ea n dh a r d w a r e ，o v e r a l ld e s i g na n db a s i cf u n c t i o no ft h es y s t e m ，a n dt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 i n t e r f a c ea n db a s i cf u n c t i o no f t h es y s t e mi si n t r o d u c e da n dp a r to ft h ec o d e si sg i v e n f i f t h l y , s e v e r a lp r o b l e m si ne q u i p m e n td i s p a t c ha l ed i s c u s s e d a n dt h es y s t e m e s p e c i a l l ym a k e se x p e r i m e n to nt h ep a t ho p t i m i z a t i o ni nt h ee q u i p m e n td i s p a t c ha n d t h er e s u l t sa n de s t i m a t i o no fi ti sg i v e na c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lc o n t a i n e rp o r tr o a d n e t w o r ka n dt h eu r b a nn e t w o r k f i n a l l y , t h ea c h i e v e m e n t sa n de x i s t i n gp r o b l e m si nt h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gt h e s y s t e ma n dt h ef u t u r eo r i e n t a t i o na l ed i s c u s s e d k e yw o r d s ：c o n t a i n e r , t r a n s p o r te q u i p m e n t ，o p t i m i z e dd i s p a t c h ，g i s 1 i i 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 论文的研究意义 第1 章绪论 集装箱码头的经营管理是国际集装箱运输系统中的重要环节。集装箱港口 及码头是国民经济的基础设施，为内外贸服务，同时又促进内外贸的发展【l 】。 集装箱运输方式的出现，标志着一场新的运输革命，实现了货物“门到门” 的运输，甚至是“工厂到商场”的运输。由于集装箱运输确保了货运质量，提 高了运输效率，减少乃至杜绝了杂货运输中的货损货差等缺点，因此，集装箱 运输在全球的发展非常迅速。据有关资料表明，2 0 世纪8 0 年代以来，全球国际 贸易增长速度高于全球经济增长，而全球国际集装箱运量的增长高于全球国际 贸易的增长i 。 集装箱运输作为件杂货的一种先进运输方式，已经成为当今世界国与国、 地区与地区之间物资贸易与运输的主流。我国的集装箱运输起步于2 0 世纪5 0 年代的铁路运输，随着我国经济体制改革和对外开放政策的实施，我国与世界 各国贸易迅速发展，我国的国际海上集装箱运输从开始试运的上海、天津两 港，逐步扩展到黄埔、青岛，继而大连、福州、湛江、厦门等陆续于8 0 年代初 开始国际集装箱运输业务，到8 0 年代末9 0 年代初，沿海主要港1 2 1 及长江重要 1 2 岸均已开展国际集装箱运输业务。9 0 年代中期，由于集装箱多式联运的推广 和e d i 技术的应用，我国大陆国际集装箱运输业务进入蓬勃发展新时期。目前 我国国际集装箱海上运输航线已经遍布全球、四通八达【3 1 。 国内集装箱运输的发展近2 0 年来，我国港口的集装箱运输持续地高速发展。 1 9 9 3 年国内大陆港口的集装箱吞吐量仅3 3 5 3 万t e u ( 未包括港、澳、台湾港口 的集装箱运量，下同) ，6 年后的1 9 9 9 年就达到1 7 4 8 万t e u ，为1 9 9 3 年的5 2 倍。6 年间箱量逐年递增1 0 1 5 - 5 0 4 3 万t e u ，年增量越来越大；虽然各个大港 的吞吐量基数加大了，但是年增长幅度大多仍保持在2 0 4 0 左右，我国沿海港 i ：3 的箱量平均年增长率高达3 1 2 ，这在国外是少见的。近年来我国集装箱运输 久盛不衰，已初步形成了以长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区三大经济区 为中心的集装箱运输体系。国内集装箱运量的高速发展，初步分析有如下原因： 我国外贸持续地迅速发展，1 9 9 7 1 9 9 9 年间各年度对外贸易额分别为上一 武汉理工大学硕士学位论文 年度的1 1 2 2 、9 9 6 和1 1 1 3 。一般贸易的比重继续保持下降的趋势，丽外 商投资企业的进出口额大幅度提高，在不少省市比重已经高于5 0 。在外贸产 品结构上，出口方面以工业制成品为主，初级产品的比重不足1 0 ；进口方硒， 初级产品的比重有所上升。 件杂货物的集装箱化率大大提高。原来一些袋装、散装的货物( 如塑料粒、 大米、部分精矿砂等) 也改用集装箱运输。 内贸货物的集装箱运输发展很快。另外，还因为港口的国际中转箱量有 所增加，以及我国出口大量的空箱等等。 据有关资料分析，在未来1 0 年内，我国集装箱港口吞吐量仍会以年均 2 0 9 6 3 0 9 6 的速度持续增长，我国港口在世界港口1 0 0 强的地位会不断前移，中 国港口将主导亚洲的集装箱运输市场，集装箱运输的中国时代将随之到来。 随着我国经济体制改革和对外开放政策的实施，我国与世界各国贸易迅速 发展，港口集装箱吞吐量保持了高速度的增长，特别是在我国加入w t o 后，为 我国集装箱运输业提供了良好的发展机遇，各大主要集装箱港口的吞吐量也不 断攀升。 与此同时，港口经营者遇到的一个普遍问题就是：船公司为了降低成本， 要求港口在船舶大型化发展的同时或超前提高装卸大型集装箱船舶能力，减少 船舶在港停留时间，提高船舶装卸船时量；另一方面，港口经营者为了吸引船 舶挂靠，就必须提供最具竞争力装卸效率和服务内容，同时又要最大程度地降 低港口运营成本，提高企业竞争力。 在港口吞吐量快速增加、船公司货主对集装箱港口装卸效率要求提高的情 况下，码头的管理难度悄然增加。我国集装箱码头经营者也从合理配置港口设 备、改进码头工艺方案、引进或开发码头i t 系统等方面对提高集装箱码头装卸 效率进行了研究和实践。 通过对我国某集装箱码头的现场调研，发现码头在受到港船舶大型化、船 型多样化、船舶到港密度及进出港箱量不均衡、中转箱量增加等因素的影响下， 集装箱码头的堆场内出现了集卡与集卡、轮胎吊与轮胎吊、集卡与轮胎吊之间 相互干涉与影响的现象，致使堆场翻箱量增大、集卡作业线路受阻、堆场机械 有效出车量明显下降、岸桥作业时有等待集卡的现象发生、整个装卸运作链协 同性不够、码头堆场潜伏着生产作业的不安全因素。这种现象在装船、卸船、 进箱、发箱同时进行的时侯就表现得更加明显。从中可以发现在采用了先进的 2 武汉理1 ：大学硕士学位论文 t p s 技术及新的作业模式后，除带来了效率的提高外，还产生了新的问题：如何 优化集卡作业系统，有效地利用t p s ，分配适量的集卡，应用适当的调度方案， 实现高效的装卸作业，实现各方利益的最大化， 我国集装箱码头装卸工艺相对来说还是比较单一的，丽这也积累了丰富的 经验，由于各种因素的影响，在彻底改变装卸工艺或采用新型设备时都比较慎 重，因此对现有工艺的改良成为了大家更关心的问题，专家学者、港口经营者 对港口业务流程，港口设备选型、配比、港口工艺创新等提出了不少新思想。 基于以上的问题和相关理论、技术支持，本文选择集装箱码头运输设备优 化调度为论题，利用g i s 的数据可视化和空间分析功能进行集装箱港口运输设 备调度的路径优化研究。从而有助于提高集装箱码头的集输运效率。 这是因为港口是世界商品生产和消费、经济与贸易物流网络的主枢纽，也 是现代综合交通运输体系中公、铁、水、航空和管道五大运输方式的交汇点。 作为世界集装箱枢纽港，畅通无阻的集疏运系统是非常重要的。先进的集装箱 运输朝着多式联运的方向发展，不再局限于单一的海运、公路和铁路运输，而 是将各种运输方式有机地联系起来，实现“门到门”运输，即通过多式联运经 营人的精心组织，选择最简捷、最有效、最经济、最安全的分承运人或方式， 将货物及时从发运人指定处运至收货人指定处。 1 2 国内外相关技术的研究现状分析 1 2 1 国内外g i s 的应用现状 尽管现存的地理信息系统软件很多，但对于它的研究应用，归纳概括起来 有二种情况。一是利用g i s 系统来处理用户的数据；二是在g i s 的基础上，利 用它的开发函数库二次开发出用户专用的地理信息系统软件。目前己成功地应 用到了包括资源管理、自动制图、设施管理、城市和区域的规划、人口和商业 管理、交通运输、石油和天然气、教育、军事等九大类别的一百多个领域。在 美国及发达国家，地理信息系统的应用遍及环境保护、资源保护、灾害预测、 投资评价、城市规划建设、政府管理等众多领域。近年来，随着我国经济建设 的迅速发展，加速了地理信息系统应用的进程，在城市规划管理、交通运输、 测绘、环保、农业、制图等领域发挥了重要的作用，取得了良好的经济效益和 社会效益【1 6 1 。 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内外提高集装箱码头生产效率的研究与现状 船公司和货主对码头规模和作业效率的要求日益提高。港口通过激烈竞争 在一些重要海域形成区域性枢纽港，是未来国际集装箱运输发展的趋势。通过 提高码头作业效率实现船舶的高效率作业，以便挽留和吸引大型船舶的挂靠， 从而实现发展或巩固其枢纽港的地位，打造强有力的核心竞争力。因此集装箱 码头装卸效率成为了港口经营人关心的关键指标，对提高港口装卸效率的研究 也成了港口分析研究的重点。 对于提高集装箱码头作业效率在硬件设备方面，主要集中在对码头前沿、 水平运输、堆场装卸3 个子系统设备性能的提高和设备数量的合理配置。对于 采用先进设备与设备性能提高方面，提高码头前沿装卸效率的措施集中在：提 高常规岸边集装箱起重机的性能：采用陆侧作业的自动化双小车式岸边集装箱 起重机：设法增加同时作业船舶的设备数量。水平运输主要采用集装箱自动导 引车( a g v - a a u t o m a t i cg u i d e dv e h i c l e ) 和基于线性电机动转技术( l m t t - l i n e a r m o t o r b a s e dt r a n s f e rt e c h n o l o g y ) 的水平运输系统，在我国部分港口现在也引进 了集卡调度系统( t p s ) 。堆场作业主要采用全自动轮胎式龙门起重机( r m g ) 和基 于全球定位系统( g p s ) 技术实现的轮胎式龙门起重枫( r t g ) 实现自动操作和集装 箱定位f 8 j 。 对于设备的合理化配置，国内外学者从不同侧厩进行了研究，有运用单级 排队模型探讨了港口的合理泊位数和港口吞吐能力，有采用线性混合整数规划 为每只船舶安排合理的岸桥和龙门吊台数；有使用混合整数规划和p e r t in e t 技术 计算堆场中龙门吊最优的动态装卸量和集卡的最优路径1 5 1 】【5 2 1 ：有应用多级排队 网络建模分析研究集装箱码头设备优化配备1 。 1 2 3 国内外计算机技术在港口的应用研究与现状 计算机模拟技术在港口码头系统上的应用，是伴随着模拟技术本身的发展 而深入的。最近几年，越来越多模拟模型成功的应用为港口码头的规划设计和 营运管理提供决策信息。计算机模拟技术在国内也早已经应用于港口码头的规 划和设计领域，但是在运营管理方面应用较少。主要原因：一是潜在用户对模 拟方法的认识不够：二是不易得到建立可靠模拟模型所需的信息。 ( 1 ) 国外计算机模拟技术在港口码头系统上的应用现状。在国外。计算机模 4 武汉理工大学硕士学位论文 拟技术在港口码头系统上的应用得到越来越多的重视，应用也越来越普遍。例 如：香港的c h i n al i g h t & p o w e r 公司，曾委托s a n d w e l li n c 利用模拟模型研究增 加何种设备或者设施，以及以什么样的方式增加这些设备或设施，才能以最经 济的方式适应港口吞吐能力增长的要求；荷兰的t e b e d i nb v c o n s u l t a n t s & e n g i n e e r s 曾为印度某港口利用数值模拟模型研究港口的设计和卸船机的选型； 用来评估在整个集装箱运输链中发挥作用的些新设想和新概念的计算机模拟 器e t o o l ，已用于跨运车堆码输送、自装输送机械与有轨龙门起熏机配合、利 用具有堆码和输送能力与跨运车类似的新型机械作业的三种作业方案进行比 较、评估；由德国i n s t i t u eo fs h i p p i n ge c o n o m i cs a n dl o g i s t i c s 开发的集装箱装卸 系统模拟器s c u s y ，已经成功的应用于研究集装箱的不同堆码方式对箍体布局 的影响，比较采用不同设备组合的堆场作业方式、分析不同设备的适用对码头 营运的影响等。 ( 2 ) 国内计算机模拟技术在港口码头系统上的应用现状。港口码头系统计算 机模拟技术早就被引进介绍到国内。从公开发表的文献来看，国内交通部第一 航务工程勘察设计院开发过煤炭码头装卸系统和散粮码头的计算机模拟模型； 武汉交通科技大学开发过集装箱码头装卸系统的模拟模型；天津大学开发过油 码头的计算机模拟模型；交通部水运科学研究所开发过用于研究堆场容量的散 货码头计算机模拟模型；交通部第三航务工程设计院与上海海运学院联合开发 了马迹山矿石中转码头的计算机模拟模型；上海海运学院做过一个应用于港口 生产调度的动画模拟案例。 上述模拟模型的开发，说明国内科研设计部门已经意识到应用计算机模拟 技术来研究解决港口码头系统上有关问题的可行性，并且掌握了一些开发模拟 模型的方法，具有了一定的开发模型的能力。 国内在这方面做的比较成功的有：北京水运科学研究所的彭传圣等利用加 拿大s a n d w e l ll n c 公司的a u d i t i o n 开发t 加拿大w e s t s h o r e 煤炭装船码头模拟 系统，利用加拿大h a l i f a x 港h a l t e r m 集装箱装卸有限公司的码头操作管理规则 开发了一个集装箱码头模拟模型案例，此外还研究了天津港集装箱公司码头模 拟模型案例、加拿大v a n t e r m 集装箱码头模拟模型案例、天津港改扩建集装箱码 头工程计算机模拟模型等。 综上所述，我们不难发现目前对码头作业设备性能与自动化程度的研究已 经基本能适应码头发展的需要。在设备资源合理配置上专家学者从不同侧面进 5 武汉理工大学硕士学位论文 行了成功地分析与优化。通常水平运输是码头作业效率的“瓶颈”，码头前沿作 业效率提高后，水平运输的问题将更加突出，然而在我国集装箱码头大多采用 水平运输机械采用集卡、堆场作业采用轮胎吊的作业方式。而针对这种情况， 集卡作业系统的优化研究目前在国内是十分有限的。水平运输子系统有先进的 集卡调度系统( t p s ) 作为技术支持，通过优化岸桥与集卡的作业方案，达到比较 连续的水平运输箱流，实现水平运输的顺畅和均衡，从而间接地达到解决堆场 作业中相互干涉的问题，发挥集卡的潜力，实现水平运输的高效化，达到提高 系统装卸效率的目的。 1 3 调度系统的研究目标、研究内容和关键技术 1 3 1 研究目标 研究利用g i s 软件进行集装箱港口运输设备优化调度系统开发的方法，以 g i s 的地图可视化和空间分析功能为技术支持，以v i s u a lb a s i c6 0 为开发平台， 运用组件式g i s 软件进行二次开发，实现集装箱运输设备优化调度的可视化， 从而解决运输设备调度的直观性问题。 1 3 2 研究内容 ( 1 ) 基于g i s 的集装箱运输设备数据库的组织方式。g i s 数据不仅包括属性 数据，还包括空间数据。空间数据采用g i s 软件自带的数据库存储，属性数据 采用a c c e s s 数据库存储。 ( 2 ) 生成集装箱港口的电子地图。要实现集装箱运输设备调度的可视化，我 们需要集装箱港口和市区的电子地图。地图的产生有两种方式：一是通过扫描 仪扫描纸质地图转成数字地图；另一种是通过专业地图绘制软件绘制地图。这 里我们采用两者相结合的方法。 ( 3 ) 根据优化调度的原则，寻求最佳方案。充分利用g i s 的空间分析功能， 以港口和市区道路网为基础，利用电子地图直观地显示调度的最优路径，作为 辅助调度决镱。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 1 3 3 关键技术 ( 1 ) 论文涉及的关键理论或知识： g i s 的基本原理及应用； 寻找最优路径的理论算法。 ( 2 ) 论文涉及的关键技术： 6 1 s 的地图制作技术； 在v b 中进行g i s 的二次开发 g i s 的空间分析。 1 4 本章小结 本章首先以近年来集装箱港口的快速发展为出发点，阐述了本课题的研究 目的和意义，然后系统分析了国内外有关技术的研究现状，最后就本系统的研 究目标、研究内容和关键技术三个方面作了简要的叙述。 7 武汉理t ：大学硕士学位论文 第2 章地理信息系统 2 1 地理信息系统概述 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是一种为了获取、 存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统( 1 9 9 8 年，美国国家地理信息与分析中心定义) 。这里的空间定位数据是指，采用不同 方式的遥感与非遥感手段所获得的数据，它有多种数据类型，包括地图、遥感、 统计数据等，它们的共同特点是都有确定的空间位置。地理信息系统的处理对象 是空间实体，其处理过程正是依据空间实体的空间位置与空间关系进行的拉6 1 1 3 7 l 。 图2 1g i s 的发展历程 自加拿大人r t t o m l i n s o n 首先提出地理信息系统的概念并领导建立了世界 上第一个具有实用价值的地理信息系统一加拿大地理信息系统( c a n a d a g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称c g i s ) 以来，地理信息系统在全球范围内获 得了长足的进步。作为对人类生活空间的数字化描述、分析和表达的工具，g i s f 逐渐成为信息产业的一个重要组成部分，成为国民经济新的增长点。地理信 息系统也正在从一个单纯的应用系统发展为一个完整的技术系统和理论体系【3 8 】。 g i s 技术的发展，在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件， 武汉理 ：大学硕士学位论文 从而发展到组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，简称c o m g i s ) 和w e b g i s 的过程f 如图 2 1 ) 。传统g i s 虽然在功能上己经比较成熟，但是由于这些系统多是基于十多年 前的软件技术开发的，属于独立封闭的系统。同时，g i s 软件变得日益庞大，用 户难以掌握，费用昂贵，阻碍了g i s 的普及和应用。c o m g i s 和w e b g i s 的出现 为传统g i s 面临的多种问题提供了全新的解决思路，同时c o m g i s 和w e b g i s 也是现在g i s 领域的研究热点，也是未来g i s 发展的方向1 3 5 1 。 2 2 地理信息系统数据管理 地理信息系统的重要特征之一，就是把图形数据与属性数据综合到一个单 一的系统中，这使得空间数据与非空间数据之间交互的复杂分析与建模成为可 能。作为地理数据组成部分的属性数据区别于一般的商业化数据的一个重要特 征是它具有位置标识或定位坐标，每一个属性数据总是与某一个或一组地理实 体相对应的i g l 。 g i s 数据库的管理，目前有四种基本的解决方案：文件型、双数据库型、扩 充d b m s 型和空间数据库型。根据所采用的数据库管理方法，可以将g i s 分成 四种类型【4 l 】。 1 、文件型g i s 。这种方法比较简单，也是最初的g i s 软件采用的方法，没 有集中控制的数据库管理系统，适合于小规模的g i s 。 2 、双数据库型g i s 。这种方法是利用一般的d b m s ( 多数是关系型的) 管理 属性数据，专门的软件管理空间数据，它们之间通过一定的操作相联接。用户 既可以和两个数据库分别打交道，也可以通过某种途径同时访问两个数据库， 目前大部分g i s 软件都采用这种方法。 3 、扩展d b m s 型g i s 。这种方法是对一个通用事务管理用的d b m s ( - - 般 是关系型的) 进行功能扩展，增加空间数据的管理能力，使之适合g i s 用户的特 殊需要。这种方法使空间和属性数据之间的联系比较紧密，趋于一体化，还便 于利用某些d b m s 产品的现成功能( 如：多用户的控制，客户机朋鼹务器的运行模 式等) ，但是为了使空间数据适应关系模型，须牺牲软件运行的效率【3 4 】。 4 、空间数据库型g i s 。这种方法采用空间数据库系统来集中管理空间和属 性数据，它使属性数据的管理和空间数据的管理完全一体化，用户界面也容易 做得简洁。空间数据库型g i s 是当前g i s 领域的一个研究热点。 9 武汉理j ：大学硕士学位论文 目前，在地理信息系统中对属性数据的处理普遍采用关系数据库系统。关 系模型严格按照符合现代数据模型的定义，数据结构简单清晰存取路径完全 对用户隐蔽。关系模型的最大特色是描述的一致性和独立性，实体之间的联系 不是用指针表示，而是由数据本身通过公共值( 关键字) 隐含地表达它们之间的联 系，采用关系代数和关系运算来描述和处理数据，具有严格的数据基础，是当前 数据库中最常用的数据模型。目前，大部分g i s 中的属性数据采用关系数据模型【4 。】。 关系数据模型的优点有以下几个方面【5 0 】： 1 、查询操作是非结构化的。通过查询语言的各种操作符来连接不同的表格 并抽取数据库中的数据。 2 、关系数据库的用户视图比较简单。是由若干张二维表格组成的，用户可 以非常容易地想象存贮在数据库中的数据。 3 、在数据库增加数据项的方式有两种：产生一个新表或向已有的表中追加 数据项。 当数据库需要修改或更新时，不需要重新组织数据结构。 但是，关系模型在效率、数据语义、模型扩充、实体标识和程序交互等方 面还存在一些缺陷，特别是在处理空间数据库所涉及的复杂对象方面，显得难 以适应。现在的一个研究热点是利用空间数据库管理系统来实现属性数据与空 间数据的一体化管理，充分利用大型商业数据库的优势来解决属性数据与空间 数据分开存储所遇到的问题，有效实现海量数据的管理以及多用户的并发操作 等问题。 在地理信息系统中，通常用“层”的概念来分别存储不同专题的空间信息， 即每一层存放一种专题或一类信息，并有一组对应的数据文件。各个图层可以 单独操作，也可以同时对几个图层一起操作。 构成专题的是地图要素，也就是说，专题是地图要素的集合。可以将专题 当作逻辑上的“层”来看待。根据信息处理的需要，一个地图要素可以出现在 一个图层中，也可以重复出现在多个图层中。 地图采用按不同专题来分层的方法能够突出主题，不同行业和人员根据各 自的需要，选择需要的专题图层，既优化了计算机的信息管理，又减轻了人脑 信息摄取、分析和运用的工作量1 4 ”。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 组件式g i s 实现技术 目前，在软件开发领域，一场新的革命正在悄悄兴起，这是由日趋成熟的 组件技术引发的。几年以前，当微软公司首先使用o l e 的时候，其初衷是为了 增强软件的互操作性。然而在使用过程中，人们逐渐认识到这一技术背后的实 质性内容和它在软件开发中所扮演的重要角色。组件技术将以前所未有的方式 提高软件产业的生产效率，这一点已逐步成为软件开发人员的共识。近年来， 企、事业单位的m i s 系统也逐渐对空间地理信息管理提出了更多的要求。传统 的g i s 技术面临着严峻的挑战，而软件领域中组件技术的兴起无疑为g i s 的发 展带来了巨大的生机1 ”i 。 组件技术使近二十年来兴起的面向对象技术进入到成熟的实用化阶段。在 组件技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中 每个对象都会提供特定的服务，发出特定的消息，并且以标准形式公布出来， 以便其他对象了解和调用。 组件间的接口通过一种与平台无关的语言i d l ( i n t e r f a c ed e f i n el a n g u a g e ) 来定义，而且是二进制兼容的，使用者可以直接调用执行模块来获得对象提供 的服务。同时组件封装很彻底，且易于使用，并且不限于c 抖之类的语言，可 以在各种开发语言和开发环境中使用。 2 3 1 组件式g i s ( c o m p o n e n t sg i s ，简称c o m g i s ) 的概念 组件式软件是新一代g 1 s 的重要基础，c o m g i s 是面向对象技术和组件式软 件在g s 软件开发中的应用。认识c o m g i s ，首先需要了解所依赖的技术基础一 组件式对象模型和a c t i v e x 控件。 c o m 是组件式对象模型( ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) 的英文缩写，是 o l e ( o b j e c tl i n k i n g & e m b e d d i n g ) 和a c t i v e x 共同的基础。c o m 不是一种面向 对象的语言，而是一种二进制标准。c o m 所建立的是一个软件模块与另一个软 件模块之间的链接，当这种链接建立之后，模块之间就可以通过称之为“接口” 的机制来进行通信。c o m 标准增加了保障系统和组件完整的安全机制，扩展到 分布式环境。这种基于分布式环境下的c o m 被称作d c o m r d i s t r i b m ec o m ) 。 d c o m 实现了c o m 对象与远程计算机上的另一个对象之间直接进行交互【1 4 】。 a c t i v e x 是一套基于c o m 的可以使软件组件在网络环境中进行互操作而不 武汉理工大学硕士学位论文 管该组件是用何种语言创建的技术。作为a c t i v e x 技术的重要内容，a c t n e x 控 件是一种可编程、可重用的基于c o m 的对象。a c t i v e x 控件通过属性、事件、 方法等接口与应用程序进行交互【1 7 】。 目前，很多软件公司纷纷推出了各种用途的a c t i v e x 控件，比如；数据库访 问、数据监视、数据显示、图形显示、图像处理、甚至三维动画等等。几个著 名的g i s 软件公司把c o m 技术应用于g i s 开发，纷纷推出由一系列a c t i v e ) ( 控 件组成的c o m g i s 软件，比如i n t e r g r a p b 公司的g e o m e d i a 、e s i l i 公司的 m a p o b j e c t s 、m a p i n f o 公司的m a p x 等，国内的北京朝夕公司推出了m a p e n g i n e 。 c o m o i s 的基本思想是把g i s 的各大功能模块划分为几个控件，每个控件完 成不同的功能。各个g i s 控件之间，以及g i s 控件与其它非g i s 控件之间可以 方便地通过可视化的软件开发工具集成起来，形成最终的g i s 应用。控件如同 一堆各式各样的积木，他们分别实现不同的功能( 包括g i s 和非g i s 功能) ，根据 需要把实现各种功能的“积木”搭建起来，就构成应用系统。 2 3 2c o m g i s 的特点1 ”2 ”删 c o m g i s 的发展符合当今软件技术的发展潮流，同时也极大地方便了应用和 系统集成。同传统的g 1 s 比较，这技术具有以下几方面特点： 1 、高效无缝的系统集成 一个系统的建立往往需要对g i s 数据、基本空间处理功能与各种应用模型 进行集成。而系统集成方案在很大程度上决定了系统的适用性和效率，不同的 应用领域、不同的应用开发者所采用的系统集成方案往往不同。归纳起来，基 于传统的g i s 基础软件的集成方案主要有四种模式( 图2 2 ) 。 模式一：在g i s 基础软件与应用分析模型之间，通过文件存取方式建立数 据交换通道。在这种集成方式中，g i s 与应用分析模型通过中间文件格式交换数 据( 图2 - 2 ) ，不适合于大量而频繁地交换数据的情况，而且g i s 基础软件与 应用分析模型相互独立，系统整合性差。 模式二：直接使用g i s 软件提供的二次开发语言编制应用分析模型( 图 2 - 2 ) 。解决了模式一的缺陷，但是g i s 所提供的二次开发语言大都不能与c 、 c + + 等专业程序设计语言相比，难以开发复杂的应用模型。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 | g i s 删槲0 1 8 燃件l眄赢司h 。廿仳1 卜d 意件 g 拣件| 世型 a 模式一b 模式二 c 模式三 d 模式四 专业应用模型卜， q s 基础软件卜1g - s 数据文件1 。爿g l s 数据文件。 _ d d e g i s 基础软件r r 专业应用模型i + l 应用模型文件 图2 2g i s 基础软件与专业应用模型的集成方案 模式三：利用专业程序设计语言开发应用模型，并直接访问g i s 软件的内 部数据结构( 图2 - 2 ) 。应用模型开发者可以根据自己的意愿选择使用何种高 级语言开发复杂的应用模型，但是直接访问g i s 软件数据结构增加了应用开发 的难度。 模式四：通过动态数据交换p d e ) 建立g i s 与应用模型之间的快速通信( 图 2 - 2 1 。这时在d e e 技术发展起来以后，对第一种集成方式的改进，可以避免 频繁的文件数据交换所带来的效率降低的毛病，也避免了从g i s 外部直接访问 g i s 数据结构的代价。但是，g i s 与应用模型仍然是分离的，这种拼接是“有缝”的。 不论采用以上何种系统集成模式，传统的g i s 软件在系统集成上都存在缺 陷。c o r e g i s 提供了解决以上问题的理想方案。c o m g i s 不依赖于某一种开发语 言，可以嵌入通用的开发环境( 如：v i s u a lb a s i c 和d e l p h i ) q b 实现g i s 功能，专 业模型则可以使用这些通用开发环境来实现，也可以插入其它的专业性模型分 析控件。因此，使用c o m g i s 可以实现高效、无缝的系统集成( 图2 - 3 ) 。 武汉理工大学硕+ 学位论文 图2 3c o m g i s 于应用程序的无缝集成 2 、无需专门的g i s 开发语言 传统g i s 往往具有独立的二次开发语言，如a r c h n f o 的a m l 、m g e 的m d l 、 m a p l n f o 的m a p b a s i c 等。对g i s 基础软件开发者而言，设计一套二次开发语言 是不小的负担，同时二次开发语言对用户和应用开发者而言也存在学习上的负 担。而且使用系统所提供的二次开发语言，开发往往受到限制，难以处理复杂 问题。c o m g i s 则不需要额外的g i s 二次开发语言，只需实现g i s 的基本功能 函数，按照m i c r o s o f t 的a c t i v e x 控件标准开发接口。这有利于减轻g i s 软件开 发者的负担，而且增强了o l s 软件的可扩展性。g i s 应用开发者，不必掌握额外 的g i s 开发语言，只需熟悉基于w i n d o w s 平台的通用集成开发环境，以及 c o m g i s 各个控件的属性、方法和事件，就可以完成应用系统的开发和集成。目 前，可供选择的开发环境很多，如v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 以及p o w e r b u i l d e r 等等。 3 、大众化的g s 组件式技术已经成为业界标准，用户可以像