（电力系统及其自动化专业论文）铁路地理信息系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t r a i l w a yi s a n i m p o r t a n tv e h i c l e t o e c o n o m y , m a n yp r o b l e m s i n t r a d i t i o n a lm a n a g i n gm e t h o di sb e c o m i n gab o t t l e n e c ko fd e v e l o p m e n t o f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h ep o p u l a r i z a t i o n o f c o m p u t e r a n d a d v a n c e m e n ti ns o f t w a r et e c h n o l o g yc r e a t ean e wm e t h o dt o i m p r o v e e f f i c i e n c y a n ds e c u r i t yo fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o n an e ws o l u t i o n f o r r a i l w a ym a n a g e m e n tu s i n gg p s ，g s m a n dg i s t e c h n o l o g yi si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r a p p l i c a t i o ni sb a s e do ng i s c o m p o n e n ta n dr e a l i z e ds o m e i m p o r t a n tf u n c t i o ns u c ha st r a c i n gv e h i c l e si n t h er e l a t e dm a p ，c r e a t i n g a n dp r i n t i n g r e p o r t s a n dr e l e a s i n gi n f o r m a t i o ni ni n t e r n e t t h er e l a t e d h a r d w a r ea n ds o f t w a r er e s o u r c e ，s o m e i m p o r t a n tt e c h n o l o g y , d e s i g n m e t h o do ft h em o n i t o rc e n t e ri se x p l a i n e di nt h i sp a p e r k e y w o r d g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e mv e h i c l e m o n i t o r 声明 本人郑重声明：本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果，撰写成硕士论文“迭监垫堡篮息丕统的遮让墨塞现”，除论 文中已经注明引用的内容外，对本人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表明。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或未发表的成果。 + 本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：爿枣日务强 西叩；年t 。月 ，日 第1 章绪论 1 1 引言 目前，我国铁路正经历着一个高速发展时期，铁道部对现有线路和设备进行 了大规模改造，一大批新型机车、车辆和装备投入现场使用，大大提高了铁路运 营的效率和安全性。但是相对于快速增长的人口和高速发展的经济来说，现有的 设备和系统在技术上是不能满足繁忙的客运和货运需求的。为了进一步提高车辆 使用效率，增加安全保障，人们开始研究更完善的系统来实现铁路的智能化管理。 地理信息系统( g i s ) 是以地理空间数据为基础，将数据库技术与计算机图 形学有机结合，对空间相关数据进行采集、管理、操作和显示，并通过对地理模 型的分析和模拟，为资源环境研究和宏观管理决策提供服务的计算机系统。g i s 的研究是近年来迅速发展起来的- - i j 新兴技术学科，它的发展体现出多学科交叉 的特点，涉及地理学，地图学，测量学，统计学，系统论，计算机科学，卫星遥 感，人工智能等多门学科或技术。计算机的普及和软件技术的进步使g i s 开始 广泛应用于资源，环境，水力，交通，通讯，军事，城市建设等各个领域，创造 了土地管理，环境监测，灾害预报，智能交通，管道工程，社区管理，商业选址 等众多成功的案例，产生了巨大的经济效益。 将成熟的g i s 技术应用于铁路部门中，为解决目前铁路中存在的问题提供 了新的思路。认真的分析铁路中信息处理的特点和传统管理方式的弊端，灵活的 运用诸如全球定位系统( g p s ) ，移动通信网络，g i s 等多项尖端技术来构造一 个全新的管理系统已经成为开发和使用的目标。 1 。2 课题来源 本课题是根据铁路研究机构提出的开发铁路地理信息系统的设想，在已有的 需求分析，可行性论证，总体设计e l 标和设计原则等基础上对实现铁路地理信息 系统尤其是车辆监控部分进行的进一步研究。 7 1 2 1 需求和可行性分析 铁路地理信息系统是为了满足以下需要提出的： 1 铁路抢险救灾的需要 为了在灾害事故发生后，能在最短的时间内做出抢险方案，恢复行车，把损 失减少到最低，要求领导和技术人员能尽快得到事故发生地段的详细信息，包括 线路两旁地形地貌情况，事发地段线路设备情况，线路图像资料，救援设备分布 情况等，目前这些资料都是分别存储在各级档案馆内，紧急情况一旦发生，查找 起来异常困难，常常因为资料不全耽误了抢险战机。因此，铁路部门在抢险救灾 时，需要一个能直观，快速，简便的提供抢险有关信息的铁路地理信息系统，并 使一些相关联的信息一体化显示，让技术人员远离现场的情况下将这些资料有机 地结合起来，提供给救灾指挥人员。 2 铁路设备管理维护的需要 设备的管理和维护是铁路部门日常主要工作之一，铁路各种设备数据量大， 专业广，分布在全国各地，要管理维护好设备的运转状况，基础履历和分布情况。 这就需要一个能对铁路各种设备信息进行采集，存储，分析，管理，统计的铁路 地理信息系统，把铁路上的运，机，电，辆，房等各种设备信息资料直观，简便， 快速的提供给管理者和技术人员使用。另外，这也要求该系统能够提供较为敏捷 的图上设备维护方式。 3 铁路行车组织的需求 经过近几年的铁路信息化建设，铁路行车组织自动化逐渐形成，各种大型信 息系统也相继建成。铁路地理信息系统应该和各种信息系统结合，把它们的数据 反映到地图上去，使行车组织更加直观，便捷。同时也应能对新运行图和一些紧 急情况下的调度命令进行图形模拟，增加的它们安全性和可行性。 4 铁路辅助决策的需求 为了合理调配现有的运力和资源，系统应能够采集，存储，分析现有设备的 使用情况和各种经济指标，如车站的运力和货源等，某条线路的货运量，客运分 析等，同时系统也应能提供道路和车站附近的人文，经济，货源信息，形成各种 系统专题图，为运量，人力，财力，物力的安排提供数据依据。同时，要求铁路 地理信息系统能对可能修建铁路的地区进行缓冲区分析，提供沿线辐射范围内的 8 人文，经济，资源，地理指标的统计分析，为领导决策提供辅助支持。另外，系 统也应利用其空间分析能力对事故进行仿真。为事故预防办法的制定和事故总结 分析提供辅助支持。 5 铁路市场营销的需求 铁路地理信息系统除了向铁路部门内部各级领导和各业务部门提供信息服 务外，还应面向市场，面向社会，向货主和旅客提供信息服务，系统能在地图上 向货主显示所运货物的动态信息，包括始发地、终止地、当前位置、所运货物等 信息，让货主了解自己货物的运输情况，让旅客了解铁路客运情况，查询车票信 息，合理安排自己的行程。从而增强铁路运输业务的透明度，提高货主和旅客对 铁路服务的信心。这些信息服务在一些发达国家已经提供，这也是我国铁路服务 现代化，服务全球化的一个重要环节。 6 各种专业图集制作 铁路系统各部门在日常工作中，常常要用到各种专业图集，以供快速查询使 用。铁路地理信息系统应该能够根据用户需求，通过图件管理将系统内部的矢量 图件整理成专业图集，然后打印输出。 1 2 2 总体设计目标和原则 铁路地理信息系统的总体目标是利用地理信息，科学的存储铁路各业务部门 的图形，音像，文字，数据资料，实现全路数据共享，资料分业务检索，为铁路 部门提供抢险救灾，设备维护，资料管理，行车组织优化，调度辅助，紧急情况 处理，市场营销分析，客户信息发布等众多方面的应用服务，形成铁路基础数据 库，为将来各行业部门的专业m i s 系统提供数据平台。在设计过程中应遵循如 下原则： 1 实用性 界面友好，易于使用，便于管理维护，数据更新快速和系统升级容易，具有 优化的系统结构和完善的数据库系统，具有与其他数据库系统共享，协同工作的 能力。 2 前瞻性 目前，数据库技术与g i s 技术发展非常快，同时全国铁路系统的业务也在 不断扩大和调整，这就是要求基本系统的设计具有超前性，以便更好的处理因此 9 引发的系统升级问题，系统设计应充分考虑这些方面的发展趋势。使系统具有较 强的扩展能力，处于应用系统技术领先地位，确保系统能适应现代信息技术高速 发展。另外，系统设计还要考虑适应铁路实现新的管理模式的需要，以及与铁路 其他信息系统的接口。 3 安全性 铁路地理信息系统是国家重要的基础设施管理系统，系统安全保障是一个非 常重要的事情。系统安全性必须考虑以下几个方面：做好权限管理，保证合法用 户拥有合法权限，保证用户按照权限对系统进行操作，做好系统的防病毒设计， 防止病毒对系统和数据的侵害，做好系统数据备份工作，系统容错处理，保证数 据的完整性和一致性。 4 标准化和规范化 实现基础地理信息的共享，必须建立统一的标准和共同的规范，使系统产品 能为铁路各部门，各信息系统，政府各部门以及社会各行业所接受和使用。 5 网络化 信息资源共享的重要条件是网络化。铁路地理信息系统可通过铁路已建成的 部，局，分局之间的光纤网以及部，局内部局域网和国际互联网实现信息资源的 共享和发布。以关系数据库为核心存放空间数据和相关的文本数据，以c s 结 构实现各相关职能部门对系统的使用和系统数据的共享，以b ，s 为结构，实现 空间信息的i n t e r n e t 发布和共享。 6 一体化 系统要将业务运作与管理和服务集成一体，实现内外业测图，数据处理，数 据更新入库的一体化，实现办公自动化，建立一个完善，优质和高效的基础数据 管理与服务体系。在数据库的实现上，要实现空间要素图形与属性的一体化管理。 1 2 3g i $ 平台选型原则 现有的g i s 平台软件非常多，在选择g i s 平台软件的时候，在铁路地理信 息系统中应着重考虑以下几点： 1 软件平台的稳定性 2 软件平台的数据兼容性 3 软件平台的开放性 l o 4 强大的底层技术 5 与数据库的连接 6 与其他系统的融合 7 网络空间数据模型的支持 8 地理数据版本管理 1 2 4 铁路地理信息系统中的基础数据 1 ：4 0 0 万全国电子地图( 包括全国各干线，主要车站，全国主要地形、地 貌信息，全国主要公路干道，行致区，水系的信息，行政区中含有人文信息) 。 1 ：1 0 0 万各局电子地图( 详细的各级线路，车站县级以上行政分布信息。 主要公路和一般公路，河流等) 。 l ：2 5 0 0 0 线路综合图( 按线别，以及分局管界分段，车站，车务段分布，线 路，桥梁，隧道，电务，机务，车辆设备等加以描述) 1 1 i ：2 0 0 0 线路平面地形图( 按区间分段，直观反映出线路设备状况，线路周 围的地形地貌，以表格的形式给出各种设备的履历和图形图象资料) i ：2 0 0 0 站台平面图( 给出站场工务设备、电务设备、站场设施分布和相关 履历信息) 1 3 主要研究和开发内容 在已有的研究成果的基础上着重对铁路中的车辆监控系统进行了研究，研究 内容涉及实现车辆监控所需要的各种硬件设施，软件系统和开发工具，对主流技 术进行了比较，对关键组件进行了深入的研究，制定了合理的开发设计方案，并 结合现有的资源实现了部分系统功能。 1 制定了实现监控系统的硬件配置和网络拓扑，包括： 定位设备 无线数据传输网络 监控中心的组网和配置 2 对g i s 技术进行了全面而系统的分析 空间数据模型和拓扑关系模型 数据获取和栅格矢量化 数据存储与管理 数据显示和图形平台 应用软件开发方式 3 对w e b 系统进行了简要描述，为系统未来向w e b 平台过渡，实现高度集成 的交通运输服务系统做了一些探索。 4 在上述分析的基础上，结合铁路应用的特点设计了一个演示系统，实现的功能 包括： 放大，缩小等多种浏览方式 点，矩形，圆形等多种选择方式 车辆跟踪显示 道路检索 地图打印 报表设计 跟踪信息发布 第2 章硬件布署 2 。1 移动定位 2 。1 1 定位原理 移动定位的基本原理是基于三角关系及运算。根据测量得出的数据，利用几 何三角关系计算被测物体的位置。基于三角关系的定位技术可以分为两种：基于 距离测量和基于角度测量。角度测量需要使用方向性天线，实现较为困难，基于 距离测量使用较多。基于距离测量的定位技术先要测量三个已知位置的参考点与 被测物体之间的距离，然后利用三角知识计算被测物体的位置。一般来说，如果 要计算被测物体的平面位置( 即二维位置) ，那么需要测量三个非线性的距离数 据：同理，如果要计算被测物体的立体位置( 即三维位置) ，那么需要测量四个 非线性的距离数据。距离测量的方法有三种：直接测量方法，无线电波能量衰减 测量方法，无线电波传播时间测量方法。其中直接测量受地理条件限制往往不易 进行，能量衰减会受到反射，折射和多径效应等多种因素影响而精度不高，时间 测量方法是最为常用的方法。在己知传播速度的情况下，无线电波传播的距离与 它传播的时间成正比。这种测量方法需要注意的问题有如下几个： 1 无线电波的传播特性：因为无线电波在传播的过程中可能会发生反射，而 测量端无法区分直接到达的无线电波和经过反射到达的无线电波，所以容易造成 测量的误差。一般的解决方法是多测几次，求出统计意义上的测量值。 2 时钟精度：因为无线电波的传播速度很快，所以为了减小测量误差必须使 用高精度的时钟。 3 时钟同步：参与同一个定位过程的参考点之间必须保证时钟的同步，这样 才能保；t i n 量结果的正确性和精度。如果由被测物体自己进行测量，那么被测物 体和参与同一个定位过程的参考点必须保证时钟的同步；如果采用测量往返时间 的方法，那么只要测量端保证足够的时钟精度即可。 2 1 。2 g p s 原理 g p s 是以卫星为基础的无线电导航定位系统，具有全球性，全天侯，实时 性的定位，测速和定时功能。g p s 系统包括三大部分：空间部分一g p s 卫星： 1 4 地面控制部分一地面监控系统；用户设备部分- - g p s 信号接收机。 o g p s 卫星 用l 波段的两个无线载波( 1 9 c m 和2 4 c m ) 向广大用户连续不断地发送导 航定位信号。由导航电文可以知道该卫星当前的位置和卫星的工作情况。卫星飞 越注入站上空时，接收由地面注入站用s 波段( 1 0 c m ) 发送到卫星的导航电文 和其他有关信息。接收地面主控站通过注入站发送到卫星的调度命令，实时地改 正运行偏差或启用备用时钟等。 地面监控系统 地面监控系统包括1 个主控站，3 个注入站和5 个监测站。主控站的主要任 务是收集处理本站和监测站收到的全部资料，编算出每颗卫星的星历和g p s 时 间系统，将预测的卫星星历，钟差，状态数据以及大气传播改正编制成导航电文 传送到注入站。主控站还负责纠正卫星的轨道偏离，必要时调度卫星，使备用卫 星取代失效的工作卫星。另外还负责监测整个地面监测系统的工作，检测注入给 卫星的导航电文，监测卫星是否将导航电文发送给了用户。注入站的任务是将主 控站发来的导航电文注入到相应卫星的存储器。每天注入3 次，每次注入1 4 天 的星历。此外，注入站能自动向主控站发射信号，每分钟报告一次自己的工作状 态。监测站的主要任务是为主控站提供卫星的观测数据。 g p s 信号接收机 它能够捕获到待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换，放大和处理，以便测量出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播 时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实时地计算出接收机的三维位置， 甚至三维速度和时间。接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包， 构成完整的g p s 用户设备。 差分g s p 技术：直接使用g p s 来定位，精度收到美国s a 政策的限制。通 过建立g p s 基站，把基站测量的数据和g p s 终端设备接收的数据进行差分计 算可以提高g p s 定位精度。 地面监窿系统 。p s 定位系统组成结构圈 2 。1 3 定位方案 能够对铁路车辆进行定位的方法很多，可以利用铁路沿线的信号设备，可以 利用车载g p s 设备，也可以使用未来移动通信网络提供的定位服务。 在铁路中使用g p s 定位作为解决方案同其他方案相比具有很多优点。g p s 定位的精度可达几米到几十米的范围，比其他方式要高的多。g p s 依靠卫星来 定位，只要观测到4 颗卫星即可实现三维定位，卫星运行稳定并有备用系统，可 靠性非常高。利用铁路沿线的信号设备，由于设备数目多而易出现差错。另外 g p s 定位既可以定位移动目标也可以定位固定目标，使用灵活，在机车未运行 时也能对其进行跟踪。利用铁路沿线设备定位依赖于运行的线路和对机车速度的 测算，使用极不方便。g p s 唯一的缺点是价格较高，但随着美国将g p s 技术民 用化，g p s 设备和使用费用已大幅下降，在公交和出租车上都出现了应用的案 例，机车的造价远高于公交和出租车，因此在铁路中使用更为适宜。 2 2 无线数据链路 在g p s 设备取得定位信息后需要使用无线数据链路向监控中心传送数 据，目前有两种移动通信技术可供选择： 2 2 1g s m 数字蜂窝移动通信系统 g s m ( g l o b a l s y s t e m f o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 数字蜂窝移动通信系统是 19 8 2 年欧洲邮电主管部门为开发第二代蜂窝移动通信系统而成立的机构“移动 通信特别小组”开发出的。g s m 系统频谱利用率高，通讯范围大，系统运行可靠。 接入技术是移动通信的关键问题。g s m 的基本原理是建立蜂窝分布的基站， 相邻基站覆盖的小区使用不同的通信频率，相隔一定距离后可以复用，在越区时 切换基站，在同- - + 区中可以使用多个频道，每个频道使用时分复用t d m a 技 术进一步增加信道，加大小区的用户容量。在接收端还采用了克服多径效应的技 术。传统的天线都是高于建筑物的，但是移动通信信号在建筑物间反射会形成多 径，因此必须增加相应的信号处理电路来分离出主信号。 g s m 网络主要为承载语音业务而设计，使用s m s 和g p r s 来承载数据业 务。未来的3 g 技术将使用c d m a 作为接入技术进一步增加系统容量，并能够 实现视频编码和宽带数据传输。 s m s 短消息业务是专门为小信息量通信( 信息最多只有1 6 0 个字节) 而开发的， 可以分为移动端收( m t ) 和移动端发( m o ) 。用户可通过移动服务中心接入g s m 网，然后同短消息服务中心交换数据。 s 、i s 系统结辜句 相关术语： 1s m e ：短消息实体2m s ：移动端3m s c , 移动服务中心 4s m s c ：短消息服务中心5i s m s ：互联网短消息网关 6s p = 服务提供商 7 s s 7 信令网关：m s c 和s m s c 之间 8s m s 网关：s m p p 协议和c m p p s g i p 通信商自定义协议用来连接s p 和s m s c g p r s 通用无线分组业务，是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，能够提供 端到端的，广域的无线l p 连接，传输速度最高可达1 7 1 2k b p s 。g p r s 通过在 现有的g s m 网络中增加一些节点，如g g s n ( 网关支持节点) 和s g s n ( 服 务节点) ，实现了g s m 向能够承载多媒体数据的3 g 移动通信网络的平滑过渡。 2 2 2c d p d 蜂窝数字分组数据通信系统 c d p d ( c e l l u l a r d i g i t a lp a c k e td a t a ) 蜂窝数字分组数据通信系统采用分组 数据方式，是目前最佳的无线公共网络数据通信规程。c d p d 是建立在t c p i p 基础上的一种开放系统结构，将开放式接口，高传输速度，用户单元确定，空中 链路加密，压缩数据纠错和重发，标准的l p 寻址模式同无线接入有力的结合在 一起，提供同层网络的无缝连接，多协议网络服务。c d p d 具有速度快 ( 1 9 2 k b p s ) ，数据安全性高等特点，它支持用户越区切换和全网漫游，广播和 群呼，支持移动速度达10 0 k m h 的数据用户，可与公用有线数据网络互联互通。 2 2 。3 无线数据传输方案 c d p d 无线广域网目前的普及率并不高，只在一些大城市有覆盖，在公交和 出租车上有应用的案例，但铁路运输跨越的地理范围很大，使用c d p d 目前显 然是不适宜的。g s m 网络覆盖面大，技术升级快，对铁路监控而言是比较理想 的选择。目前使用g s m 方式也存在一些问题，例如基站不足而导致在一些特殊 路段丢失信号，s m s 传送的数据量小，通信费用高等，随着网络容量的扩大和 g p r s 等高速网的建成将逐步解决这些问题。利用3 g 技术还可以实现对车上设 备的监控和远程故障诊断。 2 3 有线数据链路 通过g s m 网获取的数据进入短信中心之后必须使用有线链路同监控中心进 行连接，监控中心内部的数台计算机必须进行数据通信协同计算，终端用户需要 选择适宜的方式连接i n t e r n e t 分享监控中心的信息，这些都需要借助计算机网络 来实现。 2 3 1 计算机网络 计算机网络按规模可分为局域网，广域网和互连网。 局域网 局域网连接的计算机数目较少，不需要使用交换设备，只使用一些控制策略 解决信道的利用问题，同基于存储转发机制的分组交换网有着本质的不同，最成 功的局域网媒体访问控制策略是以太网模型和c s m a c d ( 载波监听多点接入 冲突检测) 。以太网的传输速度从1 0 m ，1 0 0 m ，发展到1 0 0 0 m 甚至更高，已经 接近于硬盘的传输速度。 铁路地理信息系统的监控中心包括应用服务器，数据维护服务器，信息发布 服务器和数据服务器等多种应用，需要有多台计算机组成集群来支持这些服务。 采用光纤媒质，具有接入层，汇集层和骨干层三层结构的千兆以太网，是监控中 心的理想组网方式。 广域网 d d n ( d i g i t a ld a t an e t w o r k ) 以数字交叉连接为核心技术，主要只完成o s i 七层协议中物理层和部分数据链路层协议的功能，提供的数字电路为全透明的半 永久性连接，接入速率范围9 6k b p s 2 g b p s ，易于组建v p n ( 虚拟专用网) ， 网络安全性高，适合大型企业和政府部门。 分组交换网络分组交换网具有专用的分组和寻址协议，使用面向连接的服 务p v c ( p e r m a n e n tv i r t u a lc i r c u i t ) 和s v c ( s w i t c h e dv i r t u a lc i r c u i o 。f r 帧 中继建立在低速分组交换网x 2 5 的基础上，帧长可变，通过快速转发帧来减少 节点处理时间( 数据链路层的差错控制由点对点变为端到端) ；a t m 异步传输模 式是f r 的代替者，保留了面向连接的特点。 定位数据进入短信中心之后，需要将这些数据通过短信网关传输到监控中 心。广域网的三种方式d d n ，f r 和a t m 均可以完成上述任务，具体应用时应 该根据铁路分局业务量向电信部门租用。 互连网 局域网和广域网都是以数据通信业务为主，i n t e r n e t 使用t c p i p 协议将局 域网和广域网连接在一起，由于局域网和广域网均实现了自身的物理层，数据链 路层，网络层，所以互连的关键是使用统一的寻址方式即l p 协议和实现端到端 之间的传输控制即t c p 协议，t c p i p 数据包在冥构网络之间传输的过程就是不 断进行协议拆装的过程，在此基础上可以实现各种应用层协议。基于的w e b 的 企业级计算也是建立在这些基础之上。 最终用户分享铁路地理信息系统的信息必须解决i n t e r n e t 接入问题： 用户 到端局的接入最初使用有线电话连接，向宽带发展时出现了x d s l ( 利用数字电 话线连接) 和有线通h f c ( 光纤同轴混合，利用有线电视网络) 方式，最终将 使用f 1 _ r x ( 光纤直接相连) ，移动用户则通过网关连接i n t e r n e t 。 2 3 2t c p i p 体系结构 t c p i p 协议是实现互连网的基础，采用了分层模型，从下到上依次划分为 物理层，数据链路层，网络层，运输层和应用层，各层之间独立，分别实现不同 的功能，层与层之间通过服务接口来连接。 应用屡 运输鼹 露 蠲终滕 蘑 数 i 苦链鼯艨蘑 物理滕 雷 1 c p ，职诲蓉终魄 物理层 物理层主要解决的是比特传输问题，物理层中的协议规定了网络的传输媒 质，信号类型，编码方式和时钟同步方法。 传输媒质分为双绞线，同轴电缆和光纤。 信号分为模拟信号和数字信号两种，模拟信号可以进行频分复用，数字信号 可以进行时分复用，通过使用编码解码器和调制解调器可以进行数字信号和模拟 信号的转换。 数据链路层 数据链路层解决的是点对点之间帧的流量和差错控制，是一套完整的控制方 案，不同的点对点设备之间使用不同的协议，但基本思想相似。 1 路由器到路由器：( 高级数据链路控制) 2 局域网：( 逻辑链路控制子层)( 媒体访问控制子层) 3 广域网：x 2 5 使用l a p b ( 平衡型链路接入规程)的d 通道和 使用 拨号连接：( 点对点协议) 网际层 网络层最重要的协议是i p 协议。i p 地址是计算机在互联网中的唯一标志， 路由器是用来连接局域网和广域网的通信设各，具要多个地址。路由器通过路由 协议确定路由，并进行数据包的拆解。 网际层的其他协议：m a c 地址和l p 地址的转换协议，i c m p 控制协议用来 检查网络状况。 传输层 传输层包括面向连接的t c p 协议( 实现端到端之间的可靠传输) ，无连接 的u d p 协议( 不可靠但高效) 和全网络的拥塞控制机制。t c p 协议先通过三次 握手建立客户服务器模式的连接，然后将应用层的报文进行拆解，对多个报文段 按照全报文的字节长度编号，加上端口和l p 封装成l p 包进行传输，继而进行流 量控制。 应用层 建立在局域网上的应用主要是实现资源共享，如文件服务器和打印服务器， 现在的局域网也使用t c p i p 协议，既可以发挥i 尸寻址的优势，又能够使很多 i n t e r n e t 上的应用在局域网上实现。 在互连网上进行信息交流，新闻，论坛，邮件，即时通信等模式始终是最有 价值的。n n t p 新闻组协议，s m t p p o p 3 ，l m a p 邮件协议，i r c 即时通信协议 都是采用c s 实现，w e b 使用h r r p 超文本传输协议，最初只是提供信息交 流的方便方式，继而开始承载上述协议提供的服务，最终要实现企业级应用，具 备桌面程序相当的交互能力。 互连网上也有一些资源共享应用：f t p 文件传输协议，t e l n e t 远程登陆协议， 还有一些专用协议，如流媒体协议和游戏协议。另外还有一些辅助协议，如d n s 域名解析协议，s n m p 简单管理协议( 用在路由器和管理中心之间) 等。 安全协议 i n t e r n e t 加密主要体现在点到点之间和端到端之间，虽然i p 地址加密可以抗 通信量分析，但也会给路由带来不便，使用较少。链路加密主要由通信网络来实 现，是对数据链路层协议的补充。端到端加密的可以在传输层，应用层甚至深入 内容分级定制，适应不同用户需要。 s s l ( s e c u r es o c k e t s l a y e r ) 协议是由n e t s c a p e 首先发表的w e b 安全传 输协议，用于在服务器和浏览器之间提供安全连接。s s l 协议位于t c p 和h t t p 协议之间，连接使用公用密钥体制，会话使用私用密钥体制，可以选择d e s 算 法进行加密。w a p 下相应的协议是w t l s 。 2 4 小结 硬件布署包括移动定位，无线数据链路和有线数据链路三个紧密连接的部 分，在最终的方案中使用车载g p s 设备获取定位数据，通过g s m 移动通信网 进入短信中心，短信中心通过d d n ，f r 或a t m 连接监控中心，监控中心是由 多台计算机组成的协同计算的局域网，用户可以通过i n t e r n e t 接入监控中心分享 定位信息，具体的布署结构图在第6 章中。 第3 章( 3 1 s 技术 3 1 概述 g i s 平台是指一组具有图形图像数字化、存储管理、查询检索、分析运算和 多种输出等地理信息系统基本功能的软件包。传统的g i s 平台主要有三种形式： 集成式：将图形系统和数据库系统集成为地理信息系统 模块式：在已有的c a d 平台上扩展出地理信息模块 核心式：提供地理信息系统开发所需的函数库或类库 尽管传统的g i s 平台取得了显著的成功，但广泛的应用实践，对g l s 平台 的性能提出了许多新的要求，主要表现在以下几个方面： 开放式地理信息系统( o p e ng i s ) 传统的g i s 多是基于具体的，独立和封闭的平台开发，采用不同的数据格式， 数据组织也存在很大的差异，严重阻碍了跨领域的协作和交流。开放地理数据互 操作规范( o g i s ) f i , 够实现空间数据数据的共享和互操作。 网络地理信息系统( w e bg i s ) 随着i n t e r n e t 技术的不断发展和人们对地理信息的需求，利用i n t e r n e t 在 w e b 上发布和出版空间数据，为用户提供空间数据浏览、查询和分析的功能， 成为g i s 发展的必然趋势。基于i n t e r n e t 技术的地理信息系统w e b g i s 应运而 生，开放，廉价，易于使用的特点使w e b g i s 成为真正大众化的g i s 。 组件式地理信息系统( c o r ng i s ) 构件式软件技术是当今软件技术的潮流之一，它的出现改变了以往封闭，复 杂，难以维护的软件开发方式。c o mg i s 在降低开发成本和使用复杂性，与m i s 紧密结合等方面具有明显的优势。用户可以根据需要选择组件，借助强大的传统 开发工具v c + + ，v b 等，灵活的实现g i s 与各行业的结合。 嵌入式地理信息系统( e n b e dg i s ) 移动和嵌入计算机的出现，产生出种类繁多的手持设备：掌上电脑，w a p 手机等，为g i s 提供了新的应用前景。 三维地理信息系统( 3 dg i s ) g i s 处理的空间数据本质上是三维的，但三维系统的设计比二维的要复杂的 多，尽管有些g i s 软件用数字高程来处理表达地形起伏，但涉及三维自然和人 工景观仍无能为力，试图用二维系统来描述三维空间，必然存在不能精确反映， 分析和显示三维信息的问题。三维g i s 将在数字城市的建设中发挥重要作用。 3 2g i s 原理 3 2 1 空间数据模型 g i s 是现实世界的计算机模型，建立高效的空间数据模型是g i s 设计的首要 任务。主要有两种模型： 地理相关数据模型 将地理事物抽象为几何对象。现实世界中任何地理特征都可以表示为：点， 线或面三种基本的几何要素。这样地理事物的空间位置可以用几何坐标描述，可 采用经纬度、平面直角坐标、极坐标等多种形式。地理事物或现象的性质描述为 与几何位置无关的属性，并将几何特征与属性数据关联。传统的g i s 主要采用 地理相关数据模型。 面向对象的数据模型 直接根据具体的应用系统中所涉及的对象进行建模，如站务管理中的地块和 建筑物，铁路电力系统中的变电站和变压器等，将对象涉及的地理数据和非地 理数据直接集成，全部描述为对象的属性，行为和关系，这种方法表示直观，使 用方便，能满足各种研究领域的需要，但设计复杂，是g l s 未来发展的方向。 3 2 2 拓扑关系模型 除了要实现空间数据与属性数据的管理，地理信息系统还要实现对地理特征 之间空间关系即拓扑关系的处理，从而帮助人们实现空间思维，如连通性：点与 点通过线连通；邻接性：线与线通过结点，面与砸通过边界线邻接。空间数据的 拓扑关系模型，主要有两种模型： 空间实体& 空间索引模型 空间实体空间索引模型的基础是空间实体。这种模型的空间查询功能是通 过空间索引技术来实现的。空间索引的目的是对给定的空间坐标，能够以尽快的 速度搜索到坐标范围内的空问对象。例如m a p l n f o 采用r t r e e 技术将空间实体 的最小外接矩形( m b r ) 存储在索引中，并按从大到小的顺序进行索引搜索。 建立了空问索引，就能快速地进行空间分析了。空间实体空间索引模型虽然会 造成公共结点的重复存储，但是其结构化的实体模型使得对某个对象的更改不会 影响到其它对象的定义，从而大大增强了空间数据的可维护性。基于空间实体& 空间索引模型还可以规范为实体一关系模型，从而可以与关系数据库系统结合， 在关系数据库内实现对空间数据的查询、分析和处理等操作。 p o i y v r t 模型 p o l y v r t 的特点是多个不同的对象可以共用相同的结点，节省存储空间，但由 此产生的问题使其结构更加复杂，数据的编辑和维护比较困难。 3 。2 。3 数据获取技术 空间数据输入是图形的数字化处理过程，主要有三种方法； 数字化： 利用数字化仪将模拟空间数据( 纸质地图) 转换为数字数据。 扫描矢量化：利用扫描仪和矢量化软件，从图像数据生成矢量数据。 数据转换：可以将a u t o c a d 、m i c r o s t a t i o n 等已有的外部数据转换过来。 3 2 4 数据存储和管理 g i s 数据的存储主要采用数据库技术。数据库是数据的有序集合。数据库技 术就是将数据以一定的规律组织起来，以方便数据的管理，提供快速的数据检索 功能并保证数据的完整性和安全性的计算机技术。实现数据库功能的软件系统称 之为数据库管理系统( d b m s ) 。数据库管理系统具有数据定义，数据操作和数 据控制等功能。目前被广泛使用的数据库为关系型数据库。它以二维表格的形式 存储数据，表格的纵向单元为字段，横向单元为记录，表格与表格之间的信息具 有一对一，一对多或者多对多的关系。运行方式分为：文件型和客户服务器型。 文件型的数据库 文件型的数据库是指那些存放在数据库文件中的信息能够不通过数据库管 理系统直接被应用程序访问的数据库。此时应用程序即要完成数据的检索，又要 完成数据的显示。常见的文件型数据库为d b a s e ，f o x p r o ，a c c e s s 等。 c s 型的数据库 c s 型的数据库是指数据定义，操作和控制必须经由数据库服务器来完成的 数据库，应用程序向数据库服务器发出数据检索和数据操作的要求，数据服务器 操作数据文件，将结果返回给应用程序。c s 型数据库比较适合于在计算机网络 的运行环境，数据库管理系统运行在服务器上，用户程序运行在客户机上，常见 的有s q ls e v e r ，o r a c l e 和d b 2 。 面向对象的数据库是数据库技术和面向对象的程序设计方法相结合的产物。 为了充分的利用已有的资源，普遍采用在原有的关系数据库的基础上扩展出面向 对象的性质来实现。面向对象的空间数据模型可以建立在面向对象的数据库上。 传统的g i s 由于采用了地理相关数据模型，几何数据和属性数据是分开存储 的。属性数据直接存储在关系数据库中。早期的几何数据是用矢量图型文件的形 式存储的。随着空间数据量的激增，这种方法不能满足大量数据存储管理和快速 查询的需要，开始转向利用成熟的关系数据库来存储空间数据，并提供与空间数 据相适应的查询检索手段，如e s r i 的s d e 和m a p i n f o 的s p a t i a l w a r e 。 3 2 5 数据显示技术 计算机图形学是研究图形，图像，真实物体在计算机中的显示和处理的学科， 计算机软硬件的迅速发展，使图形学迅速运用到计算机辅助设计，辅助教学，图 形图示，艺术设计，游戏娱乐，虚拟现实，图形用户界面，数据可视化等各个领 域。在此过程中图形学的理论不断完善，图形算法不断改进，处理容量和速度大 幅提高，而且图形标准的制定，使图形系统更加容易实现或跨平台移植。g i s 数 据显示通常是根据图形学原理，在标准图形平台如o p e n g l ，d i r e c t 3 d 等的基 础上实现的。 o p e n g l 是s g i 公司开发的一种图形工具软件包，灵活的实现了二维和三 维的图形技术，具有建模，变换，光线处理，色彩处理，动画以及纹理处理，物 体运动模糊效果及雾化效果等，可独立于操作系统和硬件环境，已在各种工作站 和高档微机中运行，由于其强大的图形功能和跨平台能力，己成为事实上的工业 标准。目前，包括m i c r o s o f t ，l b m ，h p ，s u n 在内的大公司都采用o p e n g l 作为三维图形标准，许多软件厂商都以o p e n g l 为基础开发产品，比较著名的 有g l s 软件a r c i n f o ，c a m 软件p r o e 等。 3 3 应用型g i s 开发方式 应用型g i s 开发有多种方式： 独立开发 独立开发指不依赖于任何g i s 平台，从空间数据的采集、编辑到数据的处理 分析及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言， 如v i s u a lc + + 、d e l p h i 等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好 处在于无须依赖任何商业g i s 工具软件，减少了开发成本，但对于大多数开发 者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业 化g i s 软件相比。 二次开发 二次开发指完全借助于g i s 平台进行应用系统开发。根据平台的不同，分为 很多种形式，有很大的差别。 1 二次开发语言方式： g i s 平台软件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e s r i 的 a r c v i e w 提供了a v e n u e 语言，m a p l n f o 的m a p l n f op r o f e s s i o n a l 提供了 m a p b a s i c 语言等等。用户可以利用这些宏语言，以原g i s 为开发平台，开发出 自己的针对不同应用对象的应用程序。这种方快速方便，但进行二次开发的宏语 言，同通用编程语言相比功能较弱。 2 程序通信方式： 以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如v i s u a lc + + 、d e l p h i 、v i s u a l b a s i c 、p o w e rb u i l d e r 等为开发平台开发应用程序，再以进程通信的方式与g i s 平台进行集成，可采用文件管道，d d e ，o l e 等多种方式。 o l e 自动化方式可启动g i s 软件在后台执行，利用回调技术动态获取其返 回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能。这种方式可以实现复杂的g i s 功能，但存在开发时间长，运行时占用资源多，难以解决许多底层的编程的问题。 g i s 软件m a p l n f o 实现了o l e 方式，它允许嵌入一个地图窗口到任何能接 受o l e 对象的应用程序中。从服务器( m a p l n f o ) 插入一个o l e 对象到容器应 用程序( 如m i c r o s o f fw o r d ) ，并在该应用程序中使用m a p b a s i c 命令对这个对 象进行处理。被嵌入的对象是来自服务器应用程序对象的一个副本。 3 组件方式： 组件技术使面向对象技术进入到成熟的实用化阶段，是软件设计方法的一次 革命。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。早期的类库，提供的是原代码级的重用， 只适用于比较小规模的开发形式；而组件则封装得更加彻底，更易于使用，并且 不限于c + + 之类的语言，可以在各种开发语言和开发环境中使用。传统的c s 结构、群件、中间件等大型软件系统的构成形式，都在组件的基础上重新构造。 组件式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。利用g i s 软件生产厂家提供的建立在c o m 技术基础上的g i s 功能控件，如e s r i 的 m a p o b j e c t s 、m a p l n f o 公司的m a p x 等，在d e l p h i 、v i s u a lb a s i c 等编程工具编 制的应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的