（电力系统及其自动化专业论文）铁路地理信息系统的设计及应用研究.pdf

摘要 铁路是国民经济的命脉，传统的管理方式存在的许多问题制约了铁路的发 展，影响了客运和货运的服务质量。计算机的普及和软件技术的发展为提高铁路 运输的效率和安全性提供了新的思路和方法。为此本文提出了运用g i s ( 地理信 息系统) 技术束构造一个全新的管理系统的解决方案。本文在已有的算法基础上， 研究空间数据模型的数据结构，并从底层进行搭建一个地理信息系统平台，该平 台町以实现基本的g 1 s 功能。根据铁路运营的特殊性并同时参考一般车辆监控系 统的结构，依靠前一部分搭建的地理信息系统平台建立铁路车辆监控系统。论文 阐述了监控系统所需的软硬件资源，一些关键技术的基本原理和监控中心的设计 方法。 关键词：全球定位系统，地理信息系统，车辆监控 a b s t r a c t r a i l w a y i sa n i m p o r t a n t v e h i c l et 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 to 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 no fc o m p m e r a n da d v a n c e m e n ti n s 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 oi m p r o v ee f f i c i e n c ya n ds e c u r i t y o fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n an e ws o l u t i o nf o r r a i l w a ym a n a g e m e n tu s i n g g p s ，g s ma n dg i st e c h n o l o g yi si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a p p l i c a t i o ni s b a s e do ng i sc o m p o n e n ta n dr e a l i z e ds o m ei m p o r t a n tf u n c t i o ns u c ha s t r a c i n g v e h i c l e si nt h er e l a t e d m a p ，c r e a t i n g a n d p r i m i n gr e p o r t s a n d r e l e a s i n g i n f o r m a t i o ni ni n t e m e t t h er e l a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r e r e s o u r c e ，s o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g y , d e s i g nm e t h o do f t h em o n i t o rc e n t e ri s e 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 yi n f o r m a t i o ns y s t e m v e h i c l e m o n l t o r 3 第一章绪论 1 1 引言 随着铁路建设的飞速发展，运营罩程不断增长，目| j 已构成大规模的路网体 系。面对铁路建设快速发展的形势和国民经济高速发展的需要，迫切要求利用新 技术和决策支持系统来协调和指导铁路运营的管理。特别是在空间信息处理方 面，已经远远落后于铁路运营发展的今天，急需建立空间型的信息系统代替传统 的手_ l ：信息处理方法，以提高铁路运营管理的水平。 与此同时一大批新型机车、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1 3 和高速发展的经济而言，现有的设 备和系统在技术上是无法满足繁忙的客运和货运需求。列车运行的速度j 下在r 益 提高，运营部门希望通过一些新的技术在提速的同时来确保运营的安全性。为了 进一步提高车辆的使用效率，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 1 s ) 是以地理空间数据库为基础，对空间相关数据进行采 集、操作、分析、模拟和显示适时提供空i 日j 和动态的地理信息，为决策服务的 信息系统。通过使用g i s 可以达到对地理模型的分析和模拟从而为资源环境研 究和宏观管理决策提供有效的服务。g i s 的研究是近年来迅速发展起来的一门新 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、图形学、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和技术。计算机 的普及和软件技术的进步使g i s 丌始广泛应用于资源、环境、水利、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：程、社区管理等众多成功的案例，产生了巨大的经济效益。 铁路是一个连续分布的对象，与地理位置、地理环境密切相关。为了有效地 掌握铁路资源，全面发挥铁路在国民经济和地域经济中的作用，铁路数据应与地 理信息联系起来。对整个铁路系统而言，设备管理具有很重要的意义，它是重要 的基础管理信息资源，是技术改造、行车指挥、保障行车安全及事故抢险救援等 领导决策的重要依据。在铁路部门应用地理信息系统来实现对铁路路况、沿线环 境、主要设备等信息进行管理是很必要的。 使用g i s 地理信息系统、g p s 全球卫星定位技术、g s m 全球移动通讯技术 和计算机网络通信与数据处理等相关技术，可以远程监控列车运行状念， 同时 列车的数据可通过g s m 网络传送至监控中心。实现对列车的位置监视、信息服 务、部分遥控操作及列车工作状态监察的功能。该模式已经在车辆监控领域得到 了成熟的应用，也同样适合运用于铁路系统。通过该系统的使用，可使驾驶员和 乘客在电子地图上清楚的了解列车实时位置；调度部门可以通过回传的数据对列 车状态进行记录，并根据列车状态实时向机车乘务发出运行提示信息，有效的确 保了列车的安全运行；同时对于列车运行状态数据的发送以及采集对于事故发生 后的故障渗断提供了研究和分析的真实材料。 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。认真分析铁路中信息处理的特点和传统管理模式的弊端，灵活的使用 g i s 以及其相关技术来构造一个全新的管理系统已经成为丌发和使用的目标。 1 2 国外铁路地理信息系统应用概况 国外地理信息系统在铁路上的应用主要分布在欧洲、北美和亚洲的同本发达 国家，_ i j 于铁路基础设施管理、工务、电务、信号、运行调度、勘测设计、铁路 客货运电子商务、模拟训练器、客车及车站旅客实时信息服务等领域服务。其中 尤以铁路基础设施管理系统应用最为广泛。 1 2 1g i s 在铁路基础设施管理方面的应用 斯洛文尼亚铁路公司地理信息系统的设计目的，一方面是为了准确处理铁路 路线规划、设计和维护等铁路基础设施状态的数据，另一方面是要保证用户在线 实时获耿数据信息，并为其提供数种分析手段以支持决策和设计功能。该地理信 息系统分为四部分：数据库( 包括地理的和属性的) 、报告系统( 通过采用过滤 器和蠹询为特定用户把数据组织成信息) 、优化模型( 根据过去信息和数据状态 的变化情况给出变化的趋势) 及专家系统( 提供高级决策支持) 。德国铁路线路 数据管理系统( d b s t r c k e n d a t e n - s t r e d a ) 对德国全路基础设施数据进行统管 理，该系统可以满足对线路数据进行现代化的分析和图形显示的要求。奥地利联 邦铁路公司o e b b 的地理信息系统也主要用于设施管理。 g i s 在铁路基础设施管理方面的应用涉及到利用装载g p s 的巡道车对铁轨 自动检查和检查结果的记录、查询和分析等。如e n s c o 公司开发的应用在加拿 大铁路的现场数据系统( f i e l dd a t as y s t e m ) 、标尺约束测量系统( g a u g e r e s t r a i n t m e a s u r e m e n ts y s t e m ) 及应用在美国铁路的高速轨道测量系统( h i i 曲一s p e e d t r a c k g e o m e t r ys y s t e m ) 和基于视频的检测系统( v i s i o n - b a s e di n s p e c t i o ns y s t e m ) ，其 中基于视频的检测系统取代了步行巡道后，在步行速度为5 0 k m h 的巡道车上精 度达1 8 英寸。o m n i c o m 工程公司的三维测量系统( o m n i s u r v e r y o r 3 d ) 是三维 的基础设施管理系统，在巡道车行进中产生前进方向上连续的左、中、右方向的 影像，每一帧影像都能精确的定位定位精度达0 5 米，并生成高精度的铁路沿 线的：维影像，结合巡道车测得的铁轨数据可以自动将不合格的铁轨在三维图像 上高亮度显示。电子商务基础公司设施维护公司( e b u s i n e s si n f r a s t r u c t u r e m a i n t e n a n c ec o m m u n i t y ) 丌发的电子商务基础设施维护系统，以共享信息的形 式提供铁路设施准确和最新的详细资料，包括设备的地理位置、状况等，能给注 册用户包括路网公司的人员、路网维护公司和政府监控公司等访问和更新设备信 息、提供资产清算的可靠数据支持，能辅助线路维护单位对其所管设备进行管理， 帮助分析事故隐患及其根源，从而降低车辆设备和铁路基础设备两类事故因素。 欧洲轨道研究院( e u r o p e r a i lr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 开发的e c o t r a c k 轨道维 护及更新决策支持系统( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e mf o rt r a c km a i n t e n a n c ea n d r e n e w a l ) ，可以进行工务设施数据管理，同时应用专家系统技术，建立有设施维 护、更新规则库，可以对工务设施管理、维护和更新提供优化管理和决策支持， 并可进行设备诊断、优化资源分配、对基础设施进行技术e 和经济上的分析，提 高l 务设备的尘产率。 轨道管理咨询公司( r a i lm a n a g e m e n tc o n s u l t a n t so m b h ) 的r a i l s y s 铁路基 础设施及时刻表管理系统( t h e i n f r a s t r u c t u r e a n d t i m e t a b l e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 中的组件基础设施数据管理( i n f r a s t r u c t u r ed a t am a n a g e m e n t ) 可提供地图导航， 在电- 地图上选取一段铁轨后，可以显示铁轨的长度、允许速度、弯曲度、坡度 及信号系统等，实现基础设施管理、实时计算、操作仿真及统计分析，并可进行 基础设施维护、改扩建等中短期计划和战略规划。 1 2 2 g i s 在工务方面的应用 g 1 s 在工务方面的应用涉及到铁路设施的维护信息、故障信息的查询检修 历史的查询及表现设备故障的类型和严重程度等。如z e t a t e c ha s s o c i a t e s 公 司丌发的应用在加拿大铁路的道路维护信息系统( m a i n t e n a n c eo fw a y i n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，可以用不同的颜色在电子地图中显示设备故障及严重程度， 可以查询设备维护历史数据，并建有预测模型，可以根据当酊数据预测铁轨等设 备的使用寿命，分析某个设备的故障对铁路的影响：由同一家公司开发的轨枕检 测和计划系统( t i e i n s p e c t i o n a n d p l a n n i n gs y s t e m ) ，能收集轨枕状态数据，依据 这些数据分析一定范围内的轨道强度的变化，计算出需要更换哪些枕木，以及更 换了这些枕木后对轨道强度的影响。 1 2 3g i s 在信号和电务方面的应用 g i s 在信号和电务方面的应用涉及到联锁逻辑的自动生成，如s a f e t r a n 公司 开发的应用在加拿大铁路的地理信息系统( g e o g r a p h i cs i g n a l i n gs y s t e m ) ，将复 杂的联锁逻辑设计变成在图形界面下对图形符号的简单的“拖、拉”设计，然后 出系统自动生成逻辑。 1 2 4g i s 在行车管理方面的应用 g i s 在行车管理方面的应用涉及到列车运行图的制定，如荷兰的i n c o n t r o l 公司玎发的应用于荷兰r a l l n e d 铁路公司的s i m o n e 系统，可以制定列车运行图， 如果发生意外，评估对其他列车运行的影响。 1 2 5g i s 在安全管理方面的应用 英国r a i l t r a c kp l c 公司使用的安全管理系统( s a f e t ym a n a g es y s t e m ) ( s m s ) ，呵以提供危险管理功能、事故调查功能、轨道质量信息和达标程度信 息，数据库中还包括信号、平交道口、桥隧、车站、供电的信息。由v a i s a l a 公 司j t 发的应用于英国东海岸主要铁路的r a i l c a s t 系统，能提供风、雨、雪的警报 和图表信息，还能测出架空线温度和状况、轨温、风速及风向等。u p r ( u n i o n p a c i f i cr a i l r o a d s ) 建立了基于g i s 的铁路预警系统，将铁路基础设施数据、地形 数据、列车运行数据、动态天气变化数据进行综合分析，为铁路运行服务，从而 避免了大量的经济损失和人员伤亡。 l + 2 6g i s 在铁路电子商务方面的应用 b u r l i n g t o nn o r t h e r ns a n t af er a i l w a y 公司的! 旦! 垫旦墨璺鱼堕，r a i l jf i e 公司的w w w s t e e l r o a d s c o m ， 通用公司的型! ：驻! ! 堂! p ! ! ! ! ! i ! ! ：! i 婴，a r z o o n 公司的! 塑：丛j ! ! ! ：! ! 里及! 业：堕i ! ! 凹! ! ! ：! ! 里等网站， 罩程、计算旅行时间、计算关税、托运货物的追踪、认领、 1 2 7g i s 在旅客信息服务方面的应用 可以为旅客提供计算 费用的支付等服务。 x c i t y ( 德国) 、r o b e r t b o s c h 多媒体系统( 德国) 公司丌发的，应用于德国 h a n n o v e r t r a n s p o r t a u t h o r i t y 铁路公司的城市移动系统( c i t y c o m m o b i l es y s t e m ) 其核心技术为数字多媒体广播( d i g i t a lm u l t i m e d i ab r o a d c a s t i n gd m b ) ，可以向 高速列车上的旅客实时传送清晰图像的技术，可以向列车上的旅客实时提供前方 到站详细信息、时刻表的变化信息及列车是否误点、新闻、服务信息、广告等。 由荷兰交通部开发的t r a i np l u s 系统，可以为乘客提供列车和汽车的旅行信 息。初始阶段，在车站的入口、中央大厅和站台分别设立各种显示设备，提供一 小时内即将出发的列车和汽车的信息，以及时刻变更或延迟的详细情况。第二阶 段，将在车站商业点提供旅行信息，同时进行广告发稚和商业推广。运用g p s 和数据通信技术，在列车上发布旅行信息，包括列车目前的准确位置。 本地铁和西铁两家铁路公司计划的f 。代旅客信息服务系统，系统包括： 自动售票机、远程订票、自动进出站系统( 自动智能站门、车票保留存储系统、 无接触i c 卡系统等) 和自动操作旅客信息服务系统。可提供旅行安排和买票及 车上的信息服务等功能。 1 2 8 g i s 在列车定位方面的应用 荚国旧会山市政铁路公司( s a nf r a n c i s c om u n i c i p a lr a i l w a y 即m u n i 公司) 与n e x t b u s 信息系统公司合作丌发了列车定位地理信息系统( g e o g r a p h i ct r a i n p o s i t i o ni n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，这一系统的目标是方便快捷地向管理人员提供列车 方位的实时信息用来管理和决策，顺便也向公众提供列车实时方位信息服务，方 便公众的出行安排。由德国d a i m l e r c h r y s l e r r a i ls y s t e m s g m b h 公司开发的在瑞 士使用的o p t i v i a ，可以根据线路状况、列车荷载和运行时刻表自动修f 列车 速度以达到最节省能源的目的。 1 2 9 g i s 在决策规划方面的应用 用于挪威国家铁路的基于g i s 的路网信息系统( g i sb a s e d r a i l w a y n e t w o r k i n f o r m a t i o ns y s t e m ) ，在铁路基础数据( 如设备的型号、安装年限、距上次检修 0 时间、土地利用图等) 的基础上加入其他数据( 地形、天气、植被、入口、动物 冲撞事件等) ，进行综合可视化分析，为铁路规划、运行维护、事故预测和处理 提供服务和决策支持。印度国家铁路部门建立的铁路资产和设备等基础数据库和 交通模犁，为铁路投资、市场预测和分析提供服务。通过g i s 提供应用操作界面、 数据管理、数据统计和空问分析完全取代了以前的低效率的手工工作。 1 2 1 0 国外铁路g i s 的现状分析 总体看来，国外铁路地理信息系统一般是多个系统的集成，目前尚无能管理 全路的所有业务或能管理跨几个铁路部门业务的系统。这些系统都是既融合了 m i s 功能又融合了g i s 功能，均为解决铁路实际业务需要的系统，不把m i s 和 g i s 对立起来。 1 3 国内铁路地理信息系统应用概况 随着近年来我国铁路信息化建设的1 ：展与深入，在铁路列车管理系统、集装 箱管理信息系统、货运营销计划管理系统、铁路运输统计信息系统、列车跟踪等 方面取得了成就，尤其是d m l s 、t m i s 等大型管理信息系统的开发建设大大提 高了铁路运输管理的现代化程度。这些管理信息系统都在不同程度上引入了g i s 的概念，用直观的地理图形方式来管理、显示和分析与地理空间相关的各种数据， 并建立了各自的g i s 子系统。比较成功的如工务部门p w m i s ，自动生成工务线 路综合图和工务大桥略图，目前已在乌鲁木齐、北京、济南和南昌铁路局得到推 广应用。 根据现有资料显示我国铁路现有g i s 应用与研究大体分为以下8 个方面。 ( 1 ) 铁路工务管理方面：应用在北京、上海、南昌、哈尔滨4 个铁路局。 ( 2 ) 铁路设施管理方面：主要应用在昆明、郑州、上海、济南4 个铁路局； ( 3 ) i 维a t 视化及视频技术：主要应用于成都、昆明、北京铁路局和武汉铁路 分局等： ( 4 ) 铁路用地g i s 应用：用于全路1 1 个铁路局及北京局6 个铁路分局和吉林、 图们、丹东、乌鲁木齐、哈密、济南、贵阳等十几个铁路分局： ( 5 ) 铁路勘测设计方面：应用于昆明、成都局的内昆、渝怀、芝力、滇藏线段： ( 6 ) 铁路列车定位、监控方面：应用于西安铁路分局几个电务段： 两安铁路分局电务分处、西安交通大学信息机电研究所，在郑州路局科委 的指导下，在多年的科研积累的基础上，研制了”铁路移动卫星通讯平台”，在 调度所和行驶机车之问建立一个远程、实时、广域空间的通讯平台。为高速运 行机车( 列车) 和地面调度所之问的提供双向数据通讯，不需要经过复杂的地 面通m 网，机车可以将运输和运行信息实时、远距离地传输到调度所，调度所 可以将调度信息直接发送到机车。该系统可以为铁路的d m i s 、t m i s 等系统 提供实时、远程的数掘通讯服务和运输数据采集功能，从而实现铁路运输调度 的及时性和准确性。 该系统在机车安装移动通讯卫星终端，通过地球静止同步通讯卫星，实现 机车与地面调度所之间的双向通讯，将机车的运行参数信息远距离动态地传输 到调度所( 或其它地面机构) ，使调度所( 或其它地面机构) 即时掌握机车运 行情况。陔系统解决了机车与地面的实时双向通汛的难题，系统的应用前景非 常广阔，可广泛应用于铁路的调度管理系统、运输管理系统、物流管理系统、 特种车辆调度等多个领域。 ( 7 ) 与t m i s 结合的g i s 应用：主要应用于武汉铁路分局、兰州铁路局等： ( 8 ) 铁路运输调度方面的g i s 应用。 1 4 国内外地理信息系统的借鉴 近年来，地理信息系统( g i s ) 、全球定位系统( g p s ) 、遥感( r s ) 等技术 同渐成熟和普及，虚拟现实、多媒体技术、高分辨率遥感、分布式数据库、数据 仓库、海量数据处理、网络技术及宽带通信等技术也在突飞猛进，为g i s 的广泛 应用展示了更加光明的前景。经过数年来的发展，国内外铁路地理信息系统建设 都取得了一定的成绩，在不同程度上提高了工作效率和劳动生产力。但普遍存在 一些问题： ( 1 ) 原有数据存于多种数据库，数据格式众多，数据量巨大，数据库位置分散： ( 2 ) 不同地区对同线路有不同的命名习惯，给数据库的设计和查询带来困难： ( 3 ) 以f j f 很少使用数字地图，图像和图形数据都以图纸为媒介； ( 4 ) 在信息化过程中，没有全路范崮内的统一舰划，给全路范围信息共享造成 障碍。这利，各自为政的弊端越来越明显，具体表现在：各部门自搞成一套系统， 形成了部门| 日j 的屏障，一个部门的信息系统难以访问另一个部门的信息系统，不 能实现信息共享：各部门的系统采用不同的平台和设计方案，为以后统一、高效 的管理造成严重的障碍；这种各部门自搞一套系统的做法不但造成系统建设的重 复投资，还增加了系统维护费用，而且也使从更高层的管理全路信息很难实现。 西方发达国家现在已经注意到这些问题，奥地利的o e b b ( 奥地利铁路) 公 司特别提到：在没有基于g i s 信息系统以前，o e b b 各业务部门也有一系列独立 的铁路信息系统，但是这些系统不能跨部门共享数据。o d e e 建造了基于g i s 的 信息系统后，o e b b 任何一个业务部门都可以在全路位于任何一个地理位置的终 端查到全路数据。荷兰在l o 年的建立了几个独立的业务信息系统( e b p - e l e c t r o n i c c o n t r o lp o s t 和t n v - t r a i n t r a c k i n gs y s t e m 等) ，这些系统相互独立，不能数据共 享，在1 9 9 6 年提出建立一个共享数据平台( p s s - p r o c e s ss u p e r v i s i o ns y s t e m ) 实 现全路的数掘统一管理，并已经完成。 多年来，中国铁路已经建立了以客票系统、t m i s 、d m i s 、a t i s 、o i s 等许 多营运管理、调度指挥和安全监控系统，这些系统正在为铁路运输发挥着重大作 用，铁路行业的部分部局与部门也已着手建立一些专项g i s 应用系统并初见成 效。我国铁路部门已经积累了大量基础数据，通信网络的发展也具备了相当的规 模，遥感和g i s 技术己经在各级职能部门得到深入认识并开展使用，建设铁路地 理信息系统的时机已趋成熟。但是，由于原有各系统之间相互孤立，缺乏空间信 息与共享平台机制，不便于直观表达、综合利用与快速反应，因此有必要建设覆 盖令路范豳的铁路信息可视化共享平台，将铁路内外长期积累和f 在创造的信息 资源魁活，使得有权得到信息又需要信息的人员，无论何时何地都能够通过信息 网络得到及时、准确、全面、生动、安全的信息。 1 5 课题来源和目的 根据铁路研究机构提出的丌发地理信息系统的设想，在原来给现场制作g 1 s 在r 务管理方面应用的基础上，在需求分析、可行性论证、总体设计目标和设计 原则等基础上，对一般应用提供g i s 平台的研究，并对其应用包括列车监控等进 行研究。 1 5 1 需求和可行性分析 铁路地理信息系统是为了以卜- 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，能在最短的时问内做出抢险方案，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、救援设备分靠 情况等，目前这些资料都是分别在存储在各级档案馆内，紧急情况一旦发生，套 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，让技术人员可以在远离现场的情况下将这些资 料有机的结合起来，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r 常主要工作之一，铁路各种设备数据量大、 专业广，分佰在全国各地。要管理维护好设备的运转状况、基础履历和分徊情况， 这就需要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，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相结合，把它们的数据反 应到地图上去，使行车组织更直观、便捷。同时也应能对新运行图和一些紧急情 况f 的调度命令进行图形模拟，增加它们的安全性和可行性。 ( 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( 如车站的运力和资源等，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地区进行缓冲区分析，提供沿线辐射范围内的人 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订和事故总结分 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级业务部门提供信息 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念信息，包括始发地、中止地、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。从向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。 1 5 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、影像、文字、数掘资料，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嘶的应用服务，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，以便更好的处理由此引 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l 】。 ( 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 户捌有合法权限，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 f ：病毒埘系统和数据的侵害，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 点昏资源共享的重要条件就是网络化。铁路地理信息系统可以通过铁路已建 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 源共享和发布。以关系数据库为核心存放空问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 暗j 信息的i n t e r n e t 发布和共享。 ( 6 ) 一体化 系统将业务运作与管理和服务集成于一体，实现内外业测图、数据处理和数 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。j 服务体系。在数据库的实现卜要实现空间要素图形与属性的一体化管理。 1 5 - 3g i s 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 ) 软件平台的数掘兼容性 ( 3 ) 软件平台的丌放性 ( 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 ) 网络窄删数据模型的支持 ( 8 ) 地理数据版本管理 1 6 论文主要研究和开发内容 在已有的算法基础上，研究空间数据模型的数据结构，并从底层进行搭建一 个地理信息系统平台，该平台可以实现基本的g i s 功能。该模型应可以提供标准 的g i s 文件读取接口，为下部分的车辆监控系统做基础。 泔论和比较了现有的车辆调度系统之间的优缺点。根据铁路运营的特殊性并 同时参考一般车辆监控系统的结构，依靠前一部分搭建的地理信息系统平台建立 铁路车辆监控系统。在软件上实现相关车辆监控功能，并研究涉及车辆监控所需 的相关硬件设施。着重研究了全球定位系统( g p s ) 的工作原理和内部结构。 对于绪论中提到的一些地理信息系统的其他应用，设计了一个列车道口预警 的小软件，分析了工作原理和应用场合。 ( 1 )个地理信息系统的建立 ，g i sj ：发形式的比较和选择 _ ，空问数扼结构 地物类对象t g e o o b j 模型的建立 图层类对象t g e o l a y e r 模型的建立 地图文件读取对象t g e o f i l e 模型的建立 ，地图视图对象t g e o v i e w 模型的建立 ，图形输出对象t g e o d r v 模型的建立 、，属性数据库的连接 ，双缓冲区技术 地图投影及坐标转换 _ ，地图矢量化 ( 2 ) 车辆监擦 囡内车辆调度系统的状况 硬件设施 j r 术语定义 体系结构 l ，总控中心结构和功能 监控台功能 ( 3 ) g i s 在铁路上的其他运用 ，列车预警软件 ，轨迹显示分析软件 ( 4 ) 结论 第二章g i s 平台的建立 2 1g l s 开发形式的比较和选择 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。在开发方式上一般可分为使用g i s 系统的专业开发工具进行二次丌发和使用面向对象语言从底层进行构建整个 g i s 平台两种方式，卜- 面分别就以l 两种方式讨论一下其各自的优缺点。 2 1 ig i s 系统的专业开发工具 在g i s 系统的发展过程中，目前已经出现了大量的g i s 系统的专业丌发工 具。从这些专业丌发一i 二具的组成结构上可以归纳为以下几个主要类别。 ( 1 ) 集成式g i s 集成式g 1 s 系统，指的是集合各种功能模块的大型g i s 系统软件包。e s r i 公司推出的a r c l n f o ，g e n a s y s 公司的g e n a m a p 等都是集成式g i s 开发工具。集 成式g i s 系统的优点是各项功能已形成独立的完整系统，缺点是系统复杂，庞大， 成本较高，并且难与其他应用系统集成。 ( 2 ) 模块化g i s 模块化g i s 系统是把g i s 系统按功能划分成系列模块，运行于统一的基 础环境中。i n t e r g r a p h 公司的m g e 就是一个有代表性的模块化g i s 系统。模块 化g i s 系统具有较强的工程针对性，便于丌发和应用。 ( 3 ) 组件式g 1 s 组件式g i s 是随着近年计算机软件技术的发展而产生的，代表了g i s 系统 的发展潮流。组件式g i s 具有标准的组件式平台，各个组件不但可以运行自由、 灵活的重组，而且具有可视化的界面和使用方便的标准接口。最主要的组件式 g i s 平台是m i c r o s o f t 的c o m ( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l 的简称，即组件对象模 型) 。基于c o m ，m i c r o s o f t 推出了a c t i v e x 控件技术。a c t i v e x 控件已经成为当 今町视化程序设汁的标准控件，新代的组件式g i s 大都是采用a c t i v e x 控件来 实现的。i n t e r g r a p h 公司推出的g e o m e d i a ，e s r i 公司推出的m a p o b j e c t ，m a p l n f o 1 8 公司推出的m a p x ，中科院地理信息产业发展中心丌发的a c t i v e m a p 等，都是采 用a c t i v e x 来实现的。这类g i s 系统提供的是为完成g i s 系统而推出的各种标准 a c t i v e x 控件，使g i s 系统开发者不必掌握专门的g i s 系统开发语言，只需熟悉 基于w i n d o w s 平台的通用集成丌发环境，知道组件式g i s 各个控件的属性、方 法和事件，就可以利用各种可视化丌发语言( 如v c + + 、v b 、d e l p h i 等) 和利用 这些控件组织实现g i s 系统。所以，组件式g i s 在系统的无缝集成和灵活性方 面具有优势，从一定意义上讲，它代表了g i s 系统的发展方向。 应用这些丁具进行实用g i s 系统的丌发，有较大的优点，也有明显的缺点。 应用g i s 系统专业丌发工具进行g i s 系统的开发时，其主要的优点表现在 以卜- 儿个方面： ( 1 ) 较高的丌发平台。各种g i s 系统专业丌发工具一般提供了强大的数据 输入输出功能、空| 1 日j 分析功能、良好的图形平台、巨大的存储容量、良好的可靠 性能，可以在较高的起点上直接进行g i s 系统的组织开发工作，开发的系统性能 和b t 靠性好。 ( 2 ) 可靠性好。专业的g i s 系统丌发工具作为成熟的产品，它在容量、可 靠性等方面经过了严格的测试和许多用户的使用。 ( 3 ) 简单易学。g i s 系统专业开发工具是一个应用软件，即使提供的二次 丌发功能，也是建立在已经实现的各种功能基础上的，所以对于用户来说，不需 要特别高的程序设计思想和数据控制能力，掌握利用这些工具开发g i s 系统的技 术相对比较容易。 利用g i s 系统专业丌发工具进行g i s 系统，r 发时，也存在着如下一些不可 克服的缺点： ( 1 ) 町扩展性差。一些传统的g 1 s 系统专业丌发工具虽然也提供了一些接 口语永但总体上柬说还是一个难以真正修改的“黑匣子”。应用这些工具开发 实用系统时往往遇到这种情况：我们要丌发的系统，往往只需要使用专业开发工 具提供的很少的一部分功能( 如2 0 ) ，而采用专业丌发工具可能只能实现系统 的9 0 功能，而剩余的1 0 功能很难用这个丌发工具开发完成，甚至根本无法 实现。造成这种情况的原因是：丌发工具从总体上来说，是一个“黑匣子”，用 户很难甚企4 i 可能知道和控制( 或完全控制) “黑匣子”内的功能：而在实际应 9 用中，要丌发的往往不是传统意义上的( 3 1 s 系统，而是将g i s 技术和m i s 、d s s 和c a d 等系统集成的系统，在这种情况下，应用这些开发工具，很难实现与这 些实用系统的无缝集成。总之，对于g i s 系统专业丌发工具来说，它已经实现并 提供的助能，g i s 系统j i ：发者可以非常容易的使用，而专业丌发工具没有提供的 功能，则很难甚至根本无法用专业开发工具去实现。近年来，提出的组件式g i s 系统丌发工具就是为克服这些困难做的改进，但这种g i s 系统也很难达到真正的 无缝集成。 ( 2 ) 较为庞大，软硬件要求高。为了能够支撑运行这些g i s 系统专业丌发 丁具，往往对系统的软硬件有较高的要求。这在开发一些小型的g i s 系统，特别 是斤发传统意义以外的应用g i s 技术的专用系统中，需付出额外的代价。 ( 3 ) 没有系统的版权。这一点，在很大程度上，是制约使用这些g i s 系统 的专业丌发工具的重要因素。利用这些g i s 系统专业工具开发的g i s 系统，实 际j ：只是在人家系统的基础上做一些简单的应用开发，丌发完成的产品同样需要 这些专业丌发工具的支撑平台，也就是用户除了支付开发费用外，还需要再购买 这些支撑平台。对于g i s 系统丌发者来说，这就等于没有自己的产品，没有自主 的系统版权，还要受到软件升级等各种因素的制约。 2 1 2 使用面向对象语言从底层进行开发g i s 实际上，目日# 比较流行的一些g i s 系统专业丌发工具都是用c + + 开发完成的。 在短时f n j 内，用有限的丌发力量和资金投入，很难丌发出像g i s 系统专业开发工 具这样的软件系统，但是应用面向对象语占丌发以信息管理、决策服务及设计为 主的实际g i s 系统时，具有良好的前景。在对空问坐标数据的管理要求并非很高 的情况下，戍用面向对象语言可以迅速丌发出满足要求的实用系统，并在灵活上、 可操作性各方面具有不可比拟的优点。 相对于专业丌发软件进行丌发g i s 系统，从底层开发有以下一些优点： ( 1 ) 较强的灵活性。灵活性是该种丌发方法的最大优点。从底层丌发g i s 系统时，因为系统的所有流程和数据都可以在设计者的控制之下，可以根据系统 的具体要求实现具体的操作功能，在一些g i s ( 特别是在一些小型或并非以传统 的g i s 功能为主的) 系统丌发时，具有不可比拟的优势。它可以根据系统的需求 来实现功能，设计的系统短小精悍，软硬件要求低，运行速度快。 ( 2 ) 易于扩展成各种系统。从底层丌发的g i s 系统，与使用g i s 系统专业 丌发i 具小同：用g i s 系统专业丌发工具丌发g i s 系统时，开发者做的是在别 人系统基础卜- 的简单开发和应用，完全手缓专业丌发工具的制约，丌发者形成不 了自主的技术积累和创新；丽从底层丌发g i s 系统时，丌发者可以在开发过程中， 不断完善和综合丌发技术，从各个方面进行完善，把系统的丌发从应用项目级提 高到丌发工具级，最终能够完成自身的g i s 系统开发工具和底层开发技术，并以 此为摹础，使其在信息管理系统( m i s ) 、决策系统( d s s ) 、控制系统( c 3 1 ) 、 辅助设计系统( c a d ) 等各种实用系统丌发中得到迅速的推广应用。 ( 3 ) 有系统版权。丌发者自身具有系统版权，在一些行业的大规模推广中 具有不町比拟的优势。 州时，这种jr 发方式也具有明显的缺点： ( 1 ) 丌发有一定的难度且开发量大。因为各种技术都要从底层进行丌发， 进行的出发点低，需要较高的丌发技术和很大的开发量，要开发完成一个满足实 用要求的i 维矢量图形系统，所需要的丌发量已经非常可观，如果要再考虑实现 三维的、处理数模等操作功能，其丌发量更大。丌发出的矢量图形平台要经过反 复修改调试，在短时间内可能无法与成熟的g i s 系统丌发工具提供的平台媲美。 ( 2 ) 丌发连续性难以得到保障。目前在国内进行的软件开发项目，往往受 商业利益的驱动，只是短期行为。通常的做法就是采用一些最新的开发工具，拼 装成用户的需要。这样丌发出来的系统 题，但解决不了所有问题；当前凑合用 软件设计中很难有大的突破。 2 1 _ 3 ，r 发方式的选择 常常是能用，但不好用；能解决一些问 但难以改进和升级。这样做的结果是在 以上比较了两种丌：发方式的优缺点。在进行g i s 系统设计时，具体采用那种 方法，则需要考虑系统本身的性质和特点，以及设计者自身的具体情况来定。 在此