（通信与信息系统专业论文）北京城轨交通系统综合信息利用平台研究设计.pdf

北京交通大学硕士学位论文y 8 7 8 毒2 7 摘要 随着信息技术的快速发展，越来越多的企业或部门逐渐积累 了大量的历史数据。由于各阶段、各部门建立的各个信息系统相 互独立，故这些信息资源普遍是分散的和异构的，是与局部范围 信息化应用相适应的。如何把这些数据变成有利于企业运营、管 理和决策的综合信息，成为当前困扰企业的主要问题之一。建立 综合信息利用平台，实现多种异构数据存储交换，是解决这一问 题的有效途径，必将对提升企业决策系统、进一步发挥企业潜力 产生十分重要的意义。 本论文首先介绍了北京城轨交通系统综合信息利用平台的国 内外研究现状，及其相关支撑技术数据仓库、数据挖掘等内容。 依托于北京市科技计划项目北京城市轨道交通系统关键 技术研究，文中分析了北京轨道交通系统信息化现状，及其各种 信息系统( 已有的、正建的、待建的) 应用范围和所产生的信息 资源。 为实现北京城轨交通系统综合信息利用平台的异构数据融 合，采用表单形式实现了数据仓库逻辑模型设计，完成数据仓库 的物理设计，使用户对业务的定制脱离了数据的物理存储。设计 和实现了可灵活定义的统一数据存储接口，并为平台下的数据传 输设计实现了可靠高效的数据传输机制 最后，总结了全文并对下一步工作做了展望。 关键词：异构数据交换数据仓库数据挖掘数据传输 北京交通走学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n f o r l a t i o nt e c h l l o l o g y ，ag r e a t d e a lo fh i s t o r i c a ld a t ah a sb e e na c c u m u l 砒e dg r a d u a l l y b e c a u s et h e i n f o r m a t i o ns y s t e m se s t a b l i s h e db yd i f f e r e n td e p a n m e n t si nd i 舱r e n t s t a g e sa r es 印a r a t e ，t h e s ei n f b r n l a t i o nr e s o u r c e sa r ed e c e n t r a l i z e d ， d i f f e r e n t s t r u c n l r ea n do n l ya d 印tt op a n i a li n f b n n a t i o na p p l i c a t i o n h e n c e ，h o wt o m a k et h e s ed a t ab e c o m eh e i p f u lf o rb u s i n e s s ， m a n a g e m e n ta n dd e c i s i o no fe n t e r p r i s e si s ab i gp m b l e mt h a tm o s t e n t e 唧s e s a r ef a c e dt o d a y e s t a b l i s h i n gi n t e 昏a t e di n f o h n 舶n u t i l i z i n gp l a t f o r mi si h eb e s tm e t h o dt os o l v et h j sp r o b l e m i ti s c r u c i a lf o re n 帼甲“s et oi m p f o v ed e c i s i o ns y s t e m sa n de x e r ti t s p o t e n t i a l s a st h e 劬d a m e n to ft h i sf e s e a r c h ，f i r s td a t aw a r e h o u s ea n d d a t am i n i n ga r ei n t r o d u c e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h ep r o j e c to f b e 玷i n g s c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 ys c h e m e ， r e s e a r c h o fk e y t e c h n o l o g yf o rb e 巧i n gc i t yr a i lt r a l l s p o r t a t i o ns y s t e m ，a n a l y s e so f i n f o m l a t i o na c t u a l i t i e so ft h i ss y s t e ma r ei l l u s t r a t e d i nd e t a i l s i m e 目a t e di n f o m l a t i o nu t i l i z i n gp l a t f o mf o rt h i ss y s t e m i sd e s i g n e d a n di m p l e m e n t e d ，i n c l u d i n gb u i l d i n gd i 仃e r e n t s t r u c t u r ed a t as t o r a g e a j l de x c h a n g ep l a t f 0 玎r i ，i m p l e m e n t i n gs t a n d a r da n d 吼i f b h ni n t e r f - a c e f o rd a t ae x c h a n g e ，r e l i a b l ea n de m c i e md a t at r a n s m i s s i o nm e c h a l l i s m f i n a l l y c o n c l u s i o ni sg i v e na n de x p e c t e d 觚u r ew o r ki sd i s c u s s e d k e y w o r d s ： d i 虢r e n t - s 仃u c t u r ed a t ae x c h a n g e d a t aw a r e h o u s e d a t am i n i n gd a t an a n s m i s s i o n 一2 一 北京交通大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 论文的研究背景和意义 城市轨道交通系统中采用了大量的信息技术、电子技术、通 信技术和系统工程的思想，并以多层次多业务的管理信息系统为 支撑，推动城市轨道交通向智能化交通发展。目前北京市轨道交 通已经建成了以列车自动控制系统a t c 、电力监控系统s c a d a 等 以高速通信网为基础的诸多运营管理、调度管理和安全监控系统， 而且自动售票a f c 等一系列相关系统正在筹建中。但在管理和客 户服务等方面，除正在建设中的地铁网站外，基础业务系统如财 务、物流、办公管理系统，地铁城轨网络、呼叫中心等方面的建 设几乎空白。 在北京城轨这个巨大的系统中，必然包容大量的厚重的信息 资源，需要强大的物理网络，庞大的各类数据库以及大量的支持 各部门业务管理的应用软件。但是，由于各信息系统相互独立， 这些分散的不同业务的数据管理系统虽然能够满足局部业务数据 存储和管理要求，但在许多情况下，为做出一个决策，可能需要 访问分布在网络不同位置上的多个业务数据管理系统中的数据， 这就阻碍了信息系统在城市轨道交通系统中发挥出更大的作用， 需要通过对信息的立体化的、全方位的管理，进一步发挥轨道交 通系统的潜力。 北京城轨交通系统综合信息利用平台的研究的目的是在统一 规划及有序组织下，根据国内外城市智能交通信息系统建设与发 展趋势，以及我国目前在城市轨道交通信息系统建设的成绩与存 北京交通大学硕士学位论文 在的问题，从行政、业务、技术、级别等多个角度对城轨各个系 统的信息的流向、存取以及系统间接口进行分析研究，以多维数 据综合利用的思想，规划城轨信息系统综合利用平台的体系框架、 标准化体系表，建设覆盖城轨范围的信息平台，使各管理信息系 统有机连接，设计可共享的综合数据环境，达到系统互通互连、 信息资源综合利用的目的。 北京城轨交通系统综合信息利用平台的研究课题是北京城轨 关键技术研究中的一个重要组成部分，是实现城轨现代化的重要 手段。本系统应用于实践后，不仅能为城轨交通系统的运营维护、 客户服务、安全生产、抢险救灾等提供坚实的保障，而且将在数 据挖掘、辅助决策方面为城轨营销、改进服务提供强有力的支持， 同时可以为城市规划、相关设施建立与地面交通规划提供参考依 据，必将成为城轨关键技术问题研究的重要分支，推动北京城市 交通运输业在新世纪的跨越式发展。 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外研究现状 智能交通系统( i t s ) 是当前国际道路交i 恿并口运输科技发展的前 沿，也是世界各国在城市轨道建设中的发展方向之一。城市轨道交通 的信息系统涉及到公交、市政、交通管理、交通规划和轨道交通各个 部门的职能范围，每个部门的信息数据既是i t s 的基础数据源，又 是其它部门数据以及在多部门数据之上进行综合性加工处理所得到 信息的需求者。因此，只有城市轨道交通各相关部门协调配合、协同 行动，在一定的机制和技术手段下充分实现部门间的信息共享，城市 北京交通大学硕士学位论文 轨道交通的i t s 才可能顺利建设和发展，才可能真正在提高城市轨道 交通管理与服务水平和运行效率、缓解交通拥堵、提供科学的决策支 持等方面发挥其应有的作用。 另一方面，在i t s 示范建设过程中，各国越来越深刻地体会到： i t s 应当是一个由实现各种不同功能的应用系统有效集成而形成的 复杂智能系统，应该采取信息挖掘的有效手段，对各部门的数据在共 享的基础上，进行归纳总结，提高系统的智能化程度，是确保i t s 协调规范发展，并在城市交通系统的实际运行中发挥其应有作用的决 定l 生因素。城市轨道交通作为城市骨干交通流的承担者，城市轨道交 通的i t s 更需要城市轨道交通的各个应用系统的数据共享和综合挖 掘。 目前，美国、西欧和日本等发达国家为了解决共同所面临的交通 问题，竞相投入大量资金和人力，开始大规模地进行交通运输智自讹 ( 包括城市轨道交通的信鼠化) 的研究试验。美国联邦政府从1 9 9 0 年到1 9 9 7 年用于i t s 研究开发的年度预算总计为1 2 9 3 5 亿美元；欧 盟从1 9 8 4 年到1 9 9 8 年仅用于i t s 共同研究开发项目的预算就达2 8 0 亿欧洲货币单位：日本政府仅1 9 9 6 年和1 9 9 7 年用于i t s 研究开发的 预算为1 6 1 亿日元，用于i t s 实用化和基础设旌建设的预算为1 ，2 8 5 亿日元。在美国，i t s 应用发展较决的几个方面分别是，车辆安全系 统，电子收费，公路及车辆管理系统，实时自动定位系统，商业车辆 管理系统。欧洲在i t s 应用方面的进展，介于日本和美国之间。由 于欧洲各国政府的分散投资和各国的i t s 需求不致，在整个欧洲建 立统一的交通信息服务系统困难重重。然而在开发先进的旅行信息系 统( a t i s ) ，先进的车辆控制系统( a v c s ) ，先进的商业车辆运行系统 ( a c v o ) ，先进的电子收费系统方面，前景十分诱人。日本政府在i t s 北京交通大学硕士学位论文 领域进行了大量的资金、政策等方面的投入，以期形成i t s 产业推动 日本经济发展。除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家 也开始i t s 的全面开发和研究。 1 2 2 国内研究现状 随着我国城市化进程的加快，国内城市轨道交通大规模建设的时 期已经到来，国家将投资2 0 0 0 亿元建设以地铁为主的轨道交通。在 信息化建设方面，广州、上海和深圳地铁等都已经开始了城市轨道交 通信息化管理的尝试，例如利用机电一体化技术和先进的电子通信、 网络等技术设计实现城市地铁轻轨自动售检票，既可以减少现金流 通，节省运营开支，刚氐运行维护费用，又可以提高运行效率，实现 全过程管理自动化，汇总分析客流量、营业额收入等综合业务信息， 提供预测、决策专家等辅助系统功能的支持。 此外，在广州地铁建设过程中。采用p t c 的w i n d c 吡l l 技术，搭 建了一个工程设计和工程管理的电子平台，将大量异构数据进行统一 处理和管理，实现所有工程图纸电子化，使地铁设计合作单位能够同 步使用最新工程信息，并在信息发生变更时及时告知相关设计单位。 此后广州地铁长期运行中还将持续发挥数据管理的作用，为其提供全 生命周期的技术支持服务。通过采用现代信息技术，能够提高广州地 铁的工程质量，刚氐工程成本，缩短建设周期。 总的看来，国内各个城市在城市轨道信息方面都开展了一些工 作，但是这些已有建设工作或仍处于起步尝试阶段，或由于缺乏总体 规划，造成系统分散，联动性差。因此，作为首都北京应对轨道信息 化综合利用有明确的规划，从而指导将来信息化实施，使北京城轨信 皂化水平达到统一整体的新高度。 北京交通大学硕士学位论文 1 3 论文的结构安排 本文主要分5 章： 第一章前言，介绍了北京城轨信息综合利用平台研究开发的 背景和意义，概述了国内外目前的研究现状，综述了论文的主要 工作和结构。 第二章综合信息利用的支撑技术，介绍与综合信息利用平台 研究相关的数据仓库、数据挖掘基的本理论和技术，它们构成了 本论文的研究基础。 第三章北京城轨交通综合信息利用现状与分析，讨论分析了 北京城轨交通系统信息孤岛的形成及信息化项目现状，对北京城 轨交通系统中各信息系统的数据作出详细分析。 第四章综合信息平台的设计实现，定制了数据仓库的存储格 式来存储各类异构的数据；设计实现数据传输机制来可靠的传输 或接收不同数据源的数据到数据仓库中。 第五章结束语，给出本论文研究工作的结论，并对下一步工 作进行展望。 北京交通大学硕士学位论文 第二章综合信息利用的支撑技术 2 1 引言 本章主要介绍与论文研究工作相关的一些基本理论和支撑技 术，包括数据仓库、数据挖掘等，它们构成了本论文的研究基础。 2 2 数据仓库 2 2 1 数据仓库概念及特性 w h i n m o n 所著的b u i l d j n g t l d 甜a w a r e h o u s e 一书中对 数据仓库作如下定义：“数据仓库就是面向主胚的、集成的、非易 失的且随时间变化的数据集合，以支持管理决策的一种数据结构 形式。”这一定义是通过数据仓库中所包含的数据的特性来特征 化描述数据仓库的。 而从应用的角度，数据仓库可以描述如下：由于更重视信息 的价值，所以数据仓库是作为一种数据战略使用的方法产生出来， 它不等同于决策支持系统。它通过将大量分散的操作型数据归一 处理、转换、集成、聚集，提高数据的信息附加值，从而成为可 提高对决策支持系统应用支持的数据信息平台。 数据仓库也常常被看作一种体系结构，通过将异种数据源中 的数据集成在一起而构造，支持结构化的和专门的查询、分析报 告和决策制定。它是相关的数据库被设计成为了查询和分析使用， 而不是为了事务过程。它可以包含来自于事务的数据，也可能是 而不是为了事务过程。它可以包含来自于事务的数据，也可能是 北京交通大学硕士学位论文 来自于别的数据源。它将分析的工作量和事务处理的工作量独立 万来，同时允许组织统一多个数据源。数据仓库环境包含了抽取、 转换和装载数据( e t l ) 的解决方案，在线分析处理和数据挖掘的能 力，客户端分析工具和其他一些获取数据，分发数据的管理应用 程序。 数据仓库的特性： 1 、面向目标的：数据仓库是被设计用来帮助分析数据的。例 如：建造关于销售的数据仓库可以帮助你找到如“上一年谁是销 售人员”等问题的答案。 2 、集成的：数据仓库必须将异构数据源的数据加载成一致的 格式。必须解决如名称冲突、不一致的单元衡量尺度等问题。如 果解决这些问题则认为它是集成的。 3 、非易失性的：一旦数据进入数据仓库，就将不可改变。这 是因为数据仓库的目的是为了使你能够分析已经发生了什么问 题。 4 、时间变量的：为了发现在商务上的趋势，分析过程需要大 量的数据。数据仓库集中关注于数据在时间上的变化。所以在数 据仓库中的数据是根据b 寸间变化的。 2 2 2 数据仓库的结构 数据仓库的结构根据企业组织不同的情况而差异性很大。通 用的结构有以下三种： 北京交通大学硕士学位论文 l 、基本类型的结构：( 如图2 1 ) 终端用户通过数据仓库直接访问来源于多个数据源的系统的 数据。数据包括元数据、行数据和概要数据。元数据与行数据和 传统的数据库数据一致，而对于概要数据在数据仓库则是非常有 价值的数据，因为他们是经过预先的长时间的操作计算出来的。 o f l a if l i e s 图2 2 、有分段传输域型的结构：( 如图2 2 ) 这种结构经常发生在多部门、少用户使用数据仓库的情况下。 在将操作型的数据放入数据仓库的时候必须预先作处理。这里的 集中仅仅是逻辑上的，物理上可能是分散的。 些室茎垦查堂堡主兰堡丝查 s 量穗。s 勰驴 w 。悖h o u 。 u s e r s f i a t 酬e s 图2 - 2 3 、有分段传输域和数据集市型的结构：( 如图2 3 ) o a t a s t a g i 啕 s o u 羚e sa r e aw a r e h o u s e d 幽 m a r t su s e r s - 1 3 - 北京交通大学硕士学位论文 如果在组织的内部对不同的组定制数据仓库的结构，则可以 加入数据集市。数据集市是为了特定的商务线设计的。 2 2 3 数据仓库的数据模型 2 2 。3 1 数据仓库的数据模型相关概念 数据仓库的数据概念模型是数据的多维视图。当前，数据仓 库常用的逻辑建模工具是以维度建模来表示现实世界分析的内容 和标准。 事实表( f a c tt a b l e ) ：事实表存放着数据分析的标准， 也可以说就是用户日常最关心的内容。它们日积月累， 数量庞大。 维( d i m e n s i o n ) ：维是事实信息的属性，属于分析的内 容。它们一般变化不大，数量也相对较小。值得注意的 是维和主题之间有可能会相互转换，着取决于用户考虑 问题的角度。 粒度( g r a n u l a r i t y ) ：粒度是维划分的单位，如时间维 可细化到天的级别，也可以按旬、按月、按年计。这些 信息一般没有变化或变化很小。 2 2 3 2 星型模型 星型模型是当前数据仓库常用的数据结构模型。如图2 4 。 它是一种多维的数据关系，由一个事实表( f a c tt a b l e ) 和一组 维表( d i m e n si o nt a b i e ) 组成。每个维表都有个维作为主键，所 有这些维则组合成事实表的主键，换言之，事实表主键的每个元 素都是维表的外键。事实表的非主属性称为事实( f a c t ) ，我们可 以把事实看成是各个维交叉点上的值，它们般都是数值或其他 北京交通大学硕士学位论文 可以进行计算的数据；而维大都是文字、时间等类型的数据。 d5 m e n s o nt a b l e 图2 4星型模型 d m e n s 4 0 nt a b e 星型模型是当前的主流方案，大多数数据仓库都采用星型模 型来表示多维概念模型。使用星型模型的主要原因是： 结构简单，有良好的连接路径，减少了查询时多表的复 杂连接操作，提高了查询的性能，且在整个数据仓库开 发过程中易于修改和增补。 符合决策支持分析人员的思维方式，易于理解和使用。 星型模式之所以速度快，在于针对各个维作了大量的预处理， 如按照维进行预先的统计、分类、排序等。因此，在星型模式设 计的数据仓库中，作报表的速度虽然很快，但由于存在大量的预 处理，其建模过程相对来说就比较慢。当业务问题发生变化，原 来的维不能满足要求时，需要增加新的维。由于事实表的主键由 所有维表的主键组成，这种维的变动将是非常复杂、非常耗时的。 星型模式另一个显著的缺点是数据的冗余量很大。 综合这些讨论，不难得出结论，星型模式比较适合于预先定 义好的问题，如需要产生大量报表的场合；而不适合于动态查询 多、系统可扩展能力要求高或者数据量很大的场合。因此，星型 北京交通大学硕士学位论丈 模式在一些要求大量报表的部门数据集市中有较多的应用。 2 3 数据挖掘 数据挖掘提供了在被埋藏的数据中得到信息的方式。它是从 大量的、复杂的和集合的数据中发现并提取隐藏在其中的模式的 一种新技术，这种模式避免了常规的统计学的分析实现。它主要 基于人工智能、机器学习、统计学等技术，高度自动化地分析企 业原有的数据，作出归纳性的推理，从中挖掘出潜在的模式( 如规 则、关联等1 ，预测客户的行为，帮助企业的决策者调整市场策略， 减少风险，作出正确的决策。 o r a c l e 的数据挖掘( 0 r a c l ed a t am i r 血g ( o d m ) ) 在o r a c l e 的数据库中已经集成了数据挖掘，这样就不需要将 数据先移出数据库进行分析后再放到数据库中，而是可以直接在 o r a c l e 数据库中进行，从而可以无缝的将数据挖掘和数据库应用 程序集成在一起。 数据挖掘的功能基于两种知识：指导性的和非指导性的。指 导性的功能通常用来预测数据，有时被参照为“预测模型”。非指 导性的功能通常用作寻找数据中固有的结构、关系，但是这些不 是预先分配的级别或标签，有时这也被参照为“描述模型”。 o d m 提供的数据挖掘的功能： 1 、预测模型 1 ) 分类：将项目分组为离散的级别，预测一个项目属于哪个 级别。 a ) 注意做预测的成本。如：发送商品促销单。如果用户 1 6 北京交通大学硕士学位论文 收到促销单而买商品，则可能获得利润5 0 0 0 0 元，需要花费邮资 4 0 0 元。这样，如果预测用户买商品则获得5 0 0 0 0 元，花费4 0 0 元；如果预测用户买商品而结果是用户不买，则花费4 0 0 元：如 果预测用户不买商品而结果是用户买了，则损失5 0 0 0 0 元；如果 预测用户不买商品而结果是用户不买，则花费为0 元。 b 1 注意优先级。 c ) n a i v eb a y e s 算法( 贝叶斯法则，简记为n b ) ，用于二 元或多级别的问题。 p ( a ib ) = ( p ( ba ) p ( a ) ) p ( b ) n b 假设每个属性有条件的独立于别的属性。它能用建造模 型的数据来交叉验证模型的精确度，而不需要使用不同部分的数 据。 d ) a d a p t i v eb a y e sn e t 、v o r ka l g o “t 吼( a b n ) ，这是o r a c l e 拥有的算法。有三种类型： p r u n e dn a i v eb a y e s ( n a i v eb a y e sb u i i d ) ， s i m p l i f i e dd e c i s i o n 仃e e ( s i n g l ef e a t l l r eb u i l d ) ， b o o s t e d ( m u l t if e a t u r eb u i l d ) e ) s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e 2 ) 回归：逼近和预测连续的值。它处理数字性的或连续性的 目标属性。最常用的形式是线性回归。 3 ) 属性重要性：鉴别在预测结果中最重要的属性。提供了一 个在基于大量属性的表中的数据来建造模型的自动化解决方案 来，用以提高速度和精确分类的可能性。 北京交通大学硕士学位论文 2 、描述模型 1 ) 聚类：在数据中发现原始的分组。 2 ) 关联模型：市场指数分析。 3 ) 特性抽取：将原始的特性合并成新的特性。 数据库中表中的一行数据被参照为“用例”、“记录”或“例 子”。表中的一列被参照为“属性”或“域”。 在记录中的一个属性保存着信息的一个项目。属性名称对于 每一个记录都是不变的，但是其值是多样的。 o d m 区分两种类型的属性：分类的和数字的。分类属性的 值属于一个小的离散类别，没有明显的次序和它们关联。数字属 性表现为连续的数值。 o d m 的数据可以用两种格式，如图2 5 所示： m a g o i n c o f n a 12 s 3 姒 2 5 0 7 5 k 3 4 0 5 0 k 4 3 2 如o l ( 57 52 s k l 盼 a l i 砖b 讥u o l ， a 驴2 5 l ， h w 日 3 0 k l 2 口a 5 0 2l n c o i h t1 0 0 k 3 驴 4 0 s m g 睁r e r d 踟协阳r m 艄鞭u l * r e 嘣翻担f o r m 耻 圈2 - 5 单一记录事例和多记录事例数据格式 1 ) 单一记录事例( s i n g l e - r e c o r dc a s e ) ，它们是普通关系表。 每一个事例存储在一个表的一行中。不需要提供一个键列来唯一 区别每个记录。但是需要有一个和事例关联的键来记录作为指 导性学习的结果。 北京交通大学硕士学位论文 2 ) 多记录事例( m u l t i r e c o r dc a s e ) ，用作有多个属性的数据。 每一个事例被存储在表中的多个记录中，这种表有序列i d 、属性 名称和值。序列i d 是数值型，表示一个行。属性名称是字符串， 说明属性的名字。值是属性的数字表示，如果不是数字不需转成 数字。最有效的表达多记录事例的方式是使用视图。 北京交通大学硕士学位论文 第三章北京城轨交通系统综合信 息利用现状与分析 3 1 北京城轨交通信息化现状 北京城轨交通信息化建设已取得了一定的成绩。特别是1 3 号线综合信息化建设和应用，带动了其它各信息系统的开发与发 展，为城轨信息综合利用奠定了坚实的基础。但由于1 线、2 线 建设较早，设备陈旧，基本没有建设信息系统。目前，北京城轨 交通除1 3 号线外，各种信息系统投入应用的范围还很小。 3 1 1 北京城轨交通系统信息孤岛的形成 北京城轨交通系统中，由于信息化基础薄弱，各部门使用计 算机时通常以实现某个特定的应用、满足局部需求为目的，而很 少从整个城轨交通系统的高度去进行总体规划。在这种思路的影 响下，虽然目前各部门大多己经拥有了计算机和内部网络，甚至 有些部门已经拥有了很好的设备和子系统，但由于缺乏总体的网 络构思与设计，致使计算机在城轨交通系统运营、管理等各个领 域中发挥的功能非常有限。各部门使用的计算机设备和子系统大 多都各自为政，而计算机的使用人员也只是借助于计算机去满足 手工状态下城轨交通系统的控制、信息处理等要求，而很少甚至 根本没有顾及现代信息技术自身的特性。在各部门之间，纸张仍 然是主要的信息载体，大量印刷或手写的各种凭证、报表在各部 门之间相互传递，部门间的信息交互非常困难，效率极低。而且， 北京交通大学硕士学位论文 由于纸制凭证的信息需要反复输入，数据的准确性大大降低，很 难避免数据的错误和丢失。 尽管有少数部门已经实现了网络化和系统化信息管理，从整 体上看，信息化应用情况也不令人满意：分散的、独立的系统较 多，多数都以计算机打印报表功能为主，信息查询和用户交互的 功能较少；一些小规模的管理信息系统( m i s ) 各自执行一定的 功能，覆盖城轨全部或大多数职能的系统还没有；信息组织缺乏 规范化，一些主要信息的编码不统一，源数据重复采集，很少有 数据的共享和同步更新；运行在不同的硬件平台和操作系统上的 各种管理信息系统同样给各城轨交通系统的综合信息利用带来了 很大困难。 另外，北京城轨具有跨北京市区运营的特点，各站点分布在 城市的不同位置，站点间的远程信息交互的困难性也造成了北京 城轨交通系统的各种信息难以迅速快捷的沟通。 由于以上的种种原因，在北京城轨交通系统中不可避免的出 现了信息孤岛。北京城市轨道交通系统担负着至少3 0 北京市每 f 1 的客运运输任务，现有的线路设置也位于北京繁忙的交通干线 上，是否能够合理安排运力，科学地统筹调度运力，及时准确地 得到站点现场的第一手资料，是否能保障车辆运营的安全，以及 如何协调城轨运营企业内部的工作，避免重复建设和投资，避免 重复劳动，提高工作效率，提高企业的效益，这些都跟一个完善 的信息利用平台是不可分割的。 3 1 2 北京城轨系统特点及信息化项日 北京是中国第一个有自己的城市轨道交通系统( 地铁) 的城 一2 1 - 北京交通大学硕士学位论文 市。目前北京城市中有一线( 1 号线) 、环线( 2 号线) 和城铁1 3 号线，在建的还有4 号线和5 号线等。同其它兄弟省市和同类型 行业相比，北京的城市轨道系统具有如下特点： l 、由于建设时期不同，城市轨道交通系统的设计思想和设计 方案各不相同，这就造成了各条线路之间的信息“兼容性”差。 2 、由于系统的情况各不相同，各个系统之间的数据不能方便 有效地实现信息共享和传输，全网的信息统一规划尚未建立。这 就极大地降低了北京城轨系统运作的有效性和安全性。 3 、现有的信息采集系统不够完善，各个系统之间的数据亟待 整合。例如，现有的基础信息采集不够全面，也不能进行实时的 客票统计、客流信息统计。 4 、由于缺乏完善的网络支持，现有经营方法的落后性直接导 致了企业运转的不畅，企业效益无法大幅度提高。比如现在没有 完善的售票系统，依然采用人工售票的方式，这不仅不能及时将 票务信息传递到调度指挥决策机构，还大大提高了企业运营成本， 降低了运营效率。 5 、缺乏全网的信息统一规范，使得信息的异构现象非常严重， 各个运营部门之间、运营部门与基层站点之间的信息沟通十分困 难。 6 、没有网络可控的列车超速防护、自动门禁系统、车辆轴温 监测等现代化的运营安全保障系统，也是现有城市轨道交通系统 存在大量安全隐患的原因。 迄今为止，1 3 号线信息化系统已经基本完成，有些还投入了 使用，主要包括： ( 1 ) 电力自动化和数据采集监控系统( s c a d a ) 已基本建 北京交通大学硕士学位论文 成： ( 2 ) 自动售检票系统( a f c ) 已建成并投入运用； ( 3 ) 防灾报警系统( f a s ) 、环境控制系统( b a s ) 已基本 完成； ( 4 ) 车辆设备维护管理系统和物资管理系统已开始建设。 北京城市轨道交通系统信息化的总体情况如下： 行车调度指挥系统( 已有) 行车管理信息系统( 已有) 车辆设备维护管理系统( 在建) 决策支持系统( 未建) 城轨办公信息系统( 未建) 城轨财务会计管理信息系统( 未建) 地理信息系统( 未建) 城轨统计管理信息系统( 未建) 工程项目管理( 已有) 人力资源管理( 已有) 物资管理系统( 在建) 3 2 北京城轨交通系统综合信息数据分析 北京城轨交通系统信息数据的多元异构性主要表现在： 系统异构，即数据源所依赖的业务应用系统、数据库 管理系统乃至操作系统之间的不同构成了系统异构。 模式异构，即数据源在存储模式上的不同。存储模式 主要包括关系模式和非关系模式，其中关系模式( 关系数据 北京交通大学硕士学位论文 论。 库) 为主流存储模式。同时，即便是同一类存储模式，它们 的模式结构可能也存在着差异。例如，不同的关系数据管理 系统的数据类型等方面并不是完全一致的，如d b 2 、o r a c l e 、 s y b a s e 、i n f b r m i x 、s q ls e n r e r 、f o x p r o 等。 来源异构，即城市轨道交通系统内部数据源和外部数 据源之间的异构。 下面对北京城轨交通系统中各个信息系统数据进行详细讨 3 2 1 自动售检票( a f c ) 系统 自动售检票( a u t o m a t i cf a r ec o l l e c t i o n ，简称a f c ) 系统实 现自动售票、检票、计费、结算、统计和报表、设备监控、维护 管理等自动化业务管理。a f c 系统由中央计算机系统、车站计算 机系统和a f c 终端设备构成。如图3 1 所示。 中央计算机系统( c e n t e rc o m p u t e rs y s t e m ，简称c c ) 设于 控制中心，是全线a f c 系统监视、控制、管理核心。主要包括： 服务器、工作站、查询终端。 车站计算机系统( s t a t i o nc o m p u t e rs y s t e m ，简称s c ) 设于 车站， 是本车站a f c 系统监视、控制，管理核心。主要包括： 车站服务器、车站工作站。 a f c 终端设备是a f c 系统实现自动售检票功能的最终执行 设备，设于各个车站或运营公司指定的其他地方。主要包括：p e t 票发行机( p i m ，设于票务中心) 、半自动售票机( 设于各车站， b o o k i n go m c em a c l l i n e ，简称b o m ) 、自动检票机( 进站、出站、 双向，设于各车站，a u t o m a t e dg a t e ，简称a g ) 、防灾盘按钮( 发 2 4 北京交通大学硕士学位论文 生非常情况时需要的装置，设于各车站) 。 中央服务器备份服务器 车站服务器自动检票机誊皇震 图3 1 自动售检票系统( a f c ) a f c 应用软件分为中央计算机软件系统和车站计算机软件系 统，核心服务程序分别运行在中央服务器和车站服务器上，客户 端软件在中央计算机系统内运行在工作站和查询终端上；在各车 站计算机系统内运行在工作站上。 数据流是城铁在运营过程中产生的流动数据。对数据流的控 制和管理，是a f c 系统中计算机网络系统和应用软件的任务，也 是a f c 系统最核心的组成部分。 本系统包括以下数据种类： 一、票交易数据( 小磁票、p e t 票、i c 卡的售票数据) ： 北京交通大学硕士学位论文 二、运营数据( 检票数据，由a g 上传) ； 三、设备状态数据( a g 、b o m 的通信状态、异常状态，a g 的通路方向，控制设定( 本地、远程) ，b o m 的工作状态：工作 中、休息、终止) ； 四、控制数据： 1 ) 紧急模式数据： 2 ) a g 的判定模式数据：对各票种的模式( 包括时间、进出 站、期间、区间) 进行判断； 3 ) 票功能利用的有效无效数据； 4 ) 可否退票数据： 5 ) a g 的通路方向数据( 进站、出站、进出站和终止) ； 6 ) a g 电源和业务终了数据 五、m t r 业务数据： 1 ) c c ) m t r ： a ) 原始交易数据：a f c 系统每1 0 分钟将收集的全部闸机交 易的i c 卡数据传输至m t r 。 b ) 清算抵消结果数据：c c 每天上午9 ：o o 1 0 ：0 0 将前一 天的清算结果及对帐数据传输给m t r ，供m t r 校核一卡通公司 的清算结果和c c 的计算结果是否吻合，同时m t r 需要将校核结 果通知c c 和一卡通系统( 0 c m s ) ；如不平衡，m r r 将0 c m s 传输的异常交易的明细传输给c c 。 c ) 交易模式数据：由于运营的原因，城铁设置的紧急运行模 式数据每天定时传输至m t r 。 d ) 交易票价数据：c c 每天定将当天i c 卡所使用的票价表 传输到m t r 。 北京交通大学硕士学位论文 e ) a f c 系统编码：c c 系统需要每天定时将系统编码数据传 输到城铁分中心系统，系统编码包括闸机编码、车站编码、操作 员编码、线路编码、采集点编码和r w 编码。( 注：采集点编码 固定叭3 ，r w 编码包括线编码、车站编码、售检口编码、闸机 编码、机种c o d e ( a g 固定为5 ) 和机器类型编码) 。 f ) a g 故障数据：c c 需将出现故障的闸机信息在每天定时 传送给m t r 。 2 ) m t r ) c c ： a ) 清算结果数据：m t r 每天上午1 0 ：o o 点前将前一天的 经校核的i c 卡清算结果数据传输给c c ，含运营收入统计数据、 运营支出统计数据、交易统计数据和异常交易统计数据及错误消 费交易明细。 b ) 异常交易统计数据：清算中心将地铁c c 传送的全部交 易数据经处理后，将不完整且不能确定收费的交易数据( 全部有 八l 二| 交易记录而无出口交易记录的交易数据) 和由于通信过程原 因产生的错误交易数据统称为异常交易数据。 c ) 清算抵消数据：m t r 每天上午1 0 点前将前一天的清算 对帐结果数据传输给c c 。 d ) 储值网点交易数据：地铁发行储值网点的交易包括发行 交易、储值交易、退卡交易和补票交易，同时售卡充值网点针对 a f c 系统中上次逃票，本次a g 不允许进站的乘客作补票处理。 m t r 每天在9 ：0 0 前将前一天的地铁储值网点交易统计数据传给 c c 。 e ) 黑名单数据：一卡通( o c m s ) 系统每天将黑名单数据 下传至城铁分中心( m t r ) ，城铁分中心得到一卡通的黑名单后， 北京交通大学硕士学位论文 每天早上4 ：o o 5 ：o o 在地铁开始运营前，传输给c c ，从c c 经过 s c 下载到闸机中。黑名单的数据量( 包含一卡通确定的黑名单和 城铁确定的黑名单) 最大为2 0 0 0 0 条。 f ) 系统参数数据：m t r 每天按c c 的要求，将变化的系统 参数数据( 此系统参数为错误消费明细记录提供卡片类型代码和 错误类型代码) 传输到c c 。 六、参数数据：c c 报表输出时间设定、黑名单设定、时间 设定、c c 日期取得时刻设定、s c 停止业务时间段设定、最长滞 留时间设定、无响应时间间隔设定。其中s c 停止业务时间段设 定、最长滞留时间设定、无响应时间间隔设定传至s c ，最长滞留 时间设定传至a g 、b o m 。 还包括票价数据、设备构成数据( 如：机器类别、机器编号、 i p 地址等) 、用户权限数据( 如用户名、密码、权限、可访问场 所等) 、p e t 发行利用数据( p e t 各票种发行票价的上限价格和 次数( a g ) ，以及p e t 各票种可否发行( b o m ) 及时钟同步数掘 等。 除此之外，车票库存数据、维修数据都是在c c 处进行管理的， 当c c 、s c ，或s c 、b o m 发生通信故障时，在维护管理处可以通过 外部媒体的导入导出操作，传输数据，从而不影响系统的正常运 转。 3 2 2 防灾报警系统( f a s ) 防灾报警系统( f a s ) 是对城轨交通中意外发生的火灾、水 灾、地震、雷击、行车及人为的事故等灾害进行可靠的报警的系 统。出设在行车调度指挥中心( 城铁分中心) 的防灾报警主机、设 2 8 - 北京交通大学硕士学位论文 在各车站综合控制室的防灾报警分机、设在控制中心大楼的防灾 报警分机、设在主变电所、车辆段检停车库、混合变电所、材料 总库的防灾报警分机、车站现场设备及将所有设备联系在一起的 通信网络组成。 本系统包括以下数据种类： 一、设备状态数据： 包括：感烟探测器、感温探测器、探测模块的正常状态；异 常状态；报警状态。g c c 、闭路电视监视装罱、闭路电视显示终 端、车站广播的通路方向和工作状态( 正常状态、防灾状态) 。各 联动设备的工作状念( 启动、终止) 。 二、控制数据： 1 、感应报警数据：发生灾情事故时，感烟探测器、感温探测 器、探测模块、手动报警按钮、警铃、感温电缆发送相应信息， 通知防灾指挥中心，包括灾情类型、发生时间、发生地点或位置， 在防灾指挥中心设定后，传至各消防联动控制设备。 2 、消防联动数据：防灾指挥中心接收到报警数据后，设定消 防联动数据传至各消防联动控制设备。包括启动防火卷帘门、给 排水阀、风阀，电梯，非消防电源的断电控制，疏散诱导标志灯 开启等。 3 、报警数据：根据防灾指挥中心发出的指令，切换各车站广 播为防灾广播、闭路电视为防灾监视。 4 、电源和终了数据：设定电源开启关闭或者执行业务终了。 三、监视数据：在控制中心的主机上，完成所有点的监视、 实时打印记录、部分超越控制功能，还完成各类报表的打印，存 储功能。报表有：探测器状态表，当前火警列表、当前故障列表、 北京交通大学硕士学位论文 历史火警列表、历史故障列表、操作员记录表等。 控制中心的主机收到火警后，还将火警点位置信息以图形方 式显示在大屏幕显示器上。 四、监视参数数据：测试点的报警温度设定、报警湿度设定、 报警c 0 2 浓度等环境参数的设定、高、低水位、报警水位设定等。 五、结果数据：正常结果数据( 全部设备状态数据) ；异常结 果数据( 报警数据和全部设备状态数据) 。 六、参数数据：主控级报表输出时间设定、主控级日期取得 时刻设定、分控级最长滞留时间设定、无响应时间间隔设定。 七、设备构成数据：分控级各设备的设置信息( 如机器类别、 机器编号、i p 地址等) 。 还包括用户权限数据、时钟同步数据等。 3 2 3 地理信息系统( g i s ) 地理信息系统( g i s ，g e o g r 印l l i ci n f o r n l a t i o ns y s t e m ) 是在计算 机软硬件支持下用来实现空间数据的采集、管理、分析、建模和 显示，以便解决复杂的规划和管理问题的系统。它利用现代计算 机图形和数据库技术来输入、存储、编辑、查询、分析、决策和 输出空间图形及其属性数据，通过一系列空间操作和分析方法， 为城市规划、公安交通、土地管理等提供规划、管理决策的辅助 信息，并准确真实、图文并茂地输出给用户。 一个完整的地理信息系统由四部分组成，分别是计算机硬件、 软件、地理空间数据和人员，如图3 2 所示： 北京交通大学硕士学位论文 图形编码请求 图形数据获得 扫 描 仪 窗 条 件 数 字 化 仪 属 性 条 件 查询功能 查询请求 接口 地理信息系统 数据库与数据库管理系统 空间数据处理 空间数据分析 规划、管理和决策模型 信息显示与制图输出 图3