（道路与铁道工程专业论文）铁路工务设施管理GIS系统研究与开发.pdf

摘要 y ( 随着电子信息技术的e 建发展，各行荇业纷纷进行信息化的t = 作，铁路也掀 起了信息化的浪潮，“数字铁路”的概念被提出。作为保障铁路止常安全运营的 铁路f ：务部fj ，其信息化的建改必须优先考虑。由于其技术的先进性、功能的完 善性以及表达的直观性和丰寓性，地理信息系统技术住社会箨行业的信息化过程 中得到了j “泛的应用，止发抨着不可替代的作用。 本文在研究当前我国铁路务设施管理现状、管理模式以及管理内容的基础 j 二，对铁路1 一务设施管理做了理论上的研究和探讨；探索出了一条采用地理信息 系统技术来对铁路1 ：务设施进行管理的道路；并面向铁路工务管理的基层单位一 一1 务段研究开发了铁路 务设施管理g i s 系统。 该系统以铁路线路图为背景，_ l f 久量图形象地展现出线路设备、病害、f ：群 等分布情况并可以通过图形实现情思的商洵及空间数据统计等1 j 作，形成削文 叔向查询：通过该系统，管理人员可以在铁路路网图上直观地添加、修改、更新、 有询整个铁路上的设备、病害以及维修1 稗，以帮助有关部门快速做出相应决策。 该系统有助：f 提高铁路t 务部f j 管理效率，更好地满足铁路部fj 日益增k 的 对工务设施信息的需求，使j 。务设施管理更好地为铁路运输服务。促进铁路信息 化的进程。 另外，本文还研究并实践了当今流行的软件工程技术、数据库技术和c o m 绷 什技术等最新的计算机信息技术。 关键词：铁路工务、设施管理、地理信息系统、g 霹m a p i n f 。、c 0 m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t so fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y ，a l1f i e l d s o ft h es o c i e t ya r eb u i l d i n gt h e i ri n f o r m a t i o ns y s t e r n s r a i l w a y d e p a r t m e n t sa r ea l s oi n v o l v e di nt h i st r e n d 1 ) i g it a lr a i l w a y h a sb e c o m eaf a s b i o nw o r d s ob u i1 d i n gt h em a n a g e m e n ti n f o r m a t i o n s y s t e mo fr a i1 w a ye q u i p m e n t i s v e r yu r g e n t f o r it sa d v a n c e d f e a t u r e s ，g i s ( 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 ) isw i d e 】yu s e dl n c o m p u t e r i z i n go fm a n yf i e l d s a n disp l a y i n gav e r yi m p o r i p ，1 t r o l ei ni t o nt h eb a s eo ft h ee x i s t i n gs it u a t i o n m o d e sa n dc o n t e n t s o fr a i l w a ye j l u i p m e n tm a n a g e m e n t ，t h et h e o r yo fr a i l w a ye q u i p m e n t m a n a g e m e n ti ss t u d i e d t h et h o u g h to fm a n a g in gt h er a i l w a y e q u i p m e n tb yu s i n gg i si sp r o p o s e d a n dap r a c tc a ls o f t w a r e s y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hi sn a m e da sg i sm a n a g e m e n ts y s t e mo f r a il w a ye q u i p m e n t t a k i n gt h er a i l w a ym a p sa st h eb a c k g r o u n d ，t h es o f t w a r e s y s t e mc l e a r l yd i s p l a y st h el a y o u to fe q u i p m e n t ，r a il w a y d i s e a s e sa n dr a il w a ym a i n t e n a n c ep r o j e c t s t h eu s e rc a nu s et h e g r a p h i ci n f o r m a t i o nt o o l st oa d d ，m o d i f y ，u p d a t ea n df i n dt h e r a i l w a yo b j e c t ss oa st oh e l pt h ed e c i d e rt om a k ed e c js i o n t h es o f t w a r es y s t e mc a ni n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fr a il w a y m a n a g e m e n tt om e e tc h a l l e n g e sa n dg e th o i do fo p p o r t u n i t i e so f t h ei n c r e a s i n gb u s i n e s s e si nr a i l w a yd e p a r t m e n t sa n dp r o m o t el h o r a i w a yi n f o r m a t i o ni n d u s t r yt oah i g h e r1 e v e l m e a n w h i l et h en e w e s ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ie si ns o f t w a r e d e v e l o p m e n t ，s u c ha ss o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，d a t a b a s e ，c o m ，a r e d e e p l ys t u d i e da n du s e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：r a il w a ye n g i n e e r i n ga f f a i r s ，e q u i p m e n tm a n a g e m e n t 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 ，g i s ，m a p i n f o ，c o m 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 1 1 论文选题背景 第一章绪论 在计算机技术发展日新月异的情况下，美国提出“数字地球”( d i g i t a l e a r t h ) 的概念。“数字地球”是对真实地球及其相关现象的数字化和描述，是 把地球上海量的、多分辨率的、三维的、动态的数据按地理坐标集成起来，使 人们无论走到哪里，都可以按地理坐标了解地球上任何一处、任何方面的信息， 比如查询各个行业的运作状况，甚至是社会、人文的资料及动态。今年来，由 于“信息高速公路”计划的实施以及计算机、通讯、多媒体、遥感技术的迅速 发展，建造“数字地球”的技术基础逐渐形成。 铁路部门是我国一个规模较大的行业，铁路又是国民经济建设的人动脉， 它的发展关系剑国民经济的快速稳定健康发展，而且直接影响未来铁路在国l t 经济中的地位和作用，也将直接影响铁路在市场经济条件下的竞争力“。 目前我国实行投资拉动经济增长的政策，国家加大了铁路设施建设投资的 力度，因此铁路应利用此机会，对铁路系统进行技术改造，提高运营管理的信 息化水平，因此对计算机管理的需求潜力是巨大的。从勘测设计、施- 1 、：1 务 管理到运输管理等，都需要以计算机管理为依托进行多目标分析和管理，并为 各自目的服务。铁路勘测设计、铁路工务管理、铁路运输管理等的现代化都与 信息管理有着密切的关系，他们都是直接服务于生产的，因此具有广阔的应川 前景。 这样，铁路掀起了信息化的浪潮，“数字铁路”的概念被提出，它是“数 字地球”概念的一个子集，是把机、车、：1 、电、检、行政决策、运营管理等 各部门的数据按统一的地理坐标集成起来的一个大系统，使各级决策层及管理 技术人员无论何地何时，都可以得到铁路任何一个地方、部门的信息，并以生 动形象、交互方便的表现形式展现给各级决策者，为决策提供依据，使铁路决 策机构具有实际意义上的决策于千里之外的能力。 目前，铁路部门相继开展了许多信息系统的研究，大致可分为三个方面： 一是在勘测设计中的麻刖，如r s d i s ( 铁路勘测设计信息系统) ：二是在铁路l ： 程建设中的应州，如p w m i s ( 铁路t ：务管理信息系统) ；三是在铁路运输管理中 的应用，如铁路运输管理信息系统( t m i s ) “。 同时g i s ( 地理信息系统) 技术也在铁路系统中得到。泛应j j ，人人地提高 了相关部门的技术水平及管理水平，提高了生产效率，带来了巨人的社会效益 和经济效益。国外已经将g i s 广泛地应用于铁路系统的各个领域，国内铁路系 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 统在g i s 的应用方面也逐步由研究走向实际应用，开发出一些基于g 1 s 的辅助 铁路勘测设计、铁路运营管理等信息系统，对提高铁路部门的丁作效率和管理 水平起到了一定作用。但总的来说，目前g i s 在铁路系统的应用还处于探索和 发展阶段，且各种管理信息系统的建设缺乏统一的协调和组织缺乏一个先进、 可行的总体规划，系统建设还带有一定盲目性象l 重复性”“，网此不过是痒座 “信息孤岛”，未能形成一个有机整体，并且在i 务管理方面研究不足，未能考 虑到基层单位的实际需求，故未能发挥信息技术的巨大潜力。 基于上述情况，根据笔者的力量及各种客观条件，论文将对整个工务管理 信息系统理论上作宏观的研究和探讨。并立足基层，研究最基层单位( ： 务段) 的管理模式和内容，模拟它的工作流程，采用先进的地理信息系统技术，建立 起以工务段为基本用户的铁路工务设施管理g i s 系统，实现铁路工务设施的计 算机管理。将来在投入的人力物力增加的情况下，可以进一步研究并扩展为铁 路j ：务管理g i s 系统，既而提高铁路 ：务管理效率。 1 2 论文研究目的 铁路l j 务工作是以设备状态变化规律和市场需求为依据的技术经济活动， 一切安排必须服从于设备状态和市场的客观需要，这是，t ：务 作的基本出发点。 】。务部门必须使设备经常保持均衡良好的状态，确保列车以规定的最高速度、 安全、平稳、不间断地运行，以最经济的投入，获得最大的产出效益，这是工 务i ：作的最终归宿点”1 。 可见在铁路 务管理中，一个很重要的部分就是铁路设施的管理。它是重 要的铁路基本信息来源，是技术改造、行午指挥、保障行车安全、事故抢险救 援及领导决策的重要依据。铁路基础设施主要包括轨道、线路、路基、桥涵、 隧道等。日常工作包括保养、维护，更换等。但由丁管理技术跟不上，使设备 管理成为铁路系统技术管理的薄弱环节。 近年来，铁路不断进行提速，货物运量也不断增加，以重载运输和快速列 1 ：为代表的技术更新，对工务设备的动力冲击破坏作用进一步加剧，对设备状 态控制昀要求进一步提高。在重载快速条件f ，确保运输安全畅通的要求给工 务r 作增加了很大难度，而铁路部门义实施了较大幅度地减员增效措施，这样 也人人增加了i ：务部门的线路管理维护压力，这给铁路1 ：务管理部门的综合管 理能力提山的很高要求，对已有的主要以手【为主的铁路工务管理模式提出了 严峻的挑战。这就要求铁路工务管理人员必须向科学要效率，利用现代化信息 科技成果来经济有效地对铁路进行管理。 冈此本论文研究的主要目的如f ： 1 研究当前我国铁路工务设施管理的工作现状、管理对象、运行模式。 2 北方交通大学硕士论文 第一章绪论 2 研究铁路j 】：务设施管理模式优化的途径，并探索采用现代化信息技术 来管理铁路工务设施的可能性。 3 研究铁路j ：务设施6 i s 系统的丁程建设模式。 1 3 论文研究重点 1 铁路工务设施管理内容研究 1 务段是工务部门最基层的管理单位，职能多、信息量火，是重要的信息 源点，本论文准备在熟悉其工作模式的基础上，研究其日常管理内容，提炼出 其工作特征、管理信息的来源、信息的更新方式，建立其工作流程模型，然后 利用计算机信息技术进行抽象，建立起计算机管理模型，完成铁路f 务设施管 理g i s 系统框架的设计，将各种工务设施信息用计算机有效的管理起来。 2 铁路。t ：务设施g i s 系统数据库研究与设计 数据是信息的载体，地理信息系统中涉及的数据不同丁常规系统数据，而 是具有丰富地理特征的地理数据集合。这些数据信息量巨人，来源复杂，原始 数据不规范，如何将质量参差不齐的地理数据规范化、数字化进入系统，建立 完整的地理数据库，在地理信息系统工程中是主要的也是十分耗时费力的。t = 作， 因此，必须建立完善的质量保证体系，使数据的采集和存储规范化，提高工作 效率，并且要研究合理的数据库设计，使数据库设计的合理并且高效。 3 铁路一l ：务设施g i s 系统数据的更新研究 数据是地理信息系统运行的“血液”，必须保证系统中数据与现实情况符合， 因此需要进行数据的适时更新，包括各种地图、专题图、统计数据、文本数据 等空间和属性数据的更新“。由于g i s 中具有庞大的数据龄，闻此研究如何快 速方便的进行数据更新便有了重要意义。 4 铁路1 ：务设施g i s 系统的可扩充性研究 软件功能的扩充、性能的提高、用户业务的变化、硬件的更换、操作系统 的升级、数据形式变换都会起的系统的变化。因此在建立系统应尽量考虑系统 的伸缩性、易扩充性，在可能的情况f 使系统改动最小，以适戍变化后的要求。 5 软仆系统j i ：程的研究 地理信息程建设除了具有巨大的i ：作量，在技术上也是复杂的，如何高 效的组织各种 作的进行，关系到系统建设的速度和效益。冈此研究系统】：程 和软什i ：程的思想，发展合适的g i s 工程的建设方法也是本论文需研究的问题。 北方交通大学硕士论文第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 2 1 铁路工务设施管理 2 1 1 铁路工务设施的特点 铁路工务设施信息主要有以下几个特点： 1 铁路工务设施数据量巨大 铁路工务管理的设施数以万计。这些铁路设施的属性信息繁巨大，而且这 些设施的分布又有不同的区域性，这样就需要用大量的信息来描述它们之间的 相互联系，冈此需要高速的空间信息系统来管理它们。 2 铁路工务设施信息变更频繁 铁路设施信息众多，维修期跃短各不相同，需要即时地更新人量变更数据， 同时由于铁路的提速，铁路的设备更换更加频繁，信息的变更周期缩短，这样 造成了火规模的信息更新，使手工作业已愈来愈难以满足列车安全运行对工务 设施信息的要求。 3 铁路工务设施管理需要科学的进行资源配置 铁路。l 。务设施管理的现代化要求资源利用的最优化。要在全段和全局范同 中进行物质和人员的配置，使铁路设施的维护： 作更好的有效利用现在的物力 和人力资源，做到物质资源效益的最大发挥。 4 铁路工务管理要求对设施信息进行快速查询 铁路决策部门和领导需要快速地了解目前铁路设施的维护状况，需要迅速 地了解事故地点和病害原因、范围，以便快速做出维修决策和解决方案，耽误 时间将造成重大损失，然而，原始的手工查询检索方式难以适应这种情形，不 能及时地进行信息传递和查询，而通过计算机检索和网络传输则能迅速满足这 种要求。 从以上铁路j 务设施的特点米看，虽然手i 操作管理方式可以完成许多日 常的i 务没施管理l 作，但铁路的发展日益要求科学的现代化的管理方式羽i 手 段，手1 操作方式己越来越不适应当今的要求。 2 1 2 铁路工务设施管理的现状 根据铁路i 。务系统的实际业务情况，铁路工务管理系统火概可以分为以下 4 北方交通大学硕士论文第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 几个子系统：工务设施管理信息分系统、枢纽站及设备管理子系统、3 s 地质灾 害预测管理子系统以及防洪抢险管理子系统”j ， _ t 务设施维修工程预算子系 统，如图2 1 所示 铁 路 l 二 务 管 理 信 息 系 统 铁路工务设施管理子系统 枢纽站及设备管理子系统 3 s 地质灾害预测管理子系统 防洪抢险管理子系统 工务设施维修工程预算子系统 图2 1 铁路工务管理信息系统框架图 目前的铁路工务设施数据资料的管理方式共有两种：是建立台帐进行数 据管理。二是编制图集进行图形管理。这两种管理方式有许多缺点，一方面在 图集上显示的信息远不能满足实际工作的需要，另一方面通过台帐得到的仅是 单一的数据，缺少直观、详细的资料，这样，数据和图形成为各自独立的部分， _ 二者的关系被割裂一方面不能用图形来形象的表示数据，另一方面图形很难 卉向相应的数据“。 信息管理的特点决定了信息的收集与查询要既能做到快速、准确，义要降 低人力上的过度消耗，并且能够高效的利用已有数据，充分挖掘现有数据的内 涵，形象直观的表现获取的实据。而以前工作方式既浪费人力，效率不高且工 作易出错，而且还不能进行综合分析。这样，随着铁路经营机制的变革，在各 级管理部门的对与行车有关的铁路工务设施信息的需求不断增长的情况下，传 统的手。】：管理方式已愈来愈难以适应这新形势的需要。 2 1 3 铁路工务设施管理的模式 当前铁路j ：务设施管理主要采取逐级上报，逐级卜达任务的管理模式。具 体米说，【：区或领：【：区的现场一线人员发现问题，上报至j ：务段，再由工务段 上报至路局工务处，再由工务处调拨相应的物质或：r 务段利用既有物质设备， 由一j ：务段负责进行设旌的维护。同时，路局也组织1 ：务段进行春检、秋检，以 发现问题，确保铁路的安全，工务设施管理模式如图2 2 所示。 ； 北方交通大学硕士论文第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 图2 2 铁路工务设施管理模式 具体的工作模式仍然是以分散作业、手工操作为主，各1 。序、各专业之间 彼此分开，以图纸、表格、文字互提供资料，转抄传递，花费相当长的时间管 理台帐和修订图集，管理人员在查看有关的信息时，需要在一大堆报表图纸中 奄询、统计。不但效率低，且错误现象时有发生，资料共享性差，同时各种资 料还容易破损丢失。 2 1 4 铁路工务设施管理的特点 除了铁路工务设施信息数量庞大，类型众多，维护l 作巨大等特点适合计 算机管理外，而且目前铁路工务设施管理的特点也便丁计算机管理： 1 铁路工务设施管理的运行模式比较规范 如图22 所示，铁路1 ：务管理模式比较规范，这样就有利丁计算机信息化 的实施，根据这种管理模式和实际工作情况，从计算机管理的角度加以提炼和 抽象，从实用性和科学性的角度出发，可以进行铁路i ：务设施管理系统的整体 规划和设计。 2 铁路工务管理部门具有详细的铁路工务设施资料 铁路工务管理部门都有他们所辖范围中详细铁路设施信息，包括单据、台 帐、统计报表等。这些数据是铁路_ _ i 二务设施管理信息化宝贵的资源和前提条件， 通过将这些资料进行整理、规范化编码，便可以成为将来铁路j 。务设施管理系 统的数据来源。 3 铁路工务设施管理内容适合用计算机管理 在铁路r 务设施管理中，设施信息数据鼙巨人这个特点适合计算机米存储 检索管理，而且 务设施管理的内容也较固定和规范，各种铁路设施的各种信 息，人员信息，空间地理信息等的信息结构也较规范，比较容易用数据库进行 管理，各种业务逻辑的需求较清晰，这样进行系统的计算机抽象与建模就十分 容易。 6 蓦墨 剜刊=引 北方交通大学硕士论文第二章铁路 务设施管理以及信息化拙术 2 2 铁路工务设施管理信息化 2 2 1 铁路工务设施管理g i s 系统建立的必要性 铁路信息化可以理解为，以先进的铁路通信网为基础、由各种信息服务i 殳 备构成的、集丰富的软件系统、应用工具和多种功能于一体的、包含铁路运输 各种业务信息在内的、能同其他信息系统实现交互的、为铁路各业务部门和其 它使用者提供支持的信息化物质载体的、为铁路运营、基建、施工、 二程、物 资、工业、事业、通号等部门提供信息资源收集、传输、处理、存储和分析等 技术和管理服务的信息技术的应用”“。 目前随着铁路的提速和高速铁路的建立，了有的铁路管理体系已不再通 应现代化的要求信息的实时快速采集、传输、处理、表现是现代化铁路运营 及管理的特点，全方位的信息分析、综合是正确决策的基础，建立“数字铁路” 是实现这一需求的必由之路。 建立铁路工务管理信息系统是实现工务管理现代化的必然趋势，随着信息 社会的到来以及铁路运输的要求，目前既有铁路基础资料的获取手段、工务档 案管理方法以及线路维护的状况等均难以适应需求。尤其是大量的图纸、表格、 文字的保管和使用，很不方便信息更新更是困难。建立信息系统后，把各种 数据输入系统中建立数据库，可以开展查询、检索、统计分析、综合分析以及 周期性的自动更新和实时评估等。这样有助于促进铁路工务管理的技术提高 优化线路维修计划，从而有助于对铁路干线进行维护，为铁路安全运行提供有 力保障3 。 在铁路工务管理中设施的管理具有相当重要的地位，因为铁路设施是铁路 各项工作进行正常运转的物质基础，铁路工务部门是维护和管理铁路设施的主 要单位。铁路工务设施管理系统是管理大量的工程图纸和各种档案、各种工务 设施信息，集各高科技于一身的系统工程，它的好坏直接影响铁路运输的安全， 要管理好铁路的各种设施，必须充分利用现代化的管理设备及技术手段，及时 掌握各种设施的运行状态信息，对设旌进行科学管理和维护o 。 铁路工务设施信息不但数量庞大，类型众多，维护工作巨大，而且这类数 据都具有明显的地理特征和很强的区域性，如里程、线别、地区等，与地图等 图形信息紧密相连。因此，它的信息化管理己不是传统m i s ( 信息管理系统) 所能够胜任的，而应该采用g i s ( 地理信息系统) 。通过地理信息系统，可以直 观形象地将各种铁路信息按空间位置的概念管理起来。 g i s 可以对空间数据按地理坐标或空间位置进行各种定位、分析、查询等 操作，并可研究各种空间实体及相互关系。通过对多因素的综合模拟分析借 助计算机的强大的计算功能，将目前的铁路工务设施属性信息和空间地理信息 7 北方交通大学硕士论文 辣一二章钦；f 毪 ：舔设施管理以及位息化技术 有机的结合在电子地图上，为最终用户提供数据的可 见化、信息的地图化，并 能以图形或数据的形式表示处理的结果，给管理人员提供强大的、形象的、链 化的决策支持。 铁路部门管理人员可以在铁路网图中台析矬个路局或者工务段的设备、病 害分布情况，并呵在电子地图上直接标出相j 、t 的检修工程，对改动的工程信息 做编辑、修改、查询，许可将有关信息发送到有关部门。在电子地罔l 二州各种 铁路设施的迅速查看与定位可以帮助有关部门快速做出相应决策并且管理人 员可以从全局出发分配相应的财力物力，一f h 然，成竹在胸。 通过网络，该系统可以建立种真 e 的企业级的共享的空间信息系统，能 够在铁路局内多个业务部门共享一个g s 系统具有分布式计算的网络讣境、 画向特征的应用、无缝的空间数掘库连接，允商所 r 公共的数据和应川校掣亿 网络上供多用户使用大大减轻r 客户端的陀n 可以通过一般膈域网进 ：r ：j 效的访问，并且系统总体性能价格比较合理。 只有实现了铁路信息化，铁路运输系统的协调、高效、安全才能得到保i i e ”，而只有实现了铁路工务设施管理的信息化铁路爿能真正的信息化，因此 建立统一的铁路工务设施管理o s 系统是关系到铁路运输效率的高低，是项 非常必要且紧迫的工作。 2 2 2 铁路工务设施管理g i s 系统建立的可行性 从现实的各种设施准备、系统建设来看，建立统一的铁路工务设施管理o s 系统，从而促进统一的铁路工务管理系统的建立也是可行的“1 ： 1 铁路历来重视信息技术的利用多年前就制定了以牵引动力与信息技术为龙 头的建设现代化铁路的技术政策，尽量利用现有的信息技术来提高管理水平。 现有的不同时期的信息系统的存在就说明了这一点这体现了铁路决策层的先 进管理意识。 2 铁路部门在不同时期开发建设了许多局部信息系统并构建了层次不一的计 算机网络，设立了大量的数据源点，为下一步建造全路工务管理信息系统培 养了人才，解决了数据来源问题，积累了一些信息系统建立、推广、运行、管 理维护的经验。 3 铁路部门拥有一大批信息技术人才和强有力的科技队伍，铁路部门设计院 众多，并且尽管目前铁路大中专院校已脱离铁道部，但这些学校在很长的时期 内，仍然会为铁路部门服务，这样设计院和高校就为铁路部门的信息系统的建 立提供了技术保障和人才储备。 4 铁路系统由于信息技术方面的研究和应用开始的较早，因此积累了较多的理 论和技术贮备，为进一步信息化打下了良好的基础。 8 北方交通大学硕士论文 第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 2 2 3 铁路工务设旌管理g i s 系统建设内容 综上所述，铁路工务设施管理g i s 系统的建立是岿要而且是可行的。它的 t 要建设内容是：利用先进的计算机技术、网络技术和多媒体技术研制开发一 套以全面、准确、完整的 务设施信息资料庠为基础，覆盖l 。务系统的所有业 务处理流程，具有辅助决策功能的g i s 系统。 当然该系统与铁路：c 务管理系统的其它几个系统不是彼此孤立的，需要和 铁路部门其它的信息系统相互交流信息，彼此通讯，共享数据，满足其它部门 对铁路工务设施信息的需求。比如，工务设施管理信息子系统应该能够可以向 防洪抗险信息子系统提供目前工务设施的运行状态，从而制定相应的防洪措施。 2 3 地理信息系统( g i s ) 2 3 1 地理信息系统的概念 氏久以来，地图是人类用于描述现实世界的主要手段。由r 计算机的问世， 使用计算机强大的计算功能来分析和描述地球空间上的各类现象从而促进了地 理信息学的发展。 地理信息学( g e o m e t i c s ) 来源于地球科学( g e o s c i e n c e s ) 和信息学 ( i n f o r m a t i c s ) 思想的合成，它是一门综台了测绘、遥感、计算机、应用数学 以及各种应用学科的有机结合。而地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o n s y s t e m ，简称g 1 s ) 就是地理信息学的种实现手段，是以上多学科集成于计算 机上的基础平台。通俗的讲就是整个地球或部分区域资源、环境等各种属性信 息和空间信息和在计算机中的反映。严格的说，地理信息系统是反映人们赖以 生存的现实世界( 资源和环境) 的现况和变迁的各类空间数据及描述这些空间 数据特征的属性数据，在计算机软件和硬件支持下，并以一定的格式输入、存 储、检索、显示并可综合分析这些数据的技术系统”1 。 2 3 2 地理信息系统在国外的研究现状 地理信息系统在国外的应用发展较早。由丁资源环境信息的爆炸，信息获 取方法的改进为人类提供的大量的信息，交叉学科的发展使得规划、决策和管 理部门的：l 作方式也发生了很大的变化。人类开始重视自然资源的合理利用， 因而需要科学的管理资源，把开发利用和保护相结合起来，对自然资源采用科 学的管理、进行定量分析和预测。这些需求是地理信息系统产生的背景。 9 北方交通大学硕士论文 第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 到了2 0 世纪5 0 年代，由于计算机科学的兴起和它在航空摄影测量与地图 制图学中的应用，使人们可以利用电子计算机来搜集、存储、处理各种与空间 和地理分布有关的图形和属性信息，并分析数据来为管理和决策服务。这样 1 9 6 3 年加拿大测量学家r f t o m l i n s o n 提出了“地理信息系统”的概念，并建 丘了1 廿界上第一个地理信息系统一加拿人地理信息系统( c g i s ) 。接着许多与地理 信息系统有关的机构和组织纷纷建立，如1 9 9 6 年的美国的“城市和区域信息系 统协会”( u r i s a ) 等，这些机构和组织的建立对于传播利促进g i s 的知识传播和 技术发展起到了重要的指导作用。 进入2 0 世纪7 0 年代以后，由于计算机硬件和软件技术的飞速发展，尤其 是大容量存取设备的出现，为空间数据的录入、存储、检索和输出提供了强有 力的手段。一些发达国家先后建立了许多专业性的土地信息系统和地理信息系 统。例如，从1 9 7 0 到1 9 7 6 年，美国地质调查局就建成5 0 多个信息系统，作为 地理、地质和水资源等领域空间信息分析的工具。其他国家如加拿大、瑞典、 日本等也相继发展了本国的地理信息系统，同时一些商业地理信息系统软件出 现并在市场上得到成功。 2 0 世纪8 0 年代是地理信息系统普及和推广应用的阶段，由丁计算机的发 展，推出了图形工作站和微型p c 机等性能价格比大为提高的新一代计算机，这 样许多部门广泛的应用了地理信息系统，并且从解决基础设施的规划转向更复 杂的区域开发，例如土地的农业利用，城市化的发展，人口规划与安置等。地 理因素成为投资决策中不可缺少的依据。 进入2 0 世纪9 0 年代后，随着地理信息产业的建立和数字化信息产品在 全世界的普及，地理信息系统将深入到各行各业及至各家各户，成为人们生产、 生活、学习和工作中不可缺少的：_ i = 具和助手。 2 3 3 地理信息系统在我国的研究现状 我国的地理信息系统起步较晚，但发展较快，势头良好。 2 0 世纪7 0 年代，我国开始在测量、制图和遥感领域应用计算机技术。随 着世界遥感技术的发展，我国于1 9 7 4 年开始引进美国陆地卫星图像资料，开展 了遥感图像处理和判释 作。 2 0 世纪8 0 年代是我国地理信息系统实验起步阶段。我国在地理信息系统 的研究和意用方面取得了实质性进展，在理论探索、规范探讨、实验技术、软 件开发、系统建立、人才培养等方面都取得了许多经验。建立了许多专题性信 息系统，同时崩于辅助城市规划的各种小型信息系统在城市建设和规划部i 、j 中 得到认可。 从1 9 8 6 年到1 9 9 5 年前后，我国的地理信息系统事业随着我国市场经济的 发展走上了全面、迅速发展的阶段。在此期间，全国许多行业部门和部分省区 l o 北方交通大学硕士论文第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 积极发展各有特色的地理信息系统系统，在理论和应用研究、人才培养方面取 得了丰硕成果。 从1 9 9 6 年开始，我国地理信息系统开始走向产业化的道路，成为国民经济 建设和社会生活的一种共同需要和普遍使用的 ? 具，并在城市建设，农业、能 源等基础建设雨l 环境保护、灾害防治和海洋开发等方面发扦重人作用”1 。 2 3 4 地理信息系统主要开发模式和技术 1 在现有的地理信息系统平台上进行二次开发 近年来，涌现了一火批优秀的地理信息系统平台，国外的有a r c i n f o 、 m a p i n f o 、a u t o c a d m a p 2 0 0 0 等，国内的有m a p g i s 、g e o s t a r 、s u p e r i a p 等。通 过对这些软件进行二次开发即可得到一些专用的地理信息系统软件。 这种开发方法的优点有： 基于性能较高的开发平台 各种地理信息系统平台一般都提供了强火的数据输出功能、空间分析功 能。良好的图形平台、巨大的存储容量使得用户可以在较高的起点上直接进行 系统的组织和开发工作。 - 可靠性好 专业的地理信息系统平台作为成熟的产晶，其可靠性经过了严格的测试和 许多用户的使用，因此在地理信息系统平台上开发出来的产品的可靠性也就得 到了保证。 当然这种开发方法的也有缺点如： 可扩展性若 传统的地理信息系统软件虽然也提供一些接口或者开发语言，但总体上还 是一个难于真正修改的“黑匣子”，开发时会遇到许多困难。而且在实际应用中， 开发的往往不是传统意义上的地理信息系统，而是地理信息系统技术与m i s 、 o a 和c a d 等系统的集成。在这种情况下，应用基础地理信息系统平台进行二次 开发很难实现与这些实用系统的无缝集成。 系统较为庞大，软硬件要求高。为了能够支撑运行这些基础g i s 平台系 统，往往对系统的软硬件有较高的要求。这在开发些小型的地理信息系统系 统，特别是开发传统意义上以外的应用地理信息系统技术的专用系统中，需付 出较高的额外代价，并且运行的速度也相对较慢。 没有系统的版权 这就是说，即使是一个很小的地理信息系统应用系统，_ h j 户除支付开发费 心外，还必需购买套基础地理信息系统平台，而且还要受到软件升级等各种 因素的制约。 北方交通大学硕士论文第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 2 利用可视化编程语言从底层开发 目前比较流彳j 二的地理信息系统平台很多是用可视化编程语言开发完成的。 然而，在短时间内利用有限的条件要开发一个地理信息系统平台是不可能的。 尽管如此，利用地理信息系统技术开发一个的信息管理系统或决策支持系统却 贝有无可比拟的优势。这种开发方法的优点有： 较强的灵活性 它可以根据系统的需要来实现功能，设计的系统短小精悍，软硬件要求低， 运行速度快。 易f 扩展 在开发时可以根据实际项目的需要，在设计时就可以考虑与各种决策支持 系统集成，实现系统间的无缝连接。 有系统版权，易于升级 缺点是： 开发难度大 从底层进行开发，需要较高的技术开发力量。 周期长 从底层开发软件系统需要经过反复的调试币i 测试。 对人员的素质要求高 从底层开发地理信息系统需要有较强的设计思想、强大的数据和流程控制 能力以及良好的团队协作精神。 3 ，用可视化编程语言与g i s 组件进行开发 组件式g i s 是随着近年来计算机软件技术的发展而产生的，代表了地理信 息系统的发展潮流。基于c o m 技术，m i c r o s o f t 推出了a c t i v ex 控件技术， 它己成为当今可视化程序设计的标准，新一代的组件式g i s 火都采用a c t i v e x 技术来实现，这些标准的a c t i v e xc o n t r o l 可以被任何支持它们的开发环境 所使，【_ | j 。如i n t e r g r a p h 公司的g e o m e d i a 、e s r i 公司的m a p o b j e c t 、g a p l n f o 公司的m a p x ，北京超图公司的s u p e r m a pi i i 组件等等。 这类g i s 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 控什，这 就使得开发者如果知道组件式g i s 的控件的属性、方法和事件，就可利用各种 可视化开发语言( 如v i s u a l 口十十、v i s u a lb a s i c 等) 来组织实现专业地理信息 系统，实现g i s 组什与系统的无缝集成。 当然组件g i s 也有缺点，它们一般都有复杂的对象层次雨i 庞人的接口。例 如s u p e r m a pij i 组件g i s 就有数十种对象及上千种接口和属性，要想开发一 个g i s 应用，就必须非常熟悉所用到的组件，而且各个软件提供商对组件接口 的定义目前也没有统一标准。 1 2 北方交通大学硕士论文第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 2 3 5 开发g i s 系统的软件工程思想 地理信息系统是一个面向实际应用的大型计算机软、硬件系统，它的建设 不是简单原理及方法的堆砌，而是基于系统化思想指导下的1 ：程化建设过程。 在软件j ：裂中，系统可定义为具有一定功能的、相互间具有有机联系的、 由许多要素或构成部分组成的整体。因此系统是可以分解的，一个系统本身又 可以包含若干个子系统，因此首先应把g i s 系统划分为多个小系统，分步实施。 系统j 二程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组 成。设计该系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之间及元素 和整体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。g i s 系统l ：程是 一项复杂的系统】：程，因此在设计g i s 系统时，要同时考虑到参与系统活动的 人的因素及其作用。它不仅要用到数、理、化等许多自然科学，还要用到社会 学、，心理学、经济学、医学的与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然 科学和社会科学的交叉。在处理复杂的问题时常采用定性分析和定量计算相结 合的方法。 从软件的生产管理来看，g i s 软件工程火体可以分为：g i s 软件的需求定义 和分析；g i s 软件的设计技术和评价技术；6 i s 软件测试技术：g i s 软件的扩充 和维护ig i s 软件成本和效益的估算。 g i s 工程建设中的一个主要工作是进行专业g 1 5 应用软什的开发，或6 i s 软件在某领域中的应用。对于具体的应用，认识问题和解决的手段和技巧不尽 相同，但总的目标就是如何以较少的代价获得高质量的软件。 2 3 66 i s 软件工程的实旖 6 1 s i 程技术涉及领域广泛，应用技术手段多样，子系统之间关系复杂， 因此对6 i s 【：程技术的研究不能停留在单一门类、常规方法和手段上，而应根 据系统l 程的原理，在更高的层次上正确应_ i | i 系统 ：程的思想、方法和各种准 月u 来处理问题，形成指导大型6 i s 工程建设的理论基础。利j 【 j 系统f ：程的思想， 实施g i si 群开发的步骤主要分；明确目标、资料收集、建立评价体系、系统 综合、系统分析、系统优化、决策制定、计划设施等8 个步骤。 1 明确目标 由丁6 i si 程的对象复杂，包含上程技术平社会、经济符个方面，而且研 究对象本身的问题有时尚不清楚，因此系统开发的最初阶段首先要明确闯题的 性质，特别是在问题的形成和规划阶段，搞清楚要研究的是什么性质的问题， 以便正确地设定问题。否则，以后的许多工作将无功而返，造成浪费。 北方交通大学硕士论文 第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 2 3 5 开发6 i s 系统的软件工程思想 地理信息系统是一个面向实际应用的大型计算机软、硬件系统，它的建设 不是简单原理及方法的堆砌，而是基于系统化思想指导下的1 。程化建设过程。 在软件j ：群中，系统可定义为具有一定功能的、相互间具有有机联系的、 由许多要素或构成部分组成的整体。因此系统是可以分解的，一个系统本身又 可以包含若干个子系统，因此首先应把g i s 系统划分为多个小系统，分步实施。 系统工程是研究复杂系统设计的科学，该系统由许多密切联系的元素所组 成。设计该系统时，应有明确的预定功能及目标，并协调各个元素之阅及元素 和控体之间的有机联系，以使系统能从总体上达到最优目标。g i s 系统l ：程是 一项复杂的系统工：程，因此在设计g i s 系统时，要同时考虑到参与系统活动的 人的因素及其作片j 。它不仅要用到数、理、化等许多自然科学，还要用到社会 学、心理学、经济学、医学的与人的思想、行为、能力等有关的学科，是自然 科学和社会科学的交叉。在处理复杂的问题时常采用定性分析和定量计算相结 合的方法。 从软件的生产管理来看，6 i s 软件工程人体可以分为：g i s 软件的需求定义 和分析；g i s 软件的设计技术和评价技术；g i s 软件测试技术：g i s 软件的扩充 和维护：g i s 软件成本和效益的估算。 g i s 。j 程建设中的一个主要工作是进行专业g 1 5 应用软件的开发，或g i s 软件在某领域中的应用。对于具体的应用，认识问题和解决的手段和技巧不尽 相同，但总的目标就是如何以较少的代价获得高质量的软件。 2 3 6g i s 软件工程的实旖 g st 程技术涉及领域广泛，应用技术手段多样，子系统之间关系复杂， 因此对g i s i ：程技术的研究不能停留在单- - i 类、常规方法剃手段上，而应根 据系统1 ：程的原理，在更高的层次上正确应j j 系统工程的思想、方法和各种准 则来处理问题，形成指导大型6 i s 工程建设的理论基础。利用系统i ：程的思想， 实施6 i s1 1 群开发的步骤主要分：明确目标、资料收集、建立评价体系、系统 综合、系统分析、系统优化、决策制定、计划设施等8 个步骤。 1 明确目标 由于6 i si 程的对象复杂，包含上程技术和社会、经济各个方面，而且研 究对象本身的问题有时尚不清楚，因此系统开发的最初阶段首先要明确问题的 性质，特别是在问题的形成和规划阶段，搞清楚要研究的是什么性质的问题， 以便i e 确地设定问题。否划，以后的许多工作将无功而返，造成浪费。 北方交通大学硕士论文第二章铁路工务设施管理以及信息化技术 2 ，资料收集 g i s 工程实际e 是现实中具体行业业务的计算机抽象，因此在目标制定后， 就需要组织人力收集行业相关的资料。资料的加工结果即为g i s ：】i 程中流动的 数据，数据的抽象结果形成信息，同时，资料的搜集也为后期指标的设计准备 了充足的素材。 3 建立评价体系 g i $ 】：程一般是巨额投资，因此必须建立科学的、有说服力的评价体系， 从而使系统目标达到优化。评价体系主要回答以下的一些问题：评价指标体系 如何定量化? 评价的主观成分和客观成分如何分离? 如何进行综合评价? 如何 确定系统的价值问题等。 4 系统综合 系统综合是在给定条件下，找到达到预期目标的手段或系统结构。一般来 说，按给定目标设计和规划的系统，在具体设施时，总与原来的设想有些差异