基于几何网络的铁路网拓扑分析

2010-08-06霍黎明保鲁昆

铁路计算机应用 2010年5期

霍黎明，保鲁昆

（中国铁道科学研究院通信信号研究所，北京100081）

铁路系统网络拓扑分析主要是处理铁路沿线资源信息的变化，形成新的网络接点，在网络发生变更的时候进行网络重构，为网络的各种应用奠定基础。铁路网络与地理信息密切相关，并且结构复杂，给管理上带来了很多不便。随着GIS 技术的发展和完善，正越来越多地应用于铁路GIS 中。传统的GIS 平台对空间数据的网络拓扑描述和铁路网的拓扑描述不一致，导致不能直接将GIS 拓扑应用于铁路网拓扑分析中，本文提出了一种基于几何网络的铁路网拓扑分析方法，一方面可以克服以往只能在铁路拓扑图上进行的铁路网模拟操作，无法直接定位铁路沿线各资源地理位置的缺点；另一方面这种模型能够充分利用GIS 强大的分析功能，提高铁路网拓扑分析的效率。

1 Geodatabase 数据模型

Geodatabase 数据模型是一种新的面向对象的数据模型，能很好地建立各对象间的拓扑关系，并能描述非面向对象模型不能支持的流量叠加、对象约束等特殊行为。Geodatabase 数据模型的对象关系见图1。从图中可以看到Geodatabase 包括4种类型的地理数据，而表示矢量数据的又分成4种：要素集（Feature Dataset），特征聚类（Feature Class），表格对象（Table）和关系类（Relationship Class）。要素集中可以存储空间实体（要素）、非空间实体（对象）以及它们之间的关联（Relationship）。几何网络（Geometric network）和拓扑（Topology）工具体现了要素之间的空间拓扑关系。另外Geodatabase 中还存储了属性验证规则（validation rule）和域（domain），可以确保对要素创建或者更新操作时，数据库数据的完整性。本文中只涉及到矢量数据类型，故对Geodatabase 的其他模型不做详细的介绍，只着重介绍要素集及几何网络。

1.1 要素集

图1 Geodatabase数据模型图

要素数据集是具有相同坐标系统的要素类的集合，可以选择在要素集内部或者外部组织简单要素类，但是当我们要组织拓扑要素类时就必须在要素集内部进行，因为要保证拓扑要素类具有相同的坐标系统。复杂对象之间一般具有拓扑联系，要描述这种拓扑关系，在进行建模时大都采用要素集模型。要素集中可以包含简单要素类或拓扑要素类，线拓扑用几何网络来描述，多边形拓扑则可以通过动态拓扑编辑来实现。在实际的铁路GIS建模过程中，将整个铁路系统用铁路要素集来描述，铁路系统中资源分别用点要素和线要素来描述，铁路系统的网络拓扑关系则用要素集下的几何网络来描述。

1.2 几何网络

几何网络模型是根据交通和其它网络的模拟实践而提出，该模型能模拟网络中复杂的资源，如维修工区，牵引供电所等。可以使编辑过程简化并能使这些设备在网络中表达简单。ArcGIS提供了简单和复杂网络分析的一些解决方案，可供用户参考，这些网络分析方法相对于传统的方法分析速度更快。

Geodatabase对线性网络系统有两种描述模型：几何网络模型（geometric network）和逻辑网络模型（logical network）。一个几何网络模型总是对应着一个逻辑网络模型，几何网络模型从要素集合的角度来看网络，而逻辑网络模型则从元素集合的角度来看网络。当对几何网络进行编辑时，逻辑网络会自动更新。几何网络模型是要素的集合，是由边线和交汇点相连组成的系统，可以制定相应的规则来约束他们之间的连接。描述边线和点的要素被统称为网络要素（network features），几何网络就是由这些网络要素通过一定的连接关系建立起来的。

一个网络要素类可以包含4种网络要素类型，简单点要素（Simple Junction Feature），复杂点要素（Complex Junction Feature），简单边要素（Simple Edge Feature），复杂边要素（Complex EdgeFeature），它可以描述几何网络中一个给定的拓扑关系。其中简单点要素对应可以抽象成单个点的简单资源点；简单边要素对应可以抽象成一条边的简单线路；复杂边要素对应逻辑网络中成链式结构的一定数量的边，但在物理上是不可分的。如在铁路网络中，虽然是一条线路，但由于其型号不同将其分成若干条线路，就可以用复杂边要素来描述；复杂点要素与逻辑网络中边和节点的集合相对应，这些边和节点的集合以各种拓扑结构连接，而这些拓扑结构只是复杂节点的内部网络。由于拓扑结构的复杂性和多样性，对于不同的应用会有不同的复杂点模型，ArcGIS 并没有提供直接创建复杂节点要素的方法，用户必须通过类扩展框架对原来的模型进行扩展后才能使用。比如小范围内的地方铁路网实际上就是一个微型网络，它有自己的内部拓扑和连通规则，就可以用复杂节点来描述。

2 网络拓扑分析方法

2.1 传统的网络分析方法

传统的网络分析方法有邻接矩阵法和树搜索法两种。

邻接矩阵法用矩阵表达两点之间的连通关系，直观性比较好，但是对于复杂的铁路网络，由于其节点（资源点与车站）个数多，计算量大，这种方法的搜索速度就比较慢；相对来说，树搜索法速度就比较快，但是也存在问题，就是它对维修机构点要素和环状网络的适应性较差。由于传统铁路网络的拓扑描述和一般意义上GIS 对网络拓扑的描述不一致，导致GIS 的拓扑分析功能不能应用于铁路网络，而几何网络则可以很好地解决这一问题，将铁路网络拓扑与GIS 拓扑结合到一起。几何网络能够对整个铁路网络进行多方位的描述，不存在对网络适应性差的问题，在进行网络分析时可以采用ArcGIS 提供的接口和方法来构建自己的算法，极大地提高了搜索效率。

2.2 基于几何网络的网络拓扑分析方法

（1）对铁路系统建模，建立一个能描述整个铁路网络的资源要素数据集（Distribution Feature Dataset），将各种铁路资源按照点、线模型，分成建立各自的要素类，属性项可以根据用户的需求和网络分析功能的需要进行添加。

（2）对铁路网络拓扑建模，通过在要素数据集中建立几何网络的方式描述铁路网络拓扑。选择有网络联系的要素建立几何网络。

（3）几何网络建立之后，通过ArcMap 的网络分析功能Connect 检查是否存在几何上的连接错误，检查完毕后通过AE 编程实现具体的网络分析功能。

3 应用及实现

在基于几何网络的拓扑分析方法上，铁路网的一些主要的网络分析功能都可以实现，搜索速度比以前有所改进。

在AE 编程实现时用到的主要AE类库是网络分析类库EsriNetwork-Analysis，主要接口有ItraceFlowSolver、ITrace-FlowSo-lver2、INAClass-Loader、InetSolver、INet-Work 等。实现的主要方法有FindPath、Find-Source、QueryLocationByPoint、FindFlow-Elements、GetAdjacent-Edge等。

3.1 网络拓扑分析功能

（1）搜索各种资源点：对于铁路网络中的每一个资源要素（车站、维修工区和牵引供电所等），都有其特定的线路连接，我们可以用网络追踪的方法（FindSource）分析出每一个资源要素及其相应的属性数据。

（2）两点间路由选择：在城市街道网络中，最佳路由选择较常用，也是网络分析中最基本的功能。在铁路网络中同样也能进行最佳路由选择，只要标定铁路网络中的任意两点，系统就能分析出两点间的最佳路线。

（3）最近资源分析与查找：在铁路日常运营中，应急救援预案与方法是必需的。因此，发生事故后就需要查找最近的维修工区、救援机构、供电机构以及其它社会资源，如武警和医院等。由于以上资源都已经建模在铁路拓扑网络中，因此通过网络分析可以得到事故点最近的资源情况并给出最佳的路径。

3.2 应用实例

本文提出的铁路网络分析方法，已在高速铁路地理信息系统项目中得到了很好的应用。此系统是在C#语言下利用ArcGIS拓扑网络分析开发完成，下面以最近资源分析和查找为例说明其具体实现方法与流程。

（1）建立事故点并在铁路网络地图中标注，通过QueryLocationByPoint()方法在容许（tolerance）距离范围内把标注点捕获加载到网络分析数据集中，作为网络分析中原点。

（2）通过选定的资源，利用INAClassLoader接口的Load()方法从网络的Shapefile资源文件中获取想要查找的所有资源点信息并加载到网络分析数据集中，作为网络分析中目标点。

（3）设定查找参数。参数包括：路径成本，是否单行线，是否限制调头返转，资源目标数量等。

（4）通过ArcGis 网络分析中Solver对象的Solve()方法查找最近资源。并且在ArcMap中创建内存图层Closest Facilities，将Solve()方法分析返回的结果与事故点和目标资源点一同显示出来。如果需要，可以将所有路径通过NAClasses.get_ItemByName()方法得到的分析结果进行列表显示，或者将网络分析对象进行突出放大显示。