分布式隧道安全监测系统信息共享研究

令永春，吴云天，陈云峰，闵永智

（1.兰州铁路局，高级工程师；2.兰州交通大学自动化与电气工程学院，副教授；甘肃 兰州 730070）

隧道是铁路的咽喉区域，一旦在隧道发生安全事故，后果极其严重。随着我国铁路向着“高速、重载”方向发展，铁路隧道越来越多，越来越长，为了及时掌握隧道的安全运营状况，近年来在各个隧道安装了各种隧道安全监测设施。铁路分布式隧道安全监测系统可以实时、准确、分析、掌握隧道安全现状，有效地协助铁路运营部门掌握了解铁路隧道总体安全状况及其变化发展趋势，为有效应对铁路隧道安全事故打下坚实基础。由于各个在线安全监测系统相互独立，无标准数据格式和系统规范，导致无法实现各监测系统信息共享，难以形成一个全面反映铁路隧道安全状况的完整监控体系。其次，安全监测系统的数据结果一般还需人工分析，不仅劳动强度大，而且还容易由主观因素造成错误，无法实现实时连续分析〔1，2〕。从而导致高层管理决策用户对于紧急安全事故无法及时响应并做出正确决策。可见，解决目前各隧道安全监测系统中由于信息共享困难及交换障碍造成的信息孤岛问题，是隧道安全监测信息共享中急需解决的技术难题。

由此，本文基于已测试运行的乌鞘岭隧道安全监测系统中分布式隧道安全监测信息系统的架构，研究隧道安全监测信息的集成与共享，以及时空联合建模表达等关键问题。其中信息共享是隧道安全在线监测信息系统的核心功能模块，将为隧道运营部门提供隧道安全在线监测的信息管理、结果分析和数据可视化等决策支持服务。

1 隧道监测数据类型与信息元数据

1.1 隧道安全监测数据类型 由于分布式隧道安全监测系统由各种监测设备构成，其数据格式各不相同，为了有效地融合异构隧道安全监测设施，这里对由前端设备采集来的隧道安全监测数据的存储和管理使用了以下2种基本类型。

1）隧道安全基础数据。基础数据包括隧道运营中常规安全监测项目和其它必须的辅助基础信息。

2）隧道安全监测输入数据。由各种监测系统输入的数据是安全监测系统主要的分析对象。

由于各种隧道安全要素的监测数据具有异构性，因而与一般数据的共享与集成有所不同。首先，从隧道安全在线监测数据集成本身来讲，全系统没有统一的模式，因此无法进行监测数据的综合分析和高阶应用。其次，由于隧道安全监测数据存储格式的多样性、多维和海量性，并且还存在大量的多对多或一对多关系，使得以文件为主的管理方式根本无法满足要求，还造成大量存储空间的浪费，这给其数据的应用造成困难。最后，由于隧道安全监测数据还具有地理特性，为此可以按地理空间位置将监测数据进行组织。

为此，本文将安全信息元数据〔3〕、时空数据库管理引擎和数据仓库等技术引入隧道安全监测数据信息集成与共享中去，以解决目前隧道安全监测数据的独立，互不兼容的集成及管理方式。

1.2 隧道安全监测信息元数据 隧道安全监测系统数据共享的目的就是建立信息共享规范，建立合理的资源描述，而资源描述主要依靠元数据。元数据也即“关于数据的数据”，是说明数据内容、质量、状况和其它有关特征的背景信息。隧道安全在线监测系统其元数据设计包括：

1）隧道安全在线监测信息的数据规范，包括隧道安全环境基础数据标准和安全监测分析方法标准等。

2）隧道安全监测系统的数据通信规范。规范隧道安全监测信息交换与传输中的格式、协议等内容：一是数据采集终端与系统之间通信以及监测子系统之间的数据交换。用于解决安全监测系统的传输介质、传输协议和数据格式互不相同的问题。二是安全监控系统与其它管理系统之间的数据通信。

2 隧道安全监测信息元数据库

2.1 隧道安全监测信息元数据分析 隧道安全监测数据系统的主要监测对象是对隧道安全监测信息和反映这一信息的辅助信息等。该系统依据表示深度和抽象层次等不同的概念，完全可以把相应的数据划分相关的核心数据、相关的依赖数据、相关的地理支持数据和相关性数据。其中，相关的核心数据指系统采集的监测信息与基本信息等内容；而表达核心数据时所须的辅助数据即为相关的依赖数据。对于一个具体的数据样本，例如对隧道安全监测指标数据，隧道安全监测因子的数据为核心层；其相应的监测站点等必要信息则为依赖数据；另外，相应区域的基本信息等信息为地理支持数据及其相关数据。

基于隧道安全监测数据集的类型、学科分类及时空特点等，本文从以下方面进行信息规划并建立元数据表。一是监测数据及其编码就是相应的安全监测数据元数据。系统依据环境的实际情况，需要对各个指标建立必要的约束信息表。二是规划空间要素。系统需要对空间信息编码分类，其依据是根据现有管理方法和模式，建立其地理支持信息所需要的结构表，并根据该结构表对应的安全监测数据元数据加上相应的特征代码采集监测点、管理单位等信息才能实现其分类。三是建立所需各类数据的相关性说明，包括系统的数据接口及数据有效性等。

2.2 元数据库设计 利用层次化结构，建立面向对象数据结构的设计元数据库。元数据作为系统的基本数据形式，应用于隧道安全监测系统中所有环节。动态数据是隧道安全监测系统中的核心数据，也是该系统中变化最为频繁的内容，包括隧道安全监测数据、系统维护记录、系统报表、运行情况等内容。隧道安全监测系统的环境基础数据包括隧道安全监测站点信息、监测对象的信息、监测管理报表数据及其所在相应环境的辅助信息等。图形数据库包括基础线路布局图、隧道结构分布图、隧道功能区域划分及根据管理要求生成的所有专项的专题图等。参数集包括系统所需的数据接口及各类相关数据分析模型所需的参数。

其中，隧道安全监测图形数据和隧道安全监测基础数据，一方面通过元数据形式建立内部相关联的组织结构，另一方面又共同作为基础，供动态数据使用，表示它们之间所对应的时空关系。

3 铁路隧道安全监测信息空间数据库

铁路隧道安全监测信息中初始监测数据可以通过参照空间坐标系与地图相关联，具有时空特性、更简单而高效的共享和表达。本文设计并实现了一个针对铁路隧道安全信息的空间数据库，集信息采集、存储、检索、分析处理和输出系统化于一体，能够提供多种检索与查询方法，为铁路隧道管理部门提供可靠的决策依据，并为铁路不同部门提供所需的信息。

传统关系数据库的空间数据具有特殊性，不具备直接支持功能。现有解决方法是通过把空间数据类型置入关系数据库中，以对象的形式在已有关系数据库中存在，改进系统相关功能。这种改进的系统通常称为对象关系数据库管理系统，能够达到对属性、空间等地理数据一体化管理的目的，关键技术是在逻辑层次上增加了一个空间数据库管理引擎。该引擎可以将操作和空间数据进行抽象，提供对铁路隧道线路信息的存储、组织，提供对铁路隧道线路信息的操作和高效查询，同时对铁路隧道线路各类信息进行数据定义和描述〔4〕。

从结构上分析，铁路隧道信息空间数据库分为数据库应用层、数据库引擎层、数据源层共3层（见图1），而且使用空间数据库引擎（SDE）和结构化查询语言服务（SQL Server）技术来实现。

图1 空间数据库层次化结构模型

数据库引擎层中的空间服务器能够在所有资料和用户之间提供接口，这样用户可以非常方便地获取属性资料、空间资料和其它的传统数据管理系统（DBMS）的资料，这些功能采用SDE技术，将每一个空间物体作为一个对象，对象数据模型是不含拓扑逻辑的和连续的。

采用层次化结构进行分层，还可以在纵向上将图形分为铁路隧道线路层、铁路隧道安全参数层、铁路隧道监测站点层等，而且系统只需一次磁盘存取就能检索出空间对象的几何资料。采用SDE技术，可以将每种形状的对象组成一个形状表，并以记录的形式存储，空间几何资料存储在DBMS中的二进制数据块对象类型的字段中。

4 铁路隧道安全监测数据仓库

本文针对铁路隧道安全监测信息的特性，设计了铁路隧道安全监测数据仓库系统（见图2）。在数据仓库的概念的基础上〔5〕，系统融合了多种相关技术，包括铁路隧道数据源、铁路隧道数据准备(抽取、转换和装载）、铁路隧道元数据、铁路隧道数据仓库工具等。铁路隧道安全监测数据仓库需要对初始信息进行抽取、过滤、转换和装载，并进行数据建模，信息来源于多个相关的专业数据库，由一个统一的前台界面管理。铁路隧道元数据能够实现存储铁路隧道数据模型、定义数据结构、转换规划、仓库结构、控制信息等多种功能，是数据仓库的核心。

图2 铁路隧道安全监测数据仓库系统

5 系统实现

基于以上的研究成果，我们实现了隧道安全监测系统的信息集成共享的方法。系统包括6个模块：人员管理、数据采集模块、数据分析模块、隧道安全监测数据显示模块、信息交换模块、信息发布模块和后台管理模块。系统以隧道安全监测信息空间数据库为基础，实现隧道安全数据的自动采集、管理、分析及发布等基本功能，从而为维护人员提供了数据可视化服务。系统具有以下主要功能特点：

1）实时显示基础特征信息。在线路及隧道电子地图上，以监测数据为基础，显示出各特征参数的基础属性信息和空间信息。

2）控制图层的转换。可以对已有图层进行管理，修改各种格式的矢量图层和影像图层，控制图层显示的范围。

3）数据查询。对监测数据进行交互式查询，主要采用简单查询和SQL复杂查询两种形式，其中包括属性查询、空间查询和自动切换查询。

4）数据统计。实现统计各种监测数据的评判指标。

5）图形可视化。根据监测结果生成各类统计图和专题图，并输出。

6 结束语

本文研究了基于隧道安全监测信息元数据以及空间数据库管理引擎的集成方法，以隧道安全系统中监测数据仓库为基础，解决隧道安全监测信息的共享与数据可视化问题，实现了隧道安全监测平台的核心功能，为维护部门提供隧道安全监测的数据管理、分析和可视化等决策支持服务。为进一步研究开发隧道安全监测数据仓库奠定坚实的基础。因此，数据仓库作为一个面向主题的、集成的、实时的数据集合，非常适合应用于隧道安全监测领域。

〔1〕袁文忠.乌鞘岭特长铁路隧道空气环境质量调查分析〔J〕.环境研究与监测，2009，22（01）：29-32.

〔2〕谢伟，孟岩.基于GIS的地铁隧道安全监测信息系统设计〔J〕.铁路计算机应用，2006，15（3）：15-17

〔3〕罗传玲，高政国.地铁隧道安全监测信息系统的设计与开发〔J〕.山西建筑，2007，（8）：13-16

〔4〕杨大勇，林奎.安全信息共享研究〔J〕.测绘科，2007，32(5）：187-189.

〔5〕杨大勇，林奎.环境监测自动监测系统信息共享技术研究〔J〕.中国环境监测，2006，22(5）：1-5.

〔6〕姚艳敏，姜作勤，严泰来.国土资源信息核心元数据的研究〔J〕.测绘学报，2001，30(4）：349-354.

〔7〕李军，景宁，孙茂印.集成型空间数据库技术分析〔J〕.国防科技大学学报，2000，22(3）：37.