基于GIS的铁路设施空间数据可视化管理系统

陶 洁 邹智元 郑 伟 刘渭滨

(1.中国铁路北京局集团有限公司通信段，北京 100077;2.北京交通大学，北京 100044 )

面向铁路设施的空间数据可视化管理系统(Spatial Data Visualization Management System,SDVMS)能够为系统运维人员、网络优化人员及中高层管理人员提供直观、可视化的铁路设施信息管理平台。该系统可以对铁路设施进行空间定位与属性管理，将地图、数据和文本集成在统一平台上，实现高效地铁路设施数据更新与信息维护；对铁路设施的空间属性及物理属性进行有效数据库组织与存储，实现对各类设施分布、运行情况等业务数据进行全方位展示与分析；进而以真实地理空间方式展现各个设施相关位置信息和属性信息，可快速、准确地进行各个设施的查询和定位，实现铁路设施数据空间分析、图形与交互展示。

1 现状分析

目前对铁路设施基础信息、业务数据、枢纽地区设施覆盖等管理工作仍通过传统的台账、数据表格等方式记录，缺乏直观的图形化显示和管理工具。由于铁路设施管理涉及大量的信息数据和资料，随着高速铁路的快速发展，信息管理工作负担越来越重，对铁路设施数据整理维护的速度远跟不上信息更新速度，致使铁路设施数据资料的有效性得不到保证，造成铁路设施管理工作的不及时性，在运行维护工作中出现信息延迟和决策失误[1]。另外，在网络规划和优化方面，只有熟悉当地实际地理情况的少数维护人员对网络分布和覆盖情况较为清楚[2]，对高级管理人员而言，缺乏高效可视化管理工具的问题尤其突出，对既有网络的安全形成了潜在管理隐患。因此，迫切需要建立有效铁路设施管理系统，实现可视化管理[3,4]，整合现有的信息处理方式，为铁路设施基础信息管理、资产管理、电路调度、安全分析等提供科学、高效的信息管理平台，而基于Oracle等关系型数据库系统建立信息管理系统是一种有效的解决方案。

随着地理信息技术的不断完善和发展，地理信息系统（Geographical Information System，GIS）已经在很多领域投入应用，尤其是在铁路设施管理系统中，凭借其强大的空间数据[5]处理能力为各个相关行业提供决策支持服务[6,7]。在比较成熟的GIS平台开基础上开发应用型地理信息系统，可以有效的降低开发难度并且提高开发效率。而ArcGIS是业内较为成熟的一款GIS平台，除了提供ArcMap和ArcCatalog等数据处理工具之外，也提供软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）用于支持其他系统开发，例 如 ArcGIS Engine[8,9]和 ArcGIS SDE[10]（Spatial Database Engine）等。ArcGIS SDE提供了面向Microsoft SQL Server的一系列空间数据库管理功能，包括创建、连接、读写等。

2 系统设计方案

根据软件工程的方法，在需求分析的基础上依据面向对象的分析与设计原则，通过建立业务模型、数据库 E-R模型（Entity-Relationship Model，E-R Model），完成子系统设计和数据库设计。

2.1 子系统设计

在分析铁路设施数据管理业务需求和流程之后，建立业务模型，如图1所示。铁路设施数据管理业务由三部分组成，包括数据可视化、数据管理和数据存储。其中数据可视化面向网络优化人员和高层管理人员，在GIS平台的基础上提供图形界面，从而实现空间数据展现和非空间数据的查询；数据管理则主要面向数据运维人员，将采集到的铁路设施的空间数据和非空间数据经过规范化处理后导入管理系统中，规范化的过程可以借助ArcGIS平台完成；数据存储主要提供空间数据库和非空间数据库来实现铁路设施数据的持久化保存，保证数据的安全性和准确性。

图1 铁路设施数据管理业务Fig.1 Data management service of railway infrastructure

依据业务模型将面向铁路设施的SDVMS分为三个“业务子系统”（简称“子系统”），如图2所示。分别是铁路设施空间数据可视化子系统（简称“可视化子系统”）、铁路设施数据管理子系统（简称“数据管理子系统”）和铁路设施信息数据库子系统（简称“数据库子系统”）。

图2 子系统划分Fig.2 Division of subsystems

2.2 数据库设计

数据库设计指对数据库模式的设计，通常以E-R模型的形式表达，数据的E-R模型表现了数据之前的关联关系。本章主要介绍空间数据库模式和非空间数据库模式的设计。

2.2.1 空间数据库模式

本系统的空间数据模式主要依赖ArcGIS提供的空间数据存储模式，针对铁路设施（包括铁路铁、基站等）进行设计。空间数据库设计不同于一般的关关系型数据库设计，首先，要按照铁路设施的类型将其抽象为空间要素；然后，每种空间要素作为一张表，称为空间要素表，并确定表的属性。通常，每个空间要素表以一个整型自增ID字段作为主键，包含了地空间信息相关的字段，并且用Shape字段标识空间要素实例的形状。

2.2.2 非空间数据库模式

通过对非空间数据进行分析，本系统的非空间数据库模式设计如图3所示。该E-R模型中共定义13种数据实体，又根据实体间的关系将其中存在关系的实体分为一类，共分为4类。13种实体分别是，业务类实体：铁路线（Railway）、基站（Base）、铁路线坐标点（Position）、车站（Station）和铁路局（Department）；用户权限类实体：用户（User）、用户类型（UserType）和权限（Previliege）；地图元数据类实体：图层分组元数据（MetaGroup）、铁路线元数据（MetaRailway）、基站元数据（MetaBase）和基础地图元数据（Meta-Map）；数据类型类实体：数据类型（DataType）。各种数据实体均选用整型的自增ID字段作为主键。

图3 E-R模型Fig.3 E-R model

3 系统实现效果

本章主要介绍铁路设施空间数据可视化子系统和数据管理子系统的实现效果和相关功能。

3.1 铁路设施空间数据可视化子系统

可视化子系统的相关功能主要依靠客户端数据客户端顶部的工具栏如图4所示和可视化地图界面如图5所示实现，客户端顶部的工具栏它提供了大量空间数据可视化操作，根据其功能大致可以分为两部分，分别是空间元素相关操作和地图相关操作

3.1.1 数据可视化界面实现

系统客户端顶部的工具栏如图4所示，它提供了大部分的空间数据可视化操作，根据其功能大致可以分为两部分。分别是空间元素相关操作和地图相关操作，例如绘制铁路线元素、绘制基站元素、绘制铁路线坐标点元素等。

图4 客户端顶部工具栏（部分）Fig.4 Client top toolbar (part)

如图5所示，而可视化地图界面分别提供了铁路设施列表（左侧）、铁路设施主地图（中间）和铁路设计数据信息面板与鸟瞰地图（右侧），通过工具进行的空间数据操作会在主地图中实时展现。

图5 数据可视化地图界面Fig.5 Data visualization map interface

3.1.2 数据可视化功能

可视化子系统的数据可视化功能主要包括展现空间要素、绘制空间元素、空间数据查询、空间数据定位、实时数据编辑，以下对前3种进行介绍。

1）展现空间要素

进入系统客户端启动并加载空间要素数据后，即可在主地图中看到空间数据的图形展现，如图4中间所示，进而通过工具栏的工具进行操作；而左侧的树状展开结构则是根据图层元数据进行组织的，通过元数据管理界面可以查看和管理这部分数据。

客户端已经对鼠标左键和右键预定义了地图操作，在主地图中，单击鼠标左键、右键可以选择空间元素或者拖拽地图；在鸟瞰地图中，单击或按住鼠标左键可以移动定位矩形框，主地图的显示范围也会随之移动。

2）绘制空间元素

对空间要素绑定非空间数据，需要先完成空间元素的绘制。主地图中会展现铁路线、铁路线坐标点和基站三种设施的空间元素绘制。其中铁路线是多段线，不同的铁路线用不同的颜色标识，同一条铁路线的上行线和下行线的颜色也不同；铁路线坐标点由是圆点，上行线的点为黄色，下行线的点为蓝色；而基站则是由特殊的图标来标识的。

3）空间数据查询

在工具栏的输入框中输入查询关键字后点击“查询”按钮即可使用空间数据查询功能。此处的查询也是类似模糊查询的方式，用户只需要关注查询的内容即可。

3.2 铁路设施数据管理子系统

数据管理子系统的实现包括空间数据管理和非空间数据管理两方面，这里主要介绍系统客户端对非空间数据管理的实现，空间数据管理可以通过ArcCatalog辅助实现。该系统是一个Windows桌面应用程序，安装成功后，双击客户端的桌面图标即可启动。

3.2.1 数据管理客户端实现

进行数据管理子系统的客户端后可以切换到数据管理界面，如图6所示，在该界面顶部是切换不同数据管理界面的选项卡，左侧是展现数据记录的表格，右侧是数据操作面板，底部显示当前数据操作的进度和数据服务器的连接状态。不同数据管理界面的右侧数据操作面板会根据管理的数据类型加载对应属性，界面其他部分均相同。此外，元数据管理的界面与该界面相同，实现的功能也相同，因此不再列举。在管理管理界面右侧可以看到数据操作面板，由三部分组成：数据搜索、数据编辑、数据导入/导出。

图6 数据管理界面Fig.6 Data management interface

3.2.2 数据管理功能

数据管理子系统主要对非空间数据进行管理，该子系统提供的主要功能包括数据导入和导出、数据查询、数据修改、数据删除等，以下对前两种进行介绍。

1）数据导入和导出

下面以数据的铁路线数据的导入为例进行介绍。用户点击右下角“导入铁路线数据”按钮后，会弹出文件选择窗口。用户选择需要导入的数据文件打开后，会弹出提示，要求用户确认是否导入选择的数据文件，防止用户选错文件导致数据导入错误。此时用户如果取消操作，则导入数据的过程被取消并退回到数据管理界面。

2）数据查询

数据查询需要用到数据操作面板顶部的数据搜索部分，用户首输入想要查询的关键词，然后点击“搜索”按钮，即可在左侧数据表格中看到查询结果。这里提供模糊搜索的功能，用户不需要指定按照哪一个属性来搜索，只需要输入搜索内容。

4 结束语

面向铁路设施的SDVMS实现了对铁路设施的空间数据的可视化展现与操作，系统部署实施后可以向铁路系统的管理人员和网络优化人员提供直观、便捷的铁路设施地理信息查看。本系统采用面向对象的设计和C/S系统架构都使得系统具有良好的可扩展性和可伸缩性，系统进一步的优化完善主要分为两个方面，第一，可以不断收集用户的反馈，并选择其中有价值的信息，探讨可行性，制定系统升级方案进行设计实现；第二，可以不断与同类型的新产品进行比较，吸收其中良好的特性进行系统扩展。