京张高铁GIS地理信息系统构建研究

2020-01-09孙嵘

铁道勘察 2020年1期

孙嵘

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

1 铁路地理信息系统研究应用现状

地理信息系统(GIS)是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层(包括大气层)空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。铁路资源信息与地理信息存在紧密的关联性和依附性。因此，可将地理信息技术纳入铁路信息系统建设框架中，通过全过程动态、静态信息的高度融合，以及多层次、多粒度、多维度的信息汇聚与关联，实现资源信息的立体化、可视化，为管理与决策提供强有力的技术支撑。

铁路信息系统在不同程度上引入了GIS的概念：用直观的图形方式来管理、显示和分析与地理空间相关的各种数据。按照系统各自需求，对铁路空间数据进行收集、整理和利用，有些还建立了各自的GIS子系统，如工务部门PWMIS[1]、铁路应急平台、铁路用地管理系统等[2]。受研发经费、技术支撑、组织方式等方面的约束，铁路地理信息应用系统普遍存在以下三个方面的问题。

(1)共享困难

由于没有统一规划，没有考虑和其他应用系统的交互，地理信息的格式、内容尚无统一的标准。各业务系统仅从本部门的需求出发，采用不同的GIS软件。另外，地理信息数据的加工格式也存在差异，造成业务系统间的地理信息不能共享。

(2)重复建设

为构建自己的GIS应用，各业务系统分别购置GIS软件，采购、收集铁路地理数据，造成人力、物力、投资的巨大浪费。

(3)维护困难

每个系统都要维护各自的铁路地理信息数据和GIS服务器，大大增加了维护人员和维护费用。

为更好地服务于京张高铁的建设，发挥空间地理信息的基础支撑作用，将从统一、规范化的角度，建设京张高铁GIS地理信息系统，为京张高铁各业务信息系统提供标准化的铁路地理信息数据和空间信息服务，实现铁路空间信息资源的共享和共用。

2 建设目标和原则

构建完整的京张高铁GIS地理信息系统，建设地理信息空间数据库，形成京张高铁空间数据制作的标准规范，统一管理京张高铁空间信息数据和服务，对外提供标准空间数据和服务接口。

京张高铁GIS地理信息系统符合中国铁路总公司《铁路地理信息平台总体方案》(运信规划函[2014]541号)、《铁路地理信息分类与编码》(Q/CR 520-2016)等相关标准规范，按照统一规划、统一标准、统一资源、统一管理的原则进行建设。同时，为满足北京局集团公司信息化规划中基础数据的管理需求，通过基础支撑环境和系统站点扩展，可将北京局集团公司铁路地理信息数据纳入其中并进行统一管理，实现北京局集团公司地理信息数据的共享共用。

3 关键技术研究

3.1 面向对象的空间数据管理技术

京张高铁地理信息平台管理的铁路地理信息数据比例从1∶100万到1∶200，即包括小比例粗粒度数据，也包括大比例细粒度数据。如何实现不同粒度、空间和属性数据的统一有效存储，并且保证多用户并发访问的快速性和数据的一致性，是需要解决的关键问题。

与属性数据相比，空间数据具有空间特征、非结构化特征、空间关系特征等特点。基于上述特征，空间数据库需以面向对象技术来设计，确保空间数据属性与空间的一致性，并提供灵活的规则制定方法，满足空间数据的表示、存取、检索、更新等要求[3]。

3.2 服务式GIS(Service GIS)技术

采用基于Web 服务的SOA(面向服务的体系架构)构建，以满足不断变化的业务优先级[4]。采用Service GIS技术，即面向服务的软件工程方法，把GIS的全部功能封装为Web服务，从而实现跨平台、网络、语言的调用。

3.3 地图缓存及更新技术

(1)地图缓存

使用地图缓存技术对地图进行切片，有效地减轻了服务器的计算负载和网络传输负担，极大地改进了客户端和服务器端的交互效率，提升了网络地图的服务应用水平，改善了客户端的用户体验[5]。

(2)地图更新

获取空间数据对应的“瓦片”(一张或者几张)，计算这部分“瓦片”的地图范围，并在后台重新生成这个范围的地图图片。用新生成的图片替换这些旧有的“瓦片”，具体流程如下：

①使用地图缓存技术对地图进行切片；

②获取所对应的“瓦片”；

③获取每个“瓦片”所对应的地图范围；

④重新生成“瓦片”，并替换原“瓦片”。

3.4 智能集群技术

京张高铁地理信息系统平台部署在中国铁路总公司的主数据中心云平台，采用智能集群技术，可随时、按需、方便地提供服务，并可以在云端调配和动态扩展[6]。

4 技术方案

4.1 系统架构

京张高铁GIS地理信息系统是中国铁路总公司铁路地理信息平台面向智能铁路的应用延伸。在京张高铁GIS地理信息系统中，接入了国家基础地理信息系统，实现了国家地理基础数据与高速铁路地理数据的融合，形成京张高铁“一张图”。基于这“一张图”，可开展面向铁路多业务、多模式的空间信息服务共享。结合铁路业务的不同应用，搭建“一张图+N项服务”的空间信息应用模式，提供以空间信息为统一坐标的信息共享，为京张高铁智能时空分析提供数据基础保障。

(1)一张图

“一张图”的数据来源主要为国家基础地理信息数据、京张高铁空间地理信息数据[8]。其中，国家基础地理信息数据采用国家测绘地理信息局主导建设的“天地图”前置服务；京张高铁空间地理信息数据需自行建设，具体包括铁路线路、车站、四电、房屋、沿线设备设施的空间要素数据，以及专业设施设备台账数据，与设施设备相关的图纸、技术资料、图片、视频等，涵盖工务、供电、通信、信号、房建、给排水、旅服、土地、防灾等专业[9-10]。

(2)基础平台

京张高铁GIS地理信息系统是中国铁路总公司铁路地理信息平台面向铁路的应用延伸，其地理空间数据的编制实现了多源异构空间数据的存储与管理，可保证数据的有效性；同时，面向京张高铁旅客出行便捷化、铁路经营服务精准化、技术装备运管修智能化、应急管理一体化的总体目标，结合京张高铁各业务信息系统和用户对铁路地理空间信息和服务的实际需求，对外发布京张高铁统一、标准的空间地理信息，并提供京张GIS门户、在线地图、功能服务发布、空间服务管理、空间数据管理、系统管理与监控等功能[11]。

(3)N项服务

基于“一张图+N项服务”的地理空间信息应用模式，采用了多种标准空间信息服务接口OGC、REST以及SOAP协议，以满足京张高铁工程建设、智能装备、智能经营和公众服务等各类业务的应用需求。同时，可通过“在线地图”为系统用户(京张公司维管人员和路局沿线各站段业务人员)提供资源搜索定位、专题业务数据分析展示等功能。系统构架如图1所示。

图1 系统架构

4.2 逻辑架构

京张高铁GIS地理信息系统采用分层架构，从上至下依次分为终端层、访问层、服务支撑层、交互层、中间层、数据层、硬件层和网络层共8层[3]。可使系统结构清晰、分工明确，以达到松散耦合、逻辑复用、标准定义的目的，增强了系统的可扩展性和安全性。

应用系统采用集中式部署。依托铁路内部服务网，对京张高铁各业务应用系统和用户提供访问服务。对于不在铁路内部服务网的系统和用户，可以通过铁路安全平台或者其他安全防护设备等方式进行访问。

在数据层，建设了空间数据库、属性数据库和文件数据库，实现了业务数据与空间数据的分离。同时，在这些数据库之上增加内存数据库，数据的访问可通过内存数据库进行，以最大限度降低数据访问的处理时间。中间层是整个系统的核心部分，其设计基于功能模块(每个模块的功能尽可能单一)。模块内部高内聚，便于功能的横向扩展；模块之间松耦合，可增强系统的容错能力。交互层支持多种方式的协议规范，包括WebServices、Ftp、DBLink等[12]，大大提升了系统的兼容性。对于空间数据的交互，采用业界通用的OGC、REST、SOAP等标准协议，能够覆盖大多数的空间数据交换需求。

服务支撑层是京张高铁GIS地理信息系统的业务服务单元，包括京张高铁GIS门户、在线地图、功能服务、功能管理、数据管理、系统管理与监控6个部分，提供了京张高铁各业务信息系统和用户的空间数据访问、空间数据管理、在线地图应用等系统功能。访问层和终端提供了工程建设、智能装备、智能经营、公共服务等各业务系统，以及京张高铁公司管理人员、运维人员使用地理信息系统的各种方式和手段(如图2所示)。

图2 逻辑架构

4.3 功能设计

京张高铁GIS地理信息系统是京张高铁信息化系统的基础保障，为其他业务系统和系统用户提供了路地多源空间信息融合服务。系统用户主要由其他业务系统的开发人员(基于GIS服务进行二次开发的技术人员)和京张城际公司维管人员、高铁沿线各站段业务管理及运维人员组成，可为用户提供基于GIS地图的业务数据可视化展示、分析等[13]。系统功能模块设计如图3所示。

图3 系统功能架构

(1)京张高铁GIS门户

主要用于展示京张高铁的各类空间信息资源，是用户登录系统的入口，也是京张高铁地理信息GIS功能服务的集中展示模块。用户可根据实际需要，使用系统所提供的各类信息及功能，包括用户登录与身份认证、GIS服务概览、GIS服务资源列表、典型应用展示、开发接口示例及说明、新闻通告中心、资料下载中心等。

(2)在线地图

在线地图子系统可为京张高铁系统用户(京张城际公司人员和高铁沿线各站段运维人员)提供全线“一张图”可视化、设备设施定位查找、时空关联分析、路地线路规划、专题数据分析展示、个人工作地图等功能，满足京张高铁各类用户的使用需求。

(3)功能服务

京张高铁GIS地理信息系统提供的服务可分为四类：GIS可视化服务、GIS查询服务、GIS分析服务及GIS专题服务。

(4)数据管理

数据管理子系统统一管理京张高铁地理信息数据，为全线提供标准地图及GIS功能服务，实现铁路地理信息数据的科学存储、有效管理。

(5)服务管理

服务管理子系统提供对各种类型服务的管理功能，包括服务发布、注册、启动、停止、删除、查询、统计等功能。

(6)系统管理与监控

对用户、角色、权限等进行统一身份认证及授权分布管理。

4.4 数据建设

京张高铁空间数据建设内容包括国家基础地理信息数据和京张高铁空间地理信息数据两部分[14]。

国家基础地理信息数据可提供京张高铁周边要素(地貌、植被、水系、交通、社会人文等)信息，是京张高铁空间数据建设不可或缺的部分。京张高铁GIS地理信息系统中的国家基础地理信息数据为自行建设。为了节约成本，减少资源浪费，综合考虑建设经济效益，京张高铁的国家基础地理信息数据应与中国铁路总公司《铁路地理信息平台总体方案》的要求一致，可为全路各业务系统提供国家公共基础地图服务。

京张高铁空间地理信息数据是京张高铁线路及附属设备设施空间数据和属性数据的统称，此部分数据为自行建设。根据《铁路地理信息平台总体方案》，京张高铁空间地理信息数据可划分为京张高铁专业公用地理信息数据和京张高铁专业专用地理信息数据两部分。其中，京张高铁专业公用地理信息数据用于铁路各专业之间的共享，依据《铁路地理信息分类与编码》(Q/CR 520—2016)进行分类；京张高铁专业专用地理信息数据是非铁路专业共享共用的数据，此部分数据主要面向京张高铁各专业系统的应用需求。为实现资源集中管理，优化资源配置，此两部分数据均放置在铁路总公司铁路地理信息数据库中。

4.5 数据部署

京张高铁的所有空间数据(即国家基础地理信息数据和京张高铁空间地理信息数据)集中部署于中国铁路总公司铁路地理信息数据库。

4.6 接口方案

(1)服务接口类型

为满足不同业务系统对GIS服务的调用，京张高铁GIS系统将提供业界通用的OGC、SOAP和REST三种标准服务接口方式，并采用网络协议标准TCP/IP、HTTP来进行通信控制[15]。

(2)二维可视化服务接口

京张高铁GIS地理信息系统二维可视化服务接口情况如表1所示[16-18]。

(3)三维可视化服务接口

京张高铁GIS地理信息系统三维可视化服务可实现铁路线路、沿线地形地貌的可视化和直观化，对外提供基于B/S架构、轻量化的三维可视化服务，在浏览器端就能实现三维服务的集成[19]。京张高铁GIS地理信息系统三维可视化服务情况如表2所示。

表1 二维可视化服务接口

表2 三维可视化服务接口

(4)GIS功能服务接口

京张高铁GIS地理信息系统功能服务设计的核心内容包括GIS功能服务类型和功能设计。目前，系统对外提供的地理信息功能服务包括参考性服务、网络分析服务、几何服务、三维空间分析服务、缓冲区分析服务、空间统计分析服务、空间查询服务及地图标注服务等。此外，系统同时提供在线服务的二次开发接口(API)[20]，如表3所示。