李道震，張長生,強小俊，郎向偉

(中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，廣東 深圳 518000)

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基于ArcGIS Server的高鐵基礎設施安全監(jiān)測管理系統(tǒng)研究

李道震，張長生,強小俊，郎向偉

(中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，廣東 深圳 518000)

摘要：為了提高高鐵基礎設施安全監(jiān)測的信息化水平，實現(xiàn)監(jiān)測超標預警的實時性，研究實現(xiàn)高鐵基礎設施安全監(jiān)測管理系統(tǒng)。利用ArcScan進行影像矢量化和屬性數(shù)據(jù)錄入，系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)庫采用Oracle 11g，并在其中建立基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫，通過ArcGIS Sever發(fā)布地圖服務。系統(tǒng)采用B/S體系結構，利用WebSocket技術實現(xiàn)服務器端和瀏覽器端的實時通信，調(diào)用ArcGIS API for JavaScript完成了系統(tǒng)GIS模塊功能。通過在試驗工程中的應用表明，系統(tǒng)實用性強，提高高鐵基礎設施安全監(jiān)測的信息化水平，具有較高的應用價值。

關鍵詞：ArcGIS Server；高鐵；基礎設施；安全監(jiān)測

高速鐵路沿線主要由軟基段、隧道段和橋梁段組成，由于鐵路災害具有分布廣泛、類型眾多、發(fā)生頻繁等特點，鐵路“十二五”發(fā)展規(guī)劃專門將鐵路沿線地質災害及路基、橋梁、隧道、軌道智能化、信息化安全監(jiān)測評估技術確定為重點任務。蔣金洲等實現(xiàn)了高速鐵路軌道狀態(tài)遠程監(jiān)測數(shù)傳系統(tǒng)，對鐵路基礎設施進行全天候在線自動監(jiān)測，為基礎設施服役狀態(tài)判定提供數(shù)據(jù)支撐[1]；張衛(wèi)民研發(fā)的無線傳感器網(wǎng)絡上層信息傳輸系統(tǒng)能夠采集、傳輸、分析鐵路沿線信息，對影響運輸安全的信息給出預警[2]；李欣對鄭西高鐵濕陷黃土路基沉降監(jiān)測及預警系統(tǒng)進行了研究，建立了預警等級體系，并開發(fā)了鐵路路基沉降監(jiān)測預警系統(tǒng)[3]。GIS技術的發(fā)展已融入到各行各業(yè)，在高鐵安全上也不例外：英國Vaisala公司基于GIS技術開發(fā)了能夠實時監(jiān)控各種安全指標的Railcast系統(tǒng),在達到預警值時可以發(fā)出警報；方爭楠結合GIS技術，系統(tǒng)研究了高鐵沿線的應急救援管理[4]；鐵道部科技司研究了鐵路地理信息系統(tǒng)的總體方案，將其應用在設備管理、勘測設計，尤其是鐵路防災等系統(tǒng)中[5]；青藏鐵路線建立了集成運營綜合監(jiān)控、應急救援指揮、信息共享發(fā)布等業(yè)務系統(tǒng)的GIS平臺,提供了GIS在中國鐵路的良好應用實現(xiàn)[6]。

1相關技術介紹

1.1ArcGIS產(chǎn)品體系

ArcGIS是ESRI開發(fā)的一個完整的地理信息平臺，它包括ArcMap、ArcEngine、ArcGIS Server、ArcSDE、Geodatabase等一系列的產(chǎn)品。ArcGIS Server是構建包括Web應用、Web服務以及其它運行在標準的.NET和J2EE Web服務器上的企業(yè)應用等的管理、支持多用戶的企業(yè)級GIS應用的產(chǎn)品，它提供在線地圖發(fā)布、瀏覽、分析和地圖編輯功能,并可提供包括地圖服務、地理編碼服務、幾何服務、地理處理服務、要素服務等多種REST類型的GIS服務[7]。ArcGIS Server JavaScript API是根據(jù)JavaScript技術實現(xiàn)的一組腳本，作為將GIS地圖和任務嵌入到Web應用程序的輕量級方式，它能夠快速創(chuàng)建有效地融合樣式的Web應用程序[8]。

1.2WebSocket

為了實現(xiàn)高鐵基礎設施監(jiān)測超標點的實時預警，采用WebSocket技術實現(xiàn)了服務器端和瀏覽器端的實時通信。該協(xié)議在單一TCP連接上實現(xiàn)服務器和瀏覽器客戶端之間的雙通道通信。服務器端啟動套接字監(jiān)聽程序監(jiān)聽客戶端連接請求，解析客戶端WebSocket“握手”信息，依據(jù)協(xié)議標準生成包含WebSocket協(xié)議頭的回應信息。在“握手”之后，客戶端和服務器端的WebSocket連接就建立起來了，雙方通過該通道傳遞信息，除非其中一方主動關閉連接，該連接將持續(xù)存在[9]。

2系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設計

本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括業(yè)務數(shù)據(jù)庫和空間數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫體系結構如圖1所示。

圖1　安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫體系結構

2.1業(yè)務數(shù)據(jù)庫

本文系統(tǒng)中與監(jiān)測工程業(yè)務相關的數(shù)據(jù)直接以數(shù)據(jù)表的形式在Oracle 11g數(shù)據(jù)庫中存放，通過數(shù)據(jù)訪問接口進行訪問。相關業(yè)務數(shù)據(jù)主要包括兩部分：

1)監(jiān)測工程數(shù)據(jù)：監(jiān)測工程新建與維護信息，監(jiān)測工程的機構、角色、人員、儀器、車站和區(qū)間等信息，光纖和光柵傳感器布設數(shù)據(jù)，導入的監(jiān)測數(shù)據(jù)(包括分布式光纖數(shù)據(jù)和光柵類數(shù)據(jù))，工程測點設置，監(jiān)測數(shù)據(jù)報警值設置，監(jiān)測超標數(shù)據(jù)及其處理措施，監(jiān)測報告等與某監(jiān)測工程相關的各種數(shù)據(jù)。

2)監(jiān)測業(yè)務辦公數(shù)據(jù)：包括工程類型，工程屬性，測點類型，與某監(jiān)測工程相關的各工程機構，工程機構中的系統(tǒng)用戶，各用戶的角色及系統(tǒng)操作權限，工程相關工作報告等與監(jiān)測工程相關的機構、用戶和系統(tǒng)管理信息。

2.2基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫

本文系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)包括基礎空間數(shù)據(jù)和監(jiān)測專題數(shù)據(jù)。

1)基礎空間數(shù)據(jù)：系統(tǒng)的底圖包括地圖和影像兩種基礎空間數(shù)據(jù)類型。地圖類型的基礎空間數(shù)據(jù)采用國家測繪地理信息局發(fā)布的天地圖在線服務，其采用球面墨卡托投影類型，服務類型包括底圖和中文注記，包含2至18級的顯示級別，服務調(diào)用地址分別為http://t0.tianditu.com/vec_w/wmts和http://t0.tianditu.com/cva_w/wmts；影像類型的基礎空間數(shù)據(jù)采用ESRI提供的“satellite”類型的在線影像底圖。由于基礎空間數(shù)據(jù)采用在線地圖服務，不需要在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進行組織。

2)監(jiān)測專題數(shù)據(jù)：包括高速鐵路線的橋梁、隧道、路基等基礎設施，各基礎設施沿線所布置監(jiān)測測點，各高鐵站站點和站點區(qū)間等具有空間分布并與監(jiān)測相關的數(shù)據(jù)。采用Geodatabase數(shù)據(jù)模型對監(jiān)測專題空間數(shù)據(jù)進行組織，通過ArcSDE空間數(shù)據(jù)庫引擎將專題空間數(shù)據(jù)及其相關屬性數(shù)據(jù)導入到Oracle 11g數(shù)據(jù)庫中進行存儲，建立基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫，其主要流程如圖2所示。

圖2　基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫建立流程

3地圖服務發(fā)布

在建立基于ArcSDE的空間數(shù)據(jù)庫后，利用ArcGIS Server在服務器上將地圖數(shù)據(jù)發(fā)布成各種不同性能的REST風格GIS服務，通過服務器存儲地圖數(shù)據(jù)、管理GIS服務，并處理與GIS相關的任務。REST用來定義一個Web Service API，通過HTTP進行資源管理，例如創(chuàng)建、讀取、更新和刪除等操作。REST服務是將ArcGIS Server提供的REST資源通過HTML表現(xiàn)出來的URL。利用REST，輸入網(wǎng)址即可實現(xiàn)一切。

4系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

4.1總體框架設計

高鐵基礎設施安全監(jiān)測管理系統(tǒng)采用B/S架構，在此基礎上劃分了4層體系結構，如圖3所示。

圖3　高速鐵路基礎設施安全監(jiān)測系統(tǒng)體系結構

1)數(shù)據(jù)層：包括監(jiān)測專題數(shù)據(jù)、監(jiān)測辦公業(yè)務數(shù)據(jù)和監(jiān)測工程數(shù)據(jù)。

2)服務層：通過ArcGIS Server讀取Geodatabase空間數(shù)據(jù)并發(fā)布成REST風格的地圖服務和要素服務等GIS服務，將部分GIS功能和業(yè)務數(shù)據(jù)結合在服務器端進行監(jiān)測業(yè)務邏輯的實現(xiàn)，采用Web Services技術，用REST接口形式提供Web服務。

3)動態(tài)交互層：在客戶端對內(nèi)容、形式和樣式進行分離，瀏覽器接收用戶對數(shù)據(jù)和功能服務的請求，通過WebSocket協(xié)議同服務器端進行數(shù)據(jù)交換，客戶端解析數(shù)據(jù)后采用HTML5和JavaScript實現(xiàn)數(shù)據(jù)和功能服務的展示。

4)用戶層：對不同角色的用戶分配不同的系統(tǒng)功能操作權限。

4.2系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境

本文高鐵基礎設施安全監(jiān)測管理系統(tǒng)以Oracle 11g作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，采用MyEclipse 10平臺對服務器端和瀏覽器客戶端進行開發(fā)，服務器端采用Java語言，瀏覽器客戶端采用HTML5、CSS3和JavaScript等語言。對于GIS模塊的開發(fā)，利用ArcGIS 10.0的ArcScan模塊進行影像矢量化和屬性數(shù)據(jù)錄入，通過ArcSDE將空間和屬性數(shù)據(jù)導入Oracle 11g數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一存儲，通過ArcGIS Server發(fā)布GIS服務后，調(diào)用ArcGIS API for JavaScript編程實現(xiàn)GIS模塊的功能。

4.3系統(tǒng)主要功能

高鐵基礎設施監(jiān)測管理系統(tǒng)主要用戶為監(jiān)測單位監(jiān)測人員,通過它監(jiān)測員可以實現(xiàn)基于光纖傳感技術的高鐵隧道、橋梁、路基等基礎設施監(jiān)測工程的建立和配置,查詢并處理監(jiān)測超標數(shù)據(jù),處理工作報告等,查詢重點關注區(qū)間和監(jiān)測超標點信息及地圖定位，并可以統(tǒng)計監(jiān)測工程的預警信息。系統(tǒng)主要功能(圖4～圖9)如下：

1)工程建立與維護：填寫工程概況，配置工程機構、人員、儀器、車站、區(qū)間等，布設光纖和光柵傳感器，設置監(jiān)測數(shù)據(jù)超標報警值。

圖4　工程維護

圖5　監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢

圖6　地圖定位

圖7　重點關注

2)監(jiān)測超標數(shù)據(jù)查詢與處理：監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢與數(shù)據(jù)曲線查看，監(jiān)測超標數(shù)據(jù)查詢，超標數(shù)據(jù)處理與上報。

3)系統(tǒng)管理：系統(tǒng)模塊菜單和各菜單功能管理，監(jiān)測工程相關機構、角色配置，系統(tǒng)用戶信息、角色和操作權限等的管理。

4)數(shù)據(jù)字典：各工程均涉及的工程類型、工程屬性、測點類型、機構類型、設備類型、報告類型和資料類型等數(shù)據(jù)。

5)地圖基本操作：地圖放大、縮小和漫游移動，地圖與衛(wèi)星影像底圖的切換。

6)屬性定位：根據(jù)高速鐵路基礎設施的起終里程，在地圖上顯示某一橋梁段、路基段或隧道段及其屬性信息。

圖8　監(jiān)測超標點查看

圖9　預警統(tǒng)計

7)區(qū)間定位：在地圖上顯示兩相鄰站點之間的區(qū)間及其屬性信息，包括區(qū)間內(nèi)橋梁、隧道的數(shù)量和長度及路基的長度。

8)重點關注：在地圖上顯示某重點關注監(jiān)測段及其中測點的詳細信息，包括里程、工程屬性、測點警戒值、實測值、橫斷面圖和曲線等。

9)監(jiān)測超標點定位和信息查詢：將超標滾動窗口中的監(jiān)測超標測點顯示在地圖上，并查看該測點的詳細信息。

10)預警統(tǒng)計：統(tǒng)計查詢某工程各超標監(jiān)測點的超標級別、所在里程、工程屬性和超標時間等信息。

5結束語

本文在利用光纖傳感技術對基礎設施進行現(xiàn)場監(jiān)測的基礎上，開發(fā)了B/S結構的高鐵基礎設施安全監(jiān)測管理系統(tǒng)，利用WebSocket技術實現(xiàn)服務器端和瀏覽器端的實時通信；基于ArcSDE構建空間數(shù)據(jù)庫，通過ArcGIS Server在GIS服務器發(fā)布地圖服務后，調(diào)用ArcGIS API for JavaScript開發(fā)GIS模塊功能。本系統(tǒng)將先進監(jiān)測技術與GIS的空間分析處理能力結合起來，強化了地圖和屬性數(shù)據(jù)互查功能，實現(xiàn)了超標監(jiān)測點的實時地圖定位預警，幫助及時采取措施減少損失，已運用于廣深港客運專線蓮花湖橋隧試驗段，方便了監(jiān)測信息的分析和管理，不僅具有通用性強、運行維護方便、實用性強等的特點，而且對于其他工程結合GIS技術建立安全監(jiān)測信息系統(tǒng)，也有一定的借鑒價值和參考意義。

參考文獻：

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[3]李欣.鄭西高鐵濕陷黃土路基沉降監(jiān)測及預警系統(tǒng)研究[D].西安:長安大學,2012.

[4]方爭楠.基于GIS的高鐵沿線應急救援管理系統(tǒng)研究[D].成都:西南交通大學,2014.

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[責任編輯：路曉鴿]

Research of high-speed railway infrastructure safety monitoring management system based on ArcGIS ServerLI Daozhen,ZHANG Changsheng,QIANG Xiaojun,LANG Xiangwei

(Shenzhen Research and Design Institute,China Academy of Railway Sciences,Shenzhen 518000,China)

Abstract：To improve the informatization level of high-speed railway infrastructure safety monitoring, and to realize the real-time warning of overproof monitoring data, this paper studies and realizes high-speed railway infrastructure safety monitoring management system,which completes the image vectorization and attribute data input by use of ArcScan, builds system database in Oracle 11g and constructs spatial database within, then publishes map service via ArcGIS Server. Based on B/S architecture, the system in this paper gets to the real-time communication between the server and browser, and realizes the functions of GIS module by call of the ArcGIS API for JavaScript. Application shows that the system improves the imformatization level of high-speed railway infrastructure safety monitoring, and is of strong practicality.

Key words：ArcGIS Server; high-speed railway; infrastructure; safety monitoring

中圖分類號：TP315

文獻標識碼：A

文章編號：1006-7949(2016)06-0070-06

作者簡介：李道震(1988-)，男，研究實習員，碩士.

基金項目：中國鐵道科學研究院項目(1351SZ0103)

收稿日期：2015-04-01;修回日期：2015-11-05