分布式隧道安全監測系統信息共享研究

令永春，吳云天，陳云峰，閔永智

（1.蘭州鐵路局，高級工程師；2.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，副教授；甘肅 蘭州 730070）

隧道是鐵路的咽喉區域，一旦在隧道發生安全事故，后果極其嚴重。隨著我國鐵路向著“高速、重載”方向發展，鐵路隧道越來越多，越來越長，為了及時掌握隧道的安全運營狀況，近年來在各個隧道安裝了各種隧道安全監測設施。鐵路分布式隧道安全監測系統可以實時、準確、分析、掌握隧道安全現狀，有效地協助鐵路運營部門掌握了解鐵路隧道總體安全狀況及其變化發展趨勢，為有效應對鐵路隧道安全事故打下堅實基礎。由于各個在線安全監測系統相互獨立，無標準數據格式和系統規范，導致無法實現各監測系統信息共享，難以形成一個全面反映鐵路隧道安全狀況的完整監控體系。其次，安全監測系統的數據結果一般還需人工分析，不僅勞動強度大，而且還容易由主觀因素造成錯誤，無法實現實時連續分析〔1，2〕。從而導致高層管理決策用戶對于緊急安全事故無法及時響應并做出正確決策。可見，解決目前各隧道安全監測系統中由于信息共享困難及交換障礙造成的信息孤島問題，是隧道安全監測信息共享中急需解決的技術難題。

由此，本文基于已測試運行的烏鞘嶺隧道安全監測系統中分布式隧道安全監測信息系統的架構，研究隧道安全監測信息的集成與共享，以及時空聯合建模表達等關鍵問題。其中信息共享是隧道安全在線監測信息系統的核心功能模塊，將為隧道運營部門提供隧道安全在線監測的信息管理、結果分析和數據可視化等決策支持服務。

1 隧道監測數據類型與信息元數據

1.1 隧道安全監測數據類型 由于分布式隧道安全監測系統由各種監測設備構成，其數據格式各不相同，為了有效地融合異構隧道安全監測設施，這里對由前端設備采集來的隧道安全監測數據的存儲和管理使用了以下2種基本類型。

1）隧道安全基礎數據。基礎數據包括隧道運營中常規安全監測項目和其它必須的輔助基礎信息。

2）隧道安全監測輸入數據。由各種監測系統輸入的數據是安全監測系統主要的分析對象。

由于各種隧道安全要素的監測數據具有異構性，因而與一般數據的共享與集成有所不同。首先，從隧道安全在線監測數據集成本身來講，全系統沒有統一的模式，因此無法進行監測數據的綜合分析和高階應用。其次，由于隧道安全監測數據存儲格式的多樣性、多維和海量性，并且還存在大量的多對多或一對多關系，使得以文件為主的管理方式根本無法滿足要求，還造成大量存儲空間的浪費，這給其數據的應用造成困難。最后，由于隧道安全監測數據還具有地理特性，為此可以按地理空間位置將監測數據進行組織。

為此，本文將安全信息元數據〔3〕、時空數據庫管理引擎和數據倉庫等技術引入隧道安全監測數據信息集成與共享中去，以解決目前隧道安全監測數據的獨立，互不兼容的集成及管理方式。

1.2 隧道安全監測信息元數據 隧道安全監測系統數據共享的目的就是建立信息共享規范，建立合理的資源描述，而資源描述主要依靠元數據。元數據也即“關于數據的數據”，是說明數據內容、質量、狀況和其它有關特征的背景信息。隧道安全在線監測系統其元數據設計包括：

1）隧道安全在線監測信息的數據規范，包括隧道安全環境基礎數據標準和安全監測分析方法標準等。

2）隧道安全監測系統的數據通信規范。規范隧道安全監測信息交換與傳輸中的格式、協議等內容：一是數據采集終端與系統之間通信以及監測子系統之間的數據交換。用于解決安全監測系統的傳輸介質、傳輸協議和數據格式互不相同的問題。二是安全監控系統與其它管理系統之間的數據通信。

2 隧道安全監測信息元數據庫

2.1 隧道安全監測信息元數據分析 隧道安全監測數據系統的主要監測對象是對隧道安全監測信息和反映這一信息的輔助信息等。該系統依據表示深度和抽象層次等不同的概念，完全可以把相應的數據劃分相關的核心數據、相關的依賴數據、相關的地理支持數據和相關性數據。其中，相關的核心數據指系統采集的監測信息與基本信息等內容；而表達核心數據時所須的輔助數據即為相關的依賴數據。對于一個具體的數據樣本，例如對隧道安全監測指標數據，隧道安全監測因子的數據為核心層；其相應的監測站點等必要信息則為依賴數據；另外，相應區域的基本信息等信息為地理支持數據及其相關數據。

基于隧道安全監測數據集的類型、學科分類及時空特點等，本文從以下方面進行信息規劃并建立元數據表。一是監測數據及其編碼就是相應的安全監測數據元數據。系統依據環境的實際情況，需要對各個指標建立必要的約束信息表。二是規劃空間要素。系統需要對空間信息編碼分類，其依據是根據現有管理方法和模式，建立其地理支持信息所需要的結構表，并根據該結構表對應的安全監測數據元數據加上相應的特征代碼采集監測點、管理單位等信息才能實現其分類。三是建立所需各類數據的相關性說明，包括系統的數據接口及數據有效性等。

2.2 元數據庫設計 利用層次化結構，建立面向對象數據結構的設計元數據庫。元數據作為系統的基本數據形式，應用于隧道安全監測系統中所有環節。動態數據是隧道安全監測系統中的核心數據，也是該系統中變化最為頻繁的內容，包括隧道安全監測數據、系統維護記錄、系統報表、運行情況等內容。隧道安全監測系統的環境基礎數據包括隧道安全監測站點信息、監測對象的信息、監測管理報表數據及其所在相應環境的輔助信息等。圖形數據庫包括基礎線路布局圖、隧道結構分布圖、隧道功能區域劃分及根據管理要求生成的所有專項的專題圖等。參數集包括系統所需的數據接口及各類相關數據分析模型所需的參數。

其中，隧道安全監測圖形數據和隧道安全監測基礎數據，一方面通過元數據形式建立內部相關聯的組織結構，另一方面又共同作為基礎，供動態數據使用，表示它們之間所對應的時空關系。

3 鐵路隧道安全監測信息空間數據庫

鐵路隧道安全監測信息中初始監測數據可以通過參照空間坐標系與地圖相關聯，具有時空特性、更簡單而高效的共享和表達。本文設計并實現了一個針對鐵路隧道安全信息的空間數據庫，集信息采集、存儲、檢索、分析處理和輸出系統化于一體，能夠提供多種檢索與查詢方法，為鐵路隧道管理部門提供可靠的決策依據，并為鐵路不同部門提供所需的信息。

傳統關系數據庫的空間數據具有特殊性，不具備直接支持功能。現有解決方法是通過把空間數據類型置入關系數據庫中，以對象的形式在已有關系數據庫中存在，改進系統相關功能。這種改進的系統通常稱為對象關系數據庫管理系統，能夠達到對屬性、空間等地理數據一體化管理的目的，關鍵技術是在邏輯層次上增加了一個空間數據庫管理引擎。該引擎可以將操作和空間數據進行抽象，提供對鐵路隧道線路信息的存儲、組織，提供對鐵路隧道線路信息的操作和高效查詢，同時對鐵路隧道線路各類信息進行數據定義和描述〔4〕。

從結構上分析，鐵路隧道信息空間數據庫分為數據庫應用層、數據庫引擎層、數據源層共3層（見圖1），而且使用空間數據庫引擎（SDE）和結構化查詢語言服務（SQL Server）技術來實現。

圖1 空間數據庫層次化結構模型

數據庫引擎層中的空間服務器能夠在所有資料和用戶之間提供接口，這樣用戶可以非常方便地獲取屬性資料、空間資料和其它的傳統數據管理系統（DBMS）的資料，這些功能采用SDE技術，將每一個空間物體作為一個對象，對象數據模型是不含拓撲邏輯的和連續的。

采用層次化結構進行分層，還可以在縱向上將圖形分為鐵路隧道線路層、鐵路隧道安全參數層、鐵路隧道監測站點層等，而且系統只需一次磁盤存取就能檢索出空間對象的幾何資料。采用SDE技術，可以將每種形狀的對象組成一個形狀表，并以記錄的形式存儲，空間幾何資料存儲在DBMS中的二進制數據塊對象類型的字段中。

4 鐵路隧道安全監測數據倉庫

本文針對鐵路隧道安全監測信息的特性，設計了鐵路隧道安全監測數據倉庫系統（見圖2）。在數據倉庫的概念的基礎上〔5〕，系統融合了多種相關技術，包括鐵路隧道數據源、鐵路隧道數據準備(抽取、轉換和裝載）、鐵路隧道元數據、鐵路隧道數據倉庫工具等。鐵路隧道安全監測數據倉庫需要對初始信息進行抽取、過濾、轉換和裝載，并進行數據建模，信息來源于多個相關的專業數據庫，由一個統一的前臺界面管理。鐵路隧道元數據能夠實現存儲鐵路隧道數據模型、定義數據結構、轉換規劃、倉庫結構、控制信息等多種功能，是數據倉庫的核心。

圖2 鐵路隧道安全監測數據倉庫系統

5 系統實現

基于以上的研究成果，我們實現了隧道安全監測系統的信息集成共享的方法。系統包括6個模塊：人員管理、數據采集模塊、數據分析模塊、隧道安全監測數據顯示模塊、信息交換模塊、信息發布模塊和后臺管理模塊。系統以隧道安全監測信息空間數據庫為基礎，實現隧道安全數據的自動采集、管理、分析及發布等基本功能，從而為維護人員提供了數據可視化服務。系統具有以下主要功能特點：

1）實時顯示基礎特征信息。在線路及隧道電子地圖上，以監測數據為基礎，顯示出各特征參數的基礎屬性信息和空間信息。

2）控制圖層的轉換。可以對已有圖層進行管理，修改各種格式的矢量圖層和影像圖層，控制圖層顯示的范圍。

3）數據查詢。對監測數據進行交互式查詢，主要采用簡單查詢和SQL復雜查詢兩種形式，其中包括屬性查詢、空間查詢和自動切換查詢。

4）數據統計。實現統計各種監測數據的評判指標。

5）圖形可視化。根據監測結果生成各類統計圖和專題圖，并輸出。

6 結束語

本文研究了基于隧道安全監測信息元數據以及空間數據庫管理引擎的集成方法，以隧道安全系統中監測數據倉庫為基礎，解決隧道安全監測信息的共享與數據可視化問題，實現了隧道安全監測平臺的核心功能，為維護部門提供隧道安全監測的數據管理、分析和可視化等決策支持服務。為進一步研究開發隧道安全監測數據倉庫奠定堅實的基礎。因此，數據倉庫作為一個面向主題的、集成的、實時的數據集合，非常適合應用于隧道安全監測領域。

〔1〕袁文忠.烏鞘嶺特長鐵路隧道空氣環境質量調查分析〔J〕.環境研究與監測，2009，22（01）：29-32.

〔2〕謝偉，孟巖.基于GIS的地鐵隧道安全監測信息系統設計〔J〕.鐵路計算機應用，2006，15（3）：15-17

〔3〕羅傳玲，高政國.地鐵隧道安全監測信息系統的設計與開發〔J〕.山西建筑，2007，（8）：13-16

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

〔5〕楊大勇，林奎.環境監測自動監測系統信息共享技術研究〔J〕.中國環境監測，2006，22(5）：1-5.

〔6〕姚艷敏，姜作勤，嚴泰來.國土資源信息核心元數據的研究〔J〕.測繪學報，2001，30(4）：349-354.

〔7〕李軍，景寧，孫茂印.集成型空間數據庫技術分析〔J〕.國防科技大學學報，2000，22(3）：37.