基于ArcGIS Server的高鐵基礎設施安全監測管理系統研究

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)

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基于ArcGIS Server的高鐵基礎設施安全監測管理系統研究

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測的信息化水平，實現監測超標預警的實時性，研究實現高鐵基礎設施安全監測管理系統。利用ArcScan進行影像矢量化和屬性數據錄入，系統業務數據庫采用Oracle 11g，并在其中建立基于ArcSDE的空間數據庫，通過ArcGIS Sever發布地圖服務。系統采用B/S體系結構，利用WebSocket技術實現服務器端和瀏覽器端的實時通信，調用ArcGIS API for JavaScript完成了系統GIS模塊功能。通過在試驗工程中的應用表明，系統實用性強，提高高鐵基礎設施安全監測的信息化水平，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、發生頻繁等特點，鐵路“十二五”發展規劃專門將鐵路沿線地質災害及路基、橋梁、隧道、軌道智能化、信息化安全監測評估技術確定為重點任務。蔣金洲等實現了高速鐵路軌道狀態遠程監測數傳系統，對鐵路基礎設施進行全天候在線自動監測，為基礎設施服役狀態判定提供數據支撐[1]；張衛民研發的無線傳感器網絡上層信息傳輸系統能夠采集、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測及預警系統進行了研究，建立了預警等級體系，并開發了鐵路路基沉降監測預警系統[3]。GIS技術的發展已融入到各行各業，在高鐵安全上也不例外：英國Vaisala公司基于GIS技術開發了能夠實時監控各種安全指標的Railcast系統,在達到預警值時可以發出警報；方爭楠結合GIS技術，系統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中[5]；青藏鐵路線建立了集成運營綜合監控、應急救援指揮、信息共享發布等業務系統的GIS平臺,提供了GIS在中國鐵路的良好應用實現[6]。

1相關技術介紹

1.1ArcGIS產品體系

ArcGIS是ESRI開發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服務器上的企業應用等的管理、支持多用戶的企業級GIS應用的產品，它提供在線地圖發布、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JavaScript技術實現的一組腳本，作為將GIS地圖和任務嵌入到Web應用程序的輕量級方式，它能夠快速創建有效地融合樣式的Web應用程序[8]。

1.2WebSocket

為了實現高鐵基礎設施監測超標點的實時預警，采用WebSocket技術實現了服務器端和瀏覽器端的實時通信。該協議在單一TCP連接上實現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聽程序監聽客戶端連接請求，解析客戶端WebSocket“握手”信息，依據協議標準生成包含WebSocket協議頭的回應信息。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，該連接將持續存在[9]。

2系統數據庫設計

本文系統數據庫包括業務數據庫和空間數據庫，數據庫體系結構如圖1所示。

圖1　安全監測系統數據庫體系結構

2.1業務數據庫

本文系統中與監測工程業務相關的數據直接以數據表的形式在Oracle 11g數據庫中存放，通過數據訪問接口進行訪問。相關業務數據主要包括兩部分：

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

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

2.2基于ArcSDE的空間數據庫

本文系統的空間數據包括基礎空間數據和監測專題數據。

1)基礎空間數據：系統的底圖包括地圖和影像兩種基礎空間數據類型。地圖類型的基礎空間數據采用國家測繪地理信息局發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據采用ESRI提供的“satellite”類型的在線影像底圖。由于基礎空間數據采用在線地圖服務，不需要在系統數據庫中進行組織。

2)監測專題數據：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測測點，各高鐵站站點和站點區間等具有空間分布并與監測相關的數據。采用Geodatabase數據模型對監測專題空間數據進行組織，通過ArcSDE空間數據庫引擎將專題空間數據及其相關屬性數據導入到Oracle 11g數據庫中進行存儲，建立基于ArcSDE的空間數據庫，其主要流程如圖2所示。

圖2　基于ArcSDE的空間數據庫建立流程

3地圖服務發布

在建立基于ArcSDE的空間數據庫后，利用ArcGIS Server在服務器上將地圖數據發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據、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表現出來的URL。利用REST，輸入網址即可實現一切。

4系統設計與實現

4.1總體框架設計

高鐵基礎設施安全監測管理系統采用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測系統體系結構

1)數據層：包括監測專題數據、監測辦公業務數據和監測工程數據。

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

3)動態交互層：在客戶端對內容、形式和樣式進行分離，瀏覽器接收用戶對數據和功能服務的請求，通過WebSocket協議同服務器端進行數據交換，客戶端解析數據后采用HTML5和JavaScript實現數據和功能服務的展示。

4)用戶層：對不同角色的用戶分配不同的系統功能操作權限。

4.2系統開發環境

本文高鐵基礎設施安全監測管理系統以Oracle 11g作為系統數據庫，采用MyEclipse 10平臺對服務器端和瀏覽器客戶端進行開發，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，利用ArcGIS 10.0的ArcScan模塊進行影像矢量化和屬性數據錄入，通過ArcSDE將空間和屬性數據導入Oracle 11g數據庫中統一存儲，通過ArcGIS Server發布GIS服務后，調用ArcGIS API for JavaScript編程實現GIS模塊的功能。

4.3系統主要功能

高鐵基礎設施監測管理系統主要用戶為監測單位監測人員,通過它監測員可以實現基于光纖傳感技術的高鐵隧道、橋梁、路基等基礎設施監測工程的建立和配置,查詢并處理監測超標數據,處理工作報告等,查詢重點關注區間和監測超標點信息及地圖定位，并可以統計監測工程的預警信息。系統主要功能(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、區間等，布設光纖和光柵傳感器，設置監測數據超標報警值。

圖4　工程維護

圖5　監測數據查詢

圖6　地圖定位

圖7　重點關注

2)監測超標數據查詢與處理：監測數據查詢與數據曲線查看，監測超標數據查詢，超標數據處理與上報。

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

4)數據字典：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據。

5)地圖基本操作：地圖放大、縮小和漫游移動，地圖與衛星影像底圖的切換。

6)屬性定位：根據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　監測超標點查看

圖9　預警統計

7)區間定位：在地圖上顯示兩相鄰站點之間的區間及其屬性信息，包括區間內橋梁、隧道的數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)監測超標點定位和信息查詢：將超標滾動窗口中的監測超標測點顯示在地圖上，并查看該測點的詳細信息。

10)預警統計：統計查詢某工程各超標監測點的超標級別、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場監測的基礎上，開發了B/S結構的高鐵基礎設施安全監測管理系統，利用WebSocket技術實現服務器端和瀏覽器端的實時通信；基于ArcSDE構建空間數據庫，通過ArcGIS Server在GIS服務器發布地圖服務后，調用ArcGIS API for JavaScript開發GIS模塊功能。本系統將先進監測技術與GIS的空間分析處理能力結合起來，強化了地圖和屬性數據互查功能，實現了超標監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技術建立安全監測信息系統，也有一定的借鑒價值和參考意義。

參考文獻：

[1]蔣金洲,呂國輝,梁晨,等.基于光纖光柵傳感技術的高速鐵路軌道狀態遠程監測數傳系統[J].鐵道建筑,2015(1):76-79.

[2]張衛民.鐵路監測無線傳感器網絡的關鍵技術研究[D].蘭州:蘭州交通大學,2014.

[3]李欣.鄭西高鐵濕陷黃土路基沉降監測及預警系統研究[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研究[D].成都:西南交通大學,2014.

[5]朱陳偉.基于ArcGIS的高速鐵路空間數據組織與應用[D].成都:西南交通大學,2012.

[6]秦勇,王卓,王艷輝,等.青藏鐵路綜合監控中心系統的研究與應用[J].交通運輸系統工程與信息,2007(2):129-134.

[7]廖佳,鄒崢嶸,邱山鳴,等.基于J2EE和ArcGIS Server的水電工程安全監測信息系統設計[J].測繪與空間地理信息,2009(1):111-113，116.

[8]宗恒康.基于ArcGIS Server REST API的安全生產監管信息系統的設計與實現[D].青島:山東科技大學,2011.

[9]丁克奎,鐘凱文,周旭斌,等.基于WebSocket和GeoJSON的WebGIS的設計與實現[J]. 測繪通報,2015(2):109-112.

[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