地理信息輔助決策下的交通戰備信息平臺建設研究

羅琪斯， 陳秉乾， 楊澤東

(1.廣西壯族自治區地圖院，廣西 南寧 530023；2.中國測繪科學研究院,北京 100039)

1 必要性分析

國防交通戰備工作是國防動員工作的重要組成部分[1]，整合現有交通保障資源和保障力量，建立數字化、網絡化、信息化高度整合的國防交通應急應戰信息平臺，對于提高國防交通工作平戰轉換能力，在急時和戰時保障交通運輸正常運行有著重要意義。交通戰備工作涉及鐵路、公路、水路、航空、物流[2]等方面，與基礎地理信息有著密不可分的聯系。而當前，交通戰備業務數據仍存在以文件式存儲、缺乏地理位置坐標、無法進行可視化瀏覽管理和科學決策分析等問題。利用基礎地理信息數據為交通戰備信息化平臺搭建時空數據地理基底層、利用地理信息空間分析技術手段為交通戰備智能化決策提供輔助支撐、利用GIS搭建國防交通戰備信息化平臺，實現國防交通戰備數據的信息化管理，是貫徹軍民融合、軍地融合中的“資源共享”、“技術共研”、“信息主導”[3]的重要體現。

2 技術路線

實現軍地多源數據匯聚引接，整合鐵路、公路、水路、民航等行業數據資源，以及交通戰備業務領域專題數據資源等，提供統一、集約共享的底層數據資源服務。搭建交通戰備信息平臺，建成一套軍民深度融合、共建共享，以地圖為底圖的“一張圖”形式展示、管理國防交通戰備數據，為軍事行動交通保障、應急應戰指揮提供技術支持的信息化平臺。形成依托空間分析的科學輔助決策模式，發揮地理信息空間決策分析技術在工作模式創新、決策方法優化等方面的驅動作用，不斷提高交通戰備管理決策的科學化水平。

2.1 技術流程

本研究技術流程如圖1所示。針對國防交通戰備信息化的需求，充分發揮基礎地理信息成果的輔助支撐作用，整合交通戰備相關業務數據，構建標準化數據庫；基于國防交通應急應戰專家經驗，通過算法研究和工具開發，結合B/S和C/S兩種平臺模式的優勢，實現信息化平臺的搭建。

2.2 平臺框架

平臺以技術流程和相關標準規范為指導，以總體設計、統一構建為原則，總體框架分為基礎支撐層、業務邏輯層與應用服務層三個層級。其中，基礎支撐層主要為業務邏輯提供穩定可靠的算法模型與基礎地理信息數據、交通戰備專題數據的數據支撐；業務邏輯層采用模塊化設計，將算法模型與具體業務邏輯封裝成自由組裝、獨立擴展的功能單元，以供上層系統調用；應用服務層根據不同的系統建設需求，將下層業務邏輯進行組裝集成，分別形成應急應戰最優路徑生成、多源數據“一張圖”疊加、二三維一體化分析和專題地圖快速出圖等應用服務接口。平臺總體框架如圖2所示。

2.3 功能體系

如圖3所示，交通戰備信息平臺分為B/S(瀏覽器/服務器)架構和C/S(客戶端/服務器)架構兩種類型進行搭建，其中B/S版主要用于基于瀏覽器的便捷瀏覽，C/S版兼具復雜的數據融合匯聚和空間分析決策功能，兩者的結合，既可實現良好的數據可視化效果、系統的易維護性、易擴展性，又能滿足強大的空間分析輔助決策功能和高安全性、保密性。圍繞國防交通戰備業務職能，功能模塊主要包含：

圖1 交通戰備信息平臺建設技術流程

圖2 交通戰備信息平臺框架

圖3 交通戰備信息平臺功能體系

(1)“一張圖”模塊，匯聚交通基礎設施、保障力量資源等多方面信息，多源數據分類、分圖層疊加在統一的標準地理空間參考下，構建國防交通態勢“一張圖”。

(2)三維場景模塊，實現針對三維地形場景的剖面分析、可視域分析、通視分析以及應急推演結果的模擬展示，可與二維電子地圖雙視圖聯動瀏覽。

(3)國防交通專項規劃模塊，實現戰備專項規劃數據的地圖可視化、數據管理、統計分析。構建交通規劃編繪上圖能力，實現國防交通規劃計劃合理布局編制。

(4)重點保障目標模塊、專業保障隊伍和物資儲備模塊、民用運力國防動員模塊，實現戰時交通重點保障目標、專業保障隊伍和物資儲備及民用運力的可視化、集成管理、統計分析。構建國防交通資產“一張表”，實現國防交通資產實力精細化管理。

(5)軍隊軍事行動交通保障模塊、軍事演練交通保障模塊、應急應戰指揮模塊，為軍隊軍事行動交通和軍事演練提供路網分析支持，具有軍隊軍事行動交通預案報告生成功能，為應急指揮提供預案推演。

(6)戰備標圖管理模塊，制作國防交通專題地圖符號庫，通過繪制點、線、面或文字要素，對二三維地圖進行標注并進行要素的符號化編輯，輸出成圖。

3 關鍵技術

3.1 海量多源異構數據流程化處理

交通戰備數據涵蓋基礎地理信息數據、路網數據、三維地形數據、POI數據、交通戰備專題數據和其他引接行業數據等，存在數據量大、數據格式各異、字段類型及表現形式不統一、數據質量參差不齊、無空間位置信息，且多以“文件形式”存儲等問題。針對當前的數據問題，提出了海量多源異構數據融合的處理模型，如圖4所示，為實現軍內、軍地、地區之間的數據交換和集成共享奠定基礎。

圖4 交通戰備多源異構數據處理模型

數據管理器對多源異構數據進行分類整理，并通過多種傳輸方式進行數據傳輸。數據標準化處理算子針對某一種類數據進行流程化處理，如地理信息數據，進行格式轉換、數據結構標準化轉換、坐標轉換等處理；對文件型數據進行數據清洗，同時對數據中文本地址字段進行地理逆編碼處理，實現屬性數據向空間數據的轉換。而后完成數據質量檢查入庫，使海量的異構數據遵循統一的空間數據規范標準。該模型能較好地解決當前交通戰備海量多源異構數據在存儲、處理和使用方面存在的諸多不便，有效提高數據利用效率。

3.2 基于多規則的戰備交通路網智能化分析

國防交通戰備投送運輸具有覆蓋范圍廣、通達程度深、時效性強、機動靈活等特點。不同于傳統路網分析，將橋隧數據處理成點數據，造成無法解決橋隧交叉行駛問題且無法考慮橋隧限高、限寬、限重等實際應用問題。本研究通過對路網數據深加工、創建網絡數據集[4]，引入道路分級概念，實現了車輛行駛過程中的“優先走大路”路線智能選擇；提出的戰備交通路網智能化分析顧及實際交通規則限制及自定義阻抗范圍的自動避讓，將橋隧處理為具有明顯幾何屬性(長/寬/高)的線要素，解決橋隧交叉行駛和橋隧限高、限寬、限重等實際應用問題。上述技術確保了路網分析計算結果的智能化和科學性。

3.2.1 路網分析中的“優先走大路”

“優先走大路”是指車輛行駛時優先走城市主干道以上級別的道路，可保證車輛的高速行駛和車輛的載貨量符合上路行駛要求。通過引入道路等級的方法解決“優先走大路”的應用需求。本研究將車輛行駛過程細分為兩個子過程，如圖5所示。

圖5 路網分析之“優先走大路”模型

車輛起步時，獲取起點位置，并以設置的定位距離參數對該點做空間緩沖區分析，查找附近道路，根據道路等級遴選空間查詢分析結果中的道路列表，以確定車輛行駛起點所在道路。車輛在行駛過程中，通過讀取網絡數據集的道路等級描述屬性和道路等級約束屬性，在符合成本最低的情況下，自動避讓低級別道路，遴選出所有主干道路，并將該道路列表傳入路網分析模塊進行路徑優化。

3.2.2 針對約束性交通規則的自動避讓

傳統路網分析中，時間、距離等成本屬性是影響路網分析的主要因素，但在現實生活中，成本因素只是路網分析中的通用要素，車輛在行駛過程中還需根據自身車輛特性避讓，諸如限寬、限高、限重等因子。本文通過引入網絡數據集約束屬性，結合對橋梁、隧道和高架橋數據的加工，解決路網分析中對限高、限寬、限重交通規則的自動避讓。

以高架橋限高處理為例，數據解決方案如圖6所示[5]。

圖6 高架橋限高問題數據解決方案

高架橋位于道路L1，道路L2位于高架橋的下方，需將L2切割為3部分，將高架橋正下方的切割段轉換為“橋梁”，并將其復制到橋隧圖層，同時在原道路L2中同一空間位置“挖空”同等長度的線要素，保證橋隧圖層與原路網圖層整體連通。添加描述符屬性：以網絡數據集中的高架橋圖層為例，添加描述符屬性：MaxHeight，以描述橋梁隧道的最大高度。添加約束條件屬性：本研究網絡數據集的約束條件類型為“禁止”，添加LimitHeight限制屬性，同時為屬性添加輸入參數CustomHeight，設置限制屬性的限制啟用條件為函數。以LimitHeight為例：當CustomHeight> MaxHeight為True時啟用LimitHeight限制。同理限高、限寬、限重等各限制屬性具體啟用條件如表1所示。

表1 網絡數據集限制屬性擴展表

3.3 基于虛擬地理環境的應急應戰指揮交通保障

應急應戰指揮交通保障旨在根據應急點或應急區域空間范圍，分析查詢附近的重點保障目標，并進一步求解各保障力量點到各重點保障目標的最優路徑，形成直觀的立體多維態勢可視、展現能力實時的應急應戰行動信息支持能力和交通保障數據輔助決策能力。分為3個子過程：輸入源確定、附近情況查詢、路徑分析[4]，如圖7所示。

圖7 基于虛擬地理環境的應急應戰指揮交通保障模型

輸入源是指應急點或應急區域空間范圍，基于虛擬地理環境的應急應戰指揮交通保障通過二三維一體化技術，提供在二三維雙視圖下確認輸入源的功能。附近情況查詢用于查詢確認事故區域內需要處置的重點保障目標：在二維視圖下，對輸入源進行空間緩沖區分析，得到緩沖區內的重點保障目標點位；在三維視圖下，提供淹沒分析等三維分析功能，可將淹沒分析結果區域與重點保障目標數據進行空間求交運算，從而得到淹沒區域內的重點保障目標。確認重點保障目標位置后，再對獲得的各重點保障目標進行空間緩沖區分析，求解其附近的保障力量點。從保障力量結果列表中，利用最近設施點分析技術，求解各保障力量到各重點保障目標的最優距離，并自動生成預案報告。分析結果可通過二三維一體化技術，將路徑結果同時繪制在二三維視圖中，并以三維空中漫游形式，模擬救急路線沿線的真實地形地貌環境。

4 應用示例

在上述平臺技術的基礎上，進行了典型應用，以一個應急保障案例來展示關鍵技術的實現。應用場景：當某地點A發生應急事件，需了解該應急點x公里范圍內的重點目標B(b1,b2,……)分布和每個重點目標y公里范圍內的救援隊伍C(c1,c2,……)或儲備物資點D(d1,d2,……)分布，并智能分析出救援隊伍或儲備物資點到重點目標的最佳行駛路徑S(s1,s2)。

其中A應急點x公里范圍內重點目標B分布和B重點目標y公里范圍內的救援隊伍C和物資儲備點D分布的分析過程即為空間緩沖區分析的過程。實現結果如圖8所示，圖中以不涉密的某學校和加油站數據為例，學校為中心點作半徑為30 000 m的圓形空間緩沖區分析，得到其范圍內的加油站分布。

圖8 應急點緩沖分析

智能分析出救援隊伍C或儲備物資點D到重點目標B的最佳行駛路徑S(s1,s2)的過程，為兩點間基于多規則的戰備交通路網智能化分析的過程，其分析結果展示則為基于虛擬地理環境的應急應戰指揮交通保障。如圖9所示，考慮橋隧限高、限寬、限重的實際問題，設置救援交通工具的屬性，作為分析約束因子之一。如圖10所示，在某條道路上設置禁止通行區域后，通過最短路徑和“優先走大路”兩種算法，智能分析得出兩種預案行進路線，其中紅色路線為“優先走大路”分析結果，綠色路徑為最短路徑分析結果，同時列出兩條預案路線圖中行經的重要設施點。由圖10可見，兩條預案路線均避開了禁止通行區域，分析結果可在三維視圖中同步漫游顯示，且可導出應急預案結果。

經實際項目驗證，應用效果滿足實際業務需求。

5 結束語

本文通過對交通戰備專題數據、三維地形、興趣點等海量多源異構數據的整合，搭建一個交通應急應戰空間數據庫和集信息查詢、業務處理、輔助決策等功能為一體的交通戰備信息化平臺。并提出了面向海量多源異構數據處理的標準化流程、基于多規則的戰備交通路網智能化分析算子和基于虛擬地理環境的應急應戰指揮交通保障模式，具備以下特點：

圖9 車輛規則設置

圖10 應急應戰交通保障

(1)以地理信息技術支撐助力國防交通運輸應急反應和快速處置能力的提高。信息化系統的建立可滿足應急管理對信息及時性、準確性的要求，實現信息資源共享、指揮通信互聯，增強平戰轉換能力，使現代應急保障技術向自動化、可視化、信息化方向發展。

(2)建立了交通戰備相應的信息技術標準和規范，對各類數據信息統一分類，完善數據結構標準和信息接口標準，為實現軍內、軍地、地區之間各類數據的傳輸、交換和集成共享打好基礎。

(3)信息化、空間化、可視化和智能化分析技術，可向軍地通用、行業聯控、戰時聯指的交通戰備信息化通用平臺應用推廣，推動軍地科技信息交流、科研資源共享深化及軍民融合深度發展。