基于可視化技術(shù)的鐵路運營條件信息管理系統(tǒng)設計

劉文韜，牛青坡，宋 陽

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

目前，鐵路運營條件（簡稱：運條）信息管理以人工方式為主、單機版系統(tǒng)簡單查詢?yōu)檩o的模式，其信息管理并不具備廣泛的智能化關(guān)聯(lián)性，基礎線路、車站信息更新僅限于單條線路的獨立變更，在整個線路網(wǎng)絡中的變化并不能自動聯(lián)動，其信息管理方式仍需要更多的人工處理。隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，運輸市場結(jié)構(gòu)不斷變革，數(shù)據(jù)分析成為鐵路企業(yè)提質(zhì)增效的重要決策依據(jù)[1]。傳統(tǒng)的管理模式與高速鐵路大規(guī)模、大運量、高密度特征及信息化技術(shù)的發(fā)展不相適應[2]，為進一步提升運條信息管理的信息化水平，基于鐵路路網(wǎng)信息的業(yè)務特點，采用圖形化方式，綜合運用建模、動畫、圖形圖像處理等方法對數(shù)據(jù)進行多維度表達[3]，研究便捷的可視化展示技術(shù)，對整個路網(wǎng)中的“站”“線”進行關(guān)聯(lián)，改變線站分散管理的弊端，輔助業(yè)務人員對數(shù)據(jù)進行分析及決策，為用戶提供直觀、生動的視覺展示效果，進一步提升鐵路服務效率，實現(xiàn)鐵路運條管理的全面創(chuàng)新。

1 可視化管理總體設計

1.1 體系架構(gòu)設計

運條信息管理系統(tǒng)的用戶為中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）和鐵路局集團公司兩級，設計采用兩級管理的B/S模式，通過該體系架構(gòu)使得系統(tǒng)具有更好的可擴展性及實用性，為不同業(yè)務部門提供管理服務，系統(tǒng)體系架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

運條信息管理應用總體上分為客戶端、服務層、數(shù)據(jù)存儲層3部分，通過瀏覽器模式提供的服務將更有利于系統(tǒng)開發(fā)及維護。

（1）客戶端主要是面向業(yè)務用戶，不同級別用戶將擁有不同類型的業(yè)務權(quán)限，便于業(yè)務功能適應組織管理方式的需要。

（2）服務層接收客票專網(wǎng)環(huán)境下的客戶端請求，完成運條信息管理相關(guān)業(yè)務，在客票專網(wǎng)條件下通過與既有客票系統(tǒng)之間的服務接口傳輸路網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)客票系統(tǒng)信息與運條系統(tǒng)信息的一致性管理。可視化是服務層的主要業(yè)務服務，是對運條信息的圖形化展示及管理，基于各車站模擬坐標所處的路網(wǎng)位置展現(xiàn)運條線路及車站情況，實現(xiàn)將獨立的線站直觀化管理。

（3）數(shù)據(jù)存儲層主要是全面整合服務器、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)等資源，為業(yè)務服務提供基礎保障支撐及存儲服務，運條信息管理應用設計統(tǒng)一部署于國鐵集團，確保數(shù)據(jù)管理的完整性、一致性。

1.2 數(shù)據(jù)庫設計

運條基礎線站信息與客票系統(tǒng)路網(wǎng)信息密切相關(guān)，運條信息為基礎，客票系統(tǒng)應用運條信息規(guī)范的線站信息，在業(yè)務流程上具有上下工序關(guān)系，運條信息為客票基礎信息的數(shù)據(jù)源，在數(shù)據(jù)存儲層設計需要考慮運條信息與既有客票系統(tǒng)數(shù)據(jù)的便捷互通，綜合分析運條信息的業(yè)務特點。

（1）運條信息中包含線路、車站、里程、所屬區(qū)域等表達規(guī)范的業(yè)務信息，此類信息設計采用與客票系統(tǒng)基礎數(shù)據(jù)管理業(yè)務相同的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫方式存儲。

（2）運條信息中的接續(xù)線、客運價格執(zhí)行說明、線附注等信息具有包含大量文本信息的特點，選擇具有高性能、易部署、易使用的文檔類數(shù)據(jù)庫MongoDB作為輔數(shù)據(jù)庫，采用MongoDB方式描述，可以充分利用其可擴展特性，當出現(xiàn)運條信息項增加時，只需要增加key-value對即可，適合運條信息日常業(yè)務存在不定期新增附錄的特點。

運條信息樣列，如表1所示；數(shù)據(jù)庫設計，如圖2所示。

表1 運條信息結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)樣例

圖2 數(shù)據(jù)庫設計

基于運條信息包含大量動態(tài)非結(jié)構(gòu)化業(yè)務信息的特點，選擇MongoDB作為特定文本信息存儲數(shù)據(jù)庫。

（1）MongoDB是一個基于分布式、文件存儲的NoSql數(shù)據(jù)庫，與傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用數(shù)據(jù)表形式存儲的最大差異是以文檔形式保存數(shù)據(jù)，存儲內(nèi)容具有按需擴展屬性[4]。

（2）MongoDB具有面向集合、數(shù)據(jù)分組存儲于集合、模式自由等特性[5]，MongoDB利用keyvalue方式描述數(shù)據(jù)，并支持復雜數(shù)據(jù)類型、自動分片、自動故障轉(zhuǎn)移等功能[6]，為運條基礎信息一致性管理提供保障。

（3）為擴展MongoDB的數(shù)據(jù)可用性，使用副本集（Replica Sets）方案提供數(shù)據(jù)冗余，當主服務器出現(xiàn)故障依然可以保證應用程序的正常運行和數(shù)據(jù)安全。MongoDB Replica Sets的機制通過多個節(jié)點構(gòu)建形成具備自動容錯、自動恢復的高可用性方案，實現(xiàn)故障自動轉(zhuǎn)移。主節(jié)點（Primary）接收和處理寫相關(guān)操作，兩個備份節(jié)點通過復制（Repication）主節(jié)點實現(xiàn)同步備份，副本集通過心跳檢測實現(xiàn)自動故障轉(zhuǎn)移機制，確保高可用。

1.3 可視化管理流程

可視化管理流程，如圖3所示。

圖3 可視化管理流程示意

流程說明：

（1）加載路網(wǎng)樣式模板信息：主要包括背景色、車站節(jié)點樣式、線路樣式等信息。

（2）加載運條車站屬性信息：主要包含車站名稱、車站等級、車站虛擬坐標等信息。

（3）初始化操作事件：主要包括鼠標縮放層級顯示車站事件、右擊修改車站虛擬坐標等相關(guān)交互事件。

（4）渲染運條線路軌跡信息：依據(jù)請求反饋線站數(shù)據(jù)，渲染線路軌跡。

（5）是否縮放：根據(jù)鼠標縮放事件觸發(fā)獲取不同等級車站信息。

（6）是否修改：若需要觸發(fā)修改事件，則允許調(diào)整車站虛擬坐標，重新加載車站屬性信息，頁面重新渲染刷新展示；不需要修改，維護流程結(jié)束。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于ECharts的可視化技術(shù)

運條系統(tǒng)支撐基礎線站可視化展示，需要滿足運行穩(wěn)定、繪制速度快、顯示精準高和占用內(nèi)存小等需求，經(jīng)過綜合比選分析Highcharts、D3、Echarts等技術(shù)特點及應用場景，最終選擇應用Echarts技術(shù)。ECharts是通過多種不同類型圖表實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的圖表庫并具有支撐各類基本圖表、特殊圖表、組合圖表和自定義圖表等能力[7]。ECharts兼容大部分瀏覽器，提供直觀、生動、可交互的數(shù)據(jù)可視化圖表，符合系統(tǒng)設計的B/S架構(gòu)模式，綜合分析運條信息顯示需求，主要為體現(xiàn)線路、車站的相對位置關(guān)系，因此選擇ECharts實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化。運用可視化技術(shù)之前，運條信息通過單機系統(tǒng)進行簡單記錄或者通過Excel表格方式進行歸納管理，不能反映出線路、車站的在路網(wǎng)中的接續(xù)關(guān)系，不利于進行統(tǒng)籌管理。為提升線站信息管理效率，從大量的線路車站表格中提取有價值的信息，采用圖形化手段將路網(wǎng)線站數(shù)據(jù)映射成路網(wǎng)圖，實現(xiàn)便捷管理目標。

實現(xiàn)運條信息可視化展示通過改變ECharts配置項，由業(yè)務數(shù)據(jù)驅(qū)動ECharts組件庫。通過DOM容器準備、ECharts文件引入、靜態(tài)路網(wǎng)圖資源引入、原始路徑加載等步驟，完成初始化處理。通過參數(shù)option完成圖示個性化數(shù)據(jù)配置，通過geo組件，自定義地區(qū)的名稱映射，設置響應和觸發(fā)鼠標事件，開啟鼠標縮放和平移漫游，設置最小的滾輪縮放值。經(jīng)過前端Ajax技術(shù)的支持將業(yè)務數(shù)據(jù)傳遞至后端Java程序，實現(xiàn)動態(tài)數(shù)據(jù)刷新。采用預設車站模擬坐標方式，將需展示線站信息設計為Json格式反饋至客戶端，由ECharts接口實現(xiàn)站間線路可視化渲染，以“總覽為先，縮放過濾按需查看細節(jié)”的可視化交互為基礎，滿足線站縮放顯示需求。為增強線路信息在路網(wǎng)可視化模式下維護的便利性，通過擴展鼠標點擊事件與車站等級結(jié)合，根據(jù)參數(shù)確定路網(wǎng)圖中顯示車站，實現(xiàn)ECharts繪制線路范圍的靈活性，符合業(yè)務管理需求。

2.2 基于Redis的分布式緩存技術(shù)

運條系統(tǒng)中涉及對全路線路、車站的關(guān)聯(lián)計算，需要以線站的基礎屬性信息為基礎，通常這類信息變化頻率低，為提升數(shù)據(jù)訪問效率，選擇應用Redis實現(xiàn)鐵路路網(wǎng)數(shù)據(jù)緩存。Redis具有高性能、動態(tài)可擴展、高可用、讀取速度快等特點，是一個基于keyvalue的緩存與存儲系統(tǒng)，通過多種鍵值數(shù)據(jù)類型適應不同場景下的緩存與存儲要求[8]。Redis數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)存于內(nèi)存，基于內(nèi)存的讀寫優(yōu)勢明顯高于硬盤，并且可支持包括String、Hash、List、Set等數(shù)據(jù)類型，具有原子性操作等特性[9]，可以支持運條系統(tǒng)中多種數(shù)據(jù)類型的存儲。分析Redis的優(yōu)勢，適用于本研究對運條線站可視化展示中信息緩存的要求，通過基于Redis的分布式緩存技術(shù)，提升效率的同時確保數(shù)據(jù)的完整性。

分布式實現(xiàn)思想是通過key做一致性哈希，實現(xiàn)key對應Redis結(jié)點的分布。一致性哈希算法思想概念，如圖4所示。

初始化運條系統(tǒng)服務器節(jié)點列表和虛擬節(jié)點集合，將真實的運條系統(tǒng)服務器節(jié)點列表加入鏈表中，按照真實服務器節(jié)點需要虛擬節(jié)點的個數(shù)、約定的虛擬方式，計算虛擬節(jié)點，根據(jù)哈希算法計算虛擬節(jié)點在哈希環(huán)上的位置，并將虛擬節(jié)點加入哈希環(huán)，實現(xiàn)節(jié)點分布均勻。

針對全路運條線站展示的基礎數(shù)據(jù)復雜、效率要求高的特點，采用基于分布式的Redis集群可有效避免單點問題，實現(xiàn)不同Redis節(jié)點數(shù)據(jù)共享，對服務請求方提供可靠的數(shù)據(jù)服務[10]。

圖4 一致性哈希算法思想概念

3 運條信息管理系統(tǒng)功能設計

運條信息管理系統(tǒng)具體功能包括基礎路網(wǎng)信息配置和基礎路網(wǎng)信息展示。

3.1 基礎路網(wǎng)信息配置

線站信息可視化展示需要鐵路網(wǎng)渲染視圖做支撐，按車站等級分類配置。車站基礎支撐信息主要包括車站名稱、車站模擬坐標、車站等級等。

（1）運條信息管理系統(tǒng)運用車站名稱作為路網(wǎng)視圖展示名稱。

（2）車站模擬坐標用于標記車站在路網(wǎng)圖中所處的相對位置，是路網(wǎng)圖位置展示的核心信息，模擬坐標數(shù)值的改變，需要實時通過路網(wǎng)圖展示效果映射。

（3）車站等級用于控制車站加載范圍，為提升車站展示視圖的清晰度，通常小站以節(jié)點方式展示，大站以節(jié)點附加站名方式展示。

3.2 基礎路網(wǎng)信息展示

為實現(xiàn)將線站信息以路網(wǎng)圖方式展現(xiàn)，基于信息展示效率及可靠性等因素，選擇ECharts做支撐，提供直觀、可交互的管理模式。運條信息中路網(wǎng)可視化展示的內(nèi)容為線路及車站信息，車站位置根據(jù)模擬坐標數(shù)值與路網(wǎng)圖關(guān)聯(lián)，通過站間線路繪制，組成全路路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

通過可視化展示方式可以直觀查看不同線路之間的相對位置、運行區(qū)間、接續(xù)站等情況，并通過縮放功能聚焦關(guān)注的線路及車站。為提升信息管理的準確性，設計支持對單條線路視圖的管理，便于業(yè)務人員進行編輯操作。

圖5 路網(wǎng)線站信息局部示意

4 結(jié)束語

本文研究以客票系統(tǒng)建設的整體要求為基礎，圍繞鐵路路網(wǎng)信息的業(yè)務特點，綜合利用既有客票系統(tǒng)的基礎數(shù)據(jù)及便捷的路網(wǎng)可視化展示相關(guān)技術(shù)，對整個路網(wǎng)中的“站”“線”進行關(guān)聯(lián)，設計路網(wǎng)模型，為實現(xiàn)全路車站營業(yè)辦理限制情況、旅客票價及行李、包裹運價里程的科學化、智能化管理系統(tǒng)構(gòu)建奠定技術(shù)基礎。基于可視化的運條信息管理為業(yè)務管理人員提供了一種全新的數(shù)據(jù)維護及分析方法，豐富了路網(wǎng)線站的展現(xiàn)方式，提升運條業(yè)務管理效率，在后續(xù)的研究中，會將本文研究成果應用于生產(chǎn)系統(tǒng)的構(gòu)建，探索運條業(yè)務管理模式，提升鐵路客運業(yè)務管理的信息化水平。