基于ArcGIS Server的高铁基础设施安全监测管理系统研究

李道震，张长生,强小俊，郎向伟

(中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，广东 深圳 518000)



基于ArcGIS Server的高铁基础设施安全监测管理系统研究

李道震，张长生,强小俊，郎向伟

(中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，广东 深圳 518000)

摘要：为了提高高铁基础设施安全监测的信息化水平，实现监测超标预警的实时性，研究实现高铁基础设施安全监测管理系统。利用ArcScan进行影像矢量化和属性数据录入，系统业务数据库采用Oracle 11g，并在其中建立基于ArcSDE的空间数据库，通过ArcGIS Sever发布地图服务。系统采用B/S体系结构，利用WebSocket技术实现服务器端和浏览器端的实时通信，调用ArcGIS API for JavaScript完成了系统GIS模块功能。通过在试验工程中的应用表明，系统实用性强，提高高铁基础设施安全监测的信息化水平，具有较高的应用价值。

关键词：ArcGIS Server；高铁；基础设施；安全监测

高速铁路沿线主要由软基段、隧道段和桥梁段组成，由于铁路灾害具有分布广泛、类型众多、发生频繁等特点，铁路“十二五”发展规划专门将铁路沿线地质灾害及路基、桥梁、隧道、轨道智能化、信息化安全监测评估技术确定为重点任务。蒋金洲等实现了高速铁路轨道状态远程监测数传系统，对铁路基础设施进行全天候在线自动监测，为基础设施服役状态判定提供数据支撑[1]；张卫民研发的无线传感器网络上层信息传输系统能够采集、传输、分析铁路沿线信息，对影响运输安全的信息给出预警[2]；李欣对郑西高铁湿陷黄土路基沉降监测及预警系统进行了研究，建立了预警等级体系，并开发了铁路路基沉降监测预警系统[3]。GIS技术的发展已融入到各行各业，在高铁安全上也不例外：英国Vaisala公司基于GIS技术开发了能够实时监控各种安全指标的Railcast系统,在达到预警值时可以发出警报；方争楠结合GIS技术，系统研究了高铁沿线的应急救援管理[4]；铁道部科技司研究了铁路地理信息系统的总体方案，将其应用在设备管理、勘测设计，尤其是铁路防灾等系统中[5]；青藏铁路线建立了集成运营综合监控、应急救援指挥、信息共享发布等业务系统的GIS平台,提供了GIS在中国铁路的良好应用实现[6]。

1相关技术介绍

1.1ArcGIS产品体系

ArcGIS是ESRI开发的一个完整的地理信息平台，它包括ArcMap、ArcEngine、ArcGIS Server、ArcSDE、Geodatabase等一系列的产品。ArcGIS Server是构建包括Web应用、Web服务以及其它运行在标准的.NET和J2EE Web服务器上的企业应用等的管理、支持多用户的企业级GIS应用的产品，它提供在线地图发布、浏览、分析和地图编辑功能,并可提供包括地图服务、地理编码服务、几何服务、地理处理服务、要素服务等多种REST类型的GIS服务[7]。ArcGIS Server JavaScript API是根据JavaScript技术实现的一组脚本，作为将GIS地图和任务嵌入到Web应用程序的轻量级方式，它能够快速创建有效地融合样式的Web应用程序[8]。

1.2WebSocket

为了实现高铁基础设施监测超标点的实时预警，采用WebSocket技术实现了服务器端和浏览器端的实时通信。该协议在单一TCP连接上实现服务器和浏览器客户端之间的双通道通信。服务器端启动套接字监听程序监听客户端连接请求，解析客户端WebSocket“握手”信息，依据协议标准生成包含WebSocket协议头的回应信息。在“握手”之后，客户端和服务器端的WebSocket连接就建立起来了，双方通过该通道传递信息，除非其中一方主动关闭连接，该连接将持续存在[9]。

2系统数据库设计

本文系统数据库包括业务数据库和空间数据库，数据库体系结构如图1所示。

图1　安全监测系统数据库体系结构

2.1业务数据库

本文系统中与监测工程业务相关的数据直接以数据表的形式在Oracle 11g数据库中存放，通过数据访问接口进行访问。相关业务数据主要包括两部分：

1)监测工程数据：监测工程新建与维护信息，监测工程的机构、角色、人员、仪器、车站和区间等信息，光纤和光栅传感器布设数据，导入的监测数据(包括分布式光纤数据和光栅类数据)，工程测点设置，监测数据报警值设置，监测超标数据及其处理措施，监测报告等与某监测工程相关的各种数据。

2)监测业务办公数据：包括工程类型，工程属性，测点类型，与某监测工程相关的各工程机构，工程机构中的系统用户，各用户的角色及系统操作权限，工程相关工作报告等与监测工程相关的机构、用户和系统管理信息。

2.2基于ArcSDE的空间数据库

本文系统的空间数据包括基础空间数据和监测专题数据。

1)基础空间数据：系统的底图包括地图和影像两种基础空间数据类型。地图类型的基础空间数据采用国家测绘地理信息局发布的天地图在线服务，其采用球面墨卡托投影类型，服务类型包括底图和中文注记，包含2至18级的显示级别，服务调用地址分别为http://t0.tianditu.com/vec_w/wmts和http://t0.tianditu.com/cva_w/wmts；影像类型的基础空间数据采用ESRI提供的“satellite”类型的在线影像底图。由于基础空间数据采用在线地图服务，不需要在系统数据库中进行组织。

2)监测专题数据：包括高速铁路线的桥梁、隧道、路基等基础设施，各基础设施沿线所布置监测测点，各高铁站站点和站点区间等具有空间分布并与监测相关的数据。采用Geodatabase数据模型对监测专题空间数据进行组织，通过ArcSDE空间数据库引擎将专题空间数据及其相关属性数据导入到Oracle 11g数据库中进行存储，建立基于ArcSDE的空间数据库，其主要流程如图2所示。

图2　基于ArcSDE的空间数据库建立流程

3地图服务发布

在建立基于ArcSDE的空间数据库后，利用ArcGIS Server在服务器上将地图数据发布成各种不同性能的REST风格GIS服务，通过服务器存储地图数据、管理GIS服务，并处理与GIS相关的任务。REST用来定义一个Web Service API，通过HTTP进行资源管理，例如创建、读取、更新和删除等操作。REST服务是将ArcGIS Server提供的REST资源通过HTML表现出来的URL。利用REST，输入网址即可实现一切。

4系统设计与实现

4.1总体框架设计

高铁基础设施安全监测管理系统采用B/S架构，在此基础上划分了4层体系结构，如图3所示。

图3　高速铁路基础设施安全监测系统体系结构

1)数据层：包括监测专题数据、监测办公业务数据和监测工程数据。

2)服务层：通过ArcGIS Server读取Geodatabase空间数据并发布成REST风格的地图服务和要素服务等GIS服务，将部分GIS功能和业务数据结合在服务器端进行监测业务逻辑的实现，采用Web Services技术，用REST接口形式提供Web服务。

3)动态交互层：在客户端对内容、形式和样式进行分离，浏览器接收用户对数据和功能服务的请求，通过WebSocket协议同服务器端进行数据交换，客户端解析数据后采用HTML5和JavaScript实现数据和功能服务的展示。

4)用户层：对不同角色的用户分配不同的系统功能操作权限。

4.2系统开发环境

本文高铁基础设施安全监测管理系统以Oracle 11g作为系统数据库，采用MyEclipse 10平台对服务器端和浏览器客户端进行开发，服务器端采用Java语言，浏览器客户端采用HTML5、CSS3和JavaScript等语言。对于GIS模块的开发，利用ArcGIS 10.0的ArcScan模块进行影像矢量化和属性数据录入，通过ArcSDE将空间和属性数据导入Oracle 11g数据库中统一存储，通过ArcGIS Server发布GIS服务后，调用ArcGIS API for JavaScript编程实现GIS模块的功能。

4.3系统主要功能

高铁基础设施监测管理系统主要用户为监测单位监测人员,通过它监测员可以实现基于光纤传感技术的高铁隧道、桥梁、路基等基础设施监测工程的建立和配置,查询并处理监测超标数据,处理工作报告等,查询重点关注区间和监测超标点信息及地图定位，并可以统计监测工程的预警信息。系统主要功能(图4～图9)如下：

1)工程建立与维护：填写工程概况，配置工程机构、人员、仪器、车站、区间等，布设光纤和光栅传感器，设置监测数据超标报警值。

图4　工程维护

图5　监测数据查询

图6　地图定位

图7　重点关注

2)监测超标数据查询与处理：监测数据查询与数据曲线查看，监测超标数据查询，超标数据处理与上报。

3)系统管理：系统模块菜单和各菜单功能管理，监测工程相关机构、角色配置，系统用户信息、角色和操作权限等的管理。

4)数据字典：各工程均涉及的工程类型、工程属性、测点类型、机构类型、设备类型、报告类型和资料类型等数据。

5)地图基本操作：地图放大、缩小和漫游移动，地图与卫星影像底图的切换。

6)属性定位：根据高速铁路基础设施的起终里程，在地图上显示某一桥梁段、路基段或隧道段及其属性信息。

图8　监测超标点查看

图9　预警统计

7)区间定位：在地图上显示两相邻站点之间的区间及其属性信息，包括区间内桥梁、隧道的数量和长度及路基的长度。

8)重点关注：在地图上显示某重点关注监测段及其中测点的详细信息，包括里程、工程属性、测点警戒值、实测值、横断面图和曲线等。

9)监测超标点定位和信息查询：将超标滚动窗口中的监测超标测点显示在地图上，并查看该测点的详细信息。

10)预警统计：统计查询某工程各超标监测点的超标级别、所在里程、工程属性和超标时间等信息。

5结束语

本文在利用光纤传感技术对基础设施进行现场监测的基础上，开发了B/S结构的高铁基础设施安全监测管理系统，利用WebSocket技术实现服务器端和浏览器端的实时通信；基于ArcSDE构建空间数据库，通过ArcGIS Server在GIS服务器发布地图服务后，调用ArcGIS API for JavaScript开发GIS模块功能。本系统将先进监测技术与GIS的空间分析处理能力结合起来，强化了地图和属性数据互查功能，实现了超标监测点的实时地图定位预警，帮助及时采取措施减少损失，已运用于广深港客运专线莲花湖桥隧试验段，方便了监测信息的分析和管理，不仅具有通用性强、运行维护方便、实用性强等的特点，而且对于其他工程结合GIS技术建立安全监测信息系统，也有一定的借鉴价值和参考意义。

参考文献：

[1]蒋金洲,吕国辉,梁晨,等.基于光纤光栅传感技术的高速铁路轨道状态远程监测数传系统[J].铁道建筑,2015(1):76-79.

[2]张卫民.铁路监测无线传感器网络的关键技术研究[D].兰州:兰州交通大学,2014.

[3]李欣.郑西高铁湿陷黄土路基沉降监测及预警系统研究[D].西安:长安大学,2012.

[4]方争楠.基于GIS的高铁沿线应急救援管理系统研究[D].成都:西南交通大学,2014.

[5]朱陈伟.基于ArcGIS的高速铁路空间数据组织与应用[D].成都:西南交通大学,2012.

[6]秦勇,王卓,王艳辉,等.青藏铁路综合监控中心系统的研究与应用[J].交通运输系统工程与信息,2007(2):129-134.

[7]廖佳,邹峥嵘,邱山鸣,等.基于J2EE和ArcGIS Server的水电工程安全监测信息系统设计[J].测绘与空间地理信息,2009(1):111-113，116.

[8]宗恒康.基于ArcGIS Server REST API的安全生产监管信息系统的设计与实现[D].青岛:山东科技大学,2011.

[9]丁克奎,钟凯文,周旭斌,等.基于WebSocket和GeoJSON的WebGIS的设计与实现[J]. 测绘通报,2015(2):109-112.

[责任编辑：路晓鸽]

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

中图分类号：TP315

文献标识码：A

文章编号：1006-7949(2016)06-0070-06

作者简介：李道震(1988-)，男，研究实习员，硕士.

基金项目：中国铁道科学研究院项目(1351SZ0103)

收稿日期：2015-04-01;修回日期：2015-11-05