基于WebGIS的铁路煤炭运输抑尘管理系统设计与实现

马树峰

(中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京 100081)

基于WebGIS的铁路煤炭运输抑尘管理系统设计与实现

马树峰

(中国铁道科学研究院 标准计量研究所，北京 100081)

铁路煤炭运输过程中的扬尘问题是危及运输安全、造成环境污染和煤炭资源浪费的重大隐患。针对全国铁路煤炭运输抑尘作业喷洒质量、评价抑尘效果、管理抑尘信息等难以监管的问题，在分析系统需求的基础上，提出基于 WebGIS 的铁路煤炭运输抑尘管理系统设计方案，包括系统总体功能结构、系统架构及系统实现的技术方案，据此开发的系统可展示铁路抑尘作业站点分布情况，能够实时监控、查询、调度、指挥各作业站点的抑尘信息，实现煤炭运输抑尘管理的指挥垂直化、组织扁平化，有效地提高煤炭抑尘作业质量和工作效率。

抑尘站；地理信息系统；系统设计；空间数据

铁路煤炭运输过程中的扬尘问题是危及运输安全、造成环境污染和煤炭资源浪费的重大隐患[1]。随着列车速度的不断提高，煤炭扬尘危害呈愈演愈烈之势。为降低煤炭在铁路运输过程中的损耗，减少对环境的污染，保证运输安全，铁路货运管理部门在充分研究论证的基础上，于 2009 年开始推广应用煤炭运输抑尘技术。截至 2015 年底，全路共建成并投入运用近 400 个固定式煤炭抑尘喷洒站，通过自动化设备控制抑尘剂的喷洒，经 6 大铁路干线运输的煤炭实现100% 抑尘处理[2]。铁路煤炭运输实施抑尘后，大大减少了煤炭颗粒击打列车前风挡、车窗玻璃事故的发生，降低了沿线铁路设备和机车故障率，确保了铁路运输安全，有效地控制了沿线环境的污染，改变了过去老百姓窗门紧闭的境遇，确保了铁路沿线群众的身体健康，得到沿线地区老百姓的赞誉，也得到地方政府和煤炭发运企业的理解和支持，社会反映良好。但是，在抑尘作业质量控制方面也存在一些问题，如抑尘作业信息数据不能实时备份、查询、统计、分析，无法监测、调度、管理、指挥抑尘作业，易发生漏喷、多喷、少喷、停喷等抑尘作业质量问题。为此研发基于网络地理信息系统 (Web Geographic Information System，WebGIS) 的铁路煤炭运输抑尘管理系统，用于对煤炭抑尘作业信息进行远程网络控制，监控、分析、调度、管理煤炭抑尘作业质量。

1 铁路煤炭运输抑尘管理系统需求分析

1.1 抑尘管理组织结构

目前，铁路煤炭运输抑尘工作实行中国铁路总公司、铁路局、直属站 (段) (含货运中心)、抑尘站点 4

级管理。中国铁路总公司货运主管部门负责全路煤炭抑尘工作的组织、监督及指导工作，负责组织制定全路范围的铁路煤炭抑尘管理有关规章、办法和技术条件；铁路局货运主管部门负责对局管内煤炭抑尘生产安全、设备设施管用修、抑尘作业质量等工作进行监督，负责制定管内煤炭运输抑尘工作管理办法及相关规定并组织实施，负责抑尘作业人员培训等工作；直属站 (段) 负责制定煤炭抑尘管理实施细则，负责管内煤炭抑尘日常生产组织、监督和指导；抑尘站点负责落实具体的规章、办法和技术条件，按规定配制抑尘剂，保证喷洒质量达到规定要求，定期维护保养抑尘设备，保证设备运用状态良好。

1.2 功能需求

煤炭运输抑尘技术推广应用以来，铁路货运管理部门先后制定发布《铁路货运安全检测监控与管理系统总体技术规范》《“十二五”铁路货运设备设施建设的实施意见》《铁路煤炭运输抑尘作业技术条件》《散装矿物粉料铁路运输抑尘剂暂行技术条件》《散装矿物粉料铁路运输抑尘喷洒系统暂行技术条件》《散装矿物粉料铁路运输抑尘作业暂行技术条件》等 10 余项规章、办法和标准，在抑尘作业安全、抑尘剂选用配制、抑尘剂喷洒质量、抑尘作业环境、抑尘设施设备配置、抑尘设施设备管用修、抑尘服务质量等方面提出了具体工作要求，同时明确了抑尘系统建设的功能需求、基本组成、主要技术要求和配置要求等内容[3]，为研发铁路煤炭运输抑尘管理系统提供了技术依据。系统应以提高铁路煤炭运输抑尘作业质量和管理水平为目的，采用自动控制技术和信息化技术手段，通过中国铁路总公司、铁路局、直属站 (段) 3 级联网，提高抑尘作业的自动化程度，并且为各级货运及抑尘管理部门提供喷洒情况及质量信息服务，实现对喷洒过程与效果的实时监控与评估，使管理部门能够及时、全面掌握抑尘作业质量情况。

（1）抑尘信息展示。将抑尘站相关信息共享到网络上，展示铁路抑尘作业站点分布情况，各级用户能够利用基于地理信息系统 (GIS) 的集中监控功能，对管理权限内的煤炭运输抑尘作业信息进行集中展示，管理人员可以监控、调度、指挥各抑尘站的抑尘作业，实现抑尘作业的集中化、动态化和可视化[4]。

（2）抑尘喷洒监控。①对场景进行智能分析和监控，自动判断是否有需要抑尘的货车经过；当出现需要抑尘的货车时，系统立即启动抑尘剂喷洒装置，并且通过网络传输到监控中心，实现对抑尘剂喷洒的智能化管理；能够按车号自动计量喷洒量，根据货车运行速度自动调节喷洒流量，识别钩档并且停喷[5]。②提供抑尘情况的视频监控，作业视频能够远程控制和回放。

（3）统计分析。对抑尘作业质量进行实时监控，按照日、周、月、年生成抑尘作业信息统计图表等；各级管理用户可按权限实时查询各抑尘站作业完成情况、实时作业影像，生成站段、铁路局或全路统计图表等。

2 基于WebGIS的铁路煤炭运输抑尘管理系统设计

WebGIS 是 Web 技术与 GIS 相结合的产物，它通过互联网进行地理空间数据的发布和应用，以实现空间数据的共享和互操作。WebGIS 具有良好的可扩展性和跨平台性等特点，并且易于部署[6-8]。

2.1 系统总体功能结构

基于 WebGIS 的铁路煤炭运输抑尘管理系统将抑尘站相关信息共享到网络上，管理人员可以监控、调度、指挥各抑尘站的抑尘作业，系统主要包括数据管理、GIS 基本功能和抑尘站信息管理功能模块。系统总体功能结构如图 1 所示。

（1）数据管理。①数据采集：从各抑尘站采集相关的空间数据和属性数据，并对数据进行整理，为后续工作提供支持。②数据查询与编辑：实现数据的录入、查询、修改等操作，可以进行站点信息的查询、编辑。③数据分析：对各抑尘站空间数据和抑尘信息进行分析，统计每个站点每天的过车总数、喷洒量等信息。

（2）GIS 基本功能。①图层管理：用于对地图图层进行管理，包括显示地图、对不同图层的显示顺序进行设定、添加地图、删除地图等功能。②空间分析：用于在地图上进行交互操作，主要是空间分析相

关的操作，包括计算 2 点之间的实际距离、某个范围的实际面积、在地图中查询某站点的位置等。③地图操作：包括鼠标滚轮实现放大、缩小，鼠标点击事件实现放大、缩小、移动地图、区域选择等功能。

（3）抑尘站信息管理。①系统工作状态显示：模拟显示抑尘站点的抑尘作业状态、抑尘剂从配制到喷洒的整个过程中各个传感器的工作状态。②库存管理：对抑尘站的抑尘剂库存信息进行管理。③视频监控：实时监视站点的喷洒操作情况并且进行录像。④喷洒记录管理：实时显示喷洒信息，可以进行日统计和月统计，也可以将统计结果输出。

（4）用户权限管理。系统用户分为中国铁路总公司级、铁路局级、直属站 (段) 级用户，以及抑尘站点级生产作业及管理岗位用户，通过用户角色和功能的划分，为不同用户提供不同的功能和使用权限。

2.2 系统架构设计

2.2.1 逻辑架构

由于 B/S 结构具有分布式的特点，可以随时随地通过 Web 浏览器进行查询、浏览等业务处理，而且部署和维护方便，易于扩展，因而系统采用 B/S 架构。系统逻辑架构由数据层、服务层、业务层和表示层4 部分组成，如图 2 所示。

（1）数据层。存储矢量、属性和其他相关数据，是系统的主要数据源。

图 2 系统逻辑架构

（2）服务层。由 GIS 服务和缓存服务组成。GIS服务由 GeoServer 发布的 WMS (Web Map Service)、WFS (Web Feature Service) 和 WCS (Web Coverage Service) 服务组成，其中WMS主要利用具有地理空间位置信息的数据制作地图；WFS 返回的是要素级的 GML 编码，并且提供对要素的增加、修改、删除等操作；WCS 则面向空间影像数据，它将包含地理位置值的地理空间数据作为“覆盖 (Coverage)”在网上相互交换。缓存服务是在 GIS 服务器前添加的一个功能，它将数据库中的地图数据转换成静态图片并且存储在 Web 服务器中，客户端从缓存中获取静态的瓦片以代替动态渲染的地图服务。

（3）业务层。用来实现系统的业务逻辑，它将业务逻辑和数据分离，有利于系统的扩展和移植。

（4）表示层。为不同用户对象群体提供信息展现界面，在客户端通过浏览器方式实现信息浏览和交

互操作等功能。系统采用 HTML 技术和 OpenLayers显示地图，采用 Ajax 完成简单的业务逻辑。

2.2.2 数据组织和管理

系统包含大量空间、属性等数据，对静态基础地图数据，采用 XML 方式对不同格式的数据进行组织；对动态数据，则采用 PostgreSQL/PostGIS 进行数据的创建和管理。

（1）空间数据结构。将空间数据按照一定的数据结构转换为易于计算机存储和处理的形式。①矢量数据结构。通过记录坐标的方式来表示点、线、面等地理实体的空间分布。②栅格结构。将地图表面划分为大小均匀紧密相邻的网格阵列，每个网格作为一个像元或像素，由行、列号定义，并包含一个代码，表示该像素的属性类型或量值，或仅仅包含指向其属性记录的指针。③矢栅一体化数据结构。将矢量数据结构和栅格数据结构结合起来，是一种以矢量的方式组织栅格数据的数据结构。

（2）基础地图数据组织和管理。铁路煤炭运输抑尘管理系统需要使用全国基础地理数据进行辅助显示，主要包括铁路线路分布图层、高速铁路线路分布图层、火车站分布图层、省会分布图层、省界绘制图层、地级市分布图层、县级分布图层等。将全国铁路运输数据作为底层数据，将全国地图及相应的行政区界线等数据作为基础地图数据，采用 XML 文件对基础地图数据进行组织和管理。

（3）动态数据组织和管理。实时、动态的铁路煤炭运输抑尘数据包括抑尘喷洒信息、库存管理信息和监控数据等，PostGIS 是 PostgreSQL 的一个扩展，它支持所有的空间数据类型，并且具有源代码公开和功能扩展性好等优点，因而动态数据均采用 PostgreSQL/PostGIS 进行存储和管理。

2.2.3 空间数据的发布

采用 GeoServer 将数据发布到互联网上，网络用户通过互联网进行访问。系统提供友好的用户接口，包括对内容的合理组织与布局，对页面形式、布局内容、色调搭配、菜单形式与内容、对话作业方式等的合理设计，使系统简洁实用；在性能上实现稳定、安全的运行，并提供完善的维护管理。

2.3 系统实现的技术路线

系统实现的技术路线如图 3 所示，主要技术过程：①获取原数据文件；②用 PostgreSQL/PostGIS 对数据进行编辑和修改；③用 GeoServer将PostGIS 中的数据发布成 WMS，WFS，WCS 服务；④实时绘制地图；⑤缓存处理抑尘信息和地图数据；⑥将经过处理后的作业数据部署到服务器上；⑦制作客户端网页，用 JavaScript 结合 XMLHttpRequest 向服务器发送地图操作的请求。

图 3 系统实现的技术路线

3 结束语

WebGIS 具有更广泛的访问范围、平台独立性、更简单的操作、平衡高效的计算机负载等诸多优点，在铁路交通、国土资源、环境保护、农业、海洋、城市建设等各领域已经得到广泛应用，并且取得了良好的经济和社会效益。基于 WebGIS 技术的铁路煤炭运输抑尘管理系统集空间数据组织和管理、空间数据可视化、动态标绘和空间分析于一体，实现了按图查询铁路煤炭运输抑尘站点的分布情况，以及对各站点抑尘信息的实时监控、查询、调度、指挥，解决了系统中大量空间、属性、时间、抑尘信息、工作状况等各

种不同数据的数据结构存储及处理问题。系统开发完成后于 2013 年开始在部分铁路局进行了试点应用，实现了煤炭运输抑尘管理的指挥垂直化、组织扁平化，有效地提高了煤炭抑尘作业质量和工作效率。

[1] 马树峰，王 颖. 关于提高煤炭铁路运输抑尘质量的对策分析[J]. 铁道货运，2011，29(12)：10-14. MA Shu-feng，WAMG Ying. Analysis on Countermeasures of Improving Dust Suppression of Railway Coal[J]. Railway Freight Transport，2011，29(12)：11-14.

[2] 马树峰. 铁路标准化抑尘站建设与管理的思考[J]. 铁道运输与经济，2016，38(8)：76-80. MA Shu-feng. Thoughts on Construction and Management of Railway Standardized Dust-Control Station[J]. Railway Transport and Economy，2016，38(8)：76-80.

[3] 中华人民共和国铁道部. 铁路货运安全检测监控与管理系统总体技术规范：铁运[2013]56号[A]. 北京：中华人民共和国铁道部，2013.

[4] 蒋 荟，王华伟，赵 颖，等. 铁路货运计量安全检测监控系统V2.0版的研究与应用[J]. 铁道技术监督，2013，41(3)：10-15. JIANG Hui，WANG Hua-wei，ZHAO Ying，et al. Research and Application of Version 2.0 Freight Measurement Safety Inspection and Monitoring System[J]. Railway Quality Control，2013，41(3)：10-15.

[5] 中华人民共和国铁道部.“十二五”铁路货运设备设施建设的实施意见：铁运[2013]26号[A]. 北京：中华人民共和国铁道部，2013.

[6] 杜克明，褚金翔，孙忠富，等. WebGIS在农业环境物联网监测系统中的设计与实现[J]. 农业工程学报，2016，32(4)：171-178. DU Ke-ming，CHU Jin-xiang，SUN Zhong-fu，et al. Design and Implementation of Monitoring System for Agricultural Environment based on WebGIS with Internet of Things[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2016，32(4)：171-178.

[7] 吴信才，郭玲玲，白玉琪. WebGIS开发技术分析与系统实现[J]. 计算机工程与应用，2001(5)：96-99. WU Xin-cai ，GUO Ling-ling ，BAI Yu-qi. Developing Techniques Analysis and Implementation of WebGIS[J]. Computer Engineering and Applications，2001(5)：96-99.

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（责任编辑 刘 新）

Design and Application of Dust Suppression Management System of Railway Coal Transportation based on WebGIS

MA Shu-feng
(Standards & Metrology Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Being 100081, China)

Dust problem during railway coal transportation is harmful to transportation safety and can cause environmental pollution and waste of coal resources. In the view of the problems in spraying quality, evaluation of result for dust suppression, and management of dust suppression information during the process of railway coal transportation, this paper puts up with design plan of dust suppression management system for railway coal transportation based on WebGIS based on analyzing business and function requirement, including overall system function structure and technical plan for system realization. This system can show distribution of location for railway station with dust suppression service, supervise, inquire and dispatch dust suppression information, and realize vertical command and flattening organization of dust suppression operation so as to increase operation quality and efficiency.

Dust Suppression Station; GIS; System Design; Spatial Data

1004-2024(2016)09-0054-05

TP399：U298

B

10.16669/j.cnki.issn.1004-2024.2016.09.12

2016-08-16

马树峰 (1977—)，男，吉林德惠人，大学本科。

铁道部科技研究开发计划课题 (2013F020)