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    GIS理念之高速铁路时空数据管理及展示

     第1章绪论

      1.1研究背景

      高速列车数字化仿真平台主要是由高速列车数字化仿真系统、高速列车虚拟样机、高速列车造型设计中心、高速列车驾驶模拟培训中心、高速列车系统仿真硬件支撑系统等几部分组成。它的主要目标是建立以高速列车为核心,考虑弓网、轮轨、流固等相互親合的数字化仿真系统,完成高速列车的系统动力学仿真。高速列车数字化仿真系统主要由高速列车系统数据库、高速列车协同仿真系统、高速列车虚拟样机、高速列车虚拟环境建模系统、高速列车数据管理及应用和高速列车虚拟运行系统6个大的组成部分构成。在这几个部分中,高速列车协同仿真系统尤为重要。它将轮轨关系、弓网关系、牵引供电系统、列车运行与控制系统、线路系统和自然环境系统稱合起来形成以高速列车系统动力学为核心的高速列车协同仿真系统。这套高速列车协同仿真系统又由工务仿真子系统、牵电仿真子系统、列控仿真子系统、动车仿真子系统构成。如此多的子系统带来的问题是数据来源各异,种类繁多,格式千差万别。针对这一问题,高速列车数字化仿真平台着手建立高速铁路系统数据库对各类数据进行管理存储。这个基础数据库将包括移动设备、工务、列控、牵电等专业的静态数据以及数字化仿真系统親合仿真产生的仿真结果数据。在构建高速铁路系统数据库基础上,高速列车数字化仿真平台结合协同仿真系统,形成高速列车系统的完整数据体系,进而对髙速列车的运行进行模拟以及进行各种数据的应用管理。高速列车数字化仿真平台所涉及的各类数据,大都带有空间位置信息,如何对这些数据进行组织管理和存储是一个必须要面对和解决的问题。我们知道地理信息系统(GIS)不但具有强大的空间数据管理和存储能力,还具有空间查询与分析、图形与交互展示等功能。基于此,高速列车数字化仿真平台采用GIS进行高速铁路空间数据的管理以及应用展示,服务于数字化仿真系统。

      1.2研究意义

      在高速列车数字化仿真平台中,高速列车系统数据库(狭义的高速铁路基础数据库)是整个系统的数据核心。这些数据库在各个独立专业数据库的基础上(包括高速列车系统静态数据库、高速列车系统运行工况及附属数据库、高速列车动态数据库、三维模型库),按照高速铁路的组成机理以及高速列车运行过程形成一个有序的、时空同步的数据库,供各种应用层使用。高速列车数据管理及应用则是基于高速列车系统数据库,在GIS环境下对这些数据进行重新组合,并对各种数据进行归纳、分析和整理,从不同的应用层面展示高速列车系统的各种数据。这些数据大部分都与地理位置有关,在GIS下采用空间化的方式组织这些数据以及列车运行的地理环境数据,实现对高速列车数字化仿真平台的高速铁路空间数据的组织管理。这种组织管理方式是一种便于管理和访问的数据组织方式,它能更好的服务于数字化仿真系统,使得仿真系统的各个子系统不用考虑数据的管理、存储以及数据安全等问题。对于高速列车数字化仿真结果而言,将以直观的方式进行展示。在GIS环境下组织的高速铁路沿线的真实地理环境数据之上,以直观的、空间化、可视化的方式展示高速列车数字化仿真结果,便于观察列车仿真运行过程,便于理解、分析仿真结果。

      1.3研目标

      高速列车数字化仿真平台所涉及的专业较多,各个专业都有自己特定的数据需求。通过本项目的研究,将弄清高速列车数字化仿真平台空间数据的内容及其如何管理。具体而言,将对各个专业厘清如下问题:每个专业的数据特点、每个专业对数据空间化的需求与实现、每个专业访问空间数据的需求与实现以及仿真结果数据空间化访问需求与实现。在弄清上述问题基础上结合高速列车运行地理环境数据对高速列车数字化仿真平台所涉及的空间数据进行组织管理和访问设计,从而实现高速铁路空间数据高效组织和管理。

      第2章研究现状

      2.1铁路GIS应用现状

      2.1.1国内应用现状

      目前,我国的铁路信息化建设已经取得了一定的成绩,在全国铁路范围己成功实施了大量信息系统。已经建立的信息系统包括铁路勘测设计信息系统(RSDIS)、铁路工务管理信息系统(PWMS)、铁路电务管理信息系统(CSMIS)、铁路机务管理信息系统(LMIS)、铁路牵引供电管理信息系统(EMIS)、铁路车辆管理信息系统(CMIS)、铁路客票系统、铁路运输管理信息系统(TMIS)、铁路调度管理信息系统(DMIS)、铁路车号自动识别信息系统(ATIS)、铁路办公自动化信息系统(OIS)等。地理信息系统在这些管理信息系统中不同程度上发挥着作用。它以直观的可视化的方式来显示和分析与地理空间相关的各种数据。伴随着地理信息技术的飞速发展,GIS在铁路行业的应用将越来越广泛。

      1)GIS在传统铁路方面的应用

      在勘测设计和选线方面,铁路勘测设计工作者一直将铁路勘测设计一体化、智能化作为向往和追求的目标,而铁路勘测设计一体化、智能化同时也是铁路勘测设计工作现代化和自动化的重要标志。郑顺义[1]等人对我国铁路勘测设计技术现状和存在的问题进行了研究、归纳和总结。他认为当前的问题从整体上看,仍然以单机操作和分散作业为主,各专业和各工序彼此分开;而且各专业设计系统之间数据共享性差,仍然以图纸、表格、文字互提资料,容易丢失,且错漏现象时有发生。他认为这距离铁路勘测设计一体化目标还有差距。通过对地理信息系统(GIS)与铁路勘测设计的关系分析,他提出了基于WebGIS的铁路勘测设计一体化解决方案。该系统分为两部分。一部分是设计院之外,通过INTERNET访问设计院的数据,实现数据的传递;一部分是设计院内部,即各工种之间通过WebGIS服务器实现数据共享。他虽然提出了基于WebGIS的一体化的铁路勘测设计系统结构,但是还没有成型的产品支持这一结构。张晓东I2]等人也在GIS应用于铁路勘测设计一体化方面作了研究,对构建一体化系统的目标、功能结构、数据处理流程作了深入研究,提出了一体化系统的体系结构。

     

     第3章高速铁路空间数据组织管理..........13

      3.1需求分析........13

      3.2空间数据库结构设计........13

      3.2.1基础数据组织设计........14

      3.2.2专题数据组织设计........18

      3.3空间数据访问设计........19

      3.4本章小结........20

      第4章高速铁路空间数据处理与维护方案........21

      4.1铁路线路中线的几何计算........21

      4.2专题数据的空间化处理........23

      4.3地图服务的处理与发布........27

      4.3.1地图数据与影像数据........27

      4.3.2专题空间数据........28

      4.4本章小结........29

      第5章基于GIS的高速铁路空间数据展示........30

      5.1概述........30

      5.2空间数据展示方案设计........31

      5.3数据展示系统实现........33

      5.3.1技术路线........33

      5.3.2系统主要功能........33

      5.4本章小结........42

      结论

      主要完成如下工作:

      1)数据整理和归类工作。对高速铁路空间数据的内容进行了整理和分类。我们高速铁路空间数据分为三类:基础数据、专题数据和仿真结果数据。基础数据包括基础地理空间数据、模型数据和场景数据,专题数据包括牵引供电、工务、列车运行控制等专业数据。仿真结果数据包括牵引供电、工务、列车运行控制、列车等仿真结果数据。

      2)空间数据组织管理与访问工作。对于基础地理空间数据而言,主要是组织影像和地图栅格数据。采用文件组织管理方式对影像和地图进行管理组织,以地图服务方式支持数据访问。对于在三维场景中使用的几何单元模型的组织管理采用文件管理方式,模型的属性信息则釆用数据库表的形式组织管理。建模参数数据则采用地理数据中的要素数据集管理。专业专题空间数据在构建其空间视图的基础上采取地理数据中的要素数据集进行组织管理。采用地图服务方式支持数据访问。

      3)数据处理工作。从已经获得的高速铁路线路设计资料数据出发,解算高铁线路中心线。在具有地理空间坐标的高铁线路中心线基础上,获取铁路沿线的基础空间数据,包括影像、地图以及数字高程模型等。在能获取专业专题数据的事件表基础上,釆用线性参照技术手段将专业数据空间化。

      4)空间数据的展示工作。根据已有的高铁空间数据,结合以后的发展情况,设计了数据展示方案,并将试验段高铁线路的空间数据作了展示。基于ArcEngine开发了的高速铁路GIS展示系统。该系统实现了空间数据的加载、属性信息的查询、协同展示列车仿真结果等功能。

      参考文献

      [1]郑顺义,万传风,曾学贵.铁路勘测设计一体化与地理信息系统[J].北方交通大学学报,1999(1):55-58.

      [2]张晓东,王明生.GIS在铁路勘测设计一体化中的应用[J].石家庄铁道学院学报,2006(3):62-65.

      [3]吴信才.地理信息系统原理与方法[M].北京:电子工业出版社,2002

      [4]张晓东,王明生.基于GIS的铁路线路设计系统研究与开发[J].铁路计算机应用,2005(8):17-19.

      [5]张金龙,刘艳芳.GIS在既有铁路中的研究与应用[J].铁道工程学报,2006:135-139.

      [6]韩祖杰.GIS在新建铁路勘测设计中的应用[J].铁道工程学报,2006:151-155.

      [7]谢远光,王国昌,钟正,等.三维GIS在铁路勘测设计中的应用[J].重庆交通学院学报,2004:16-20.

      [8]韩元利.基于GIS的数字铁路选线在工程设计中的应用[J].铁道工程学报,况10(8):29-33.

      [9]韩元利,刘一平.基于数字地球的铁路选线设计模型[J].测绘信息与工程,2010(6):18-20.

      [10]杨舟,冉茂平.基于GIS的铁路绿色选线决策支持系统的研究与设计[J].铁道勘察,2008(5):28-32.

      (责任编辑:gufeng)

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