數(shù)字地鐵系統(tǒng)總體框架研究

摘 要：本文介紹了“數(shù)字地鐵”的背景和意義，提出了“數(shù)字地鐵”的近遠期目標，建立了“數(shù)字地鐵”的總體框架，展示了其基本功能。筆者認為在我國城市地鐵中應盡快建立“數(shù)字地鐵”系統(tǒng)，將為地鐵未來的可持續(xù)發(fā)展起到巨大的作用。
關鍵詞：數(shù)字地鐵、地理信息系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)

1、“數(shù)字地鐵”提出的背景和意義
近年來，地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、遙感(RS)等技術的發(fā)展，日漸成熟和普及，隨著虛擬現(xiàn)實、高分辨率遙感、分布式數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)倉庫、多媒體技術、海量數(shù)據(jù)處理及寬帶通信等技術的突飛猛進，為GIS技術的廣泛應用展示了更加光明的前景。隨著“數(shù)字地球”概念及其內(nèi)涵逐步明晰以及“數(shù)字地球”觀念的深入與普及，“數(shù)字地球”受到了我國各地方政府的高度重視，許多行業(yè)與地域已開始大規(guī)模的空間信息基礎設施建設，建立基于空間數(shù)據(jù)的共享平臺，如數(shù)字城市、數(shù)字國土、數(shù)字林業(yè)、數(shù)字鐵路、數(shù)字北京、福建和海南等。
作為城市功能中最活躍的因素，交通已成為城市可持續(xù)發(fā)展的關鍵性問題。從全國大城市來看，交通阻塞、行車速度緩慢已成為城市的頑疾。地鐵是城市交通和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的方向和必然要求，這已經(jīng)在國外大城市交通設施發(fā)展實踐中得到證實。中國作為世界第一人口大國，目前地鐵擁有量極低，已經(jīng)嚴重滯后于經(jīng)濟和社會飛速發(fā)展的需要。“十五”期間，我國計劃投資8000億元用于城市軌道交通建設，建設總里程將達到450公里。其中，用于地鐵建設的投資2000億元。目前，中國人口超過百萬的34個城市中，有22個正在建設和籌建自己的軌道交通。今后一個時期，中國城市地鐵將進入大規(guī)模建設階段。
地鐵交通是社會效益、經(jīng)濟效益、環(huán)境效益都十分突出的項目。采用信息技術與地鐵傳統(tǒng)行業(yè)相融合，將大大提高地鐵業(yè)的市場競爭能力和服務水平。對于改變目前虧損狀況，降低建設、運營管理成本，提高企業(yè)經(jīng)濟效益，都將產(chǎn)生巨大的推動作用。
地鐵作為城市大系統(tǒng)行業(yè)中的一個有機組成部分，又和其他行業(yè)有著千絲萬縷的密切聯(lián)系。為迎接全球信息化的挑戰(zhàn)和適應中國加入WTO后所需做出相應的對策，在“數(shù)字城市”的大背景環(huán)境下，地鐵行業(yè)也必將更加緊密地融入到城市整個大系統(tǒng)中，“數(shù)字地鐵”的實現(xiàn)就具有現(xiàn)實性和緊迫感，它還是“數(shù)字城市”實現(xiàn)中的重要環(huán)節(jié)。
多年來，在京、滬、津、穗等已運營的城市地鐵中，已陸續(xù)投資數(shù)百億元，建立了以自動售檢票（AFC）、列車自動控制系統(tǒng)（ATC）、電力監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、環(huán)境監(jiān)制系統(tǒng)（BAS）、防災報警系統(tǒng)（FAS）及高速通信網(wǎng)為代表的諸多運營管理、調(diào)度指揮和安全監(jiān)控系統(tǒng)，發(fā)揮了重大作用。地鐵總公司與下屬各部門之間也已建立了基于局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的辦公管理系統(tǒng)并初見成效。但是，由于不少城市地鐵建設中使用了來自不同國家的外資貸款，設備也只好從貸款國引進，不同國家的設備制式不同，造成了我國地鐵運營系統(tǒng)的“萬國牌”現(xiàn)象，這不僅給日后地鐵線網(wǎng)的擴容、管理帶來極大的困難。照此發(fā)展下去，將帶來諸多問題，如耗資巨大、維護困難、制式混亂等等，也必將嚴重阻礙我國城市軌道交通的發(fā)展；而且，由于各信息系統(tǒng)相互獨立，系統(tǒng)之間信息相對孤立，難以發(fā)揮信息綜合利用的優(yōu)勢。因此，為適應地鐵信息化發(fā)展的需要，建設覆蓋城市地鐵范圍的信息可視化共享平臺，達到“信息共享、綜合利用”的發(fā)展目的，為各級領導和廣大用戶提供更加直觀而豐富的信息，本文提出開展“數(shù)字地鐵”系統(tǒng)框架研究已刻不容緩。
“數(shù)字地鐵”是指在地鐵規(guī)劃、建設與運營管理中，充分地利用數(shù)字化信息處理技術和網(wǎng)絡通訊技術，對地鐵信息元按照統(tǒng)一的規(guī)范關聯(lián)地理信息，形成三維數(shù)字信息，并對此進行管理、分析和輔助決策的電子信息系統(tǒng)。有助于將地鐵內(nèi)部與外部城市的各種數(shù)字信息及地鐵的各種信息資源加以整合利用。
“數(shù)字地鐵”是“數(shù)字地球”的一個子集。“數(shù)字地鐵”的出現(xiàn)，也是經(jīng)濟全球化的必然趨勢，而聯(lián)系全球化的重要紐帶就是數(shù)字。“數(shù)字地鐵”的建設將為規(guī)劃或建設中的城市地鐵提供有利的幫助，將有利于在國家相關部門的統(tǒng)一指揮下解決目前各地鐵公司自成一家的現(xiàn)狀，實現(xiàn)信息共享，避免重復建設，為未來形成統(tǒng)一管理，執(zhí)行統(tǒng)一標準、規(guī)范打好基礎。總體而言，“數(shù)字地鐵”的建設對地鐵信息化的跨越式發(fā)展、提高運輸效率和科學化管理、提高面對緊急事件的處理能力等等具有深遠的社會意義和經(jīng)濟效益。
2、“數(shù)字地鐵”的目標
“數(shù)字地鐵”的目標分為近期目標和遠期目標，近期目標和遠期目標的劃分主要從地鐵各種設備的“靜態(tài)”和“動態(tài)”特點出發(fā)，最終實現(xiàn)對地鐵現(xiàn)有各種應用系統(tǒng)的有機集成，建立空間信息與共享平臺機制，便于各種信息直觀表達、綜合利用與快速反應。
2.1“數(shù)字地鐵”的近期目標
u采用GIS技術，建立一個多數(shù)據(jù)源的地鐵空間數(shù)據(jù)庫；
u建立地鐵“靜態(tài)”設施管理的綜合系統(tǒng)；
具體而言，近期目標包括如下幾點。
2.1.1接合各專業(yè)應用需求，規(guī)劃并制作城市地鐵電子地圖
在制作城市地鐵電子地圖時，應規(guī)范基礎信息，如車站編碼、線路編碼、設備編碼、地理信息標注內(nèi)容與方式等等內(nèi)容，充分考慮現(xiàn)有各應用的需求及未來發(fā)展的需要，對地理信息元進行定義，使之滿足各專業(yè)業(yè)務的需要。地鐵電子地圖是導航查詢的基礎，通過在導航圖上點選對象，定位并顯示其對應的圖幅。如查詢某車站的設備平面示意圖，通過操縱導航地圖，漫游放大，找到導航圖上該車站的位置，單擊圖上該站位置，即得到該站的多媒體信息。
2.1.2建立各應用電子圖層
建立如線路配置圖、線路綜合圖、車站線路配置圖、電務設備配置圖（高中壓交流供電設備、牽引供電設備）、電力監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)控設備配置圖、通信信號設備綜合圖、防災報警設備配置圖、車輛設備配置圖、自動售檢票設備配置圖、區(qū)間速度圖、車站平面圖、區(qū)間客流分布圖等等。
2.1.3建立地鐵圖形，圖象，音像存儲，傳輸，選播系統(tǒng)
地鐵運輸具有明顯的地域、地理性質(zhì)，在管理過程中對信息的時效性、準確性提出了較高的要求。建設數(shù)字地鐵將地鐵運營相關信息數(shù)字化，以多媒體處理技術將地鐵的音、像、圖、數(shù)等信息以統(tǒng)一的標準存儲起來，并通過計算機進行加工、處理，為地鐵行車調(diào)度、基礎維護、設備管理、建設規(guī)劃提供了有效的數(shù)據(jù)服務和決策支持。系統(tǒng)存儲地鐵區(qū)間、車站和停車場等video、重要設備圖像、搶險救災和事故現(xiàn)場video、重要區(qū)間地段地形、地質(zhì)、地貌文件等信息，系統(tǒng)具有圖像信息智能提取功能，能根據(jù)需要選播圖像信息。
2.1.4建立設備統(tǒng)計、分析，檢索系統(tǒng)
·輸入檢索條件，查詢設備位置。例如，輸入坡度大于3‰條件，檢索指定范圍內(nèi)的線路綜合圖，點擊相關設備查詢設備類型、型號等信息；輸入曲線半徑小于1000米條件，檢索所有滿足條件的位置信息。
·選定地圖區(qū)域，檢索該區(qū)域內(nèi)的設備、經(jīng)濟指標狀況信息。例如，通過在地圖上點擊復興門站，把復興門站相關專業(yè)的信息分門別類以報表的形式顯示、打印出來。
2.2“數(shù)字地鐵”的遠期目標
u建立地鐵“動態(tài)”設施管理的綜合系統(tǒng)；
u建立面對緊急事件處理能力的綜合系統(tǒng)；
具體而言，遠期目標包括如下幾點。
2.2.1建立虛擬地鐵再現(xiàn)系統(tǒng)
通過與各種現(xiàn)有應用系統(tǒng)，如與ATC、遙供音頻無絕緣軌道電路FTGS-917等實時追蹤系統(tǒng)接口，把地鐵當前運輸行車組織情況用三維圖形圖像形式形象地顯示出來。同時，利用地鐵電子地圖、各專業(yè)圖層，再現(xiàn)地鐵各專業(yè)設備即時運轉(zhuǎn)狀況。
2.2.2建立面對緊急事件處理綜合信息系統(tǒng)
該系統(tǒng)可以幫助地鐵部門在面對災難、緊急事件（發(fā)生火災、車輛脫軌、供電故障、信號故障、通訊中斷、列車壓人、列車故障被迫在區(qū)間停車、隧道內(nèi)緊急疏乘客等）處理時，直觀、快速地查詢能實時反映事件地點的地理環(huán)境、給排水設施、行車運營、線路設備、環(huán)控通風等等資料，并與現(xiàn)有的系統(tǒng)（如環(huán)境監(jiān)制系統(tǒng)BAS、防災報警系統(tǒng)FAS）接口，獲取救護設備和救災搶險力量分布位置、數(shù)量等等相關信息，為地鐵部門做出快速有效的救助策略提供依據(jù)。
2.2.3建立客流動態(tài)分布、行車運營組織合理調(diào)配輔助決策系統(tǒng)
例如通過與地鐵自動售檢票（AFC）接口即時動態(tài)掌握客流分布情況，客流峰值的時間和位置，匯總即時的列車運營情況，系統(tǒng)自動產(chǎn)生幾種合理的決策方案供調(diào)度人員選擇，這將大大提高地鐵運營管理的效率和科學性。
2.2.4 建立公共信息服務系統(tǒng)
建設“數(shù)字地鐵”系統(tǒng)可提高地鐵企業(yè)形象和服務質(zhì)量，進一步擴大地鐵在城市綜合交通運輸市場中的競爭優(yōu)勢。通過數(shù)字地鐵系統(tǒng)，一方面，乘客可以直觀地查找地鐵服務信息，如車票發(fā)售點及發(fā)售信息、某段路徑所需時間；另一方面，地鐵部門可以分析主要客流分布區(qū)域、高峰時段客流O—D分布，籍此，可以做出符合事實的決策。在國外，德國漢堡已開通了第一個多媒體地鐵車站，墻上的多媒體設備除了可供乘客自己查詢有關交通信息外，還能提供Internet瀏覽、自動取款、信用卡結(jié)賬、當?shù)貙ｉT信息查詢等多種服務；最新的地鐵車廂內(nèi)安裝了電視顯示屏提供新聞、交通、天氣等信息。香港和倫敦也大量使用了先進的通訊和網(wǎng)絡設施為乘客提供信息服務。漢堡和倫敦等已建立了地鐵公司的Internet網(wǎng)頁，可使全世界對其有所了解，對企業(yè)的發(fā)展具有很重要的意義。
3、“數(shù)字地鐵”的總體框架
3.1“數(shù)字地鐵”總體結(jié)構
“數(shù)字地鐵”是一個系統(tǒng)工程，是建立在數(shù)字采集和科學規(guī)劃及管理基礎之上的軟科學研究。系統(tǒng)采用工業(yè)標準的三層體系架構的設計，設計框架如圖1所示：
綜合管理信息系統(tǒng)是在基礎空間數(shù)據(jù)庫平臺基礎上建設，在廣義上，整個管理信息系統(tǒng)亦包含公共基礎空間數(shù)據(jù)庫部分。整個信息系統(tǒng)遵循信息產(chǎn)業(yè)標準的三層體系架構的要求進行設計。公共基礎數(shù)據(jù)庫RDBMS和空間數(shù)據(jù)引擎SDE共同構成系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層基礎；專業(yè)地理信息系統(tǒng)平臺MGIS構成業(yè)務層，最后，用戶所面對的最終地鐵綜合管理信息系統(tǒng)構成系統(tǒng)的表現(xiàn)層

3.2“數(shù)字地鐵”基礎空間數(shù)據(jù)庫
空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（Spatial Database System）是地理空間數(shù)據(jù)庫的集成。通過空間數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將地鐵設施等空間數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的管理。
地鐵基礎空間數(shù)據(jù)庫包含多比例尺的矢量數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、地名注記、大地控制數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和其它專題數(shù)據(jù)。各種比例尺、各種類型的空間數(shù)據(jù)要能夠相互套合，互相迭加形成集成化的空間數(shù)據(jù)庫。空間數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如圖2所示：
公共基礎空間數(shù)據(jù)庫是全方位、動態(tài)的，實時和準實時地為決策提供科學的基礎數(shù)據(jù)，為各專業(yè)部門提供空間數(shù)據(jù)的基礎支撐。同時要為數(shù)據(jù)庫的運行、維護、管理、更新和數(shù)據(jù)安全提供有效的技術手段。

3.3“數(shù)字地鐵”建設原則
u實用性
系統(tǒng)建設的目的是為了改進工作方式，提高工作效率，所以系統(tǒng)建設必須與部門的業(yè)務相適應，符合部門的業(yè)務需要，滿足各部門的功能要求，達到物盡其用的目的。同時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)本身界面要友好并具有自己的特點，符合各個工作人員的使用習慣，增強系統(tǒng)的親和性。
u先進性
本系統(tǒng)的建設要符合IT技術的發(fā)展趨勢，整個系統(tǒng)基于網(wǎng)絡來開發(fā)，通過網(wǎng)絡來傳遞信息和進行業(yè)務處理。
u經(jīng)濟性
系統(tǒng)的建設要在實用的基礎上做到經(jīng)濟，要考慮現(xiàn)有資源和配備資源的合理使用，對整個系統(tǒng)要進行最優(yōu)化配置，做到以最小的投入獲取最大的成效。
u開放性
隨著中國加入WTO和改革開放的深入發(fā)展，管理職能和服務方式處在不斷的變化之中，所以系統(tǒng)的建設要考慮到職能和服務方式變化的可能性，進行開放式設計，便于系統(tǒng)二次開發(fā)和功能調(diào)整擴充，便于系統(tǒng)升級。
u前瞻性
信息技術發(fā)展非常之快，在系統(tǒng)的設計中要有超前性，必須充分考慮技術的發(fā)展趨勢，如采用關系型數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)、Internet GIS應用、Open GIS規(guī)范及空間數(shù)據(jù)互操作(Interoperability)等問題。同時在硬件配置和系統(tǒng)設計中還充分考慮系統(tǒng)的發(fā)展和升級，使系統(tǒng)具有較強的擴展能力，處于應用系統(tǒng)技術領先地位。
u循序漸進原則
指系統(tǒng)的建設要根據(jù)現(xiàn)有的條件，有計劃有步驟地進行。系統(tǒng)建設初期，應以滿足基本功能、實現(xiàn)常用的迫切的基礎功能為主，以后再逐步進行功能擴展，使系統(tǒng)為決策服務。
另外系統(tǒng)重要突出可靠性和安全性原則。
4.“數(shù)字地鐵”的基本功能
數(shù)字地鐵的數(shù)據(jù)庫平臺除空間地理信息外，應充分利用各業(yè)務部門已建成的專業(yè)管理信息系統(tǒng)（MIS）數(shù)據(jù)庫，將其與地理信息系統(tǒng)（GIS）整合，在此基礎之上構建車輛、線路設備、電務、調(diào)度指揮、救援中心等部門的基于GIS技術的綜合管理系統(tǒng)，數(shù)字地鐵的基本功能結(jié)構如圖3所示：

5.結(jié)束語
“數(shù)字地鐵”系統(tǒng)的建設，可為地鐵各級部門的管理和決策提供先進的應用平臺和管理工具，必將產(chǎn)生深遠的社會意義和經(jīng)濟效益。“數(shù)字地鐵”作為未來信息時代繼續(xù)保持高科技經(jīng)濟發(fā)展的高級系統(tǒng)工程“數(shù)字中國”的一部分，它的建設將為我國類似系統(tǒng)的建設具有帶動和示范作用。