數字地鐵系統總體框架研究

摘 要：本文介紹了“數字地鐵”的背景和意義，提出了“數字地鐵”的近遠期目標，建立了“數字地鐵”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“數字地鐵”系統，將為地鐵未來的可持續發展起到巨大的作用。
關鍵詞：數字地鐵、地理信息系統、管理信息系統

1、“數字地鐵”提出的背景和意義
近年來，地理信息系統(GIS)、全球衛星定位系統(GPS)、遙感(RS)等技術的發展，日漸成熟和普及，隨著虛擬現實、高分辨率遙感、分布式數據庫、網絡技術、數據倉庫、多媒體技術、海量數據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“數字地球”概念及其內涵逐步明晰以及“數字地球”觀念的深入與普及，“數字地球”受到了我國各地方政府的高度重視，許多行業與地域已開始大規模的空間信息基礎設施建設，建立基于空間數據的共享平臺，如數字城市、數字國土、數字林業、數字鐵路、數字北京、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發展的關鍵性問題。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濟可持續發展的方向和必然要求，這已經在國外大城市交通設施發展實踐中得到證實。中國作為世界第一人口大國，目前地鐵擁有量極低，已經嚴重滯后于經濟和社會飛速發展的需要。“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模建設階段。
地鐵交通是社會效益、經濟效益、環境效益都十分突出的項目。采用信息技術與地鐵傳統行業相融合，將大大提高地鐵業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，提高企業經濟效益，都將產生巨大的推動作用。
地鐵作為城市大系統行業中的一個有機組成部分，又和其他行業有著千絲萬縷的密切聯系。為迎接全球信息化的挑戰和適應中國加入WTO后所需做出相應的對策，在“數字城市”的大背景環境下，地鐵行業也必將更加緊密地融入到城市整個大系統中，“數字地鐵”的實現就具有現實性和緊迫感，它還是“數字城市”實現中的重要環節。
多年來，在京、滬、津、穗等已運營的城市地鐵中，已陸續投資數百億元，建立了以自動售檢票（AFC）、列車自動控制系統（ATC）、電力監控系統（SCADA）、環境監制系統（BAS）、防災報警系統（FAS）及高速通信網為代表的諸多運營管理、調度指揮和安全監控系統，發揮了重大作用。地鐵總公司與下屬各部門之間也已建立了基于局域網和互聯網的辦公管理系統并初見成效。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的“萬國牌”現象，這不僅給日后地鐵線網的擴容、管理帶來極大的困難。照此發展下去，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展；而且，由于各信息系統相互獨立，系統之間信息相對孤立，難以發揮信息綜合利用的優勢。因此，為適應地鐵信息化發展的需要，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“數字地鐵”系統框架研究已刻不容緩。
“數字地鐵”是指在地鐵規劃、建設與運營管理中，充分地利用數字化信息處理技術和網絡通訊技術，對地鐵信息元按照統一的規范關聯地理信息，形成三維數字信息，并對此進行管理、分析和輔助決策的電子信息系統。有助于將地鐵內部與外部城市的各種數字信息及地鐵的各種信息資源加以整合利用。
“數字地鐵”是“數字地球”的一個子集?！皵底值罔F”的出現，也是經濟全球化的必然趨勢，而聯系全球化的重要紐帶就是數字。“數字地鐵”的建設將為規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一指揮下解決目前各地鐵公司自成一家的現狀，實現信息共享，避免重復建設，為未來形成統一管理，執行統一標準、規范打好基礎?？傮w而言，“數字地鐵”的建設對地鐵信息化的跨越式發展、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濟效益。
2、“數字地鐵”的目標
“數字地鐵”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”和“動態”特點出發，最終實現對地鐵現有各種應用系統的有機集成，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“數字地鐵”的近期目標
u采用GIS技術，建立一個多數據源的地鐵空間數據庫；
u建立地鐵“靜態”設施管理的綜合系統；
具體而言，近期目標包括如下幾點。
2.1.1接合各專業應用需求，規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、地理信息標注內容與方式等等內容，充分考慮現有各應用的需求及未來發展的需要，對地理信息元進行定義，使之滿足各專業業務的需要。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）、電力監控系統、環控設備配置圖、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、區間速度圖、車站平面圖、區間客流分布圖等等。
2.1.3建立地鐵圖形，圖象，音像存儲，傳輸，選播系統
地鐵運輸具有明顯的地域、地理性質，在管理過程中對信息的時效性、準確性提出了較高的要求。建設數字地鐵將地鐵運營相關信息數字化，以多媒體處理技術將地鐵的音、像、圖、數等信息以統一的標準存儲起來，并通過計算機進行加工、處理，為地鐵行車調度、基礎維護、設備管理、建設規劃提供了有效的數據服務和決策支持。系統存儲地鐵區間、車站和停車場等video、重要設備圖像、搶險救災和事故現場video、重要區間地段地形、地質、地貌文件等信息，系統具有圖像信息智能提取功能，能根據需要選播圖像信息。
2.1.4建立設備統計、分析，檢索系統
·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。
·選定地圖區域，檢索該區域內的設備、經濟指標狀況信息。例如，通過在地圖上點擊復興門站，把復興門站相關專業的信息分門別類以報表的形式顯示、打印出來。
2.2“數字地鐵”的遠期目標
u建立地鐵“動態”設施管理的綜合系統；
u建立面對緊急事件處理能力的綜合系統；
具體而言，遠期目標包括如下幾點。
2.2.1建立虛擬地鐵再現系統
通過與各種現有應用系統，如與ATC、遙供音頻無絕緣軌道電路FTGS-917等實時追蹤系統接口，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、各專業圖層，再現地鐵各專業設備即時運轉狀況。
2.2.2建立面對緊急事件處理綜合信息系統
該系統可以幫助地鐵部門在面對災難、緊急事件（發生火災、車輛脫軌、供電故障、信號故障、通訊中斷、列車壓人、列車故障被迫在區間停車、隧道內緊急疏乘客等）處理時，直觀、快速地查詢能實時反映事件地點的地理環境、給排水設施、行車運營、線路設備、環控通風等等資料，并與現有的系統（如環境監制系統BAS、防災報警系統FAS）接口，獲取救護設備和救災搶險力量分布位置、數量等等相關信息，為地鐵部門做出快速有效的救助策略提供依據。
2.2.3建立客流動態分布、行車運營組織合理調配輔助決策系統
例如通過與地鐵自動售檢票（AFC）接口即時動態掌握客流分布情況，客流峰值的時間和位置，匯總即時的列車運營情況，系統自動產生幾種合理的決策方案供調度人員選擇，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
建設“數字地鐵”系統可提高地鐵企業形象和服務質量，進一步擴大地鐵在城市綜合交通運輸市場中的競爭優勢。通過數字地鐵系統，一方面，乘客可以直觀地查找地鐵服務信息，如車票發售點及發售信息、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、信用卡結賬、當地專門信息查詢等多種服務；最新的地鐵車廂內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網頁，可使全世界對其有所了解，對企業的發展具有很重要的意義。
3、“數字地鐵”的總體框架
3.1“數字地鐵”總體結構
“數字地鐵”是一個系統工程，是建立在數字采集和科學規劃及管理基礎之上的軟科學研究。系統采用工業標準的三層體系架構的設計，設計框架如圖1所示：
綜合管理信息系統是在基礎空間數據庫平臺基礎上建設，在廣義上，整個管理信息系統亦包含公共基礎空間數據庫部分。整個信息系統遵循信息產業標準的三層體系架構的要求進行設計。公共基礎數據庫RDBMS和空間數據引擎SDE共同構成系統的數據層基礎；專業地理信息系統平臺MGIS構成業務層，最后，用戶所面對的最終地鐵綜合管理信息系統構成系統的表現層

3.2“數字地鐵”基礎空間數據庫
空間數據庫系統（Spatial Database System）是地理空間數據庫的集成。通過空間數據庫管理系統將地鐵設施等空間數據進行統一的管理。
地鐵基礎空間數據庫包含多比例尺的矢量數據、屬性數據、地名注記、大地控制數據、元數據和其它專題數據。各種比例尺、各種類型的空間數據要能夠相互套合，互相迭加形成集成化的空間數據庫。空間數據庫系統如圖2所示：
公共基礎空間數據庫是全方位、動態的，實時和準實時地為決策提供科學的基礎數據，為各專業部門提供空間數據的基礎支撐。同時要為數據庫的運行、維護、管理、更新和數據安全提供有效的技術手段。

3.3“數字地鐵”建設原則
u實用性
系統建設的目的是為了改進工作方式，提高工作效率，所以系統建設必須與部門的業務相適應，符合部門的業務需要，滿足各部門的功能要求，達到物盡其用的目的。同時數據庫系統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，增強系統的親和性。
u先進性
本系統的建設要符合IT技術的發展趨勢，整個系統基于網絡來開發，通過網絡來傳遞信息和進行業務處理。
u經濟性
系統的建設要在實用的基礎上做到經濟，要考慮現有資源和配備資源的合理使用，對整個系統要進行最優化配置，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展，管理職能和服務方式處在不斷的變化之中，所以系統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，便于系統二次開發和功能調整擴充，便于系統升級。
u前瞻性
信息技術發展非常之快，在系統的設計中要有超前性，必須充分考慮技術的發展趨勢，如采用關系型數據庫管理空間數據、Internet GIS應用、Open GIS規范及空間數據互操作(Interoperability)等問題。同時在硬件配置和系統設計中還充分考慮系統的發展和升級，使系統具有較強的擴展能力，處于應用系統技術領先地位。
u循序漸進原則
指系統的建設要根據現有的條件，有計劃有步驟地進行。系統建設初期，應以滿足基本功能、實現常用的迫切的基礎功能為主，以后再逐步進行功能擴展，使系統為決策服務。
另外系統重要突出可靠性和安全性原則。
4.“數字地鐵”的基本功能
數字地鐵的數據庫平臺除空間地理信息外，應充分利用各業務部門已建成的專業管理信息系統（MIS）數據庫，將其與地理信息系統（GIS）整合，在此基礎之上構建車輛、線路設備、電務、調度指揮、救援中心等部門的基于GIS技術的綜合管理系統，數字地鐵的基本功能結構如圖3所示：

5.結束語
“數字地鐵”系統的建設，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，必將產生深遠的社會意義和經濟效益?！皵底值罔F”作為未來信息時代繼續保持高科技經濟發展的高級系統工程“數字中國”的一部分，它的建設將為我國類似系統的建設具有帶動和示范作用。