基于WebGIS的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬樹峰

(中國鐵道科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

基于WebGIS的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馬樹峰

(中國鐵道科學(xué)研究院 標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081)

鐵路煤炭運(yùn)輸過程中的揚(yáng)塵問題是危及運(yùn)輸安全、造成環(huán)境污染和煤炭資源浪費(fèi)的重大隱患。針對(duì)全國鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵作業(yè)噴灑質(zhì)量、評(píng)價(jià)抑塵效果、管理抑塵信息等難以監(jiān)管的問題，在分析系統(tǒng)需求的基礎(chǔ)上，提出基于 WebGIS 的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，包括系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)架構(gòu)及系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，據(jù)此開發(fā)的系統(tǒng)可展示鐵路抑塵作業(yè)站點(diǎn)分布情況，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控、查詢、調(diào)度、指揮各作業(yè)站點(diǎn)的抑塵信息，實(shí)現(xiàn)煤炭運(yùn)輸抑塵管理的指揮垂直化、組織扁平化，有效地提高煤炭抑塵作業(yè)質(zhì)量和工作效率。

抑塵站；地理信息系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；空間數(shù)據(jù)

鐵路煤炭運(yùn)輸過程中的揚(yáng)塵問題是危及運(yùn)輸安全、造成環(huán)境污染和煤炭資源浪費(fèi)的重大隱患[1]。隨著列車速度的不斷提高，煤炭揚(yáng)塵危害呈愈演愈烈之勢(shì)。為降低煤炭在鐵路運(yùn)輸過程中的損耗，減少對(duì)環(huán)境的污染，保證運(yùn)輸安全，鐵路貨運(yùn)管理部門在充分研究論證的基礎(chǔ)上，于 2009 年開始推廣應(yīng)用煤炭運(yùn)輸抑塵技術(shù)。截至 2015 年底，全路共建成并投入運(yùn)用近 400 個(gè)固定式煤炭抑塵噴灑站，通過自動(dòng)化設(shè)備控制抑塵劑的噴灑，經(jīng) 6 大鐵路干線運(yùn)輸?shù)拿禾繉?shí)現(xiàn)100% 抑塵處理[2]。鐵路煤炭運(yùn)輸實(shí)施抑塵后，大大減少了煤炭顆粒擊打列車前風(fēng)擋、車窗玻璃事故的發(fā)生，降低了沿線鐵路設(shè)備和機(jī)車故障率，確保了鐵路運(yùn)輸安全，有效地控制了沿線環(huán)境的污染，改變了過去老百姓窗門緊閉的境遇，確保了鐵路沿線群眾的身體健康，得到沿線地區(qū)老百姓的贊譽(yù)，也得到地方政府和煤炭發(fā)運(yùn)企業(yè)的理解和支持，社會(huì)反映良好。但是，在抑塵作業(yè)質(zhì)量控制方面也存在一些問題，如抑塵作業(yè)信息數(shù)據(jù)不能實(shí)時(shí)備份、查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，無法監(jiān)測(cè)、調(diào)度、管理、指揮抑塵作業(yè)，易發(fā)生漏噴、多噴、少噴、停噴等抑塵作業(yè)質(zhì)量問題。為此研發(fā)基于網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng) (Web Geographic Information System，WebGIS) 的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)，用于對(duì)煤炭抑塵作業(yè)信息進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制，監(jiān)控、分析、調(diào)度、管理煤炭抑塵作業(yè)質(zhì)量。

1 鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)需求分析

1.1 抑塵管理組織結(jié)構(gòu)

目前，鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵工作實(shí)行中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 (段) (含貨運(yùn)中心)、抑塵站點(diǎn) 4

級(jí)管理。中國鐵路總公司貨運(yùn)主管部門負(fù)責(zé)全路煤炭抑塵工作的組織、監(jiān)督及指導(dǎo)工作，負(fù)責(zé)組織制定全路范圍的鐵路煤炭抑塵管理有關(guān)規(guī)章、辦法和技術(shù)條件；鐵路局貨運(yùn)主管部門負(fù)責(zé)對(duì)局管內(nèi)煤炭抑塵生產(chǎn)安全、設(shè)備設(shè)施管用修、抑塵作業(yè)質(zhì)量等工作進(jìn)行監(jiān)督，負(fù)責(zé)制定管內(nèi)煤炭運(yùn)輸抑塵工作管理辦法及相關(guān)規(guī)定并組織實(shí)施，負(fù)責(zé)抑塵作業(yè)人員培訓(xùn)等工作；直屬站 (段) 負(fù)責(zé)制定煤炭抑塵管理實(shí)施細(xì)則，負(fù)責(zé)管內(nèi)煤炭抑塵日常生產(chǎn)組織、監(jiān)督和指導(dǎo)；抑塵站點(diǎn)負(fù)責(zé)落實(shí)具體的規(guī)章、辦法和技術(shù)條件，按規(guī)定配制抑塵劑，保證噴灑質(zhì)量達(dá)到規(guī)定要求，定期維護(hù)保養(yǎng)抑塵設(shè)備，保證設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)良好。

1.2 功能需求

煤炭運(yùn)輸抑塵技術(shù)推廣應(yīng)用以來，鐵路貨運(yùn)管理部門先后制定發(fā)布《鐵路貨運(yùn)安全檢測(cè)監(jiān)控與管理系統(tǒng)總體技術(shù)規(guī)范》《“十二五”鐵路貨運(yùn)設(shè)備設(shè)施建設(shè)的實(shí)施意見》《鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵作業(yè)技術(shù)條件》《散裝礦物粉料鐵路運(yùn)輸抑塵劑暫行技術(shù)條件》《散裝礦物粉料鐵路運(yùn)輸抑塵噴灑系統(tǒng)暫行技術(shù)條件》《散裝礦物粉料鐵路運(yùn)輸抑塵作業(yè)暫行技術(shù)條件》等 10 余項(xiàng)規(guī)章、辦法和標(biāo)準(zhǔn)，在抑塵作業(yè)安全、抑塵劑選用配制、抑塵劑噴灑質(zhì)量、抑塵作業(yè)環(huán)境、抑塵設(shè)施設(shè)備配置、抑塵設(shè)施設(shè)備管用修、抑塵服務(wù)質(zhì)量等方面提出了具體工作要求，同時(shí)明確了抑塵系統(tǒng)建設(shè)的功能需求、基本組成、主要技術(shù)要求和配置要求等內(nèi)容[3]，為研發(fā)鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)提供了技術(shù)依據(jù)。系統(tǒng)應(yīng)以提高鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵作業(yè)質(zhì)量和管理水平為目的，采用自動(dòng)控制技術(shù)和信息化技術(shù)手段，通過中國鐵路總公司、鐵路局、直屬站 (段) 3 級(jí)聯(lián)網(wǎng)，提高抑塵作業(yè)的自動(dòng)化程度，并且為各級(jí)貨運(yùn)及抑塵管理部門提供噴灑情況及質(zhì)量信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴灑過程與效果的實(shí)時(shí)監(jiān)控與評(píng)估，使管理部門能夠及時(shí)、全面掌握抑塵作業(yè)質(zhì)量情況。

（1）抑塵信息展示。將抑塵站相關(guān)信息共享到網(wǎng)絡(luò)上，展示鐵路抑塵作業(yè)站點(diǎn)分布情況，各級(jí)用戶能夠利用基于地理信息系統(tǒng) (GIS) 的集中監(jiān)控功能，對(duì)管理權(quán)限內(nèi)的煤炭運(yùn)輸抑塵作業(yè)信息進(jìn)行集中展示，管理人員可以監(jiān)控、調(diào)度、指揮各抑塵站的抑塵作業(yè)，實(shí)現(xiàn)抑塵作業(yè)的集中化、動(dòng)態(tài)化和可視化[4]。

（2）抑塵噴灑監(jiān)控。①對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行智能分析和監(jiān)控，自動(dòng)判斷是否有需要抑塵的貨車經(jīng)過；當(dāng)出現(xiàn)需要抑塵的貨車時(shí)，系統(tǒng)立即啟動(dòng)抑塵劑噴灑裝置，并且通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)抑塵劑噴灑的智能化管理；能夠按車號(hào)自動(dòng)計(jì)量噴灑量，根據(jù)貨車運(yùn)行速度自動(dòng)調(diào)節(jié)噴灑流量，識(shí)別鉤檔并且停噴[5]。②提供抑塵情況的視頻監(jiān)控，作業(yè)視頻能夠遠(yuǎn)程控制和回放。

（3）統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)抑塵作業(yè)質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，按照日、周、月、年生成抑塵作業(yè)信息統(tǒng)計(jì)圖表等；各級(jí)管理用戶可按權(quán)限實(shí)時(shí)查詢各抑塵站作業(yè)完成情況、實(shí)時(shí)作業(yè)影像，生成站段、鐵路局或全路統(tǒng)計(jì)圖表等。

2 基于WebGIS的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

WebGIS 是 Web 技術(shù)與 GIS 相結(jié)合的產(chǎn)物，它通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行地理空間數(shù)據(jù)的發(fā)布和應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)的共享和互操作。WebGIS 具有良好的可擴(kuò)展性和跨平臺(tái)性等特點(diǎn)，并且易于部署[6-8]。

2.1 系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)

基于 WebGIS 的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)將抑塵站相關(guān)信息共享到網(wǎng)絡(luò)上，管理人員可以監(jiān)控、調(diào)度、指揮各抑塵站的抑塵作業(yè)，系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)管理、GIS 基本功能和抑塵站信息管理功能模塊。系統(tǒng)總體功能結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

（1）數(shù)據(jù)管理。①數(shù)據(jù)采集：從各抑塵站采集相關(guān)的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，為后續(xù)工作提供支持。②數(shù)據(jù)查詢與編輯：實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的錄入、查詢、修改等操作，可以進(jìn)行站點(diǎn)信息的查詢、編輯。③數(shù)據(jù)分析：對(duì)各抑塵站空間數(shù)據(jù)和抑塵信息進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)每個(gè)站點(diǎn)每天的過車總數(shù)、噴灑量等信息。

（2）GIS 基本功能。①圖層管理：用于對(duì)地圖圖層進(jìn)行管理，包括顯示地圖、對(duì)不同圖層的顯示順序進(jìn)行設(shè)定、添加地圖、刪除地圖等功能。②空間分析：用于在地圖上進(jìn)行交互操作，主要是空間分析相

關(guān)的操作，包括計(jì)算 2 點(diǎn)之間的實(shí)際距離、某個(gè)范圍的實(shí)際面積、在地圖中查詢某站點(diǎn)的位置等。③地圖操作：包括鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)放大、縮小，鼠標(biāo)點(diǎn)擊事件實(shí)現(xiàn)放大、縮小、移動(dòng)地圖、區(qū)域選擇等功能。

（3）抑塵站信息管理。①系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示：模擬顯示抑塵站點(diǎn)的抑塵作業(yè)狀態(tài)、抑塵劑從配制到噴灑的整個(gè)過程中各個(gè)傳感器的工作狀態(tài)。②庫存管理：對(duì)抑塵站的抑塵劑庫存信息進(jìn)行管理。③視頻監(jiān)控：實(shí)時(shí)監(jiān)視站點(diǎn)的噴灑操作情況并且進(jìn)行錄像。④噴灑記錄管理：實(shí)時(shí)顯示噴灑信息，可以進(jìn)行日統(tǒng)計(jì)和月統(tǒng)計(jì)，也可以將統(tǒng)計(jì)結(jié)果輸出。

（4）用戶權(quán)限管理。系統(tǒng)用戶分為中國鐵路總公司級(jí)、鐵路局級(jí)、直屬站 (段) 級(jí)用戶，以及抑塵站點(diǎn)級(jí)生產(chǎn)作業(yè)及管理崗位用戶，通過用戶角色和功能的劃分，為不同用戶提供不同的功能和使用權(quán)限。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 邏輯架構(gòu)

由于 B/S 結(jié)構(gòu)具有分布式的特點(diǎn)，可以隨時(shí)隨地通過 Web 瀏覽器進(jìn)行查詢、瀏覽等業(yè)務(wù)處理，而且部署和維護(hù)方便，易于擴(kuò)展，因而系統(tǒng)采用 B/S 架構(gòu)。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和表示層4 部分組成，如圖 2 所示。

（1）數(shù)據(jù)層。存儲(chǔ)矢量、屬性和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，是系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)源。

圖 2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

（2）服務(wù)層。由 GIS 服務(wù)和緩存服務(wù)組成。GIS服務(wù)由 GeoServer 發(fā)布的 WMS (Web Map Service)、WFS (Web Feature Service) 和 WCS (Web Coverage Service) 服務(wù)組成，其中WMS主要利用具有地理空間位置信息的數(shù)據(jù)制作地圖；WFS 返回的是要素級(jí)的 GML 編碼，并且提供對(duì)要素的增加、修改、刪除等操作；WCS 則面向空間影像數(shù)據(jù)，它將包含地理位置值的地理空間數(shù)據(jù)作為“覆蓋 (Coverage)”在網(wǎng)上相互交換。緩存服務(wù)是在 GIS 服務(wù)器前添加的一個(gè)功能，它將數(shù)據(jù)庫中的地圖數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成靜態(tài)圖片并且存儲(chǔ)在 Web 服務(wù)器中，客戶端從緩存中獲取靜態(tài)的瓦片以代替動(dòng)態(tài)渲染的地圖服務(wù)。

（3）業(yè)務(wù)層。用來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)邏輯，它將業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)分離，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展和移植。

（4）表示層。為不同用戶對(duì)象群體提供信息展現(xiàn)界面，在客戶端通過瀏覽器方式實(shí)現(xiàn)信息瀏覽和交

互操作等功能。系統(tǒng)采用 HTML 技術(shù)和 OpenLayers顯示地圖，采用 Ajax 完成簡(jiǎn)單的業(yè)務(wù)邏輯。

2.2.2 數(shù)據(jù)組織和管理

系統(tǒng)包含大量空間、屬性等數(shù)據(jù)，對(duì)靜態(tài)基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，采用 XML 方式對(duì)不同格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行組織；對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，則采用 PostgreSQL/PostGIS 進(jìn)行數(shù)據(jù)的創(chuàng)建和管理。

（1）空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。將空間數(shù)據(jù)按照一定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為易于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和處理的形式。①矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。通過記錄坐標(biāo)的方式來表示點(diǎn)、線、面等地理實(shí)體的空間分布。②柵格結(jié)構(gòu)。將地圖表面劃分為大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列，每個(gè)網(wǎng)格作為一個(gè)像元或像素，由行、列號(hào)定義，并包含一個(gè)代碼，表示該像素的屬性類型或量值，或僅僅包含指向其屬性記錄的指針。③矢柵一體化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。將矢量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和柵格數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，是一種以矢量的方式組織柵格數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

（2）基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)組織和管理。鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)需要使用全國基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行輔助顯示，主要包括鐵路線路分布圖層、高速鐵路線路分布圖層、火車站分布圖層、省會(huì)分布圖層、省界繪制圖層、地級(jí)市分布圖層、縣級(jí)分布圖層等。將全國鐵路運(yùn)輸數(shù)據(jù)作為底層數(shù)據(jù)，將全國地圖及相應(yīng)的行政區(qū)界線等數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，采用 XML 文件對(duì)基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行組織和管理。

（3）動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)組織和管理。實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵數(shù)據(jù)包括抑塵噴灑信息、庫存管理信息和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)等，PostGIS 是 PostgreSQL 的一個(gè)擴(kuò)展，它支持所有的空間數(shù)據(jù)類型，并且具有源代碼公開和功能擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，因而動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)均采用 PostgreSQL/PostGIS 進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。

2.2.3 空間數(shù)據(jù)的發(fā)布

采用 GeoServer 將數(shù)據(jù)發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，網(wǎng)絡(luò)用戶通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行訪問。系統(tǒng)提供友好的用戶接口，包括對(duì)內(nèi)容的合理組織與布局，對(duì)頁面形式、布局內(nèi)容、色調(diào)搭配、菜單形式與內(nèi)容、對(duì)話作業(yè)方式等的合理設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)簡(jiǎn)潔實(shí)用；在性能上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的運(yùn)行，并提供完善的維護(hù)管理。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線如圖 3 所示，主要技術(shù)過程：①獲取原數(shù)據(jù)文件；②用 PostgreSQL/PostGIS 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和修改；③用 GeoServer將PostGIS 中的數(shù)據(jù)發(fā)布成 WMS，WFS，WCS 服務(wù)；④實(shí)時(shí)繪制地圖；⑤緩存處理抑塵信息和地圖數(shù)據(jù)；⑥將經(jīng)過處理后的作業(yè)數(shù)據(jù)部署到服務(wù)器上；⑦制作客戶端網(wǎng)頁，用 JavaScript 結(jié)合 XMLHttpRequest 向服務(wù)器發(fā)送地圖操作的請(qǐng)求。

圖 3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)路線

3 結(jié)束語

WebGIS 具有更廣泛的訪問范圍、平臺(tái)獨(dú)立性、更簡(jiǎn)單的操作、平衡高效的計(jì)算機(jī)負(fù)載等諸多優(yōu)點(diǎn)，在鐵路交通、國土資源、環(huán)境保護(hù)、農(nóng)業(yè)、海洋、城市建設(shè)等各領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。基于 WebGIS 技術(shù)的鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵管理系統(tǒng)集空間數(shù)據(jù)組織和管理、空間數(shù)據(jù)可視化、動(dòng)態(tài)標(biāo)繪和空間分析于一體，實(shí)現(xiàn)了按圖查詢鐵路煤炭運(yùn)輸抑塵站點(diǎn)的分布情況，以及對(duì)各站點(diǎn)抑塵信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、查詢、調(diào)度、指揮，解決了系統(tǒng)中大量空間、屬性、時(shí)間、抑塵信息、工作狀況等各

種不同數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)及處理問題。系統(tǒng)開發(fā)完成后于 2013 年開始在部分鐵路局進(jìn)行了試點(diǎn)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了煤炭運(yùn)輸抑塵管理的指揮垂直化、組織扁平化，有效地提高了煤炭抑塵作業(yè)質(zhì)量和工作效率。

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（責(zé)任編輯 劉 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

馬樹峰 (1977—)，男，吉林德惠人，大學(xué)本科。

鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃課題 (2013F020)