地理信息輔助決策下的交通戰(zhàn)備信息平臺(tái)建設(shè)研究

羅琪斯， 陳秉乾， 楊澤東

(1.廣西壯族自治區(qū)地圖院，廣西 南寧 530023；2.中國(guó)測(cè)繪科學(xué)研究院,北京 100039)

1 必要性分析

國(guó)防交通戰(zhàn)備工作是國(guó)防動(dòng)員工作的重要組成部分[1]，整合現(xiàn)有交通保障資源和保障力量，建立數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化高度整合的國(guó)防交通應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)信息平臺(tái)，對(duì)于提高國(guó)防交通工作平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換能力，在急時(shí)和戰(zhàn)時(shí)保障交通運(yùn)輸正常運(yùn)行有著重要意義。交通戰(zhàn)備工作涉及鐵路、公路、水路、航空、物流[2]等方面，與基礎(chǔ)地理信息有著密不可分的聯(lián)系。而當(dāng)前，交通戰(zhàn)備業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)仍存在以文件式存儲(chǔ)、缺乏地理位置坐標(biāo)、無(wú)法進(jìn)行可視化瀏覽管理和科學(xué)決策分析等問題。利用基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為交通戰(zhàn)備信息化平臺(tái)搭建時(shí)空數(shù)據(jù)地理基底層、利用地理信息空間分析技術(shù)手段為交通戰(zhàn)備智能化決策提供輔助支撐、利用GIS搭建國(guó)防交通戰(zhàn)備信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)國(guó)防交通戰(zhàn)備數(shù)據(jù)的信息化管理，是貫徹軍民融合、軍地融合中的“資源共享”、“技術(shù)共研”、“信息主導(dǎo)”[3]的重要體現(xiàn)。

2 技術(shù)路線

實(shí)現(xiàn)軍地多源數(shù)據(jù)匯聚引接，整合鐵路、公路、水路、民航等行業(yè)數(shù)據(jù)資源，以及交通戰(zhàn)備業(yè)務(wù)領(lǐng)域?qū)ｎ}數(shù)據(jù)資源等，提供統(tǒng)一、集約共享的底層數(shù)據(jù)資源服務(wù)。搭建交通戰(zhàn)備信息平臺(tái)，建成一套軍民深度融合、共建共享，以地圖為底圖的“一張圖”形式展示、管理國(guó)防交通戰(zhàn)備數(shù)據(jù)，為軍事行動(dòng)交通保障、應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮提供技術(shù)支持的信息化平臺(tái)。形成依托空間分析的科學(xué)輔助決策模式，發(fā)揮地理信息空間決策分析技術(shù)在工作模式創(chuàng)新、決策方法優(yōu)化等方面的驅(qū)動(dòng)作用，不斷提高交通戰(zhàn)備管理決策的科學(xué)化水平。

2.1 技術(shù)流程

本研究技術(shù)流程如圖1所示。針對(duì)國(guó)防交通戰(zhàn)備信息化的需求，充分發(fā)揮基礎(chǔ)地理信息成果的輔助支撐作用，整合交通戰(zhàn)備相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)庫(kù)；基于國(guó)防交通應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)專家經(jīng)驗(yàn)，通過算法研究和工具開發(fā)，結(jié)合B/S和C/S兩種平臺(tái)模式的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)信息化平臺(tái)的搭建。

2.2 平臺(tái)框架

平臺(tái)以技術(shù)流程和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范為指導(dǎo)，以總體設(shè)計(jì)、統(tǒng)一構(gòu)建為原則，總體框架分為基礎(chǔ)支撐層、業(yè)務(wù)邏輯層與應(yīng)用服務(wù)層三個(gè)層級(jí)。其中，基礎(chǔ)支撐層主要為業(yè)務(wù)邏輯提供穩(wěn)定可靠的算法模型與基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、交通戰(zhàn)備專題數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)支撐；業(yè)務(wù)邏輯層采用模塊化設(shè)計(jì)，將算法模型與具體業(yè)務(wù)邏輯封裝成自由組裝、獨(dú)立擴(kuò)展的功能單元，以供上層系統(tǒng)調(diào)用；應(yīng)用服務(wù)層根據(jù)不同的系統(tǒng)建設(shè)需求，將下層業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行組裝集成，分別形成應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)最優(yōu)路徑生成、多源數(shù)據(jù)“一張圖”疊加、二三維一體化分析和專題地圖快速出圖等應(yīng)用服務(wù)接口。平臺(tái)總體框架如圖2所示。

2.3 功能體系

如圖3所示，交通戰(zhàn)備信息平臺(tái)分為B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)和C/S(客戶端/服務(wù)器)架構(gòu)兩種類型進(jìn)行搭建，其中B/S版主要用于基于瀏覽器的便捷瀏覽，C/S版兼具復(fù)雜的數(shù)據(jù)融合匯聚和空間分析決策功能，兩者的結(jié)合，既可實(shí)現(xiàn)良好的數(shù)據(jù)可視化效果、系統(tǒng)的易維護(hù)性、易擴(kuò)展性，又能滿足強(qiáng)大的空間分析輔助決策功能和高安全性、保密性。圍繞國(guó)防交通戰(zhàn)備業(yè)務(wù)職能，功能模塊主要包含：

圖1 交通戰(zhàn)備信息平臺(tái)建設(shè)技術(shù)流程

圖2 交通戰(zhàn)備信息平臺(tái)框架

圖3 交通戰(zhàn)備信息平臺(tái)功能體系

(1)“一張圖”模塊，匯聚交通基礎(chǔ)設(shè)施、保障力量資源等多方面信息，多源數(shù)據(jù)分類、分圖層疊加在統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)地理空間參考下，構(gòu)建國(guó)防交通態(tài)勢(shì)“一張圖”。

(2)三維場(chǎng)景模塊，實(shí)現(xiàn)針對(duì)三維地形場(chǎng)景的剖面分析、可視域分析、通視分析以及應(yīng)急推演結(jié)果的模擬展示，可與二維電子地圖雙視圖聯(lián)動(dòng)瀏覽。

(3)國(guó)防交通專項(xiàng)規(guī)劃模塊，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)備專項(xiàng)規(guī)劃數(shù)據(jù)的地圖可視化、數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計(jì)分析。構(gòu)建交通規(guī)劃編繪上圖能力，實(shí)現(xiàn)國(guó)防交通規(guī)劃計(jì)劃合理布局編制。

(4)重點(diǎn)保障目標(biāo)模塊、專業(yè)保障隊(duì)伍和物資儲(chǔ)備模塊、民用運(yùn)力國(guó)防動(dòng)員模塊，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)時(shí)交通重點(diǎn)保障目標(biāo)、專業(yè)保障隊(duì)伍和物資儲(chǔ)備及民用運(yùn)力的可視化、集成管理、統(tǒng)計(jì)分析。構(gòu)建國(guó)防交通資產(chǎn)“一張表”，實(shí)現(xiàn)國(guó)防交通資產(chǎn)實(shí)力精細(xì)化管理。

(5)軍隊(duì)軍事行動(dòng)交通保障模塊、軍事演練交通保障模塊、應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮模塊，為軍隊(duì)軍事行動(dòng)交通和軍事演練提供路網(wǎng)分析支持，具有軍隊(duì)軍事行動(dòng)交通預(yù)案報(bào)告生成功能，為應(yīng)急指揮提供預(yù)案推演。

(6)戰(zhàn)備標(biāo)圖管理模塊，制作國(guó)防交通專題地圖符號(hào)庫(kù)，通過繪制點(diǎn)、線、面或文字要素，對(duì)二三維地圖進(jìn)行標(biāo)注并進(jìn)行要素的符號(hào)化編輯，輸出成圖。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)流程化處理

交通戰(zhàn)備數(shù)據(jù)涵蓋基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、三維地形數(shù)據(jù)、POI數(shù)據(jù)、交通戰(zhàn)備專題數(shù)據(jù)和其他引接行業(yè)數(shù)據(jù)等，存在數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)格式各異、字段類型及表現(xiàn)形式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊、無(wú)空間位置信息，且多以“文件形式”存儲(chǔ)等問題。針對(duì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)問題，提出了海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合的處理模型，如圖4所示，為實(shí)現(xiàn)軍內(nèi)、軍地、地區(qū)之間的數(shù)據(jù)交換和集成共享奠定基礎(chǔ)。

圖4 交通戰(zhàn)備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理模型

數(shù)據(jù)管理器對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類整理，并通過多種傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理算子針對(duì)某一種類數(shù)據(jù)進(jìn)行流程化處理，如地理信息數(shù)據(jù)，進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等處理；對(duì)文件型數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)中文本地址字段進(jìn)行地理逆編碼處理，實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)向空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。而后完成數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查入庫(kù)，使海量的異構(gòu)數(shù)據(jù)遵循統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。該模型能較好地解決當(dāng)前交通戰(zhàn)備海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)、處理和使用方面存在的諸多不便，有效提高數(shù)據(jù)利用效率。

3.2 基于多規(guī)則的戰(zhàn)備交通路網(wǎng)智能化分析

國(guó)防交通戰(zhàn)備投送運(yùn)輸具有覆蓋范圍廣、通達(dá)程度深、時(shí)效性強(qiáng)、機(jī)動(dòng)靈活等特點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)路網(wǎng)分析，將橋隧數(shù)據(jù)處理成點(diǎn)數(shù)據(jù)，造成無(wú)法解決橋隧交叉行駛問題且無(wú)法考慮橋隧限高、限寬、限重等實(shí)際應(yīng)用問題。本研究通過對(duì)路網(wǎng)數(shù)據(jù)深加工、創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集[4]，引入道路分級(jí)概念，實(shí)現(xiàn)了車輛行駛過程中的“優(yōu)先走大路”路線智能選擇；提出的戰(zhàn)備交通路網(wǎng)智能化分析顧及實(shí)際交通規(guī)則限制及自定義阻抗范圍的自動(dòng)避讓，將橋隧處理為具有明顯幾何屬性(長(zhǎng)/寬/高)的線要素，解決橋隧交叉行駛和橋隧限高、限寬、限重等實(shí)際應(yīng)用問題。上述技術(shù)確保了路網(wǎng)分析計(jì)算結(jié)果的智能化和科學(xué)性。

3.2.1 路網(wǎng)分析中的“優(yōu)先走大路”

“優(yōu)先走大路”是指車輛行駛時(shí)優(yōu)先走城市主干道以上級(jí)別的道路，可保證車輛的高速行駛和車輛的載貨量符合上路行駛要求。通過引入道路等級(jí)的方法解決“優(yōu)先走大路”的應(yīng)用需求。本研究將車輛行駛過程細(xì)分為兩個(gè)子過程，如圖5所示。

圖5 路網(wǎng)分析之“優(yōu)先走大路”模型

車輛起步時(shí)，獲取起點(diǎn)位置，并以設(shè)置的定位距離參數(shù)對(duì)該點(diǎn)做空間緩沖區(qū)分析，查找附近道路，根據(jù)道路等級(jí)遴選空間查詢分析結(jié)果中的道路列表，以確定車輛行駛起點(diǎn)所在道路。車輛在行駛過程中，通過讀取網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的道路等級(jí)描述屬性和道路等級(jí)約束屬性，在符合成本最低的情況下，自動(dòng)避讓低級(jí)別道路，遴選出所有主干道路，并將該道路列表傳入路網(wǎng)分析模塊進(jìn)行路徑優(yōu)化。

3.2.2 針對(duì)約束性交通規(guī)則的自動(dòng)避讓

傳統(tǒng)路網(wǎng)分析中，時(shí)間、距離等成本屬性是影響路網(wǎng)分析的主要因素，但在現(xiàn)實(shí)生活中，成本因素只是路網(wǎng)分析中的通用要素，車輛在行駛過程中還需根據(jù)自身車輛特性避讓，諸如限寬、限高、限重等因子。本文通過引入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集約束屬性，結(jié)合對(duì)橋梁、隧道和高架橋數(shù)據(jù)的加工，解決路網(wǎng)分析中對(duì)限高、限寬、限重交通規(guī)則的自動(dòng)避讓。

以高架橋限高處理為例，數(shù)據(jù)解決方案如圖6所示[5]。

圖6 高架橋限高問題數(shù)據(jù)解決方案

高架橋位于道路L1，道路L2位于高架橋的下方，需將L2切割為3部分，將高架橋正下方的切割段轉(zhuǎn)換為“橋梁”，并將其復(fù)制到橋隧圖層，同時(shí)在原道路L2中同一空間位置“挖空”同等長(zhǎng)度的線要素，保證橋隧圖層與原路網(wǎng)圖層整體連通。添加描述符屬性：以網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集中的高架橋圖層為例，添加描述符屬性：MaxHeight，以描述橋梁隧道的最大高度。添加約束條件屬性：本研究網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的約束條件類型為“禁止”，添加LimitHeight限制屬性，同時(shí)為屬性添加輸入?yún)?shù)CustomHeight，設(shè)置限制屬性的限制啟用條件為函數(shù)。以LimitHeight為例：當(dāng)CustomHeight> MaxHeight為True時(shí)啟用LimitHeight限制。同理限高、限寬、限重等各限制屬性具體啟用條件如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集限制屬性擴(kuò)展表

3.3 基于虛擬地理環(huán)境的應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮交通保障

應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮交通保障旨在根據(jù)應(yīng)急點(diǎn)或應(yīng)急區(qū)域空間范圍，分析查詢附近的重點(diǎn)保障目標(biāo)，并進(jìn)一步求解各保障力量點(diǎn)到各重點(diǎn)保障目標(biāo)的最優(yōu)路徑，形成直觀的立體多維態(tài)勢(shì)可視、展現(xiàn)能力實(shí)時(shí)的應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)行動(dòng)信息支持能力和交通保障數(shù)據(jù)輔助決策能力。分為3個(gè)子過程：輸入源確定、附近情況查詢、路徑分析[4]，如圖7所示。

圖7 基于虛擬地理環(huán)境的應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮交通保障模型

輸入源是指應(yīng)急點(diǎn)或應(yīng)急區(qū)域空間范圍，基于虛擬地理環(huán)境的應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮交通保障通過二三維一體化技術(shù)，提供在二三維雙視圖下確認(rèn)輸入源的功能。附近情況查詢用于查詢確認(rèn)事故區(qū)域內(nèi)需要處置的重點(diǎn)保障目標(biāo)：在二維視圖下，對(duì)輸入源進(jìn)行空間緩沖區(qū)分析，得到緩沖區(qū)內(nèi)的重點(diǎn)保障目標(biāo)點(diǎn)位；在三維視圖下，提供淹沒分析等三維分析功能，可將淹沒分析結(jié)果區(qū)域與重點(diǎn)保障目標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行空間求交運(yùn)算，從而得到淹沒區(qū)域內(nèi)的重點(diǎn)保障目標(biāo)。確認(rèn)重點(diǎn)保障目標(biāo)位置后，再對(duì)獲得的各重點(diǎn)保障目標(biāo)進(jìn)行空間緩沖區(qū)分析，求解其附近的保障力量點(diǎn)。從保障力量結(jié)果列表中，利用最近設(shè)施點(diǎn)分析技術(shù)，求解各保障力量到各重點(diǎn)保障目標(biāo)的最優(yōu)距離，并自動(dòng)生成預(yù)案報(bào)告。分析結(jié)果可通過二三維一體化技術(shù)，將路徑結(jié)果同時(shí)繪制在二三維視圖中，并以三維空中漫游形式，模擬救急路線沿線的真實(shí)地形地貌環(huán)境。

4 應(yīng)用示例

在上述平臺(tái)技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了典型應(yīng)用，以一個(gè)應(yīng)急保障案例來(lái)展示關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用場(chǎng)景：當(dāng)某地點(diǎn)A發(fā)生應(yīng)急事件，需了解該應(yīng)急點(diǎn)x公里范圍內(nèi)的重點(diǎn)目標(biāo)B(b1,b2,……)分布和每個(gè)重點(diǎn)目標(biāo)y公里范圍內(nèi)的救援隊(duì)伍C(c1,c2,……)或儲(chǔ)備物資點(diǎn)D(d1,d2,……)分布，并智能分析出救援隊(duì)伍或儲(chǔ)備物資點(diǎn)到重點(diǎn)目標(biāo)的最佳行駛路徑S(s1,s2)。

其中A應(yīng)急點(diǎn)x公里范圍內(nèi)重點(diǎn)目標(biāo)B分布和B重點(diǎn)目標(biāo)y公里范圍內(nèi)的救援隊(duì)伍C和物資儲(chǔ)備點(diǎn)D分布的分析過程即為空間緩沖區(qū)分析的過程。實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖8所示，圖中以不涉密的某學(xué)校和加油站數(shù)據(jù)為例，學(xué)校為中心點(diǎn)作半徑為30 000 m的圓形空間緩沖區(qū)分析，得到其范圍內(nèi)的加油站分布。

圖8 應(yīng)急點(diǎn)緩沖分析

智能分析出救援隊(duì)伍C或儲(chǔ)備物資點(diǎn)D到重點(diǎn)目標(biāo)B的最佳行駛路徑S(s1,s2)的過程，為兩點(diǎn)間基于多規(guī)則的戰(zhàn)備交通路網(wǎng)智能化分析的過程，其分析結(jié)果展示則為基于虛擬地理環(huán)境的應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮交通保障。如圖9所示，考慮橋隧限高、限寬、限重的實(shí)際問題，設(shè)置救援交通工具的屬性，作為分析約束因子之一。如圖10所示，在某條道路上設(shè)置禁止通行區(qū)域后，通過最短路徑和“優(yōu)先走大路”兩種算法，智能分析得出兩種預(yù)案行進(jìn)路線，其中紅色路線為“優(yōu)先走大路”分析結(jié)果，綠色路徑為最短路徑分析結(jié)果，同時(shí)列出兩條預(yù)案路線圖中行經(jīng)的重要設(shè)施點(diǎn)。由圖10可見，兩條預(yù)案路線均避開了禁止通行區(qū)域，分析結(jié)果可在三維視圖中同步漫游顯示，且可導(dǎo)出應(yīng)急預(yù)案結(jié)果。

經(jīng)實(shí)際項(xiàng)目驗(yàn)證，應(yīng)用效果滿足實(shí)際業(yè)務(wù)需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過對(duì)交通戰(zhàn)備專題數(shù)據(jù)、三維地形、興趣點(diǎn)等海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合，搭建一個(gè)交通應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)空間數(shù)據(jù)庫(kù)和集信息查詢、業(yè)務(wù)處理、輔助決策等功能為一體的交通戰(zhàn)備信息化平臺(tái)。并提出了面向海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理的標(biāo)準(zhǔn)化流程、基于多規(guī)則的戰(zhàn)備交通路網(wǎng)智能化分析算子和基于虛擬地理環(huán)境的應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)指揮交通保障模式，具備以下特點(diǎn)：

圖9 車輛規(guī)則設(shè)置

圖10 應(yīng)急應(yīng)戰(zhàn)交通保障

(1)以地理信息技術(shù)支撐助力國(guó)防交通運(yùn)輸應(yīng)急反應(yīng)和快速處置能力的提高。信息化系統(tǒng)的建立可滿足應(yīng)急管理對(duì)信息及時(shí)性、準(zhǔn)確性的要求，實(shí)現(xiàn)信息資源共享、指揮通信互聯(lián)，增強(qiáng)平戰(zhàn)轉(zhuǎn)換能力，使現(xiàn)代應(yīng)急保障技術(shù)向自動(dòng)化、可視化、信息化方向發(fā)展。

(2)建立了交通戰(zhàn)備相應(yīng)的信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，對(duì)各類數(shù)據(jù)信息統(tǒng)一分類，完善數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)和信息接口標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)軍內(nèi)、軍地、地區(qū)之間各類數(shù)據(jù)的傳輸、交換和集成共享打好基礎(chǔ)。

(3)信息化、空間化、可視化和智能化分析技術(shù)，可向軍地通用、行業(yè)聯(lián)控、戰(zhàn)時(shí)聯(lián)指的交通戰(zhàn)備信息化通用平臺(tái)應(yīng)用推廣，推動(dòng)軍地科技信息交流、科研資源共享深化及軍民融合深度發(fā)展。