鐵路網(wǎng)管理信息平臺規(guī)劃研究*

于 劍 ，梁 棟 ，劉昕宇

（1、3 中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司 助理研究員，北京100038；2 中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院有限公司 研究員，北京100038）

0 引言

鐵路是復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，截至2019 年底，我國鐵路營業(yè)里程已達(dá)13.9 萬km， 其中高速鐵路3.5萬km，鐵路線路和車站等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)、運輸和統(tǒng)計等運營管理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量十分龐大。然而目前在鐵路管理、研究、設(shè)計單位中，對這類數(shù)據(jù)的管理和分析仍大多以文字、表格為主，直觀性差，效率不高，數(shù)據(jù)價值未能充分發(fā)揮。

鐵路網(wǎng)管理信息平臺，是指基于鐵路行業(yè)海量數(shù)據(jù)，以鐵路設(shè)施設(shè)備地理位置圖示化、數(shù)據(jù)可視化、查詢便捷化、分析自動化為目標(biāo)開發(fā)的管理信息平臺，平臺能充分整合地理與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為管理和科研人員提供信息化作業(yè)工具，大大提高工作質(zhì)量及效率，意義重大。

根據(jù)不同業(yè)務(wù)需求，平臺功能有所差別，目前相關(guān)研究和開發(fā)工作大多集中于勘察設(shè)計階段的選線[1-3]、建設(shè)中與BIM 技術(shù)的結(jié)合運用[4]、運營中的應(yīng)急救援[5]等內(nèi)容。 面向不同業(yè)務(wù)內(nèi)容和用戶，鐵路網(wǎng)管理信息平臺可有不同的開發(fā)方向，但在研發(fā)中會面臨部分共同問題，本文擬結(jié)合筆者在平臺開發(fā)中的經(jīng)驗和遇到的問題，對系統(tǒng)頂層規(guī)劃和部分關(guān)鍵問題進(jìn)行研究，以對類似平臺建設(shè)提供參考。

1 平臺總體構(gòu)成

鐵路網(wǎng)管理信息平臺的基本功能是以地圖形式儲存、維護(hù)和展示鐵路設(shè)施設(shè)備位置、屬性和其他各類數(shù)據(jù)，并能完成位置相關(guān)運算分析，使用戶得以快速瀏覽、提取、分析相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，提升工作效果。 一個完整的鐵路網(wǎng)管理信息平臺主要由技術(shù)平臺、 數(shù)據(jù)內(nèi)容和系統(tǒng)功能3 個部分構(gòu)成， 如圖1所示。

圖1 鐵路網(wǎng)管理信息平臺主要構(gòu)成

技術(shù)平臺是系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，選擇良好的技術(shù)開發(fā)平臺，可為開發(fā)者和用戶提供可靠的圖示技術(shù)和分析技術(shù)。 圖示技術(shù)可滿足點線面要素繪制、圖層、符號、標(biāo)注等的顯示管理控制，實現(xiàn)美觀和靈活的鐵路網(wǎng)絡(luò)圖示；分析技術(shù)可實現(xiàn)空間、路徑、三維等地理分析，經(jīng)過與業(yè)務(wù)相結(jié)合的二次開發(fā)，可滿足各類業(yè)務(wù)功能需求。

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，是展示和分析的主要對象，有數(shù)據(jù)組織和數(shù)據(jù)內(nèi)容兩個層次。 數(shù)據(jù)組織確定路網(wǎng)數(shù)據(jù)的顆粒度和邏輯結(jié)構(gòu)，決定了數(shù)據(jù)的上層架構(gòu)；數(shù)據(jù)內(nèi)容包括地理數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)兩個方面，其中，地理數(shù)據(jù)是指位置、形狀等地理相關(guān)的數(shù)據(jù)，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)是指與鐵路規(guī)劃、設(shè)計、管理等具體業(yè)務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)，如客貨運量、列車對數(shù)等。 根據(jù)業(yè)務(wù)需求的不同， 鐵路網(wǎng)管理信息平臺可納入鐵路、綜合交通、經(jīng)濟社會發(fā)展、地形地貌等多方面的數(shù)據(jù)。

功能方面，本文所指鐵路網(wǎng)管理信息平臺是一個廣義概念，以鐵路網(wǎng)絡(luò)或相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備為主要對象，以管理、展示、分析相關(guān)數(shù)據(jù)為主要目標(biāo)，基于地理信息平臺開發(fā)的軟件系統(tǒng)即可。 常見的開發(fā)方向有鐵路線網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計選線、建設(shè)管理、運營管理、應(yīng)急救援等。

2 技術(shù)平臺選擇

鐵路網(wǎng)管理信息平臺的數(shù)據(jù)組織和功能開發(fā)均須基于地圖平臺進(jìn)行，以滿足復(fù)雜的圖示和空間分析需求，因此選取合理的技術(shù)平臺是首要技術(shù)問題。 目前典型的技術(shù)平臺有地理信息系統(tǒng)（GIS）、計算機輔助制圖（CAD）等，兩者存在一定相似性，如都能高效顯示圖形和屬性數(shù)據(jù)，區(qū)別是前者更加注重要素實際地理位置顯示、屬性查詢分析、空間運算等功能，數(shù)據(jù)更多來源于測繪而非人工創(chuàng)建。 考慮到平臺有較多空間和屬性運算，采用地理信息技術(shù)平臺更加合理。 常見的地理信息系統(tǒng)有國外的ArcGIS、MapInfo、MapGuide 等 ， 以 及 國 內(nèi) 的 SuperMap、MapGIS 等，選擇穩(wěn)定、安全、高效、完善的GIS 平臺對于系統(tǒng)開發(fā)至關(guān)重要。

3 數(shù)據(jù)組織

路網(wǎng)數(shù)據(jù)的組織方法決定了數(shù)據(jù)的顆粒度、邏輯結(jié)構(gòu)和維護(hù)便捷程度，構(gòu)建鐵路網(wǎng)管理信息平臺應(yīng)根據(jù)具體需求細(xì)致考量路網(wǎng)數(shù)據(jù)組織方法。

3.1 路網(wǎng)展示形式

按照是否以鐵路精確的地理坐標(biāo)展示路網(wǎng)，路網(wǎng)的展示形式可分為地理圖、拓?fù)鋱D、虛擬圖三種：

1） 地理圖是指所有線路、車站等基礎(chǔ)設(shè)施都按實際的地理位置在GIS 系統(tǒng)中定位和展示，是最常見的地圖展示形式，便于用戶查看鐵路與其他數(shù)據(jù)的相對位置關(guān)系，是空間分析的基礎(chǔ)。

2） 拓?fù)鋱D是為清晰展現(xiàn)鐵路點、線拓?fù)溥B接關(guān)系，在保持相對位置關(guān)系的基礎(chǔ)上，對路網(wǎng)進(jìn)行的簡化，通常盡量保證車站點按照實際位置或等間距顯示，并將區(qū)間拉直，便于展示線路接入點。

3） 虛擬圖是指為實現(xiàn)運量分配等研究目的，在拓?fù)鋱D的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步將路網(wǎng)有多條線路經(jīng)過的節(jié)點或區(qū)段抽象出虛擬節(jié)點、弧段，方便路徑運算和其他相關(guān)研究的路網(wǎng)拓?fù)涫侄巍?/p>

三種路網(wǎng)展示形式（如圖2）分別對應(yīng)不同研究目的，并無優(yōu)劣之分，完善的平臺應(yīng)至少支持地理圖，也可同時支持多種路網(wǎng)展現(xiàn)形式，本文開發(fā)的平臺以地理圖為路網(wǎng)展示形式。

圖2 路網(wǎng)展示形式示意圖

3.2 路網(wǎng)組織形式

車站方面，我國鐵路車站有近萬個，每個車站又由多條股道、站房、配套設(shè)施、貨場等組成，平臺建設(shè)時需確定以何種顆粒度對車站進(jìn)行數(shù)據(jù)組織和展示，細(xì)節(jié)越豐富，路網(wǎng)數(shù)據(jù)量越大，顯示和處理速度越慢。 一般而言，鐵路網(wǎng)管理信息平臺更加注重網(wǎng)絡(luò)級別的把控， 展示車站細(xì)節(jié)的必要性不大，可將車站抽象為一個點要素進(jìn)行管理，同時賦予其相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)，如股道數(shù)、作業(yè)量等，并配以車站平面示意圖即可滿足一般需求。 但若用戶特別關(guān)注鐵路樞紐和站場詳情，甚至要實現(xiàn)站場股道級別的運輸徑路分析，則有必要將車站點細(xì)化為各條股道線或通過外接CAD 的形式完成車站細(xì)節(jié)的組織管理。

線路方面，最小單位是相鄰兩車站間的鐵路區(qū)間，由于區(qū)間數(shù)量眾多，大量相鄰區(qū)間屬性類似，為便于管理，實際工作中較常使用的是由相鄰區(qū)間合并成的各類區(qū)段，如統(tǒng)計區(qū)段、調(diào)度區(qū)段等，部分情況下也關(guān)注整條線路。 由于各類區(qū)段的劃分方法不一致，起終點不盡相同，若以某類區(qū)段為最小單位組織數(shù)據(jù)，在導(dǎo)入其他類區(qū)段的屬性數(shù)據(jù)時可能出現(xiàn)跨區(qū)段無法導(dǎo)入的問題，因此路網(wǎng)應(yīng)按照站間區(qū)間組織，便于整合不同數(shù)據(jù)源。 若區(qū)段或整線有不同于區(qū)間的屬性數(shù)據(jù)，可將區(qū)間合并為區(qū)段/整線圖層，之后建立區(qū)間與區(qū)段/整線間的映射關(guān)系并及時維護(hù)。

4 數(shù)據(jù)內(nèi)容

數(shù)據(jù)是鐵路網(wǎng)管理信息平臺的核心，維護(hù)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、規(guī)模性、時效性是保證平臺實用性的首要環(huán)節(jié)。 本文淺析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)內(nèi)容，隨著用戶需求和應(yīng)用場景的增加，數(shù)據(jù)內(nèi)容仍會有難以預(yù)計的大幅拓展，應(yīng)分階段建設(shè)完善。

4.1 鐵路設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)

鐵路設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)是其他鐵路數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和載體，常見的鐵路設(shè)施設(shè)備包括車站段所、線路、移動設(shè)備、其他設(shè)施設(shè)備等，數(shù)據(jù)內(nèi)容包括設(shè)施設(shè)備的位置、名稱信息、歸屬關(guān)系、建設(shè)信息、技術(shù)參數(shù)等， 表1 詳細(xì)展示了各類設(shè)施設(shè)備的基本數(shù)據(jù)內(nèi)容。

表1 鐵路設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)內(nèi)容

4.2 鐵路運輸數(shù)據(jù)

運輸是鐵路的核心業(yè)務(wù)，查看并分析運輸數(shù)據(jù)是鐵路管理和規(guī)劃的主要手段。 鐵路運輸任務(wù)由客票、貨票記錄，由移動設(shè)備承擔(dān)，最終由車站、線路承載，在不同層面可產(chǎn)生不同角度和顆粒度的運輸數(shù)據(jù)， 數(shù)據(jù)被記錄于各類信息系統(tǒng)和統(tǒng)計報表，最終經(jīng)歸并統(tǒng)一應(yīng)能實現(xiàn)相互匹配。 不同層面的運輸數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 鐵路運輸數(shù)據(jù)內(nèi)容

4.3 鐵路其他數(shù)據(jù)

鐵路運營過程中， 除了運輸業(yè)務(wù)這一核心外，還有大量輔助保障工作，如工務(wù)維修、機輛整備、電務(wù)保障、環(huán)保檢測等，每項工作都有相對獨立的用戶需求和數(shù)據(jù)內(nèi)容，隨著平臺用戶范圍和功能的不斷拓展，可逐步將基于地圖和數(shù)據(jù)的服務(wù)應(yīng)用在更多領(lǐng)域。

4.4 經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)

經(jīng)濟社會持續(xù)健康發(fā)展需要鐵路的支撐引領(lǐng)，同時也是鐵路改革發(fā)展的目標(biāo)，產(chǎn)業(yè)布局、資源分布、經(jīng)濟發(fā)展活力等影響鐵路運輸需求的分布和大小，而鐵路線網(wǎng)布局和運力安排也在重塑經(jīng)濟社會發(fā)展格局和版圖，兩者相互影響關(guān)系密切。 經(jīng)濟社會數(shù)據(jù)中，各級行政區(qū)劃是基礎(chǔ)，鐵路客貨運輸服務(wù)相關(guān)的熱點數(shù)據(jù)是核心，基本數(shù)據(jù)如表3。

4.5 地質(zhì)地貌水系數(shù)據(jù)

地質(zhì)地貌水系數(shù)據(jù)是鐵路線網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、災(zāi)害防治、應(yīng)急救援等工作的基礎(chǔ)，利用地理信息系統(tǒng)的三維圖示及分析功能，可以向用戶直觀展示鐵路沿線地質(zhì)地貌水系，提高決策效率。

4.6 綜合交通數(shù)據(jù)

綜合交通體系的建設(shè)需要各種交通方式發(fā)揮自身優(yōu)勢，鐵路作為交通運輸體系的骨干，應(yīng)與其他交通方式實現(xiàn)一體化發(fā)展，打通關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此平臺需整合其他交通方式的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。 見表4。

表3 經(jīng)濟社會發(fā)展數(shù)據(jù)內(nèi)容

表4 綜合交通數(shù)據(jù)內(nèi)容

5 系統(tǒng)功能規(guī)劃

鐵路網(wǎng)管理信息平臺內(nèi)涵廣泛， 需求多樣，本文對總體功能框架和與鐵路規(guī)劃、運營管理相關(guān)的功能進(jìn)行初步規(guī)劃。

5.1 地圖瀏覽及數(shù)據(jù)查詢

1） 地圖瀏覽。 提供地圖基本瀏覽功能，如滾輪和框選縮放、平移、要素選擇、縮放到選擇、全圖顯示、測距工具、前/后視圖切換等。 具備路局分色顯示，部分線路、車站等要素單獨顯示的功能。

2） 配圖優(yōu)化。 對各級比例尺下的地圖，美化要素符號、調(diào)整標(biāo)注字體字號，提高美觀性。

3） 萬能搜索及定位。 根據(jù)要素重要字段信息，通過輸入漢字、 拼音全拼或首字母進(jìn)行聯(lián)想匹配，快速定位要素并顯示簡要信息。

4） 數(shù)據(jù)查詢。 展示要素的詳細(xì)信息，配以圖表提高閱讀效率。

5） 圖層控制。 以圖層形式組織各類數(shù)據(jù)，能自由控制各圖層是否顯示，自動關(guān)閉有遮蓋關(guān)系的圖層，提高操作效率。

5.2 要素選擇、保存、管理及統(tǒng)計

1） 屬性選擇。 根據(jù)屬性值選擇要素，例如選擇所有復(fù)線鐵路，則需選擇屬性“正線數(shù)”為2 的區(qū)間要素。 屬性選擇功能應(yīng)實現(xiàn)：可針對任意圖層的任意屬性進(jìn)行選擇，應(yīng)對用戶不同需求；可同時針對多個屬性選擇，以SQL 語句形式實現(xiàn)復(fù)雜的邏輯關(guān)系判斷，例如選擇北京局復(fù)線電化線路。

2） 空間選擇。 根據(jù)地理位置關(guān)系選擇要素，例如選擇所有北京市范圍內(nèi)的車站。 空間選擇功能應(yīng)實現(xiàn)： 可對任意圖層的任意要素進(jìn)行空間選擇；可分析多種類型的空間位置關(guān)系，如包含、被包含、跨越、包絡(luò)線相交、相交、覆蓋但不包含、相接共享邊界等；可對某范圍內(nèi)鐵路進(jìn)行精確裁剪，解決跨區(qū)域邊界的鐵路區(qū)間的選擇問題。

3） 選擇結(jié)果保存。大多數(shù)地理信息系統(tǒng)不提供選擇結(jié)果的保存功能，但實際業(yè)務(wù)中經(jīng)常需要分析選擇后的數(shù)據(jù)集合，為避免重復(fù)的選擇操作，應(yīng)能將各圖層的選擇結(jié)果保存為選擇集備用。

4） 選擇結(jié)果管理。 提供選擇集之間的合并、差集、交集功能，便于用戶通過選擇集間邏輯運算快速產(chǎn)生新選擇結(jié)果，如全部路網(wǎng)與高速路網(wǎng)的選擇集相減即可得到普速鐵路選擇集；可判斷某要素位于哪些選擇集中。

5） 選擇結(jié)果統(tǒng)計分析。自動計算任意選擇集中任意數(shù)值字段的常用統(tǒng)計指標(biāo)，如求和、平均值、方差、最大值、最小值等，用以統(tǒng)計路網(wǎng)規(guī)模等。

5.3 能力圖示

鐵路網(wǎng)運輸能力是進(jìn)行鐵路網(wǎng)規(guī)劃、運輸計劃制定、發(fā)展戰(zhàn)略決策的重要基礎(chǔ)，傳統(tǒng)的表格、文字等能力展示形式已無法滿足工作需要，平臺應(yīng)實現(xiàn)全國鐵路網(wǎng)運輸能力圖形化展示及數(shù)據(jù)查詢功能。

1） 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的批量導(dǎo)入。按區(qū)間批量導(dǎo)入線路技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、平行運行圖能力、實際客貨列車數(shù)、運輸量以及其他能力計算數(shù)據(jù)。

2） 能力計算。根據(jù)線路技術(shù)參數(shù)和運行圖等數(shù)據(jù)，計算各區(qū)間的通過能力和輸送能力，根據(jù)實際列車對數(shù)和貨運量等數(shù)據(jù)計算通過能力利用率和輸送能力利用率。

3） 能力圖示。利用顏色表示能力利用的緊張程度，通常綠色代表能力相對寬裕，紅色代表能力緊張；利用線條寬度表示運輸量的大小；可同時利用顏色和線寬展示能力緊張程度和運輸量大小；可在線路兩側(cè)按左側(cè)行車規(guī)則分上下行圖示；可指定單條或部分線路圖示；自動統(tǒng)計當(dāng)前圖示線路各檔次利用率的路網(wǎng)規(guī)模及占比。

5.4 管理分析

1） 緩沖區(qū)分析。針對鐵路線路、車站等圖層，生成任意寬度的緩沖區(qū)，并可與其他圖層進(jìn)行覆蓋空間運算，得到覆蓋比例，分析不同要素間的影響關(guān)系，例如高速鐵路對各級城市的覆蓋分析。

2） 運量管理。 客貨運站間交流量管理，實現(xiàn)任意區(qū)域（站間、行政區(qū)、路局、OD 小區(qū)等）間各品類運量統(tǒng)計及數(shù)據(jù)分析。

3） 運輸徑路管理。 結(jié)合運輸徑路、客票貨票等數(shù)據(jù)，提供車流徑路圖示分析等功能，全面掌握客貨流來源去向，實現(xiàn)由物理網(wǎng)到運輸網(wǎng)的拓展。

5.5 數(shù)據(jù)編輯

允許用戶根據(jù)需求自由創(chuàng)建、移動、刪除線路、車站等要素，編輯屬性值，調(diào)整要素符號和標(biāo)識樣式。

6 結(jié)束語

鐵路網(wǎng)管理信息平臺將地理信息與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)結(jié)合，已在新時代鐵路網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展研究等多個項目中成功運用，效果良好。 隨著需求的變化和升級，未來平臺規(guī)劃建設(shè)應(yīng)重視以下三個方面。

1） 保障數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，建立維護(hù)機制。 數(shù)據(jù)的數(shù)量和質(zhì)量是鐵路網(wǎng)管理信息平臺的核心，應(yīng)與鐵路數(shù)據(jù)生產(chǎn)部門建立數(shù)據(jù)維護(hù)機制， 確保數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、接口規(guī)范，實現(xiàn)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入或自動更新，減少人工作業(yè)。

2） 加強頂層謀劃，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)。 平臺基于地理數(shù)據(jù)，融合各專業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)關(guān)系復(fù)雜，功能體系龐大，應(yīng)加強頂層設(shè)計，提高平臺穩(wěn)定性和可拓展性。

3） 加強實踐應(yīng)用，持續(xù)推動改進(jìn)。 運用是平臺的最終目的，加強平臺在實際工作中的運用，長期完善不斷改進(jìn)，才能打磨出成功的產(chǎn)品。