建设数字铁路的设想

建设数字铁路的设想

（北京交通大学）

摘 要：中国铁道部在“十五”信息化规划中提出了建设中国数字铁路”的设想，铁路信息化已经历了初期单机应用、中期网络应用以及目前的控制和决策应用三个关键阶段。数字铁路是建立在铁路信息基础结构上，把铁路车、机、工、辆、行政指挥、运营管理等

各部门的海量数据．按统一的地理坐标集成起来，使各级决策层及管理，技术人员无论何时何地，都可以安优先界别得到铁路任何一个地方、任何部门的信息。地理信息系统可使铁路信息有高度临场感、交互方便等优势．以直观的形式展现在用户面前，为铁路现代化建设提供强大的信息源，为决策者及生产指挥提供依据。为铁路进行科学化管理、提高运输效率提供了科学的技术手段。

关键词：GIS；应用；开发

The idea of digital railway construction

Yang Atong

(Beijing Jiaotong University)

Abstract: Chinese Ministry of Railways in the \"15\" Information technology planning in the proposed construction of China's digital rail \"scenario, railway information has gone through the initial stand-alone applications, network applications and the current mid-term control of three key stages and decision-making applications. Digital Railway is the establishment of information infrastructure on the railway, the railway car, aircraft, engineering, vehicles, administrative command, operations management and other departments of massive data integration by a unified geographic coordinates, so that all levels of decision-making and management, technical personnel wherever when and where, you can get security priority sectors of railways anywhere, any department of the information. GIS allows a high degree of presence of railway information,

interactive and convenient advantages in the form of visual display to the user, for railway modernization building a powerful source of information for decision-makers and provide a basis for directing the production. for the railway for the scientific management, improve transport efficiency and provides a scientific and technological means.

Key words: GIS; application; develop

“数字铁路”是指建立在铁路信息基础结构上，把铁路机、车、工、电、检、行政指挥决策、运营管理等部门的数据按统一的地理坐标集成起来，使各级决策层及管理、技术人员无论走到哪里，无论何时，都可以按优先级别得到铁路任何一个地方、任何部门的信息。这一信息以动静结合、具有高度沉浸感和临场感、交互方便的特性及表现方式展现在用户面前，使得遍布全国的庞大铁路系统真实地重现给各级决策者，为决策及生产指挥提供依据。

背景

中国铁道部在“十五”信息化规划中提出了建设中国数字铁路”的设想，铁路信息化已经历了初期单机应用、中期网络应用以及目前的控制和决策应用三个关键阶段。数字铁路是建立在铁路信息基础结构上，把铁路车、机、工、辆、行政指挥、运营管理等各部门的海量数据．按统一的地理坐标集成起来，使各级决策层及管理，技术人员无论何时何地，都可以安优先界别得到铁路任何一个地方、任何部门的信息。地理信息系统可使铁路信息有高度临场感、交互方便等优势．以直观的形式展现在用户面前，为铁路现代化建设提供强大的信息源，为决策者及生产指挥提供依据。为铁路进行科学化管理、提高运输效率提供了科学的技术手段。

但铁路调度信息管理方面的GIS技术应用尚未完全展开。目前铁路日常调度信息管理中主要存在以下问题：

(1)人工绘制调度图，效率低，修改难，纸张材料浪费大，而且不便存储管理和信息传播。

(2)大多数调度信息管理系统只是侧重于调度图形的显示，行车调度的属性信息单独分开进行管理，从而造成铁路调度信息的分离，难以形象直观的向用户表达其实际含义；

(3)调度图的维护和修改比较困难，更新速度缓慢．无法实现图文信息的统一管理；

(4)以纸质介质进行调度图的信息发布，成本高、浪费大、信息传播速度慢；

(5)网上发布调度信息的MIS．存在图形和属性信息分离的不足。用户或只能查找表记录，或只能看见调度图分布。功能单一，不能直观、详细了解与地理位置相关的信息。难以满足用户需求；

(6)表达的信息形式单一、可扩展性差、难以实现多源信息集成。

针对上述问题 将GIS学科发展前沿的技术思想引入到铁道部门的调度信息管理的项目建设之中，无疑是一条很好的思路。GIS在铁路的应用，使部分工作的重点从单独的生产转移到对信息的采集、处理、分析和利用上来。面对铁路的土地规划、地理资源清查、环境监测等大型项目这些大型工程所获取的海量资源环境信息，传统的调查报表、统计图表和手工制图的方式已远远不能满足时代需求，GIS得发展与应用使计算机可以有效地处理相关信息，已成为行业发展的巨大动力。

铁路系统经过多年的信息化建设已经在各业务部门建立，众多的MIS，如TMIS、DMIS、CMIS和PWMIS等。但由于过去计算机技术的发展水平、各业务部门的相对等原因，致使现有MIS存在如下不足：

(1)现有MIS主要是文本方式表达信息的，缺乏可视性与临场感；

(2)各业务部门在进行MIS建设时，都只是根据各自业务需要进行设计的，而领导决策却需要对全局的把握。因此现有MIS系统需要进行有效的整合；

(3)现有MIS缺乏强大的决策支持功能，决策的使用率较低。但在数据库的建设方面，现有的GIS在铁路的应用中也面临着部分问题。铁路从选线、修建到运营管理，都涉及土壤、环境、测绘、遥感、计算机和地理信息系统学等各个学科领域，其影响因素复杂，需要数据量大且要求质量高。而在现阶段，由于仪器设备以及人力、物力的，许多数据难以获取，而且现有数据也往往由于数据来源不一、数据格式各异、年代不同等原因造成土地利用现状数据质量难以保证，特别是数据格式不一与城市坐标系不一，使各地区的数据难以共享，严重影响了GIS的应用。同时，应用平台的不统一，数据不足，信息共享不足，数据的使用率低，重复率高，也成为发展数字铁路的 “瓶颈”。

数字铁路主要研究内容

(1) 数字铁路总体框架研究

通过对国内外现状、需求及发展趋势的分析，明确数字铁路与铁路信息化、铁路智能运输的关系，研究数字铁路的层次结构、逻辑结构、物理结构，提出数字铁路总体框架。

(2)数字铁路标准体系研究

提出数字铁路标准体系，制定数字铁路空问数据内容及标准、数据质量控制标准、空间数据交换标准、空间信息共享服务标准。

(3)铁路各业务信息系统数字化和信息化规范升级

根据铁路信息共享平台统一规划和要求，规范铁路各业务信息系统输出和输入信息的内容和接口规范。

(4)铁路空间数据建模及数据结构研究

提出数字铁路空间模型的数据结构，明确空间数据库系统中数据内容和数据问联系的逻辑组织形式表示。

(5)铁路空问信息共享技术研究

研究铁路空间信息共享技术，包括铁路基础空间信息同步机制和铁路空问信息服务机制，以便能够提供空问数据共享和丰富的空间信息服务功能，为铁路各信息系统服务。

(6)核心技术应用方案研究

研究3s技术、虚拟化技术、物联网、空间数据检索和高效展示、信息集成和综合应用等关键技术在数字铁路中的应用方案。

(7)结合铁路内外部用户的需求，提出数字铁路应用总体方案

深人分析铁路各业务部门以及路外用户对数字铁路的应用内容和展现形式的需求，提出数字铁路应用总体方案

(8)数字铁路信息运行、维护更新及安全保障机制研究

提出数字铁路信息运行、维护更新及安全保障机制，确保数字铁路信息的实时更新和高效维护。

数字铁路的关键技术

(1)3S技术及其应用技术

3s技术是遥感技术(Remote Sensing，RS)、地理信息系统(Geography information Systems，GIS)和全球定位系统(Global Positioning Systems，GPS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术。3s技术是数字铁路建设的基础，可以利用RS技术获得数字铁路所需的铁路勘探数据，利用GPS技术研究铁路移动装备及设备的定位问题，而GIS则是数字铁路研发和应用的基础展示平台。

(2)虚拟化技术(Virtualization)及应用

虚拟化是以某种用户和应用程序都可以很容易从中获益的方式来表示计算机资源的过程，它为数据、计算能力、存储源以及其他资源提供了一个逻辑视图，是资源的逻辑表示，不受物理的约束 。虚拟化技术包括网络虚拟化、系统虚拟化、计算机硬件虚拟化、语言虚拟机以及分布式系统虚拟化等。通过虚拟化技术的应用，数字铁路的所有资源将可透

明地运行在各种各样的物理平台上，通过虚拟化技术把物理资源转变为逻辑上可以管理的资源，实现资源的自动化分配。因此数字铁路可以利用虚拟化技术在现有的铁路应用系统和平台上构建，而不是重建一套系统。

(3)铁路空间数据建模及数据结构

数据模型是对现实世界部分现象的抽象，它描述了数据的基本结构及其相互之间的关系和在数据上的各种操作，是数据库系统中关于数据内容和数据问联系的逻辑组织的形式表示：以抽象的形式描述和反映一个部门或系统的业务活动和信息流程。铁路地理信息系统要求一种高效的数据组织方式，既尽可能地包含全面信息(包括对未来潜在有用的信息)，又要能方便快速选取。

(4)铁路空间信息共享技术研究

“数字铁路”的实质就是建立以铁路地理空间信息为核心的铁路信息服务与共享体系，铁路地理信息平台的核心是为铁路各业务信息系统提供基础空间信息和可共享的专业空间信息，因此必须研究铁路空间信息共享技术，包括铁路基础空间信息同步机制和铁路空间信息服务机制研究，以便能够提供空间数据共享和丰富的空间信息服务功能，提高资源综合利用效率。

(5)物联网技术

物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID、无线数据通信等技术，构造一个覆盖世界上万事万物的“Internet of Things”铁道。部已成功实施的铁路车号自动识别系统(ATIS)就是采用RFID技术实现的。通过把感应器嵌入和装备到铁路的线路、桥梁、隧道、

涵洞、通信信号等铁路基础设施，机车、车辆、动车组等移动设备，信息化设备，大配件中，利用“物联网”技术，并与现有的铁路信息网整合起来，可以实现对铁路人力、设备和基础设施的实时全面管理，即：实现铁路设备管理数字化，提高铁路资源利用率和生产力水平，推进数字铁路建设。

(6)铁路空间信息安全保障技术

地理空间信息数据涉及，我国测绘部门对空间信息管理有严格规定，由于数字化地理信息更易复制和传播，必须研究铁路空间信息安全保障技术，从国家空间数据安全的高度，实现对铁路空问数据的统一归口管理，对涉密路空问数据和可公开的铁路空间数据采取不同的有效措施，在保证数据、信息安全的前提下，最大程度地实现铁路空间数据的共享。

(7)数字铁路的标准与规范

研究铁路空间信息标准体系，按照“权威数据来自权威部门、资源共建共享”的原则，制定铁路基础空间数据内容及标准、铁路地理数据质量控制标准、铁路地理空间数据交换标准、铁路GIS共享服务标准，实现“全路同一张底图”的目标。

构建“数字铁路”的必要性及可行性

“数字铁路”的构建是我国铁路现代化建设的核心内容之一，也是中国铁路现代化的重要标志。因此，“数字铁路”的研究与建设对于我国铁路既是必要的，也是可行的。

(1)综观世界格局可以看到“和平”与“发展”是当今世界的两大主题。通常，发展受

到三个方面的制约，即：经济因素、社会因素和生态因素。铁路是我国的经济命脉，是我国内陆的主要运输工具，它的发展与否直接关系到我国经济的发展。因此，铁路的发展与建设受到国家的高度重视，这是建设“数字铁路”的重要基础。

(2)信息技术是现代化铁路的 龙头”技术，是铁路挖潜增效的关键。在现有铁路设施下向信息技术要效率、要运能、要安全、要服务质量是一项高投入产出比的重要举措，也就是说“数字铁路”是突破经济因素制约的必由之路。

(3)现有铁路部门为解决信息化问题已先后规划建设了TMIS、DMIS、PMIS、CMIS等信息系统，但就目前来看，这些系统不过是一个个的“信息孤岛”，彼此缺乏有机的内在联系，难以发挥相应作用。要想发挥信息技术在现代铁路中的作用有必要建立铁路信息系统的整体框架，全面规划铁路信息系统，这一系统的最高目标便是“数字铁路”。

(4)随着铁路系统的提速和高速铁路的建立，旧有的管理体系已不再适应现代化的要求，信息的实时快速采集、传输、处理、表现是现代化铁路运营及管理的特点，全方位的信息分析、综合是正确决策的基础，建立“数字铁路”是实现这一需求的必由之路，研究构建 数字铁路”势在必行。

(5)“数字地球”是未来信息时代继续保持高科技经济发展的顶尖系统工程，这样的大系统工程必须动员全球各国、社会及科技人员共同努力，充分发挥地区部门的优势和作用， 数字铁路”正是“数字中国”的一部分，铁路部门具有先走一步的实力与需要。

构建“数字铁路”的可行性：

(1)铁道部领导历来重视信息技术的利用，多年前就制定了以牵引动力与信息技术为龙

头的建设现代化铁路的技术，体现了铁道部决策层的超前意识。

(2)铁道部已开发建设了许多局部信息系统和计算机网络，如TMIS、DMIS、CMIS等，并设立了大量的信源点，为建造 数字铁路”打下了初步基础和积累了一些必要的经验。

(3)铁道部拥有一大批信息技术人才和强有力的科技队伍。

(4)铁路系统在信息技术方面有较多的理论和技术贮备和积累，对“数字铁路”所涉及的关键技术已作了多年的研究工作。如：

① 在计算机网络的理论研究及工程实现方面有大量的实践经验。

② 结合漏泄波导综合光缆、光纤陀螺的列车实时追踪、GPS定位、移动自动闭塞系统、通用式机车信号，自动车号识别等研究为获取实时动态信息打下了坚实的基础。

③ 图像处理、计算机图形学、虚拟现实技术已有多年的理论与实践研究。

④ 多媒体数据库技术、数据挖掘和知识发现的研究也有一些技术积累。为空间数据仓库的实现打下了基础。

⑤ 与铁路有关的大专院校及科研院所较多，机、车、工、电、检等学科齐全，文、理、工、管兼备，实验设备先进．有条件在构建“数字铁路”中发挥综合优势，同时有大量的前期研究的工作可供利用。“数字铁路”的构建是一项庞大的系统工程，须作先期研究和模拟，就关键技术开展全面的理论、技术及工程方面的研究，建立示范性系统，为“数字铁路”这一系统工程的全面建设作必要的研究，与此同时，在现有的基础上，对成熟技术逐步加以采用。

数字铁路发展展望

近年来，铁路信息化建设逐步加快，铁路基础数据更新速度也在加快，以传统方式进行铁路管理难以适应新形势的需要。因此，引进先进的地理信息技术，通过地理信息的方式，全面对铁路资源及数据进行管理，以彻底根除传统管理方式的弊病。全面、直观并且准确地反映出设备、管网的分布现状及技术特性；同时， 完善的GIS可以提供设备、管息的录人和绘制功能，并且提供各种查询、统计和辅助决策的功能。为计算运营能力，铁路设备技术改造和抢险救援提供全新技术手段。随着GIS功能的逐渐完善，功能的适应性和软件的开放性逐渐增强。同时，矢量地图、栅格地图、表状数据是GIS最主要的数据内容和表达形式。但其他形式的数据和表达方式也将加入NGIS的储存和查询对象中，如：自由格式的文字报表、三维工程设计图、日常报表、普通照片、录像资料、声音、动画等。以直观的用户界面，为管理者、决策者提供方便。

铁路地理信息系统是用GIS技术作为基础平台构建一个与现实铁路相对应的虚拟的“数字铁路” ，将铁路工务、车辆、电务、安全等业务部门的属性数据和空间数据整合于共享数字平台。建立空间数据库、属性数据库、符号数据库 多媒体数据库等。实现空间为与属性数据的统一，为铁路设备维护管理、抢险救灾等提供支持服务。

在调车作业方面，GIS与现有调车系统的综合的应用运用可以提高调车作业计划编制的效率，同时降低调度员的劳动强度。以实现调车作业计划编制的准确性和高效性。GIS的使用实现了铁路调度行车指挥方式根本性的改变。完成了从传统的现车示意板面到站场调度指挥平台的功能转换。不但可以提高工作效率．减轻工作量。而且有效地避免各类行车和货运事故的发生。为储运生产决策、指挥提供有利依据，做到了提高工作效率、降低差错率，更好的适应运输业发展的运输需求。

利用GIS，可以实现列车调度的实时监控。对于在客货运高峰期见缝插针地安排列车，将进一步缓解铁路物资运输瓶颈，提高铁路调度管理水平和运输生产效率。同时，伴随铁路数字化建设的步伐。为进一步加强铁路客货运输营销系统建设，扩大铁路客票发售和预订系统应用范围，研发客运综合服务信息系统，利用地理信息系统有效整合货运现有系统信息资源，开展铁路电子商务门户网站等也都具有现实而有深远的重要意义。

地理信息系统功能的应用还可以实现对运营全过程的可视化安全监控和预警，以实现对铁路移动设备、固定设备和环境安全信息的综合集成平台。如果发生了突发事件，我们可以调动应急预案、现场环境和现场视频实现应急指挥，为铁路的安全、高效运转提供保障。

另外 面向客户方面．建设铁路地理信息系统可提高铁路服务质量，进一步增强铁路在运输市场中的竞争优势。通过地理信息系统，客户可以直观地查找铁路服务信息。如货物托运点、客票发售点及发售信息、货物到达信息；另一方面，铁路部门可以分析大宗货物分布区域、特殊货物分布区域、客流分布区域．借此做出符合事实的运输管理决策。

随着Internet的飞速发展．使传统GIS的发展更加广阔，通过Web GIS用户可以从WWW的任意一个节点，浏览和获取Web上的各种地理空间数据及属性数据、图像、文件以及进行地理空间分析。用户都可以浏览Web GIS站点中的空间数据，制作专题图，进行各种空间信息检索和空间分析。由于Web GIS和数据源是动态链接的．只要数据源发生变化．Web GIS将得到更新。GIS以其强大的数据共享及处理功能更好的完善铁路的数据库的建设与使用。客户可以同时访问多个位于不同地方的服务器的上的最新数据，而Web所特有的优势大大方便了GIS的数据管理，使分布式的多数据源的数据管理和合成更易于实现。其应用简单，对与铁路分布式的数据管理有较大的优势。

地理信息系统的建设可为铁路各级部门的管理和决策提供先进的应用平台和管理工具。GIS在铁路运营管理中的应用，可提高铁路的管理能力和决策的智能化水平，为铁路进行科学化管理、提高运输效率提供了科学的技术手段，对铁路运营的效率的提高。实现实时监控有重要意义。

结论

当今人类社会已步入了高度文明的信息社会时代。随着信息化社会的到来必然会导致信息产业，信息业的发展将极大地影响国家的发展和民族的兴旺，信息化程度不仅是衡量一个国家现代化水平和综合国力的标志，也是衡量我国铁路现代化水平的标志。因此“数字铁路”的研究是二十一世纪我国铁路现代化建设的重要举措，也是二十一世纪我国铁路现代化建设可持续发展的战略目标。适时地开展相关技术的研究势在必行。

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