数字地铁系统总体框架研究
摘 要：本文介绍了“数字地铁”的背景和意义，提出了“数字地铁”的近远期目标，建立了“数字地铁”的总体框架，展示了其基本功能。笔者认为在我国城市地铁中应尽快建立“数字地铁”系统，将为地铁未来的可持续发展起到巨大的作用。
关键词：数字地铁、地理信息系统、管理信息系统
1、“数字地铁”提出的背景和意义
近年来，地理信息系统(GIS)、全球卫星定位系统(GPS)、遥感(RS)等技术的发展，日渐成熟和普及，随着虚拟现实、高分辨率遥感、分布式数据库、网络技术、数据仓库、多媒体技术、海量数据处理及宽带通信等技术的突飞猛进，为GIS技术的广泛应用展示了更加光明的前景。随着“数字地球”概念及其内涵逐步明晰以及“数字地球”观念的深入与普及，“数字地球”受到了我国各地方政府的高度重视，许多行业与地域已开始大规模的空间信息基础设施建设，建立基于空间数据的共享平台，如数字城市、数字国土、数字林业、数字铁路、数字北京、福建和海南等。
作为城市功能中最活跃的因素，交通已成为城市可持续发展的关键性问题。从全国大城市来看，交通阻塞、行车速度缓慢已成为城市的顽疾。地铁是城市交通和经济可持续发展的方向和必然要求，这已经在国外大城市交通设施发展实践中得到证实。中国作为世界第一人口大国，目前地铁拥有量极低，已经严重滞后于经济和社会飞速发展的需要。“十五”期间，我国计划投资8000亿元用于城市轨道交通建设，建设总里程将达到450公里。其中，用于地铁建设的投资2000亿元。目前，中国人口超过百万的34个城市中，有22个正在建设和筹建自己的轨道交通。今后一个时期，中国城市地铁将进入大规模建设阶段。
地铁交通是社会效益、经济效益、环境效益都十分突出的项目。采用信息技术与地铁传统行业相融合，将大大提高地铁业的市场竞争能力和服务水平。对于改变目前亏损状况，降低建设、运营管理成本，提高企业经济效益，都将产生巨大的推动作用。
地铁作为城市大系统行业中的一个有机组成部分，又和其他行业有着千丝万缕的密切联系。为迎接全球信息化的挑战和适应中国加入WTO后所需做出相应的对策，在“数字城市”的大背景环境下，地铁行业也必将更加紧密地融入到城市整个大系统中，“数字地铁”的实现就具有现实性和紧迫感，它还是“数字城市”实现中的重要环节。
多年来，在京、沪、津、穗等已运营的城市地铁中，已陆续投资数百亿元，建立了以自动售检票（AFC）、列车自动控制系统（ATC）、电力监控系统（SCADA）、环境监制系统（BAS）、防灾报警系统（FAS）及高速通信网为代表的诸多运营管理、调度指挥和安全监控系统，发挥了重大作用。地铁总公司与下属各部门之间也已建立了基于局域网和互联网的办公管理系统并初见成效。但是，由于不少城市地铁建设中使用了来自不同国家的外资贷款，设备也只好从贷款国引进，不同国家的设备制式不同，造成了我国地铁运营系统的“万国牌”现象，这不仅给日后地铁线网的扩容、管理带来极大的困难。照此发展下去，将带来诸多问题，如耗资巨大、维护困难、制式混乱等等，也必将严重阻碍我国城市轨道交通的发展；而且，由于各信息系统相互独立，系统之间信息相对孤立，难以发挥信息综合利用的优势。因此，为适应地铁信息化发展的需要，建设覆盖城市地铁范围的信息可视化共享平台，达到“信息共享、综合利用”的发展目的，为各级领导和广大用户提供更加直观而丰富的信息，本文提出开展“数字地铁”系统框架研究已刻不容缓。
“数字地铁”是指在地铁规划、建设与运营管理中，充分地利用数字化信息处理技术和网络通讯技术，对地铁信息元按照统一的规范关联地理信息，形成三维数字信息，并对此进行管理、分析和辅助决策的电子信息系统。有助于将地铁内部与外部城市的各种数字信息及地铁的各种信息资源加以整合利用。
“数字地铁”是“数字地球”的一个子集。“数字地铁”的出现，也是经济全球化的必然趋势，而联系全球化的重要纽带就是数字。“数字地铁”的建设将为规划或建设中的城市地铁提供有利的帮助，将有利于在国家相关部门的统一指挥下解决目前各地铁公司自成一家的现状，实现信息共享，避免重复建设，为未来形成统一管理，执行统一标准、规范打好基础。总体而言，“数字地铁”的建设对地铁信息化的跨越式发展、提高运输效率和科学化管理、提高面对紧急事件的处理能力等等具有深远的社会意义和经济效益。
2、“数字地铁”的目标
“数字地铁”的目标分为近期目标和远期目标，近期目标和远期目标的划分主要从地铁各种设备的“静态”和“动态”特点出发，最终实现对地铁现有各种应用系统的有机集成，建立空间信息与共享平台机制，便于各种信息直观表达、综合利用与快速反应。
2.1“数字地铁”的近期目标
u采用GIS技术，建立一个多数据源的地铁空间数据库；
u建立地铁“静态”设施管理的综合系统；
具体而言，近期目标包括如下几点。
2.1.1接合各专业应用需求，规划并制作城市地铁电子地图
在制作城市地铁电子地图时，应规范基础信息，如车站编码、线路编码、设备编码、地理信息标注内容与方式等等内容，充分考虑现有各应用的需求及未来发展的需要，对地理信息元进行定义，使之满足各专业业务的需要。地铁电子地图是导航查询的基础，通过在导航图上点选对象，定位并显示其对应的图幅。如查询某车站的设备平面示意图，通过操纵导航地图，漫游放大，找到导航图上该车站的位置，单击图上该站位置，即得到该站的多媒体信息。
2.1.2建立各应用电子图层
建立如线路配置图、线路综合图、车站线路配置图、电务设备配置图（高中压交流供电设备、牵引供电设备）、电力监控系统、环控设备配置图、通信信号设备综合图、防灾报警设备配置图、车辆设备配置图、自动售检票设备配置图、区间速度图、车站平面图、区间客流分布图等等。
2.1.3建立地铁图形，图象，音像存储，传输，选播系统
地铁运输具有明显的地域、地理性质，在管理过程中对信息的时效性、准确性提出了较高的要求。建设数字地铁将地铁运营相关信息数字化，以多媒体处理技术将地铁的音、像、图、数等信息以统一的标准存储起来，并通过计算机进行加工、处理，为地铁行车调度、基础维护、设备管理、建设规划提供了有效的数据服务和决策支持。系统存储地铁区间、车站和停车场等video、重要设备图像、抢险救灾和事故现场video、重要区间地段地形、地质、地貌文件等信息，系统具有图像信息智能提取功能，能根据需要选播图像信息。
2.1.4建立设备统计、分析，检索系统
·输入检索条件，查询设备位置。例如，输入坡度大于3‰条件，检索指定范围内的线路综合图，点击相关设备查询设备类型、型号等信息；输入曲线半径小于1000米条件，检索所有满足条件的位置信息。
·选定地图区域，检索该区域内的设备、经济指标状况信息。例如，通过在地图上点击复兴门站，把复兴门站相关专业的信息分门别类以报表的形式显示、打印出来。
2.2“数字地铁”的远期目标
u建立地铁“动态”设施管理的综合系统；
u建立面对紧急事件处理能力的综合系统；
具体而言，远期目标包括如下几点。
2.2.1建立虚拟地铁再现系统
通过与各种现有应用系统，如与ATC、遥供音频无绝缘轨道电路FTGS-917等实时追踪系统接口，把地铁当前运输行车组织情况用三维图形图像形式形象地显示出来。同时，利用地铁电子地图、各专业图层，再现地铁各专业设备即时运转状况。
2.2.2建立面对紧急事件处理综合信息系统
该系统可以帮助地铁部门在面对灾难、紧急事件（发生火灾、车辆脱轨、供电故障、信号故障、通讯中断、列车压人、列车故障被迫在区间停车、隧道内紧急疏乘客等）处理时，直观、快速地查询能实时反映事件地点的地理环境、给排水设施、行车运营、线路设备、环控通风等等资料，并与现有的系统（如环境监制系统BAS、防灾报警系统FAS）接口，获取救护设备和救灾抢险力量分布位置、数量等等相关信息，为地铁部门做出快速有效的救助策略提供依据。
2.2.3建立客流动态分布、行车运营组织合理调配辅助决策系统
例如通过与地铁自动售检票（AFC）接口即时动态掌握客流分布情况，客流峰值的时间和位置，汇总即时的列车运营情况，系统自动产生几种合理的决策方案供调度人员选择，这将大大提高地铁运营管理的效率和科学性。
2.2.4 建立公共信息服务系统
建设“数字地铁”系统可提高地铁企业形象和服务质量，进一步扩大地铁在城市综合交通运输市场中的竞争优势。通过数字地铁系统，一方面，乘客可以直观地查找地铁服务信息，如车票发售点及发售信息、某段路径所需时间；另一方面，地铁部门可以分析主要客流分布区域、高峰时段客流O—D分布，籍此，可以做出符合事实的决策。在国外，德国汉堡已开通了第一个多媒体地铁车站，墙上的多媒体设备除了可供乘客自己查询有关交通信息外，还能提供Internet浏览、自动取款、信用卡结账、当地专门信息查询等多种服务；最新的地铁车厢内安装了电视显示屏提供新闻、交通、天气等信息。香港和伦敦也大量使用了先进的通讯和网络设施为乘客提供信息服务。汉堡和伦敦等已建立了地铁公司的Internet网页，可使全世界对其有所了解，对企业的发展具有很重要的意义。
3、“数字地铁”的总体框架
3.1“数字地铁”总体结构
“数字地铁”是一个系统工程，是建立在数字采集和科学规划及管理基础之上的软科学研究。系统采用工业标准的三层体系架构的设计，设计框架如图1所示：
综合管理信息系统是在基础空间数据库平台基础上建设，在广义上，整个管理信息系统亦包含公共基础空间数据库部分。整个信息系统遵循信息产业标准的三层体系架构的要求进行设计。公共基础数据库RDBMS和空间数据引擎SDE共同构成系统的数据层基础；专业地理信息系统平台MGIS构成业务层，最后，用户所面对的最终地铁综合管理信息系统构成系统的表现层
3.2“数字地铁”基础空间数据库
空间数据库系统（Spatial Database System）是地理空间数据库的集成。通过空间数据库管理系统将地铁设施等空间数据进行统一的管理。
地铁基础空间数据库包含多比例尺的矢量数据、属性数据、地名注记、大地控制数据、元数据和其它专题数据。各种比例尺、各种类型的空间数据要能够相互套合，互相迭加形成集成化的空间数据库。空间数据库系统如图2所示：
公共基础空间数据库是全方位、动态的，实时和准实时地为决策提供科学的基础数据，为各专业部门提供空间数据的基础支撑。同时要为数据库的运行、维护、管理、更新和数据安全提供有效的技术手段。
3.3“数字地铁”建设原则
u实用性
系统建设的目的是为了改进工作方式，提高工作效率，所以系统建设必须与部门的业务相适应，符合部门的业务需要，满足各部门的功能要求，达到物尽其用的目的。同时数据库系统本身界面要友好并具有自己的特点，符合各个工作人员的使用习惯，增强系统的亲和性。
u先进性
本系统的建设要符合IT技术的发展趋势，整个系统基于网络来开发，通过网络来传递信息和进行业务处理。
u经济性
系统的建设要在实用的基础上做到经济，要考虑现有资源和配备资源的合理使用，对整个系统要进行最优化配置，做到以最小的投入获取最大的成效。
u开放性
随着中国加入WTO和改革开放的深入发展，管理职能和服务方式处在不断的变化之中，所以系统的建设要考虑到职能和服务方式变化的可能性，进行开放式设计，便于系统二次开发和功能调整扩充，便于系统升级。
u前瞻性
信息技术发展非常之快，在系统的设计中要有超前性，必须充分考虑技术的发展趋势，如采用关系型数据库管理空间数据、Internet GIS应用、Open GIS规范及空间数据互操作(Interoperability)等问题。同时在硬件配置和系统设计中还充分考虑系统的发展和升级，使系统具有较强的扩展能力，处于应用系统技术领先地位。
u循序渐进原则
指系统的建设要根据现有的条件，有计划有步骤地进行。系统建设初期，应以满足基本功能、实现常用的迫切的基础功能为主，以后再逐步进行功能扩展，使系统为决策服务。
另外系统重要突出可靠性和安全性原则。
4.“数字地铁”的基本功能
数字地铁的数据库平台除空间地理信息外，应充分利用各业务部门已建成的专业管理信息系统（MIS）数据库，将其与地理信息系统（GIS）整合，在此基础之上构建车辆、线路设备、电务、调度指挥、救援中心等部门的基于GIS技术的综合管理系统，数字地铁的基本功能结构如图3所示：
5.结束语
“数字地铁”系统的建设，可为地铁各级部门的管理和决策提供先进的应用平台和管理工具，必将产生深远的社会意义和经济效益。“数字地铁”作为未来信息时代继续保持高科技经济发展的高级系统工程“数字中国”的一部分，它的建设将为我国类似系统的建设具有带动和示范作用。
