武明生，王 彤，王 瑞

WU Ming-sheng，WANG Tong，WANG Rui

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

(Institute of Computing Technology， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)接口方案研究

武明生，王 彤，王 瑞

WU Ming-sheng，WANG Tong，WANG Rui

（中國鐵道科學(xué)研究院 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

(Institute of Computing Technology， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

在闡述高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)接口存在接口數(shù)據(jù)內(nèi)容、格式和傳輸方式不統(tǒng)一等問題，提出高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)接口方案，即鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備之間通過應(yīng)用/通信服務(wù)器實現(xiàn)接口數(shù)據(jù)交換；規(guī)定接口數(shù)據(jù)內(nèi)容包含指令信息、災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)類型設(shè)定不同的重發(fā)間隔；定義接口數(shù)據(jù)格式；建議接口數(shù)據(jù)采用OPC 異步方式進(jìn)行傳輸。

災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)；接口；數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)；高速鐵路

1　概述

高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)即自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)Ω咚勹F路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及上跨鐵路的道路橋梁的異物侵限進(jìn)行有效、準(zhǔn)確、實時的監(jiān)測，為調(diào)度指揮及設(shè)備設(shè)施維護(hù)管理提供報警、預(yù)警信息，有效防止或減少災(zāi)害對高速鐵路列車運行安全的影響。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)始建于 2008 年京津城際高速鐵路 (北京南—天津)開通之時，截至 2014 年底已在 50 條高速鐵路、客運專線上應(yīng)用。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)在鐵路沿線現(xiàn)場部署了風(fēng)、雨、雪、地震及異物侵限監(jiān)測點，在各鐵路局工務(wù)處、調(diào)度所、信息所、工務(wù)段、通信段、電務(wù)段設(shè)置監(jiān)測終端。根據(jù) 2013 年編制的《高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案 (暫行)》，災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由鐵路局中心系統(tǒng)、現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備 2 級架構(gòu)構(gòu)成，其中鐵路局中心系統(tǒng)包含信息處理平臺、監(jiān)測終端、網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備等，現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備包含監(jiān)控單元和現(xiàn)場采集設(shè)備[1]。

高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)實時采集現(xiàn)場風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限等災(zāi)害信息，以及現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備、鐵路局中心系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)信息，通過對相關(guān)災(zāi)害信息、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，生成風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限的監(jiān)測、報警信息及運營管理建議，并在確認(rèn)為故障而影響行車時，進(jìn)行應(yīng)急處置、快速恢復(fù)，以減少對行車的影響。鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備間接口是災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，接口數(shù)據(jù)是否規(guī)范、統(tǒng)一，直接關(guān)系到數(shù)據(jù)的完整性和系統(tǒng)的整體性能。目前，各鐵路局 (公司) 管理的系統(tǒng)越來越多，對高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)提出了更高的要求[2]。但是，由于高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式及接口方式由各相關(guān)設(shè)備廠家自由定義[3]，致使系統(tǒng)接口主要存在以下問題。

（1）接口數(shù)據(jù)內(nèi)容不統(tǒng)一。由于各線路現(xiàn)場采集設(shè)備、監(jiān)控單元采用了不同廠家、不同型號的設(shè)備，導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳的接口數(shù)據(jù)也不同。根據(jù)高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，各線上傳接口數(shù)據(jù)的內(nèi)容區(qū)別較大。接口數(shù)據(jù)內(nèi)容差異如表1所示。

表1　接口數(shù)據(jù)內(nèi)容差異

2014年，在新建 13 條高速鐵路涉及的 22 套災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中，雨量和 UPS 電源監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異尤為突出。在雨量監(jiān)測方面，17 套系統(tǒng)監(jiān)測降雨強度，9 套系統(tǒng)監(jiān)測累計雨量，6 套系統(tǒng)監(jiān)測冰雹強度，1 套系統(tǒng)監(jiān)測氣壓和溫度。在 UPS 電源監(jiān)測方面，22 套系統(tǒng)全部監(jiān)測電源主機的輸入、輸出狀態(tài)，16 套系統(tǒng)監(jiān)測電池電量，9 套系統(tǒng)監(jiān)測輸入電壓，5 套系統(tǒng)監(jiān)測輸出電壓和空開狀態(tài)。結(jié)合表1可以看出，諸多高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中遺漏了一些重要的參數(shù)，如風(fēng)監(jiān)測中的氣壓，雨量和雪深監(jiān)測中的溫度，監(jiān)控主機的采集模塊狀態(tài)，UPS 電源的輸出電壓和電池電量。現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳接口數(shù)據(jù)的差異，導(dǎo)致同一用戶單位面對不同高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)時，獲得不同的監(jiān)測內(nèi)容，為監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和使用增加了額外的工作，影響了災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的可用性[4]。

（2）接口數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一。截至 2014 年，全路已有 50 條高速鐵路和客運專線開通使用災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)，各災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)均實現(xiàn)相關(guān)監(jiān)測、報警功能，但由于災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)主要涉及 4 個設(shè)備廠家，各廠家現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳接口數(shù)據(jù)格式并不一致，數(shù)據(jù)包的構(gòu)成、長度、校驗、預(yù)留及數(shù)據(jù)包封裝方式等也存在較大差別，不同廠家研發(fā)的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)不能接收和處理其他廠家現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備發(fā)送的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，導(dǎo)致災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的兼容性受到影響，也增加了不同廠家系統(tǒng)之間整合的難度[5]。

（3）接口數(shù)據(jù)傳輸方式不統(tǒng)一。目前，高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)從現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳接口數(shù)據(jù)的傳輸方式上主要有以下 3 種。①基于 Windows Socket I/O 模型，監(jiān)控單元主動向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送現(xiàn)場災(zāi)害、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)。②基于 Windows Socket I/O 模型，應(yīng)用服務(wù)器主動向監(jiān)控單元發(fā)送災(zāi)害、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳命令，監(jiān)控單元接到命令后即刻發(fā)送數(shù)據(jù)。③基于 MODBUS 技術(shù)，監(jiān)控主機將實時監(jiān)測數(shù)據(jù)放置于指定的寄存器地址，應(yīng)用服務(wù)器主動到監(jiān)控主機指定的寄存器地址讀取相關(guān)災(zāi)害、設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)。不同設(shè)備廠家現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳接口數(shù)據(jù)的傳輸方式不統(tǒng)一，為高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)主要設(shè)備之間的互操作性設(shè)置了障礙，為后期系統(tǒng)的維護(hù)帶來困難。

2　高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)接口方案

2.1接口架構(gòu)

鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備之間通過應(yīng)用/通信服務(wù)器實現(xiàn)接口數(shù)據(jù)交換?？紤]災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)報警評判主要在鐵路局中心系統(tǒng)完成，接口數(shù)據(jù)應(yīng)包括指令信息、災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)等。鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接口架構(gòu)如圖1 所示。鐵路局中心系統(tǒng)應(yīng)用/通信服務(wù)器向現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)控主機發(fā)送地震、異物侵限操作的指令及數(shù)據(jù)傳輸指令，現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備監(jiān)控主機向鐵路局中心系統(tǒng)應(yīng)用/通信服務(wù)器發(fā)送風(fēng)、雨、雪、地震、異物侵限的監(jiān)測、報警數(shù)據(jù)及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息[6]。

2.2接口數(shù)據(jù)內(nèi)容

鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接口數(shù)據(jù)圍繞災(zāi)害監(jiān)測、災(zāi)害報警及設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測功能，兼顧系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計，在保證實現(xiàn)系統(tǒng)功能及運營維護(hù)管理需求的前提下，考慮接口數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)帶寬及系統(tǒng)資源的占用情況，接口數(shù)據(jù)內(nèi)容如下。

（1）指令信息。指令信息涉及地震緊急處置指令信息和異物侵限緊急處置指令，其中地震緊急處置指令信息包括地震報警、供電解除、信號解除、供電恢復(fù)、信號恢復(fù)指令；異物侵限緊急處置指令信息包括上行臨時行車、下行臨時行車、調(diào)度恢復(fù)、遠(yuǎn)程試驗指令。

（2）災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)。災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)涉及風(fēng)監(jiān)測、雨量監(jiān)測、雪深監(jiān)測、地震監(jiān)測、異物侵限監(jiān)測等數(shù)據(jù)。其中，風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)包括瞬時風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓，雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括降雨強度、溫度，雪深監(jiān)測數(shù)據(jù)包括雪深、溫度，地震監(jiān)測數(shù)據(jù)包括地震波[7]、地震報警，異物侵限監(jiān)測包括異物監(jiān)測、異物報警。

圖1　鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接口架構(gòu)圖

（3）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。①現(xiàn)場采集設(shè)備狀態(tài)，包括風(fēng)速風(fēng)向計、雨量計、雪深計、地震儀、雙電網(wǎng)傳感器聯(lián)通狀態(tài)。②監(jiān)控單元狀態(tài)，包括監(jiān)控主機設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，風(fēng)、雨量、雪深、地震、異物侵限采集模塊設(shè)備狀態(tài)，電源主機設(shè)備狀態(tài)、市電輸入、電源輸出、電池電量。③繼電器狀態(tài)，包括地震繼電器、地震與信號系統(tǒng)接口繼電器、地震與牽引供電系統(tǒng)接口繼電器狀態(tài)，異物侵限繼電器、異物侵限與信號系統(tǒng)接口繼電器狀態(tài)等數(shù)據(jù)[8]。

對于指令信息、災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，因故無法發(fā)送成功時，地震緊急處置指令信息、異物侵限緊急處置指令、風(fēng)監(jiān)測、地震監(jiān)測、異物監(jiān)測及接口繼電器狀態(tài)重復(fù)發(fā)送時間間隔為1 s，其他信息重復(fù)發(fā)送時間間隔為 5 s。

2.3接口數(shù)據(jù)格式

接口數(shù)據(jù)以報文的形式通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交換與傳輸，它是現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備一次性發(fā)送的數(shù)據(jù)塊。按照保證數(shù)據(jù)完整性和實時性、兼顧簡潔性與可擴展性的原則，設(shè)計鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接口數(shù)據(jù)通用報文格式如表2 所示，編碼方式選擇十六進(jìn)制。考慮現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)頻率有所不同，風(fēng)、雨量、雪深、地震、異物侵限監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場采集設(shè)備、監(jiān)控單元狀態(tài)監(jiān)測等數(shù)據(jù)獨立形成數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送。

表2　鐵路局中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備接口數(shù)據(jù)通用報文格式

2.4接口數(shù)據(jù)傳輸方式

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備上傳的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)較多，系統(tǒng)對不同的數(shù)據(jù)要求不盡相同，如風(fēng)監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為 1 s，雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送頻率為 1 min，系統(tǒng)對地震監(jiān)測數(shù)據(jù)有更高的要求。接口數(shù)據(jù)傳輸方式的選擇既要考慮接口數(shù)據(jù)上傳的靈活性、實時性，也要考慮符合國際標(biāo)準(zhǔn)，以避免設(shè)備廠家根據(jù) Windows Socket I/O 模型自由編制傳輸程序的現(xiàn)象。OPC (OLE for Process Control，用于過程控制的OLE) 是一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，OPC 是以 OLE/COM 機制作為應(yīng)用程序的通信標(biāo)準(zhǔn)，包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，適用于過程控制和制造業(yè)自動化系統(tǒng)，也適用于高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。

OPC 的數(shù)據(jù)訪問方法分別有同步訪問、異步訪問和訂閱式數(shù)據(jù)采集方式 3 種，考慮到高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)接口架構(gòu)及接口數(shù)據(jù)的多樣性，可以采用異步訪問方式。異步訪問方式的效率更高，能夠避免多用戶大數(shù)據(jù)請求導(dǎo)致的阻塞，并可以最大限度地節(jié)省 CPU 和網(wǎng)絡(luò)資源，有利于確保高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的整體性能。

3　結(jié)束語

高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)實施統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口可以有效杜絕各設(shè)備廠家自由研發(fā)接口、定義數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)的現(xiàn)象，確?，F(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的兼容性、互換性，有利于提高系統(tǒng)監(jiān)測、報警功能的可用性，可以為鐵路局 (公司) 用戶運行維護(hù)及災(zāi)害監(jiān)測數(shù)據(jù)分析提供重要技術(shù)支撐。新建高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)符合統(tǒng)一的接口數(shù)據(jù)內(nèi)容、接口數(shù)據(jù)格式、接口數(shù)據(jù)傳輸方式要求；而已有系統(tǒng)應(yīng)按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，完善現(xiàn)場采集、監(jiān)控單元上傳數(shù)據(jù)及應(yīng)用服務(wù)器升級改造。

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責(zé)任編輯：劉 新

Study on Interface Program of High-speed Railway Disaster Monitoring System

Based on expounding structure and function of high-speed railway disaster monitoring system, this paper analyzes problems related to data, format and transmission mode of system interface, and puts forward the interface program of high-speed railway disaster monitoring system, which adopts the architecture by which data between railway administration central system and on-site monitoring equipment are exchanged via application or communication server; stipulates that data consist of operational orders, disaster monitoring data and equipment status, and sets up different retransmission interval and according to data type; defines data format; and suggests that the interface data should be transmitted using OPC asynchronous mode.

Disaster Monitoring System; Interface; Data Standard; High-speed Railway

1003-1421(2015)12-0072-05+2

A

U298.1

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2015.12.15

2015-11-24

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2014T002-B)