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 異步方式進行傳輸。
災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng);接口;數(shù)據(jù)標準;高速鐵路
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行有效、準確、實時的監(jiān)測,為調(diào)度指揮及設(shè)備設(shè)施維護管理提供報警、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,并在確認為故障而影響行車時,進行應(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?,F(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)的維護帶來困難。
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制??紤]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準,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)標準,OPC 是以 OLE/COM 機制作為應(yīng)用程序的通信標準,包括一整套接口、屬性和方法的標準集,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。
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,確保現(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)接口標準,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)