胡伊菁++司鳳玲

摘要：全國鐵道交通日益增大的環(huán)境下，鐵道交通的信息系統(tǒng)與安全監(jiān)測成為首要研究對象，而鐵路軌道缺陷檢測技術(shù)是安全監(jiān)測中重要監(jiān)測指標之一。針對現(xiàn)代的通信網(wǎng)絡(luò)、物理信息、應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)遠遠超出傳統(tǒng)軌道交通系統(tǒng)的需求范圍，考慮信息物理融合系統(tǒng)（CPS）是依靠物理環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，通過網(wǎng)絡(luò)通信的實時傳輸，利用信息世界的信息處理能力和廣度適應(yīng)計算，提高對物理世界的控制能力。首次將CPS概念引入到鐵路軌道交通中，基于信息物理系統(tǒng)概念和軌道檢測技術(shù)的特點，提出了基于CPS環(huán)境下軌道檢測系統(tǒng)架構(gòu)模型，實現(xiàn)鐵路軌道狀態(tài)感知，可靠遠程超聲自動檢測、實時通信傳遞以及有效無誤的安全控制。

關(guān)鍵詞： 信息物理系統(tǒng)；軌道交通；軌道檢測；應(yīng)用分析

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0226-03

Analysis of the application of CPS in the rail transportation

HU Yi-jing，SI Feng-ling

（School of Wuhan Textile University ，Wuhan 430200，China）

Abstract：With the increasing environment of railway traffic， the information system and safety monitoring of railway traffic becomes the main research object， and the railway track detection technology is one of the important monitoring indicators in safety monitoring. In view of the traditional rail transport system has been unable to meet the new generation of physical equipment information and networking needs， consider the information of the physical system （CPS） based on the reliable physical environment perception， through the real-time transmission network， using the information of the world to adapt to the general computing and information processing capabilities， to achieve precise control of the physical world. CPS was first introduced to the railway rail transportation， physical characteristics of information system concept and track detection technology based on CPS is put forward under the environment of track detection model based on system architecture， implementation of railway track state perception， reliable remote automatic ultrasonic detection， real-time communication transmission and effectively correct safety control.

Key words：cyber physical systems； railway； track detection； application analysis

軌道交通系統(tǒng)是屬于集多專業(yè)、多工種于一身的復(fù)雜系統(tǒng)。它的運輸組織、功能實現(xiàn)、安全保證均遵循客觀規(guī)律，它具有運量大、速度快、安全等特別。因此，確使軌道交通保持良好工作狀態(tài)，讓城市軌道交通能夠無故障運行，并盡量延長物理設(shè)備使用壽命以及確保鐵路軌道交通運行安全作為探究最終目標。如何利用信息技術(shù)及時有效的認知軌道狀態(tài)變化，成為了國內(nèi)外研究人員的重要研究課題。我國鐵路軌道交通的日益壯大，傳統(tǒng)檢測技術(shù)已無法滿足實現(xiàn)全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)互聯(lián)與互通，因此需要引入新的計算、通信和控制技術(shù)，以實現(xiàn)鐵路檢測信息系統(tǒng)和軌道交通物理系統(tǒng)之間更緊密的融合與協(xié)作，從而實現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)的協(xié)調(diào)化和智能化[1]，以實現(xiàn)更可靠、有效、精準的鐵路安全預(yù)防與維護技術(shù)。信息物理系統(tǒng)（CPS）是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)，是計算進程和物理進程的統(tǒng)一體，使用網(wǎng)絡(luò)化空間以遠程的、可靠的、實體的、安全的、協(xié)作的方式操控一個物理實體，其包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使物理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠程協(xié)作和自制功能[2]。

1 CPS的定義

信息-物理融合系統(tǒng)（Cyber-Physical System ， CPS）強調(diào)的是計算機系統(tǒng)與物理元素的緊密結(jié)合。對于CPS的定義，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一定論，美國NSF的定義：“計算資源與物理資源間緊密集成與深度協(xié)作”[3]； 中國科學(xué)院的何積豐院士的定義：CPS是在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信、控制能力的可控、可信、可擴展的網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實時交互來增加和擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制一個物理實體[4]。具體表現(xiàn)有以下幾種特征：

1） 必須具備實時、可靠、安全三大要素；

2） 物理實體與信息間存在反饋閉環(huán)控制；

3） 物理實體受時空的約束；

4） 信息世界與物理世界是緊密結(jié)合、深度交互的。

2 CPS與軌道系統(tǒng)

軌道系統(tǒng)建設(shè)是我國交通技術(shù)的進步與發(fā)展的重要組成部分，有效地調(diào)整了我國交通運輸體系的結(jié)構(gòu)方式。但是隨著人們需求的提高，各種通信服務(wù)需求也就接種而至。傳統(tǒng)的軌道系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息交流、軌道檢測系統(tǒng)等已經(jīng)不能滿足新一代物理設(shè)備信息化和網(wǎng)絡(luò)化的需求了?，F(xiàn)今我國軌道交通系統(tǒng)均是嵌入式電子系統(tǒng)，Hermann Kopetz 提出， 當嵌入式系統(tǒng)強調(diào)實時信息處理子系統(tǒng)（ 計算機系統(tǒng)） 與被控制的物理設(shè)備和子系統(tǒng)（ 物理系統(tǒng)） 的協(xié)同交互作用時， 可稱之為 CPS[5] 。

當今軌道交通系統(tǒng)其實是由多個服務(wù)單元組成的互相協(xié)調(diào)的通信網(wǎng)絡(luò)，它其中包含傳感器單元、控制單元、通信傳輸、檢測單元、信息技術(shù)單元等。每個服務(wù)來自于不同的嵌入式子系統(tǒng)單元。因此整個CPS系統(tǒng)架構(gòu)能是由多種服務(wù)單元連接的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，這樣就可以利用具有模糊性的服務(wù)單位理念，忽略各個信息系統(tǒng)及物理設(shè)備的差異性，在服務(wù)層面建立通用連接，從而構(gòu)建基于CPS環(huán)境下軌道交通系統(tǒng)。

2.1 CPS子系統(tǒng)軌道檢測系統(tǒng)

CPS 本身是可以嵌入到物理設(shè)備之中， 或者由多個通過網(wǎng)絡(luò)交聯(lián)的嵌入式計算設(shè)備組成[6]。軌道檢測系統(tǒng)可看作一個物理實體，它采用激光攝像檢測、超聲導(dǎo)波無損檢測等檢測技術(shù)，計算機網(wǎng)絡(luò)、光纖通信等信號傳輸網(wǎng)絡(luò)以及計算調(diào)度、數(shù)字濾波等信號處理技術(shù)應(yīng)用于軌道系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，實時監(jiān)測獲取軌道系統(tǒng)狀態(tài)，為可靠的、安全的、科學(xué)的軌道交通狀態(tài)指引了方向。

2.1.1物理感知層

物理世界的感知由物理傳感節(jié)點組成，在分布節(jié)點中的物理實體內(nèi)嵌入傳感器，基礎(chǔ)物理量的監(jiān)測就可以實時地反饋到物理感知層中心，從而映射總集的方法達到控制的目的?，F(xiàn)今我國軌道交通普遍提速，給軌道檢測系統(tǒng)的技術(shù)提出了更高的要求，考慮到安全性和可靠性的基礎(chǔ)上檢測系統(tǒng)項目的全面性、檢測精度層面也設(shè)定了人工智能化的目標。而目前光纖數(shù)字陀螺、高速激光數(shù)字攝像傳感器技術(shù)，超聲導(dǎo)播探傷檢測技術(shù)等，作為CPS系統(tǒng)物理感知層接入，分別由各樹狀節(jié)點接入如軌道幾何狀態(tài)檢測物理量、車輛動態(tài)響應(yīng)檢測物理量、其他輔助檢測包括速度、里程等物理量，物理量實時異構(gòu)分布成物理界信息。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)層

軌道檢測系統(tǒng)中物理感知層每個節(jié)點分布各個檢測傳感，傳感信息通過軌道通信網(wǎng)絡(luò)接入到軌道檢測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層。軌道系統(tǒng)通信服務(wù)是軌道體系的重要組成部分，通信系統(tǒng)存在的問題也是影響實時信息協(xié)同的核心部分。我國現(xiàn)代軌道鐵路傳輸系統(tǒng)由骨干傳輸和接入層傳輸兩部分組成，對于軌道檢測系統(tǒng)骨干傳輸包含著同步數(shù)字傳輸系統(tǒng)的開通、列控信息的傳送。接入層網(wǎng)絡(luò)傳輸可以完成抽象信號的提取、仿真、處理。網(wǎng)絡(luò)層中信息中心的服務(wù)器記錄這些數(shù)據(jù)，判斷是否達到預(yù)先控制條件，進而向執(zhí)行器的網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點發(fā)出響應(yīng)的調(diào)節(jié)控制命令。網(wǎng)絡(luò)層是并行接收與傳輸物理信息與服務(wù)層控制信息，它涵蓋了更多方法研究的方面。這里針對軌道檢測系統(tǒng)指出CPS網(wǎng)絡(luò)層建模除去給物理感知層與服務(wù)層提供接口外，需要具備模塊化系統(tǒng)建模、離散與連續(xù)混合系統(tǒng)的特點，它具備了物理信息與服務(wù)信息相融合的特點，網(wǎng)絡(luò)層的通信除去時間與空間的受限外，還受事件驅(qū)動，非常具備復(fù)雜度。

2.1.3 控制層

增強對軌道檢測系統(tǒng)的控制能力是基于CPS環(huán)境軌道檢測系統(tǒng)的現(xiàn)實目標。由于目前高速鐵路發(fā)達，國際上利用高科技手段，研制開發(fā)具有綜合性、高精度、高速度、高智能、高可靠性的大型軌道檢測設(shè)備，這對檢測系統(tǒng)的控制能力提出了更高的要求與更全面的技術(shù)方案[9]。傳統(tǒng)檢測系統(tǒng)控制器用來向系統(tǒng)發(fā)出控制指令，并接受測量采集的原始數(shù)據(jù)，然后對原始數(shù)據(jù)進行處理，計算出檢測結(jié)果。這里相當于軌道檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和信息傳輸?shù)闹袠?。提出CPS環(huán)境方案控制層的好處是控制層能夠提高檢測系統(tǒng)的可靠性和安全性，讓檢測項目更安全、檢測精度更高。未來檢測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)等速檢測，同時云計算的分布式架構(gòu)與CPS要求的實現(xiàn)實時檢測與信息反饋控制深度融合。

2.1.4 服務(wù)層

基于CPS的軌道檢測系統(tǒng)可獲得檢測對象、檢測工具、檢測基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)等各類信息，將豐富的信息數(shù)據(jù)為檢測工作人員終端提供實時的檢測信息服務(wù)是軌道檢測系統(tǒng)服務(wù)發(fā)展的必然方向。針對軌道檢測系統(tǒng)并應(yīng)用控制層設(shè)計的控制算法，實現(xiàn)軌道檢測系統(tǒng)的一些典型服務(wù)[8]，如安全檢測資源優(yōu)化調(diào)度等。

2.2 CPS在軌道領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

為了優(yōu)化軌道交通系統(tǒng)，提出將其與CPS理念相融合。未來系統(tǒng)全面進步的同時，軌道交通系統(tǒng)平臺也面臨了更高的挑戰(zhàn)，那么，需要突破的關(guān)鍵技術(shù)有：

1） 分布式管理技術(shù)

在軌道交通電子系統(tǒng)應(yīng)用CPS 技術(shù)，雖說物理世界與信息控制是緊密協(xié)作的，但在實際實現(xiàn)過程中我們采取分布式的管理方式。應(yīng)用往往是與功能相關(guān)的，但是在一定意義上它其實是與平臺分離的。分布式管理技術(shù)構(gòu)建在平臺硬件和基礎(chǔ)軟件之上，為應(yīng)用提供資源管理、容錯重構(gòu)、時間管理、安全管理、通信管理等服務(wù)[7]。并且，通過分布式管理技術(shù)，系統(tǒng)的任務(wù)能力和操作性能也能得到進一步提升。

2） 物理信息分離技術(shù)

通常，在實際運行的軌道交通系統(tǒng)中，任何軌道交通物理量主體均是分離的，如軌道損耗、軌跡位移等，而在信息系統(tǒng)中信息是統(tǒng)一協(xié)作的。另外，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與控制系統(tǒng)均是高復(fù)雜度的物理系統(tǒng)，甚至有些情況下，控制的物理系統(tǒng)的復(fù)雜性還不如通信系統(tǒng)的流量大、難度高。因此關(guān)注物理量分離是一種很恰當?shù)厥褂貌呗裕纸庹w減小復(fù)雜性，根據(jù)物理現(xiàn)象（電氣、熱、結(jié)果等）、抽象層（靜態(tài)、集總參數(shù)動態(tài)分布參數(shù)動態(tài)，等）優(yōu)化了實現(xiàn)高度可靠的實時傳輸性能。

3） 支持性能約束不同的層級網(wǎng)絡(luò)通信

在軌道系統(tǒng)中，不同應(yīng)用對系統(tǒng)性能約束也不經(jīng)相同，如控制層的安全性約束大于感知層的安全性約束的，那么這就對網(wǎng)絡(luò)通信定義了更高的需求。原有軌道交通系統(tǒng)按照功能把系統(tǒng)劃分為不同的單元，各種單元可根據(jù)應(yīng)用的具體要求進行穩(wěn)定性、安全性和實時性的調(diào)度設(shè)計。而基于CPS環(huán)境的軌道電子系統(tǒng)在用戶通信技術(shù)、軌道安全檢測等要求的安全級別不同，那么在分布式管理的作用下，就必須實現(xiàn)不同級別的性能約束通信要求。

3 總結(jié)

將CPS技術(shù)應(yīng)用到軌道交通領(lǐng)域，將物理過程與信息相融合，解決軌道交通存在的各方面問題，如軌道檢測系統(tǒng)實時、安全、可靠性問題，核心是將計算、信息傳遞、控制的理念與軌道交通物理信息集成為統(tǒng)一先進技術(shù)，通過感知物理世界信息將其傳遞到網(wǎng)絡(luò)層協(xié)同傳輸，再到信息地存儲、計算、分析挖掘和優(yōu)化控制等，優(yōu)化軌道交通電子系統(tǒng)。該CPS技術(shù)在軌道領(lǐng)域的應(yīng)用，在未來能夠以更加高效、可靠、實時、準確的實現(xiàn)機制來實現(xiàn)軌道交通的方便、精準、安全環(huán)境。

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