劉 旸

(北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070)

1 概述

黔張常鐵路西起重慶市黔江站，途經(jīng)湖北省咸豐縣、來鳳縣，湖南省張家界市，止于湖南省常德市，線路全長336.3 km，是一條設(shè)計(jì)時(shí)速200 km的國家級1 級雙線電氣化鐵路。黔張常鐵路橫穿地形復(fù)雜的湖南西部山區(qū)。鐵路沿線氣候條件復(fù)雜，給鐵路運(yùn)營安全帶來了嚴(yán)重影響。

根據(jù)中國鐵路總公司發(fā)布的《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》，鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及上跨鐵路的道路橋梁異物侵限的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備采集的信息，對災(zāi)害報(bào)警及異物侵限報(bào)警進(jìn)行識(shí)別和發(fā)布，為調(diào)度指揮及維護(hù)管理提供報(bào)警信息和行車管制預(yù)案，為運(yùn)行計(jì)劃調(diào)整、搶險(xiǎn)救援、維修提供依據(jù)，為行車安全提供保障。

為減少鐵路沿線風(fēng)、雨、雪、地震及異物侵限對黔張常鐵路運(yùn)營安全的影響。根據(jù)黔張常鐵路建設(shè)公司的需求，北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司開展了黔張常鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用工作。

2 黔張常鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件包括現(xiàn)場采集設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、中心設(shè)備和終端設(shè)備組成。

2.1.1 現(xiàn)場采集設(shè)備

鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場采集設(shè)備由室內(nèi)的現(xiàn)場采集單元，戶外的風(fēng)雨雪傳感器、異物侵限傳感器以及地震傳感器組成。

風(fēng)雨雪傳感器通過RS-485 串口接口與現(xiàn)場采集單元連接，主動(dòng)發(fā)送風(fēng)速風(fēng)向、雨量和雪深的測量數(shù)據(jù)。

異物侵限傳感器和地震傳感器組通過繼電接口與現(xiàn)場采集單元連接，主動(dòng)發(fā)送異物侵限信號以及地震繼電器動(dòng)作信號。

現(xiàn)場采集單元匯集戶外采集的數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備發(fā)送給中心設(shè)備。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備

鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)鐵路沿線各監(jiān)測點(diǎn)的采集設(shè)備與中心設(shè)備以及中心設(shè)備與終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間安全互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互。

網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備包括接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、匯聚網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、中心接入交換機(jī)和終端接入交換機(jī)。

接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)位于鐵路沿線各監(jiān)測點(diǎn)負(fù)責(zé)采集單元的網(wǎng)絡(luò)接入；匯聚網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)位于匯聚站，負(fù)責(zé)將接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)與核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接；核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)負(fù)責(zé)將現(xiàn)場設(shè)備、中心設(shè)備和終端設(shè)備各網(wǎng)段的連接和統(tǒng)一管理；中心接入交換機(jī)和終端接入交換機(jī)負(fù)責(zé)中心設(shè)備和終端設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入。

2.1.3 中心設(shè)備

鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中心設(shè)備最核心的設(shè)備是通信/應(yīng)用服務(wù)器。它負(fù)責(zé)接收鐵路沿線各監(jiān)測點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理服務(wù)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)；同時(shí)，也根據(jù)終端設(shè)備發(fā)送來的數(shù)據(jù)請求，向終端設(shè)備提供數(shù)據(jù)表示服務(wù)、統(tǒng)計(jì)查詢服務(wù)、報(bào)警信息服務(wù)等。

此外根據(jù)項(xiàng)目需要，還可增配時(shí)鐘同步服務(wù)器、維護(hù)管理服務(wù)器、接口服務(wù)器、防火墻、防病毒服務(wù)器等。

2.1.4 終端設(shè)備

鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)終端設(shè)備由終端工作站和終端顯示器組成。它向用戶提供現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的表示信息、歷史數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計(jì)信息、報(bào)警信息等功能。

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)中國鐵路總公司發(fā)布的鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)方案和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，黔張常鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場采集層、業(yè)務(wù)核心層和終端展示層組成。

現(xiàn)場采集層負(fù)責(zé)將現(xiàn)場采集的風(fēng)雨雪及異物數(shù)據(jù)進(jìn)行收集并上傳至業(yè)務(wù)核心層?，F(xiàn)場采集層由風(fēng)雨雪監(jiān)測接口模塊、異物繼電接口模塊、地震繼電接口模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊組成。

業(yè)務(wù)核心層主要負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場采集層發(fā)送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等服務(wù)功能，并根據(jù)終端展示層發(fā)送來的數(shù)據(jù)請求向終端發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)核心層由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、事務(wù)調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊組成。

終端展示層主要負(fù)責(zé)終端顯示和操作。終端展示層由數(shù)據(jù)請求模塊、信息展示模塊、消息管理模塊、用戶管理模塊、報(bào)警管理模塊組成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure

2.3 數(shù)據(jù)流

整個(gè)系統(tǒng)具有4 個(gè)數(shù)據(jù)流，分別是采集數(shù)據(jù)流、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流、查詢數(shù)據(jù)流和展現(xiàn)數(shù)據(jù)流。

1) 采集數(shù)據(jù)流：采集數(shù)據(jù)流激活了從各現(xiàn)場傳感器采集點(diǎn)到采集單元的各接口模塊，再到數(shù)據(jù)傳輸模塊，通過采集傳輸層與業(yè)務(wù)核心層的數(shù)據(jù)鏈路，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐I(yè)務(wù)核心層的數(shù)據(jù)接收模塊。采集數(shù)據(jù)流是整個(gè)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。

2) 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流：存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流從業(yè)務(wù)核心層的數(shù)據(jù)接口模塊到數(shù)據(jù)處理模塊再到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將原始的采集數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的定義存儲(chǔ)到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中。

3) 查詢數(shù)據(jù)流：查詢數(shù)據(jù)流由終端展示層的數(shù)據(jù)請求模塊產(chǎn)生，到業(yè)務(wù)核心層的數(shù)據(jù)查詢模塊，查詢數(shù)據(jù)流包括所有采集點(diǎn)的采集監(jiān)測數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、操作記錄等。

4) 展現(xiàn)數(shù)據(jù)流：展現(xiàn)數(shù)據(jù)流從核心業(yè)務(wù)層各模塊到部署于不同地點(diǎn)的終端設(shè)備的數(shù)據(jù)下發(fā)鏈路，實(shí)現(xiàn)在電務(wù)段、信息所、工務(wù)段展現(xiàn)終端上實(shí)時(shí)同步顯示災(zāi)害監(jiān)測信息。

3 黔張常鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 采集傳輸層實(shí)現(xiàn)

采集傳輸層通過多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)雨雪接口、異物侵限接口和地震接口的數(shù)據(jù)同步接收，各接口現(xiàn)場將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給數(shù)據(jù)傳輸模塊再發(fā)送給業(yè)務(wù)核心層，采集傳輸層軟件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 采集傳輸層軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of software structure at acquisition and transmission layer

3.2 業(yè)務(wù)核心層實(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)核心層中的事務(wù)調(diào)度模塊負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)流中各系統(tǒng)事務(wù)的調(diào)度管理和并行控制，決定著系統(tǒng)整體的功能和性能。在系統(tǒng)中將所有的操作都封裝到系統(tǒng)事務(wù)中，每個(gè)事務(wù)都設(shè)置事務(wù)最小截止時(shí)間，截止時(shí)間最小的事務(wù)緊迫程度越大，因此需要優(yōu)先處理。因此整個(gè)業(yè)務(wù)核心層是采用基于最小截止時(shí)間的思想來進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)的。業(yè)務(wù)核心層軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 業(yè)務(wù)核心層軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Diagram of software structure at core service layer

3.3 終端展示層實(shí)現(xiàn)

業(yè)務(wù)核心層中的消息管理模塊，負(fù)責(zé)對系統(tǒng)終端中用戶管理模塊、報(bào)警管理模塊、信息展示模塊產(chǎn)生的消息進(jìn)行統(tǒng)一接收和處理，并通過數(shù)據(jù)接口模塊與業(yè)務(wù)核心層進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。實(shí)現(xiàn)終端展示層軟件的整體功能。終端展示層軟件結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 終端展示層軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Diagram of software structure at terminal and display layer

4 黔張常鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)應(yīng)用

4.1 系統(tǒng)整體應(yīng)用方案

黔張常災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)包含現(xiàn)場的風(fēng)監(jiān)測點(diǎn)、雨量監(jiān)測點(diǎn)、雪深監(jiān)測點(diǎn)和異物侵限監(jiān)測點(diǎn)；監(jiān)測點(diǎn)接入的通信基站、信號車站/中繼站和變電所/分區(qū)所內(nèi)的監(jiān)控單元，實(shí)現(xiàn)各監(jiān)測單元與災(zāi)害監(jiān)測中心網(wǎng)絡(luò)通信的匯聚站；相關(guān)電務(wù)段、工務(wù)段、通信段網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、維護(hù)終端、黔張常災(zāi)害監(jiān)測線路中心及廣鐵（集團(tuán)）公司災(zāi)害監(jiān)測中心系統(tǒng)。

系統(tǒng)整體應(yīng)用方案示意如圖5 所示。

4.2 中心系統(tǒng)實(shí)施方案

圖5 系統(tǒng)整體應(yīng)用方案示意圖Fig.5 Diagram of overall system application

本項(xiàng)目在廣鐵集團(tuán)新建調(diào)度大樓4 層新增黔張常線路應(yīng)用/通信服務(wù)器，將黔張常線路災(zāi)害監(jiān)測信息接入到既有廣鐵集團(tuán)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中心。

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備實(shí)施

網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備實(shí)現(xiàn)鐵路局中心系統(tǒng)信息處理平臺(tái)各類服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)接入，監(jiān)測終端的網(wǎng)絡(luò)接入，以及鐵路局中心系統(tǒng)與相關(guān)系統(tǒng)之間的安全互聯(lián)及數(shù)據(jù)交換。包括：核心網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、中心核心路由器、中心接入路由器、防病毒服務(wù)器、防火墻。

4.2.2 時(shí)鐘同步設(shè)備實(shí)施

NTP 服務(wù)器：從鐵路局調(diào)度所通信二級母鐘獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間源，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)、黔張常線路中心系統(tǒng)與現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的時(shí)間同步功能。NTP 時(shí)鐘服務(wù)器任一臺(tái)發(fā)生故障、任意網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行，確保整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4.2.3 災(zāi)害監(jiān)測終端實(shí)施

根據(jù)調(diào)度區(qū)段劃分，在廣鐵(集團(tuán))公司調(diào)度所對應(yīng)的行車調(diào)度臺(tái)設(shè)置1 套災(zāi)害監(jiān)測調(diào)度終端。在廣鐵(集團(tuán))公司工務(wù)處設(shè)置1 套災(zāi)害監(jiān)測調(diào)度終端。以上兩處災(zāi)害監(jiān)測終端均利用既有綜合布線系統(tǒng)接入調(diào)度樓4 層綜合機(jī)房路局災(zāi)害監(jiān)測中心。在廣鐵（集團(tuán)）公司懷化、張家界、長沙工務(wù)段各設(shè)置1 套工務(wù)段監(jiān)測終端，在廣鐵（集團(tuán)）公司懷化電務(wù)段、張家界通信車間各設(shè)置1 套通信段監(jiān)測終端。

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)施方案

現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)由主機(jī)模塊、各種監(jiān)測功能模塊、繼電器組合模塊、防雷單元、UPS 電源、機(jī)柜、與其他系統(tǒng)的接口等組成。

監(jiān)控單元主機(jī)模塊及各種監(jiān)測功能模塊按雙機(jī)熱備配置、支持熱插拔，并且雙機(jī)熱備配置的主機(jī)和各種監(jiān)測功能模塊在兩塊不同的電路板上，可實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)切換。UPS 電源冗余配置，供電時(shí)間不少于2 h（含風(fēng)速計(jì)加熱用電）。

監(jiān)控單元位于沿線經(jīng)選擇的通信基站、信號車站/中繼站、變電所/分區(qū)所內(nèi)，可采集多路風(fēng)、雨、雪、異物侵限監(jiān)測信息，將信息匯聚、初步處理并進(jìn)行通信規(guī)程轉(zhuǎn)換后發(fā)送至系統(tǒng)中心。

4.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備通過通信傳輸系統(tǒng)提供的主備用以太網(wǎng)透傳通道及以太網(wǎng)匯聚功能，接入?yún)R聚車站的交換機(jī)，由匯聚車站的主備路由器通過通信傳輸系統(tǒng)提供的專用通道與中心主備用核心路由器互聯(lián)，將現(xiàn)場采集信息傳至災(zāi)害監(jiān)測中心系統(tǒng)。廣鐵集團(tuán)災(zāi)害監(jiān)測中心系統(tǒng)與相鄰鐵路局災(zāi)害監(jiān)測中心系統(tǒng)或其他專業(yè)系統(tǒng)之間通過專用的網(wǎng)絡(luò)通道互聯(lián)。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 黔張常鐵路系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Diagram of structure of system network of Qianjiang-Zhangjiajie-Changde Railway

5 結(jié)束語

目前黔張常鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)功能完善，性能穩(wěn)定，完全滿足了黔張常鐵路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和需求。不過根據(jù)工程應(yīng)用情況和國內(nèi)鐵路災(zāi)害監(jiān)測情況，還有很多需要完善和優(yōu)化的方面，比如系統(tǒng)軟件架構(gòu)優(yōu)化、監(jiān)測設(shè)備優(yōu)化、災(zāi)害預(yù)警技術(shù)等，為鐵路安全運(yùn)營保駕護(hù)航。