建設(shè)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)研究

王文華，王 都，張金月，林 峰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京100015）

從20世紀(jì)90年代起，日本、法國(guó)、德國(guó)、意大利以及英國(guó)等國(guó)家先后采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)開(kāi)發(fā)建設(shè)鐵路信息行業(yè)，如美國(guó)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心TTCI開(kāi)發(fā)建設(shè)了inte-RRISR，用計(jì)算機(jī)管理列車(chē)試驗(yàn)、設(shè)備檢測(cè)等信息，安全、高效地進(jìn)行試驗(yàn)，并節(jié)省了大量人力和成本。

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心試驗(yàn)線自開(kāi)通以來(lái)，完成了大量的國(guó)內(nèi)、國(guó)際合作試驗(yàn)項(xiàng)目。但是各試驗(yàn)數(shù)據(jù)都以文件形式進(jìn)行管理，隨著試驗(yàn)增多，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散、試驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性脫節(jié)、信息孤島、歷史數(shù)據(jù)利用率低下、試驗(yàn)數(shù)據(jù)安全性難以保證等問(wèn)題凸顯。

為解決以上出現(xiàn)的問(wèn)題，有必要來(lái)用信息化的手段協(xié)調(diào)多專(zhuān)業(yè)、多部門(mén)進(jìn)行試驗(yàn)，科學(xué)地管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，快速檢索和安全共享試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和相關(guān)性分析。

因此，加快國(guó)家鐵道實(shí)驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)的研究與設(shè)計(jì)，保證國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心科學(xué)、有效地進(jìn)行試驗(yàn)，具有十分重要的意義。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則

1.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)目標(biāo)

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)的具體目標(biāo)是：滿足國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心車(chē)、機(jī)、工、電、輛、環(huán)境等多種專(zhuān)業(yè)進(jìn)行系統(tǒng)性檢測(cè)。系統(tǒng)性試驗(yàn)的調(diào)度，指揮，試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的需要；信息平臺(tái)不僅能控制列車(chē)試驗(yàn)，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃、設(shè)備維修、牽引供電、機(jī)車(chē)車(chē)輛、試驗(yàn)人員等的綜合管理；信息平臺(tái)能夠?qū)υ囼?yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)分析；信息平臺(tái)能夠?qū)υ囼?yàn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，保證試驗(yàn)的安全性。以試驗(yàn)流程為主線，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，集成數(shù)字試驗(yàn)管理平臺(tái)、試驗(yàn)調(diào)度指揮平臺(tái)、綜合數(shù)據(jù)系統(tǒng)、試驗(yàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、試驗(yàn)仿真系統(tǒng)、電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SCADA）等系統(tǒng)，建設(shè)開(kāi)放性數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)。

1.2 平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

1.2.1 試驗(yàn)過(guò)程程序化

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心試驗(yàn)采用程序化方式，規(guī)范試驗(yàn)業(yè)務(wù)工作流程，控制列車(chē)試驗(yàn)的全過(guò)程；通過(guò)對(duì)試驗(yàn)資源管理的有效調(diào)配和管理使其得以與試驗(yàn)流程整合，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃數(shù)據(jù)、試驗(yàn)資源數(shù)據(jù)、試驗(yàn)信息數(shù)據(jù)、試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理。

1.2.2 保持試驗(yàn)的系統(tǒng)性

為充分發(fā)揮國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心的綜合檢測(cè)和系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ畔⑵脚_(tái)應(yīng)綜合考慮試驗(yàn)中心的多種試驗(yàn)裝備和多個(gè)實(shí)驗(yàn)室情況，開(kāi)展系統(tǒng)性，綜合性試驗(yàn)，充分發(fā)揮綜合檢測(cè)優(yōu)勢(shì)，提高生產(chǎn)率。

1.2.3 保持系統(tǒng)的可拓展性

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心提供公共試驗(yàn)平臺(tái)，能夠?yàn)樾略鲈囼?yàn)內(nèi)容提供軟件接口，為多種新增試驗(yàn)、多種新增試驗(yàn)手段服務(wù)，保持國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)開(kāi)放性。

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心以系統(tǒng)試驗(yàn)，綜合試驗(yàn)，試驗(yàn)保障，為試驗(yàn)提供技術(shù)、決策支持為宗旨，確保試驗(yàn)科學(xué)性，準(zhǔn)確性，安全性的目標(biāo)和準(zhǔn)則。

2 平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)由布置在數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器，布置在環(huán)行線的專(zhuān)業(yè)測(cè)試設(shè)備站、無(wú)線接入設(shè)備、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及布置在列車(chē)上的無(wú)線接收終端、布置在列車(chē)上專(zhuān)業(yè)測(cè)試設(shè)備等組成。總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)

3 平臺(tái)基本功能設(shè)計(jì)

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)以建設(shè)數(shù)字化試驗(yàn)、系統(tǒng)性試驗(yàn)為中心，為試驗(yàn)提供信息共享平臺(tái)。信息平臺(tái)以包括數(shù)字試驗(yàn)管理平臺(tái)、試驗(yàn)調(diào)度指揮平臺(tái)、綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、試驗(yàn)仿真系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)、電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SCADA）、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、地對(duì)車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和車(chē)對(duì)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)。

圖2 數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)系統(tǒng)功能

3.1 數(shù)字試驗(yàn)管理平臺(tái)

數(shù)字試驗(yàn)管理平臺(tái)是以程序化的方式對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行管理，貫通列車(chē)試驗(yàn)的“試驗(yàn)準(zhǔn)備”、“試驗(yàn)執(zhí)行”、“試驗(yàn)分析處理”、“試驗(yàn)評(píng)估”的全過(guò)程，并對(duì)試驗(yàn)資源進(jìn)行管理。數(shù)字試驗(yàn)管理平臺(tái)能夠使多個(gè)專(zhuān)業(yè)部門(mén)和多學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同試驗(yàn)。

數(shù)字試驗(yàn)管理平臺(tái)主要功能包括試驗(yàn)計(jì)劃管理、試驗(yàn)流程管理、試驗(yàn)過(guò)程管理、試驗(yàn)資源管理、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、試驗(yàn)報(bào)告與評(píng)估、OA功能、試驗(yàn)可視化和試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理等。

3.2 試驗(yàn)調(diào)度指揮平臺(tái)

試驗(yàn)調(diào)度指揮平臺(tái)是國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心試驗(yàn)生產(chǎn)的核心與關(guān)鍵系統(tǒng)，根據(jù)試驗(yàn)生產(chǎn)任務(wù)制定環(huán)行線運(yùn)行計(jì)劃，組織試驗(yàn)計(jì)劃的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)與供電系統(tǒng)的控制與監(jiān)視，統(tǒng)一調(diào)度與試驗(yàn)相關(guān)的各種試驗(yàn)資源，完成車(chē)輛運(yùn)用、維修管理、列車(chē)調(diào)度和供電調(diào)度等工作。

試驗(yàn)調(diào)度指揮平臺(tái)的功能包括行車(chē)計(jì)劃編制、人員管理、運(yùn)行管理、車(chē)輛管理、供電管理和維修管理等。

3.3 綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

3.3.1 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心由中心設(shè)備構(gòu)成，設(shè)置于數(shù)據(jù)中心，有數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、系統(tǒng)維護(hù)管理設(shè)備構(gòu)成。用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理，能夠向數(shù)據(jù)挖掘等系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要通過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SCADA）、機(jī)車(chē)車(chē)輛檢測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、地對(duì)車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車(chē)對(duì)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及各專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)等系統(tǒng)根據(jù)綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)要求提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)。以上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)首先存入接口服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理（如數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)過(guò)濾等）后，上傳到數(shù)據(jù)中心。

3.3.3 設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)采集部分

本部分為遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)單元（RTU）實(shí)現(xiàn)對(duì)電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SCADA）、機(jī)車(chē)車(chē)輛檢測(cè)設(shè)備、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、地對(duì)車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車(chē)對(duì)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及各專(zhuān)項(xiàng)試驗(yàn)等系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.4 試驗(yàn)仿真系統(tǒng)

該系統(tǒng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)中心的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立試驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)，形成多種應(yīng)用模式相結(jié)合、功能較齊全的試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境，在試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。在試驗(yàn)后，用仿真數(shù)據(jù)校對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.5 安全報(bào)警系統(tǒng)

試驗(yàn)安全報(bào)警系統(tǒng)利用地對(duì)車(chē)監(jiān)測(cè)設(shè)備，車(chē)載設(shè)備，電力監(jiān)控設(shè)備，視頻監(jiān)控設(shè)備等多種監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)列車(chē)、試驗(yàn)線路、電力系統(tǒng)、重要作業(yè)場(chǎng)所進(jìn)行全方位的監(jiān)控，對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，超過(guò)限定閥值時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，提醒試驗(yàn)人員，保證試驗(yàn)安全。

3.6 電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電力監(jiān)控系統(tǒng)又稱(chēng)電力SCADA系統(tǒng)，對(duì)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心供電系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制。用于實(shí)現(xiàn)對(duì)沿線各變電所內(nèi)主要電氣設(shè)備的遙控、遙信、遙測(cè)、遙調(diào)和遙視等功能。使用SCADA系統(tǒng)對(duì)供電系統(tǒng)的參數(shù)變化進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，同時(shí)使用車(chē)載弓網(wǎng)關(guān)系試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛受流情況進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄，數(shù)據(jù)用于研究供電系統(tǒng)與車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)之間的相互影響。

4 平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

4.1 綜合通信系統(tǒng)

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心環(huán)行試驗(yàn)線沿線分布著多種測(cè)試系統(tǒng)，為滿足多種系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的通信需求，節(jié)約成本，利于管理，需要建設(shè)綜合通信系統(tǒng)。

綜合通信系統(tǒng)采用多業(yè)務(wù)傳送平臺(tái)（MSTP）技術(shù)，可以為基于通信的列車(chē)控制（CBTC）、調(diào)度指揮平臺(tái)、電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和視頻監(jiān)控等系統(tǒng)設(shè)備提供可靠的、可重構(gòu)的、靈活的傳輸通道。

4.2 車(chē)地?zé)o線通信和安全性技術(shù)

車(chē)對(duì)地監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過(guò)車(chē)地通信系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線局域網(wǎng)，由多個(gè)軌旁無(wú)線接入點(diǎn)和車(chē)載無(wú)線設(shè)備構(gòu)成。

由于無(wú)線局域網(wǎng)傳輸介質(zhì)的開(kāi)放性，該網(wǎng)絡(luò)存在著信息安全風(fēng)險(xiǎn)，為防止相同或兼容無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議的無(wú)線設(shè)備接入，無(wú)線局域網(wǎng)采用IPSec（IP Security）安全體系結(jié)構(gòu)，采用端對(duì)端的安全可靠協(xié)議。

4.3 系統(tǒng)整合與SOA技術(shù)

國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心內(nèi)擁有車(chē)、機(jī)、工、電、輛等多種專(zhuān)業(yè)測(cè)試系統(tǒng)，隨著試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，將來(lái)也必將有大量新的試驗(yàn)系統(tǒng)加入，如何將各種各樣的試驗(yàn)系統(tǒng)整合在一起是技術(shù)難點(diǎn)。

試驗(yàn)中心各測(cè)試系統(tǒng)使用不同的技術(shù)進(jìn)行支撐，彼此之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議實(shí)現(xiàn)弱耦合的系統(tǒng)協(xié)作是國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的最佳方式，基于SOA的軟件平臺(tái)是支持這一方式的最優(yōu)選擇。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)鐵路的不斷發(fā)展，國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心將承擔(dān)更多的試驗(yàn)任務(wù)，整合現(xiàn)有試驗(yàn)資源，建設(shè)數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)，開(kāi)展系統(tǒng)性、綜合性試驗(yàn)，為多種試驗(yàn)項(xiàng)目提供服務(wù)平臺(tái)，必將大大提高試驗(yàn)效率。

本論文從國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心實(shí)際出發(fā)，結(jié)合數(shù)字信息發(fā)展現(xiàn)狀，論述了在國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心建設(shè)數(shù)字試驗(yàn)信息平臺(tái)的可行性、技術(shù)難點(diǎn)和解決方案。在下一步工作中，不斷深入研究，緊密聯(lián)系試驗(yàn)需求，建設(shè)國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心數(shù)字試驗(yàn)平臺(tái)，促進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展和完善。

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