地鐵信號設備在線監測系統設計與實現

常瀏凱，譚 華

（1.北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術研發中心，北京 102208；2.杭州慧景科技有限公司，杭州 310000）

軌道交通信息系統

地鐵信號設備在線監測系統設計與實現

常瀏凱1，譚 華2

（1.北京市地鐵運營有限公司 地鐵運營技術研發中心，北京 102208；2.杭州慧景科技有限公司，杭州 310000）

通過多種類傳感器技術實時獲取信號設備運行基礎數據，利用無線通信、網絡等技術實現數據傳輸，搭建地鐵信號設備在線監測系統。系統具有對道岔、轉轍機、有源應答器、軌道電路以及信號設備、電源設備和系統的實時監測功能，有利于信號設備維護和管理人員遠程實時監測運營信號設備的運行狀態，便于設備運用、維護與診斷。

地鐵；信號設備；在線監測；道岔；軌道電路；有源應答器

信號系統是確保地鐵安全運行的關鍵設備，一旦發生故障將造成地鐵降級運行、大面積晚點甚至停運。依靠傳統人工定期巡查方式的維修模式，已無法滿足北京地鐵對于設備運行安全性和可靠性的需要。因此，亟需建立一種信號設備在線監測系統，實現信號設備的在線監測與智能診斷，便于設備維修與維護。

1 信號設備在線監測系統設計

1.1 系統結構設計

為了滿足運營一線對信號設備監測及維護需求，信號設備在線監測系統由設備層、站機層、服務層和用戶層4層結構組成，構架如圖1所示。

1.1.1 設備層

設備層主要包括監測的對象設備以及針對對象設備搭建的監測平臺設備，主要包括道岔監測設備、軌道電路監測設備、有源應答監測設備、UPS/電源屏監測設備，同時預留后期擴展的溫控監測設備等。

1.1.2 站機層

站機層包括采集進程和站機平臺兩部分，采集進程負責信號設備監測數據的接入，將采集到的數據封裝后上傳至站機平臺。采集進程與站機平臺通過Socket通信，通信規約采用統一數據接入規約，由采集進程主動連接站機平臺，并主動上報數據；站機平臺對監測設備統一建模，對收到的數據報文進行解析和處理后統一存儲，并以插件形式整合各監測業務功能模塊，以滿足站機層的設備監測業務需求。同時站機平臺將本地數據按需同步到后端服務層，但站機平臺的運行不依賴于上層網絡及服務。

1.1.3 服務層

圖1 地鐵信號設備在線監測系統總體構架

服務層實現遠程客戶端軟件的接入認證、通信調度及監測數據的緩存功能，為實現遠端監測業務提供后臺服務。服務層由實時監測服務器、數據庫服務器、WebServer服務器 3 部分組成，可根據要求在硬件上實現合并。其中 WebServer服務器用于為Web瀏覽器方式訪問提供服務。數據庫服務器用于存儲監測數據并為實時監測服務器和 WebServer服務器提供數據訪問服務。而實時監測服務器的功能主要包括同步站機層監測數據，向數據庫服務器提供同步的數據以及為遠程客戶端提供數據訪問服務。

1.1.4 用戶層

用戶層實現信號設備在線監測以及后期數據分析及智能診斷。包含遠程客戶端和 Web瀏覽器客戶端兩種模式，遠程客戶端具備線路→車站層面的設備異常監測，同時具備指定車站的遠程接入監測功能；遠程客戶端有兩類應用需求：（1）通過監測服務器中轉模式；（2）直連模式，即由遠程客戶端直連站機平臺，根據用戶使用環境選擇。Web瀏覽器主要針對基于監測數據后期異常智能分析等高層應用。

1.2 系統功能設計

1.2.1 設備狀態在線監測

信號設備監測系統包括4個監測子系統，道岔監測實現對尖軌爬行、尖軌密貼、轉轍機阻力、缺口以及振動加速度的監測；有源應答器監測子系統對有源應答器的工作狀態、臨時限速命令的校核結果進行監測；軌道電路監測子系統對發送盒和接收盒電壓、載頻等數據進行監測；信號設備電源監測系統主要監測UPS的主路、備路電壓，輸出、輸入電壓以及電源屏電壓。

1.2.2 數據訪問

監測系統采用 B/S 和 C/S 構架，同時滿足客戶端模式及瀏覽器模式訪問。根據用戶需求不同，客戶端模式能管理詳細的設備監測數據而瀏覽器模式管理的數據則是較為宏觀的數據，數據范圍更廣但精度略低。在 C/S 模式中可查看數據、圖像等實時監測信息，還可以在歷史數據中通過子系統名稱、設備名稱、監測內容等條件查詢數據并以多種形式顯示。

1.2.3 異常管理

主要有歷史異常查詢和異常處理兩個功能。歷史異常查詢可實現根據日期、異常類型、子系統名稱、異常等級及是否處理查詢設備出現的異常等條件查詢歷史數據。異常處理實現查詢的異常現象處理功能并根據維修情況實時跟蹤處理狀態。此外，當被監測設備出現異常時，系統還會根據預先設定好的規約向預定的手機發送異常報警短信。

1.2.4 輔助決策

主要有診斷規則和專家診斷兩個功能。根據診斷規則建立專家庫，當設備發生故障時，根據故障類型定義及診斷規則分析故障類型以及可能產生的原因，提供解決方案以供參考。

1.2.5 系統管理

主要包括運行日志、設備及車站管理、用戶管理及系統配置3個功能，可通過系統管理功能查看系統運行日志，在權限范圍內增加、修改和刪除監測的車站和設備以及修改監測系統配置。

2 關鍵技術及解決方案

2.1 分層通信的通信技術

為在不同傳輸條件下實現快速高效的數據交換與傳輸，系統采用分層通信的方式。其中設備層與站機平臺作為第1層，如圖2所示；站機平臺、監測服務器、遠程客戶端之間的通信為第2層，如圖3所示。采集進程與站機平臺之間采用基于 TCP協議的 Socket通信，由站機平臺作為 Sever端，采集進程主動連接站機平臺，并發送注冊命令進行注冊，注冊報文中包含子系統類型等內容。所有在站機平臺注冊過的采集進程視為合法進程。

圖2 設備層與站機層的通信機制

站機平臺與監測服務器、遠程客戶端之間系統采用基于 TCP 的 Socket通信。針對不同的數據類型及數據特點，提供兩類通信途徑，常規數據通道和實時狀態數據通道。實時數據通道對數據實時性要求較高，這類應用主要針對異常報警信息、站機平臺運行狀態信息、實時拍照數據、實時監測數據等。常規數據通道主要針對通信實時性要求不是很高的數據如周期缺口數據、歷史數據等。

圖3 站機平臺與監測服務器、遠程客戶端通信機制

2.2 基于緩存技術的存儲技術

為了提高存儲系統的響應速度，減少 I/O 操作，系統在存儲機制中采用緩存技術。緩存機制主要分為服務器數據響應緩存（用在服務端的數據請求響應）、客戶端實時數據緩存（用于站機平臺、遠程客戶端的實時狀態數據刷新、實時數據監測）。服務器數據響應緩存將每次請求返回的數據自動加入緩存，請求發生時，首先進行緩存區命中檢測，如果緩存中存在請求數據，則直接返回；如果緩存未命中，則從數據庫或文件中讀取數據并響應，并將數據置入緩存。緩存中的數據設有效時限，超出有效時限，自動清除。客戶端實時數據緩存針對客戶端監測對象狀態實時刷新及實時數據監測需求設計。數據處理模塊將接收到的實時數據定時推送到緩存區，UI層僅顯示從緩存區獲取最新的狀態數據或實時數據從而減少頻繁的 I/O 操作。數據緩存機制如圖 4 所示。

圖4 數據緩存機制

2.3 基于SOA的業務集成設計

SOA（面向服務架構）是一種以業務為中心的IT 架構方法，將業務作為彼此鏈接、可重復的業務任務或服務進行整合，站機平臺利用SOA將業務服務層與上層功能模塊層橫向隔離。并通過業務接口總線，實現統一業務接口與多態業務子系統插件隔離，實現子系統功能插件與子系統業務服務接口插件對接的目標以及將業務功能的多樣性和多變性與平臺層隔離，實現縱向解耦。同時，通過業務接口總線的模式，擴展業務服務類型，實現橫向解耦。

3 系統應用與測試

地鐵信號系統運行狀態在線監測系統于 2013 年8月通過了由北京地鐵運營有限公司組織的專家評審，目前已在北京地鐵的 13號線及昌平線進行試點部署。在應用過程中，其功能不斷得到完善。系統的應用為提高地鐵信號設備維護水平發揮了重要作用。如昌平線西二旗站2號道岔作為昌平線目前在此站唯一投入使用的折返道岔，每日需搬動 200余次，對道岔及轉轍機狀態有極高的要求，部署本系統后維護人員可以不受時間限制在值班室內實時觀察轉轍機缺口的影像，在第一時間了解轉轍機工作狀態，從而提前發現故障隱患。

4 結束語

地鐵信號設備運行狀態在線監測系統，是北京地鐵運營有限公司為解決地鐵快速發展帶來的設備管理難題而研發的一套遠程信號設備監測報警系統，通過一系列核心關鍵技術的研發，研制了高擴展性、便捷性、實用性的信號設備在線監測平臺，實現了對道岔、有源應答器、軌道電路以及信號系統電源的在線監測、異常管理以及智能輔助決策，提高信號設備的運營維護水平，系統的研制和推廣將提高地鐵的運營服務水平，具有廣泛的推廣前景。

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責任編輯 方 圓

Design and implementation of Online Monitoring System for signal devices of metro

CHANG Liukai1, TAN Hua2
( 1. Research and Development of Metro Operation Technology, Beijing Metro Operation Co., Ltd., Beijing 102208, China; 2. Hangzhou Huijing Technology Co., Ltd., Hangzhou 310000, China )

The real-time running data of signal equipment was obtained by using multiple kinds of sensor technology, and transmitted by using wireless communication and network technologies. The paper introduced the Online Monitoring System for signal devices of metro. The System was with real-time monitoring functions to turnout, switch machine, active balise, the track circuit, signal equipment, power equipment and system. It was benef i cial to remote realtime monitoring operation signal equipment, and facilitated the use, maintenance and fault diagnosis of equipment.

metro; signal devices; online monitoring; turnout; track circuit; active transponder

U231.7∶TP39

：A

1005-8451（2015）03-0054-04

2014-08-15

常瀏凱，助理工程師；譚 華，助理工程師。