鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)在黔張常鐵路的應用

劉 旸

(北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，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，是一條設計時速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雜的湖南西部山區(qū)。鐵路沿線氣候條件復雜，給鐵路運營安全帶來了嚴重影響。

根據(jù)中國鐵路總公司發(fā)布的《高速鐵路自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案》，鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)是實現(xiàn)鐵路沿線風、雨、雪、地震及上跨鐵路的道路橋梁異物侵限的實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測設備采集的信息，對災害報警及異物侵限報警進行識別和發(fā)布，為調(diào)度指揮及維護管理提供報警信息和行車管制預案，為運行計劃調(diào)整、搶險救援、維修提供依據(jù)，為行車安全提供保障。

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

2 黔張常鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)硬件設計

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

2.1.1 現(xiàn)場采集設備

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

風雨雪傳感器通過RS-485 串口接口與現(xiàn)場采集單元連接，主動發(fā)送風速風向、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，主動發(fā)送異物侵限信號以及地震繼電器動作信號。

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

2.1.2 網(wǎng)絡傳輸設備

鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸設備負責實現(xiàn)鐵路沿線各監(jiān)測點的采集設備與中心設備以及中心設備與終端設備的網(wǎng)絡連接，實現(xiàn)各設備之間安全互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互。

網(wǎng)絡傳輸設備包括接入網(wǎng)絡交換機、匯聚網(wǎng)絡交換機、核心網(wǎng)絡交換機、中心接入交換機和終端接入交換機。

接入網(wǎng)絡交換機位于鐵路沿線各監(jiān)測點負責采集單元的網(wǎng)絡接入；匯聚網(wǎng)絡交換機位于匯聚站，負責將接入網(wǎng)絡交換機與核心網(wǎng)絡交換機連接；核心網(wǎng)絡交換機負責將現(xiàn)場設備、中心設備和終端設備各網(wǎng)段的連接和統(tǒng)一管理；中心接入交換機和終端接入交換機負責中心設備和終端設備的網(wǎng)絡接入。

2.1.3 中心設備

鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)中心設備最核心的設備是通信/應用服務器。它負責接收鐵路沿線各監(jiān)測點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并且對數(shù)據(jù)進行實時處理服務和數(shù)據(jù)存儲服務；同時，也根據(jù)終端設備發(fā)送來的數(shù)據(jù)請求，向終端設備提供數(shù)據(jù)表示服務、統(tǒng)計查詢服務、報警信息服務等。

此外根據(jù)項目需要，還可增配時鐘同步服務器、維護管理服務器、接口服務器、防火墻、防病毒服務器等。

2.1.4 終端設備

鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)終端設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)計信息、報警信息等功能。

2.2 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計

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

現(xiàn)場采集層負責將現(xiàn)場采集的風雨雪及異物數(shù)據(jù)進行收集并上傳至業(yè)務核心層。現(xiàn)場采集層由風雨雪監(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)務核心層主要負責接收現(xiàn)場采集層發(fā)送來的監(jiān)測數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進行實時、存儲、統(tǒng)計等服務功能，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)務核心層由數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、事務調(diào)度模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊組成。

終端展示層主要負責終端顯示和操作。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

整個系統(tǒng)具有4 個數(shù)據(jù)流，分別是采集數(shù)據(jù)流、存儲數(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)務核心層的數(shù)據(jù)鏈路，將采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐I(yè)務核心層的數(shù)據(jù)接收模塊。采集數(shù)據(jù)流是整個災害監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。

2) 存儲數(shù)據(jù)流：存儲數(shù)據(jù)流從業(yè)務核心層的數(shù)據(jù)接口模塊到數(shù)據(jù)處理模塊再到數(shù)據(jù)存儲模塊，將原始的采集數(shù)據(jù)按照系統(tǒng)的定義存儲到系統(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)流包括所有采集點的采集監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(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)務層各模塊到部署于不同地點的終端設備的數(shù)據(jù)下發(fā)鏈路，實現(xiàn)在電務段、信息所、工務段展現(xiàn)終端上實時同步顯示災害監(jiān)測信息。

3 黔張常鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 采集傳輸層實現(xiàn)

采集傳輸層通過多線程技術(shù)，實現(xiàn)風雨雪接口、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)務核心層實現(xiàn)

業(yè)務核心層中的事務調(diào)度模塊負責整個系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)流中各系統(tǒng)事務的調(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)事務中，每個事務都設置事務最小截止時間，截止時間最小的事務緊迫程度越大，因此需要優(yōu)先處理。因此整個業(yè)務核心層是采用基于最小截止時間的思想來進行軟件實現(xiàn)的。業(yè)務核心層軟件結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

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

3.3 終端展示層實現(xiàn)

業(yè)務核心層中的消息管理模塊，負責對系統(tǒng)終端中用戶管理模塊、報警管理模塊、信息展示模塊產(chǎn)生的消息進行統(tǒng)一接收和處理，并通過數(shù)據(jù)接口模塊與業(yè)務核心層進行數(shù)據(jù)交互。實現(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 黔張常鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)系統(tǒng)應用

4.1 系統(tǒng)整體應用方案

黔張常災害監(jiān)測系統(tǒng)包含現(xiàn)場的風監(jiān)測點、雨量監(jiān)測點、雪深監(jiān)測點和異物侵限監(jiān)測點；監(jiān)測點接入的通信基站、信號車站/中繼站和變電所/分區(qū)所內(nèi)的監(jiān)控單元，實現(xiàn)各監(jiān)測單元與災害監(jiān)測中心網(wǎng)絡通信的匯聚站；相關(guān)電務段、工務段、通信段網(wǎng)絡設備、維護終端、黔張常災害監(jiān)測線路中心及廣鐵（集團）公司災害監(jiān)測中心系統(tǒng)。

系統(tǒng)整體應用方案示意如圖5 所示。

4.2 中心系統(tǒng)實施方案

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

本項目在廣鐵集團新建調(diào)度大樓4 層新增黔張常線路應用/通信服務器，將黔張常線路災害監(jiān)測信息接入到既有廣鐵集團災害監(jiān)測系統(tǒng)中心。

4.2.1 網(wǎng)絡及安全設備實施

網(wǎng)絡及安全設備實現(xiàn)鐵路局中心系統(tǒng)信息處理平臺各類服務器的網(wǎng)絡接入，監(jiān)測終端的網(wǎng)絡接入，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)絡交換機、接入網(wǎng)絡交換機、中心核心路由器、中心接入路由器、防病毒服務器、防火墻。

4.2.2 時鐘同步設備實施

NTP 服務器：從鐵路局調(diào)度所通信二級母鐘獲取標準時間源，實現(xiàn)災害監(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)測設備的時間同步功能。NTP 時鐘服務器任一臺發(fā)生故障、任意網(wǎng)絡發(fā)生故障不影響系統(tǒng)正常運行，確保整個系統(tǒng)的可靠性。

4.2.3 災害監(jiān)測終端實施

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

4.3 現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)實施方案

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

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

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、雨、雪、異物侵限監(jiān)測信息，將信息匯聚、初步處理并進行通信規(guī)程轉(zhuǎn)換后發(fā)送至系統(tǒng)中心。

4.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡

現(xiàn)場監(jiān)測設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，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)場采集信息傳至災害監(jiān)測中心系統(tǒng)。廣鐵集團災害監(jiān)測中心系統(tǒng)與相鄰鐵路局災害監(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)絡通道互聯(lián)。

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 黔張常鐵路系統(tǒng)網(wǎng)絡結(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害監(jiān)測系統(tǒng)的設計和需求。不過根據(jù)工程應用情況和國內(nèi)鐵路災害監(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)測設備優(yōu)化、災害預警技術(shù)等，為鐵路安全運營保駕護航。