地鐵信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常瀏凱，譚 華

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)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(tǒng)

地鐵信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常瀏凱1，譚 華2

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 地鐵運(yùn)營(yíng)技術(shù)研發(fā)中心，北京 102208；2.杭州慧景科技有限公司，杭州 310000）

通過(guò)多種類(lèi)傳感器技術(shù)實(shí)時(shí)獲取信號(hào)設(shè)備運(yùn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用無(wú)線通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，搭建地鐵信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)具有對(duì)道岔、轉(zhuǎn)轍機(jī)、有源應(yīng)答器、軌道電路以及信號(hào)設(shè)備、電源設(shè)備和系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，有利于信號(hào)設(shè)備維護(hù)和管理人員遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)營(yíng)信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，便于設(shè)備運(yùn)用、維護(hù)與診斷。

地鐵；信號(hào)設(shè)備；在線監(jiān)測(cè)；道岔；軌道電路；有源應(yīng)答器

信號(hào)系統(tǒng)是確保地鐵安全運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，一旦發(fā)生故障將造成地鐵降級(jí)運(yùn)行、大面積晚點(diǎn)甚至停運(yùn)。依靠傳統(tǒng)人工定期巡查方式的維修模式，已無(wú)法滿足北京地鐵對(duì)于設(shè)備運(yùn)行安全性和可靠性的需要。因此，亟需建立一種信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)與智能診斷，便于設(shè)備維修與維護(hù)。

1 信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足運(yùn)營(yíng)一線對(duì)信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)及維護(hù)需求，信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由設(shè)備層、站機(jī)層、服務(wù)層和用戶層4層結(jié)構(gòu)組成，構(gòu)架如圖1所示。

1.1.1 設(shè)備層

設(shè)備層主要包括監(jiān)測(cè)的對(duì)象設(shè)備以及針對(duì)對(duì)象設(shè)備搭建的監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)備，主要包括道岔監(jiān)測(cè)設(shè)備、軌道電路監(jiān)測(cè)設(shè)備、有源應(yīng)答監(jiān)測(cè)設(shè)備、UPS/電源屏監(jiān)測(cè)設(shè)備，同時(shí)預(yù)留后期擴(kuò)展的溫控監(jiān)測(cè)設(shè)備等。

1.1.2 站機(jī)層

站機(jī)層包括采集進(jìn)程和站機(jī)平臺(tái)兩部分，采集進(jìn)程負(fù)責(zé)信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接入，將采集到的數(shù)據(jù)封裝后上傳至站機(jī)平臺(tái)。采集進(jìn)程與站機(jī)平臺(tái)通過(guò)Socket通信，通信規(guī)約采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)接入規(guī)約，由采集進(jìn)程主動(dòng)連接站機(jī)平臺(tái)，并主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)；站機(jī)平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備統(tǒng)一建模，對(duì)收到的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行解析和處理后統(tǒng)一存儲(chǔ)，并以插件形式整合各監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)功能模塊，以滿足站機(jī)層的設(shè)備監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)需求。同時(shí)站機(jī)平臺(tái)將本地?cái)?shù)據(jù)按需同步到后端服務(wù)層，但站機(jī)平臺(tái)的運(yùn)行不依賴于上層網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)。

1.1.3 服務(wù)層

圖1 地鐵信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)架

服務(wù)層實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程客戶端軟件的接入認(rèn)證、通信調(diào)度及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的緩存功能，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)提供后臺(tái)服務(wù)。服務(wù)層由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、WebServer服務(wù)器 3 部分組成，可根據(jù)要求在硬件上實(shí)現(xiàn)合并。其中 WebServer服務(wù)器用于為Web瀏覽器方式訪問(wèn)提供服務(wù)。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用于存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器和 WebServer服務(wù)器提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。而實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)服務(wù)器的功能主要包括同步站機(jī)層監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，向數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器提供同步的數(shù)據(jù)以及為遠(yuǎn)程客戶端提供數(shù)據(jù)訪問(wèn)服務(wù)。

1.1.4 用戶層

用戶層實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)以及后期數(shù)據(jù)分析及智能診斷。包含遠(yuǎn)程客戶端和 Web瀏覽器客戶端兩種模式，遠(yuǎn)程客戶端具備線路→車(chē)站層面的設(shè)備異常監(jiān)測(cè)，同時(shí)具備指定車(chē)站的遠(yuǎn)程接入監(jiān)測(cè)功能；遠(yuǎn)程客戶端有兩類(lèi)應(yīng)用需求：（1）通過(guò)監(jiān)測(cè)服務(wù)器中轉(zhuǎn)模式；（2）直連模式，即由遠(yuǎn)程客戶端直連站機(jī)平臺(tái)，根據(jù)用戶使用環(huán)境選擇。Web瀏覽器主要針對(duì)基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)后期異常智能分析等高層應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)

信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括4個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)，道岔監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)尖軌爬行、尖軌密貼、轉(zhuǎn)轍機(jī)阻力、缺口以及振動(dòng)加速度的監(jiān)測(cè)；有源應(yīng)答器監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)有源應(yīng)答器的工作狀態(tài)、臨時(shí)限速命令的校核結(jié)果進(jìn)行監(jiān)測(cè)；軌道電路監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)對(duì)發(fā)送盒和接收盒電壓、載頻等數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；信號(hào)設(shè)備電源監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要監(jiān)測(cè)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(shù)據(jù)訪問(wèn)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用 B/S 和 C/S 構(gòu)架，同時(shí)滿足客戶端模式及瀏覽器模式訪問(wèn)。根據(jù)用戶需求不同，客戶端模式能管理詳細(xì)的設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)而瀏覽器模式管理的數(shù)據(jù)則是較為宏觀的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)范圍更廣但精度略低。在 C/S 模式中可查看數(shù)據(jù)、圖像等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，還可以在歷史數(shù)據(jù)中通過(guò)子系統(tǒng)名稱(chēng)、設(shè)備名稱(chēng)、監(jiān)測(cè)內(nèi)容等條件查詢數(shù)據(jù)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(gè)功能。歷史異常查詢可實(shí)現(xiàn)根據(jù)日期、異常類(lèi)型、子系統(tǒng)名稱(chēng)、異常等級(jí)及是否處理查詢?cè)O(shè)備出現(xiàn)的異常等條件查詢歷史數(shù)據(jù)。異常處理實(shí)現(xiàn)查詢的異?，F(xiàn)象處理功能并根據(jù)維修情況實(shí)時(shí)跟蹤處理狀態(tài)。此外，當(dāng)被監(jiān)測(cè)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的規(guī)約向預(yù)定的手機(jī)發(fā)送異常報(bào)警短信。

1.2.4 輔助決策

主要有診斷規(guī)則和專(zhuān)家診斷兩個(gè)功能。根據(jù)診斷規(guī)則建立專(zhuān)家?guī)欤?dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障類(lèi)型定義及診斷規(guī)則分析故障類(lèi)型以及可能產(chǎn)生的原因，提供解決方案以供參考。

1.2.5 系統(tǒng)管理

主要包括運(yùn)行日志、設(shè)備及車(chē)站管理、用戶管理及系統(tǒng)配置3個(gè)功能，可通過(guò)系統(tǒng)管理功能查看系統(tǒng)運(yùn)行日志，在權(quán)限范圍內(nèi)增加、修改和刪除監(jiān)測(cè)的車(chē)站和設(shè)備以及修改監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

2.1 分層通信的通信技術(shù)

為在不同傳輸條件下實(shí)現(xiàn)快速高效的數(shù)據(jù)交換與傳輸，系統(tǒng)采用分層通信的方式。其中設(shè)備層與站機(jī)平臺(tái)作為第1層，如圖2所示；站機(jī)平臺(tái)、監(jiān)測(cè)服務(wù)器、遠(yuǎn)程客戶端之間的通信為第2層，如圖3所示。采集進(jìn)程與站機(jī)平臺(tái)之間采用基于 TCP協(xié)議的 Socket通信，由站機(jī)平臺(tái)作為 Sever端，采集進(jìn)程主動(dòng)連接站機(jī)平臺(tái)，并發(fā)送注冊(cè)命令進(jìn)行注冊(cè)，注冊(cè)報(bào)文中包含子系統(tǒng)類(lèi)型等內(nèi)容。所有在站機(jī)平臺(tái)注冊(cè)過(guò)的采集進(jìn)程視為合法進(jìn)程。

圖2 設(shè)備層與站機(jī)層的通信機(jī)制

站機(jī)平臺(tái)與監(jiān)測(cè)服務(wù)器、遠(yuǎn)程客戶端之間系統(tǒng)采用基于 TCP 的 Socket通信。針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類(lèi)型及數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提供兩類(lèi)通信途徑，常規(guī)數(shù)據(jù)通道和實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)通道。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通道對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高，這類(lèi)應(yīng)用主要針對(duì)異常報(bào)警信息、站機(jī)平臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)信息、實(shí)時(shí)拍照數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。常規(guī)數(shù)據(jù)通道主要針對(duì)通信實(shí)時(shí)性要求不是很高的數(shù)據(jù)如周期缺口數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等。

圖3 站機(jī)平臺(tái)與監(jiān)測(cè)服務(wù)器、遠(yuǎn)程客戶端通信機(jī)制

2.2 基于緩存技術(shù)的存儲(chǔ)技術(shù)

為了提高存儲(chǔ)系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少 I/O 操作，系統(tǒng)在存儲(chǔ)機(jī)制中采用緩存技術(shù)。緩存機(jī)制主要分為服務(wù)器數(shù)據(jù)響應(yīng)緩存（用在服務(wù)端的數(shù)據(jù)請(qǐng)求響應(yīng)）、客戶端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存（用于站機(jī)平臺(tái)、遠(yuǎn)程客戶端的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)刷新、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)）。服務(wù)器數(shù)據(jù)響應(yīng)緩存將每次請(qǐng)求返回的數(shù)據(jù)自動(dòng)加入緩存，請(qǐng)求發(fā)生時(shí)，首先進(jìn)行緩存區(qū)命中檢測(cè)，如果緩存中存在請(qǐng)求數(shù)據(jù)，則直接返回；如果緩存未命中，則從數(shù)據(jù)庫(kù)或文件中讀取數(shù)據(jù)并響應(yīng)，并將數(shù)據(jù)置入緩存。緩存中的數(shù)據(jù)設(shè)有效時(shí)限，超出有效時(shí)限，自動(dòng)清除。客戶端實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)緩存針對(duì)客戶端監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)實(shí)時(shí)刷新及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)需求設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)處理模塊將接收到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)定時(shí)推送到緩存區(qū)，UI層僅顯示從緩存區(qū)獲取最新的狀態(tài)數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)從而減少頻繁的 I/O 操作。數(shù)據(jù)緩存機(jī)制如圖 4 所示。

圖4 數(shù)據(jù)緩存機(jī)制

2.3 基于SOA的業(yè)務(wù)集成設(shè)計(jì)

SOA（面向服務(wù)架構(gòu)）是一種以業(yè)務(wù)為中心的IT 架構(gòu)方法，將業(yè)務(wù)作為彼此鏈接、可重復(fù)的業(yè)務(wù)任務(wù)或服務(wù)進(jìn)行整合，站機(jī)平臺(tái)利用SOA將業(yè)務(wù)服務(wù)層與上層功能模塊層橫向隔離。并通過(guò)業(yè)務(wù)接口總線，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一業(yè)務(wù)接口與多態(tài)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)插件隔離，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)功能插件與子系統(tǒng)業(yè)務(wù)服務(wù)接口插件對(duì)接的目標(biāo)以及將業(yè)務(wù)功能的多樣性和多變性與平臺(tái)層隔離，實(shí)現(xiàn)縱向解耦。同時(shí)，通過(guò)業(yè)務(wù)接口總線的模式，擴(kuò)展業(yè)務(wù)服務(wù)類(lèi)型，實(shí)現(xiàn)橫向解耦。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與測(cè)試

地鐵信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于 2013 年8月通過(guò)了由北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司組織的專(zhuān)家評(píng)審，目前已在北京地鐵的 13號(hào)線及昌平線進(jìn)行試點(diǎn)部署。在應(yīng)用過(guò)程中，其功能不斷得到完善。系統(tǒng)的應(yīng)用為提高地鐵信號(hào)設(shè)備維護(hù)水平發(fā)揮了重要作用。如昌平線西二旗站2號(hào)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(dòng) 200余次，對(duì)道岔及轉(zhuǎn)轍機(jī)狀態(tài)有極高的要求，部署本系統(tǒng)后維護(hù)人員可以不受時(shí)間限制在值班室內(nèi)實(shí)時(shí)觀察轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口的影像，在第一時(shí)間了解轉(zhuǎn)轍機(jī)工作狀態(tài)，從而提前發(fā)現(xiàn)故障隱患。

4 結(jié)束語(yǔ)

地鐵信號(hào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司為解決地鐵快速發(fā)展帶來(lái)的設(shè)備管理難題而研發(fā)的一套遠(yuǎn)程信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)一系列核心關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，研制了高擴(kuò)展性、便捷性、實(shí)用性的信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)道岔、有源應(yīng)答器、軌道電路以及信號(hào)系統(tǒng)電源的在線監(jiān)測(cè)、異常管理以及智能輔助決策，提高信號(hào)設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平，系統(tǒng)的研制和推廣將提高地鐵的運(yùn)營(yíng)服務(wù)水平，具有廣泛的推廣前景。

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責(zé)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。