數(shù)字化環(huán)行鐵道總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

周 婉，俞翰斌，林 峰，王文華

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數(shù)字化環(huán)行鐵道總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究

周 婉，俞翰斌，林 峰，王文華

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心，北京 100015）

結(jié)合國(guó)內(nèi)外鐵路試驗(yàn)發(fā)展的經(jīng)驗(yàn),闡述了建設(shè)數(shù)字化環(huán)行鐵道的必要性。針對(duì)數(shù)字化環(huán)行鐵道的構(gòu)建開(kāi)展研究，結(jié)合試驗(yàn)中心業(yè)務(wù)發(fā)展需求提出數(shù)字化環(huán)行鐵道建設(shè)目標(biāo)及原則，分析了數(shù)字化環(huán)行鐵道總體架構(gòu)、系統(tǒng)功能以及關(guān)鍵技術(shù)。

試驗(yàn)；數(shù)字化；總體架構(gòu)

0 引言

鐵科院環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地是中國(guó)乃至亞洲唯一的一個(gè)鐵路綜合試驗(yàn)基地，可進(jìn)行機(jī)車(chē)車(chē)輛、鐵道建筑、通信信號(hào)、鐵道電氣化設(shè)施、客貨運(yùn)輸、特種運(yùn)送等多專(zhuān)業(yè)的科學(xué)試驗(yàn)。近年來(lái)，試驗(yàn)基地的各類(lèi)試驗(yàn)為我國(guó)鐵路運(yùn)輸和城市軌道交通的發(fā)展提供了良好的科技支撐條件，同時(shí)對(duì)中心提出了更高的要求。

美國(guó)運(yùn)輸技術(shù)中心TTCI、日本鐵道綜合技術(shù)研究所RTRI、俄羅斯鐵道運(yùn)輸科學(xué)院謝爾賓卡環(huán)行試驗(yàn)基地都是著名的軌道交通綜合試驗(yàn)中心，在數(shù)字化建設(shè)方面做出了大量工作，例如美國(guó)TTCI開(kāi)發(fā)了InteRRIS系統(tǒng)[1]，運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)對(duì)試驗(yàn)基地的設(shè)施設(shè)備、列車(chē)試驗(yàn)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，值得借鑒。

環(huán)形鐵道作為我國(guó)軌道交通重要的試驗(yàn)設(shè)施，為推進(jìn)鐵路行業(yè)“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效”提供了良好的科技支撐條件，如何更好的提供試驗(yàn)服務(wù)，基礎(chǔ)設(shè)施管理以及運(yùn)營(yíng)管理服務(wù)成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

因此建設(shè)數(shù)字化環(huán)行鐵道，用數(shù)字化手段協(xié)調(diào)多部門(mén)進(jìn)行試驗(yàn)，科學(xué)管理試驗(yàn)數(shù)據(jù)、共享試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建設(shè)環(huán)鐵數(shù)字化模型對(duì)保證試驗(yàn)安全、科學(xué)合理，提高試驗(yàn)效率很有意義。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)及原則

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

數(shù)字化環(huán)行鐵道建設(shè)的具體目標(biāo)是保障試驗(yàn)的安全性，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及設(shè)備的有效監(jiān)控；服務(wù)于現(xiàn)有試驗(yàn)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃、試驗(yàn)人員、試驗(yàn)設(shè)施設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)節(jié)、試驗(yàn)方法的綜合管理，提高試驗(yàn)效率；為系統(tǒng)試驗(yàn)提供服務(wù)，支持試驗(yàn)中心車(chē)、機(jī)、工、電、輛等多專(zhuān)業(yè)進(jìn)行檢測(cè)及檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析等；滿(mǎn)足綜合展示的需要，基于實(shí)景地理信息技術(shù)建設(shè)環(huán)行鐵道三維可視化模型。

1.2 設(shè)計(jì)原則

1.2.1 系統(tǒng)性

數(shù)字化環(huán)行鐵道以試驗(yàn)業(yè)務(wù)為主線(xiàn)，立足于試驗(yàn)數(shù)據(jù)，集成試驗(yàn)中心現(xiàn)有的電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）、視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、試驗(yàn)調(diào)度展示系統(tǒng)、接觸網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)計(jì)劃數(shù)據(jù)、多專(zhuān)業(yè)檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、分析、仿真，建設(shè)系統(tǒng)性的數(shù)字化環(huán)行鐵道。

1.2.2 可擴(kuò)展性

數(shù)字化環(huán)行鐵道在架構(gòu)上具備良好的可擴(kuò)展性和適應(yīng)能力，能夠?yàn)樾略鲈囼?yàn)內(nèi)容或新增的功能模塊提供接口，支持后續(xù)擴(kuò)大規(guī)模，為綜合試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)提供技術(shù)支持，確保試驗(yàn)的安全性、準(zhǔn)確性。

1.2.3 可靠性

采用成熟、穩(wěn)定和通用的技術(shù)和設(shè)備，關(guān)鍵部分具有備份、冗余措施，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2 數(shù)字化環(huán)行鐵道架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 總體架構(gòu)

數(shù)字化環(huán)行鐵道總體架構(gòu)如圖1所示，環(huán)線(xiàn)上的傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、試驗(yàn)車(chē)上的檢測(cè)設(shè)備等采集數(shù)據(jù)，采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)部署在環(huán)線(xiàn)上的無(wú)線(xiàn)接入設(shè)備、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、試驗(yàn)車(chē)上的無(wú)線(xiàn)傳輸終端等傳輸，數(shù)據(jù)匯集到調(diào)度樓機(jī)房的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。然后根據(jù)鐵道科學(xué)研究院各研究所以及中車(chē)公司等的需求提供服務(wù)。數(shù)字化環(huán)行鐵道建設(shè)范圍包括數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)和軟硬件環(huán)境配置等。涉及的專(zhuān)業(yè)包括工務(wù)、接觸網(wǎng)、信號(hào)、試驗(yàn)管理等[3]。

圖1 數(shù)字化環(huán)行鐵道總體架構(gòu)

2.2 功能設(shè)計(jì)

2.2.1 試驗(yàn)管理平臺(tái)

試驗(yàn)管理平臺(tái)以試驗(yàn)生命周期管理為線(xiàn)索，以安全監(jiān)測(cè)為中心，展示給用戶(hù)的信息包括試驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)、安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、報(bào)表等，部分輸出數(shù)據(jù)將提供給專(zhuān)業(yè)分析和仿真軟件進(jìn)行智能處理，而為了實(shí)現(xiàn)有效的試驗(yàn)管理和安全檢測(cè)，需要多方面系統(tǒng)支撐。

試驗(yàn)管理平臺(tái)包括試驗(yàn)調(diào)度指揮、試驗(yàn)安全監(jiān)控、專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)分析等主要功能。試驗(yàn)調(diào)度指揮對(duì)環(huán)行試驗(yàn)線(xiàn)和城市軌道交通試驗(yàn)線(xiàn)進(jìn)行的試驗(yàn)進(jìn)行人員、設(shè)備、線(xiàn)路資源、電力系統(tǒng)、車(chē)輛等進(jìn)行調(diào)度管理。試驗(yàn)安全監(jiān)測(cè)主要通過(guò)車(chē)輛軸溫智能探測(cè)系統(tǒng)（THDS）、車(chē)輛運(yùn)行品質(zhì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPDS）、車(chē)輛故障動(dòng)態(tài)圖像檢測(cè)系統(tǒng)（TFDS）等對(duì)試驗(yàn)車(chē)輛進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)關(guān)鍵地點(diǎn)進(jìn)行視頻監(jiān)控，將試驗(yàn)事故消滅在隱患階段。專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成對(duì)分布在環(huán)行試驗(yàn)線(xiàn)的TPDS、THDS、TFDS、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施牽引供電及工務(wù)工程狀態(tài)檢測(cè)、變電站及直流所SCADA等系統(tǒng)，對(duì)試驗(yàn)安全進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，保證試驗(yàn)安全，順利實(shí)施。

2.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)是一個(gè)對(duì)各專(zhuān)業(yè)、各種不同類(lèi)型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的收集管理、存儲(chǔ)、分析應(yīng)用、共享服務(wù)的平臺(tái)，具備試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)匯集管理、試驗(yàn)基礎(chǔ)信息管理、數(shù)據(jù)專(zhuān)項(xiàng)分析等功能，支持?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)臺(tái)帳關(guān)聯(lián)、深入挖掘分析、關(guān)聯(lián)綜合應(yīng)用，并通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)清洗、格式轉(zhuǎn)換、元數(shù)據(jù)建模等建立大數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，通過(guò)數(shù)據(jù)權(quán)限、數(shù)據(jù)服務(wù)等途徑實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全和共享管理，通過(guò)模塊化分析、標(biāo)準(zhǔn)化接口等實(shí)現(xiàn)定制化的大數(shù)據(jù)應(yīng)用能力[4]。

主要用戶(hù)是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員和試驗(yàn)管理人員，是進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、專(zhuān)業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)分析、跨專(zhuān)業(yè)關(guān)聯(lián)分析的大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)收集匯集前置系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，包括試驗(yàn)基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)、試驗(yàn)分析結(jié)果數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)可以將正在進(jìn)行和計(jì)劃進(jìn)行的試驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，為長(zhǎng)期積累各類(lèi)試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)、對(duì)歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)綜合對(duì)比分析挖掘、試驗(yàn)項(xiàng)目立項(xiàng)分析等提供支撐。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的功能劃分如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)功能模塊

2.2.3 基于實(shí)景地理信息技術(shù)的環(huán)鐵三維可視化建模

建立環(huán)行鐵道三維可視化模型是采用符合環(huán)行鐵道線(xiàn)路運(yùn)行條件的實(shí)景地理信息采集技術(shù)[5]，移動(dòng)式可量測(cè)實(shí)景影像數(shù)據(jù)采集技術(shù)，同時(shí)運(yùn)用北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)等儀器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)環(huán)鐵及其周邊實(shí)景信息的快速采集與自動(dòng)化處理。在信息采集完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、建模從而形成環(huán)行鐵道三維可視化模型，為環(huán)行道試驗(yàn)、驗(yàn)證、運(yùn)營(yíng)的實(shí)際業(yè)務(wù)等提供基礎(chǔ)技術(shù)和數(shù)據(jù)的支撐[6]。

數(shù)字化環(huán)行鐵道的建設(shè)依據(jù)統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，統(tǒng)一收集環(huán)線(xiàn)線(xiàn)路基礎(chǔ)設(shè)施空間信息數(shù)據(jù)，為環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地提供統(tǒng)一的GIS功能服務(wù)；制定統(tǒng)一環(huán)線(xiàn)線(xiàn)路設(shè)備設(shè)施維護(hù)管理機(jī)制，確保GIS功能服務(wù)高效、穩(wěn)定、連續(xù)運(yùn)行，保證各類(lèi)環(huán)行鐵道基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)資源集成共享，促進(jìn)應(yīng)用。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 列車(chē)定位技術(shù)

列車(chē)定位的精確性是保證列車(chē)安全高效運(yùn)行的前提，而基于ＲFID( radio frequency identification，無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別) 的列車(chē)定位技術(shù)，是提供高精度列車(chē)定位的技術(shù)條件。采用接觸網(wǎng)桿等距間隔安裝電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽內(nèi)預(yù)先設(shè)置了對(duì)應(yīng)的位置信息參數(shù)，標(biāo)簽閱讀器及通訊設(shè)備安裝于列車(chē)上，當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器讀寫(xiě)范圍時(shí)，無(wú)源電子標(biāo)簽通過(guò)線(xiàn)圈感應(yīng)閱讀器發(fā)出的射頻信號(hào)獲得能量啟動(dòng)電子標(biāo)簽控制電路和射頻電路發(fā)出預(yù)先設(shè)置于存儲(chǔ)于芯片上的位置參數(shù)。閱讀器亦可接收有源標(biāo)簽主動(dòng)發(fā)送某一頻率的信號(hào)進(jìn)行解碼，讀取標(biāo)簽內(nèi)的位置參數(shù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給車(chē)載信息處理模塊進(jìn)行處理，最后系統(tǒng)得到列車(chē)的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)定位的目的。

3.2 實(shí)景地理信息技術(shù)

隨著測(cè)繪技術(shù)和移動(dòng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，實(shí)景地理信息技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其是在傳統(tǒng)二維地理信息的基礎(chǔ)之上，增加了連續(xù)的地面可量測(cè)影像庫(kù)作為新的數(shù)據(jù)源，并通過(guò)專(zhuān)門(mén)的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)平臺(tái)與地理信息行業(yè)應(yīng)用軟件無(wú)縫集成，從而給用戶(hù)提供更直觀易用的實(shí)景可視化環(huán)境[7]。實(shí)景地理信息服務(wù)是指運(yùn)用測(cè)繪技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)采集地理數(shù)據(jù)、可量測(cè)實(shí)景影像數(shù)據(jù)和行業(yè)專(zhuān)題地理數(shù)據(jù)[8]。

最先進(jìn)的移動(dòng)式鐵路線(xiàn)路實(shí)景數(shù)據(jù)采集技術(shù)，快速獲取環(huán)鐵設(shè)備設(shè)施相關(guān)地理信息數(shù)據(jù)。并通過(guò)有效的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制技術(shù)有工藝流程，控制數(shù)據(jù)的質(zhì)量。針對(duì)環(huán)鐵實(shí)景采集數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)建模以及數(shù)據(jù)可視化研究,建立環(huán)鐵基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上形成環(huán)鐵設(shè)備設(shè)施三維空間數(shù)據(jù)集。建立環(huán)鐵基礎(chǔ)檔案數(shù)據(jù)庫(kù)，并與環(huán)鐵空間數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)環(huán)鐵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化管理。同時(shí)提供開(kāi)放的服務(wù)，有效的支撐環(huán)鐵試驗(yàn)、設(shè)施運(yùn)行管理、線(xiàn)路養(yǎng)護(hù)等相關(guān)業(yè)務(wù)。

3.3 接口設(shè)計(jì)

數(shù)字化環(huán)行鐵道建設(shè)涉及到多個(gè)系統(tǒng)集成，接口的技術(shù)實(shí)現(xiàn)主要基于數(shù)據(jù)交換服務(wù)組件、采集引擎等實(shí)現(xiàn)。其中，數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)組件是高性能的分布式傳輸中間件，遵循對(duì)象管理組織（OMG）的實(shí)時(shí)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)庫(kù)同步組件和文件同步組件通過(guò)配置同步策略，對(duì)各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)變化的增量數(shù)據(jù)和文件變化的增量數(shù)據(jù)進(jìn)行同步更新，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)統(tǒng)一管理[9]。

外部互聯(lián)系統(tǒng)、各分系統(tǒng)、子系統(tǒng)等進(jìn)行接口數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，通過(guò)調(diào)用數(shù)據(jù)服務(wù)分系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)通用解析和封裝組件，高效、便捷地交互數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)各業(yè)務(wù)功能的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[10]。

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，國(guó)家鐵道實(shí)驗(yàn)中心承擔(dān)大量的鐵道和城軌試驗(yàn)項(xiàng)目，已完成各項(xiàng)試驗(yàn)項(xiàng)目以及國(guó)際合作項(xiàng)目等試驗(yàn)共計(jì)700余項(xiàng)[11]。試驗(yàn)基地的各類(lèi)試驗(yàn)為我國(guó)鐵路運(yùn)輸和城市軌道交通的發(fā)展提供了良好的科技支撐條件，同時(shí)對(duì)環(huán)行鐵道提出了更高的要求。整合現(xiàn)有的各種試驗(yàn)資源，建設(shè)數(shù)字化環(huán)行鐵道很有必要，數(shù)字化環(huán)行鐵道可以為多專(zhuān)業(yè)試驗(yàn)項(xiàng)目、系統(tǒng)性試驗(yàn)服務(wù)，也將大大提高試驗(yàn)效率。

本文立足于國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心的實(shí)際業(yè)務(wù)情況，利用數(shù)字化技術(shù)，提出了數(shù)字化環(huán)行鐵道的總 體架構(gòu)、系統(tǒng)功能以及關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字化環(huán)行鐵道建設(shè)將有效的利用既有資源提高服務(wù)效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程及設(shè)備的有效監(jiān)控，保證運(yùn)行安全，降低運(yùn)維成本。

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General Framework and Key Technologies of Digitalized Loop Railway

ZHOU Wan, YU Han-bin, LIN Feng, WANG Wen-hua

(Institute of Computing Technologies National Railway Track Test Center; Beijing 100015)

Based on the experience of railway test development at home and abroad, this paper expounds the necessity of constructing digitalized loop railway. Based on the research on the construction of digitalized loop railway, this paper puts forward the target and principle of digitalized loop railway construction according to the business development requirements of the test center, and analyzes the overall structure, system functions and key technologies of digitalized loop railway.

Experiment; Digitalized; Overall architecture

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.006

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：J2017X006)

周婉(1990-)，女，工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；俞翰斌(1973-)，男，研究員，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；林峰(1981-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)；王文華(1983-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。

周婉，俞翰斌，林峰，等. 數(shù)字化環(huán)行鐵道總體架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J]. 軟件，2018，39（11）：26-29