鐵路信號數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)及應(yīng)用研究

周小輝，趙國輝，趙曉剛，馬群英

當(dāng)前干線鐵路中應(yīng)用的信號產(chǎn)品主要有TCC（列控中心）、TSRS（臨時(shí)限速服務(wù)器）、聯(lián)鎖、RBC（無線閉塞中心）、超速防護(hù)系統(tǒng)等。城市軌道交通信號系統(tǒng)主要由ATS（列車自動(dòng)監(jiān)控）、VOBC（車載控制器）、ZC（區(qū)域控制器）、聯(lián)鎖等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)工程化應(yīng)用過程中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是產(chǎn)品數(shù)據(jù)的配置［1］。早期的數(shù)據(jù)配置以信號系統(tǒng)為單位進(jìn)行獨(dú)立規(guī)劃，每個(gè)信號產(chǎn)品各自開發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)配置軟件。伴隨著信號產(chǎn)品種類的增加，軟件變更越來越頻繁，由此帶來的數(shù)據(jù)配置工作量也越來越大，且重復(fù)性工作較多［2-4］。這些數(shù)據(jù)配置軟件有較多功能相同或類似，如站場圖形繪制等圖形化處理功能、工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入及處理功能等。

為此，本文設(shè)計(jì)了一款通用鐵路信號數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)，統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形化處理及工程數(shù)據(jù)處理，根據(jù)各信號系統(tǒng)的數(shù)據(jù)規(guī)格，完成數(shù)據(jù)的差異化輸出。結(jié)合信號工程實(shí)際，同步將信號產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)和工程設(shè)計(jì)集成到數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)中，并通過信息化技術(shù)，將信號工程設(shè)計(jì)的工作流程控制納入數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)，使信號工程設(shè)計(jì)進(jìn)度透明化，項(xiàng)目管理層和領(lǐng)導(dǎo)層能隨時(shí)獲取信號工程設(shè)計(jì)的進(jìn)度，從而實(shí)現(xiàn)資源有效調(diào)配和項(xiàng)目全局把控。

隨著信號系統(tǒng)種類的增加，數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)可針對新增信號產(chǎn)品進(jìn)行功能擴(kuò)展，如新增列控聯(lián)鎖一體化產(chǎn)品，則數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)可以擴(kuò)展對該產(chǎn)品數(shù)據(jù)配置的支持［5-6］。

1 系統(tǒng)分析

1）系統(tǒng)化。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形化處理及工程數(shù)據(jù)處理的系統(tǒng)化，根據(jù)各產(chǎn)品的數(shù)據(jù)規(guī)格完成各產(chǎn)品數(shù)據(jù)的差異化生成。目前該系統(tǒng)具備列控中心、臨時(shí)限速服務(wù)器、聯(lián)鎖、無線閉塞中心、VOBC、ZC等信號產(chǎn)品的下位機(jī)數(shù)據(jù)和維護(hù)終端數(shù)據(jù)生成功能。

2）工程化。工程應(yīng)用設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、物料統(tǒng)計(jì)等環(huán)節(jié)，都是數(shù)據(jù)配置的輸入文件，因此可將上述過程標(biāo)準(zhǔn)化，納入數(shù)據(jù)配置平臺。一方面可自動(dòng)生成標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)文件；另一方面，可直接應(yīng)用這些設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)配置的無縫銜接，提高工作效率。

3）信息化。通過信息化手段，將信號系統(tǒng)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)度展示出來，便于工程項(xiàng)目經(jīng)理、主管領(lǐng)導(dǎo)等對工程項(xiàng)目整體把控和調(diào)整。

4）智能化。在數(shù)據(jù)配置或方案管理的過程中，需通過智能化手段對歷史數(shù)據(jù)配置、方案和案例，進(jìn)行搜索、統(tǒng)計(jì)和分析。

1.1 功能架構(gòu)

鐵路信號數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)的功能架構(gòu)見圖1?；诮y(tǒng)一的圖形化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)功能分為工程應(yīng)用設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)配置、數(shù)據(jù)分析和工程進(jìn)度信息化4部分。

圖1 鐵路信號數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)功能架構(gòu)

工程應(yīng)用設(shè)計(jì)指產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和物料統(tǒng)計(jì)等；數(shù)據(jù)配置指傳統(tǒng)鐵路數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)的功能，即生成信號設(shè)備的配置數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析指智能化的數(shù)據(jù)搜索、案例統(tǒng)計(jì)等功能；工程進(jìn)度信息化指對工程進(jìn)度各環(huán)節(jié)的自動(dòng)監(jiān)控功能。

1.2 技術(shù)架構(gòu)

鐵路信號數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）整體技術(shù)架構(gòu)［7］，通過Spring Boot基礎(chǔ)框架來構(gòu)建應(yīng)用模塊。應(yīng)用開發(fā)采用前后端分離開發(fā)模式，方便數(shù)據(jù)服務(wù)的共享與個(gè)性化應(yīng)用的渲染。根據(jù)需求的擴(kuò)展再逐步演進(jìn)為服務(wù)化、分布式架構(gòu)模式。技術(shù)架構(gòu)見圖2。

圖2 技術(shù)架構(gòu)

1）展示層和通信層：展示層使用基于WEB的圖形設(shè)計(jì)器，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)站場圖顯示；通信層基于TCP/HTTP/HTTPS 3種通信方式，實(shí)現(xiàn)前后端數(shù)據(jù)通信。

2）應(yīng)用層：根據(jù)業(yè)務(wù)類型劃分，分模塊構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用；業(yè)務(wù)層分為工程應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)配置平臺模塊、信息化模塊和數(shù)據(jù)分析模塊。通過HTTP、TCP、Socket通信服務(wù)，以JSON規(guī)范的數(shù)據(jù)格式，向展示層提供數(shù)據(jù)內(nèi)容交互服務(wù)。注重業(yè)務(wù)的邏輯實(shí)現(xiàn)，對于通用、專業(yè)的邏輯，通常封裝成服務(wù)，以服務(wù)接口的方式提供；通過服務(wù)層的數(shù)據(jù)訪問服務(wù)降低業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。

3）服務(wù)層：以提供API接口或獨(dú)立部署的服務(wù)接口方式，封裝通用或?qū)I(yè)的業(yè)務(wù)邏輯，為上層應(yīng)用提供服務(wù)。通用數(shù)據(jù)訪問服務(wù)接口，采用Spring Data開發(fā)框架。Spring Data JPA提供免編程的數(shù)據(jù)訪問接口；Spring Data REST可提供基于HTTP Restful的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，在本系統(tǒng)中采用Spring Data JPA作為數(shù)據(jù)訪問接口。

4）數(shù)據(jù)層：主要提供關(guān)系型數(shù)據(jù)庫服務(wù)。工具平臺中，結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)都可以存儲在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，在本系統(tǒng)中使用MySQL數(shù)據(jù)庫。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可分為工程應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊、數(shù)據(jù)配置模塊、信息化模塊，以及數(shù)據(jù)分析模塊，模塊關(guān)系見圖3。信息化模塊對工程應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊和數(shù)據(jù)配置模塊進(jìn)行管理，并獲取這2個(gè)模塊的數(shù)據(jù)以更新進(jìn)度等信息；工程應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊的數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)配置模塊的輸入，工程應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊和數(shù)據(jù)配置模塊則是數(shù)據(jù)分析模塊的數(shù)據(jù)輸入。

圖3 模塊關(guān)系

2.1 工程應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊

目前工程應(yīng)用設(shè)計(jì)模塊主要實(shí)現(xiàn)應(yīng)用方案和網(wǎng)絡(luò)方案的設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)的信號工程施工中，每套信號產(chǎn)品均需出一份Word文檔的應(yīng)用設(shè)計(jì)方案和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。以TCC應(yīng)用設(shè)計(jì)方案為例，其按照文件夾方式管理，一層文件夾為線路名稱，二層文件夾為車站名稱，TCC應(yīng)用設(shè)計(jì)方案在第二層文件夾內(nèi)。這種直接由工程總工擬制的Word文檔的方案設(shè)計(jì)存在以下缺陷：①設(shè)計(jì)方案主觀性較強(qiáng)，文檔的編制效率和正確性取決于編制人員的技術(shù)水平，且容易出現(xiàn)筆誤；②無法進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)搜索；③無法應(yīng)用到TCC的配置數(shù)據(jù)中；④編制的文檔格式存在差異。

以TCC產(chǎn)品為例，通過分析發(fā)現(xiàn)，每份TCC方案文檔內(nèi)容都相對固定，每個(gè)章節(jié)或者子章節(jié)基本為固定字段，每個(gè)字段內(nèi)容為選擇項(xiàng)或者填寫項(xiàng)。因此通過對設(shè)計(jì)方案的章節(jié)和字段進(jìn)行抽象提取，形成一站式導(dǎo)航界面進(jìn)行數(shù)據(jù)的選擇或編寫，編寫后的數(shù)據(jù)存儲到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，并按照固定的格式導(dǎo)出到Word文檔中［8］。該導(dǎo)航式方法能提高方案編制的效率及正確性；編制完成后的方案數(shù)據(jù)被存儲到數(shù)據(jù)庫中后，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、搜索及分析功能，且可以作為制作TCC配置數(shù)據(jù)的輸入數(shù)據(jù)。同理，通過相同的方法將TSRS設(shè)計(jì)方案、RBC設(shè)計(jì)方案和網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案標(biāo)準(zhǔn)化后，設(shè)計(jì)為導(dǎo)航式網(wǎng)頁方案。

通過設(shè)計(jì)方案標(biāo)準(zhǔn)化，全方位實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)配置的一體化。數(shù)據(jù)配置過程中最重要的環(huán)節(jié)是輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作，而此環(huán)節(jié)的輸入數(shù)據(jù)有一部分來源于工程應(yīng)用設(shè)計(jì)方案。數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)電子化后，也實(shí)現(xiàn)了相關(guān)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化，有效提高了工程設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)配置的質(zhì)量和效率；且工程應(yīng)用設(shè)計(jì)能夠與數(shù)據(jù)配置的輸入進(jìn)行有效轉(zhuǎn)化，提高崗位間工作產(chǎn)出的交互效率。

2.2 數(shù)據(jù)配置模塊

數(shù)據(jù)配置模塊支持多種鐵路信號產(chǎn)品的數(shù)據(jù)配置，如TCC、TSRS、聯(lián)鎖、RBC等，以及城市軌道交通的VOBC、ZC、聯(lián)鎖等。其主要功能包括：可視化站場圖配置；工程數(shù)據(jù)處理與導(dǎo)入；支持各應(yīng)用產(chǎn)品的硬件數(shù)據(jù)配置；根據(jù)站場圖組態(tài)信息，生成應(yīng)用產(chǎn)品所需的靜態(tài)線路數(shù)據(jù)；支持各應(yīng)用產(chǎn)品維護(hù)終端所需的站場數(shù)據(jù)配置；支持對生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。數(shù)據(jù)配置模塊功能見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)配置模塊功能

各應(yīng)用產(chǎn)品可根據(jù)需要通過配置選擇自身相應(yīng)的“應(yīng)用模塊”，得到適合的數(shù)據(jù)配置軟件，如TCC產(chǎn)品選擇TCC應(yīng)用模塊，即可進(jìn)行TCC的數(shù)據(jù)配置。

該模塊采用分層結(jié)構(gòu)，公用部分與應(yīng)用獨(dú)立，可分別維護(hù)；當(dāng)某個(gè)應(yīng)用子模塊根據(jù)新的需求更改配置系統(tǒng)軟件時(shí)，無需修改產(chǎn)品的公用模塊部分［9］。

2.2.1 數(shù)據(jù)配置公用子模塊

數(shù)據(jù)配置公用子模塊根據(jù)功能可分為工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入、工程數(shù)據(jù)校驗(yàn)、站場圖可視化配置、鏈接關(guān)系計(jì)算等功能。工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入與校驗(yàn)是將經(jīng)校驗(yàn)的工程數(shù)據(jù)導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中供數(shù)據(jù)生成使用；站場圖可視化配置是根據(jù)工程圖紙?zhí)峁┑恼緢鲂畔ⅲ蛴脩籼峁┙换ヅ渲媒缑?，完成站場繪制；鏈接關(guān)系計(jì)算是計(jì)算站場圖中道岔、區(qū)段、信號機(jī)的鏈接關(guān)系，供應(yīng)用產(chǎn)品數(shù)據(jù)生成時(shí)使用。公用子模塊配置操作流程見圖5。圖5中，生成設(shè)備ID包括生成車站ID、軌道區(qū)段ID、閉塞分區(qū)ID、站內(nèi)信號機(jī)ID、區(qū)間信號機(jī)ID；導(dǎo)入原始數(shù)據(jù)表包含導(dǎo)入車站信息表、信號數(shù)據(jù)表、應(yīng)答器位置表、長短鏈表、進(jìn)路表、線路速度表、公里標(biāo)轉(zhuǎn)化表等。計(jì)算鏈接關(guān)系后需要檢查區(qū)段、道岔、信號機(jī)的鏈接關(guān)系是否正確；若與區(qū)段鏈接的信號機(jī)不正確，需檢查站場圖中該區(qū)段及其前后信號機(jī)的繪制是否正確，如位置有偏差，需調(diào)整后重新計(jì)算鏈接關(guān)系。

圖5 公用子模塊配置操作流程

2.2.2 應(yīng)用子模塊

應(yīng)用子模塊目前有列控中心、臨時(shí)限速服務(wù)器、國鐵聯(lián)鎖、無線閉塞中心等，也包括城軌交通VOBC、ZC、地鐵聯(lián)鎖等應(yīng)用子模塊，可根據(jù)配置進(jìn)行掛接。例如，可在平臺中掛接TCC數(shù)據(jù)配置模塊，實(shí)現(xiàn)TCC的數(shù)據(jù)配置［10-12］。

應(yīng)用子模塊一般還會分為下位機(jī)數(shù)據(jù)配置、終端數(shù)據(jù)配置和硬件數(shù)據(jù)配置3個(gè)子模塊［13-14］。以TCC應(yīng)用子模塊下位機(jī)數(shù)據(jù)配置模塊為例，其數(shù)據(jù)配置流程見圖6。圖6中，TCC設(shè)備ID包含發(fā)車口ID、股道ID、進(jìn)路ID等，TCC數(shù)據(jù)表有采集驅(qū)動(dòng)表、LEU與應(yīng)答器對應(yīng)關(guān)系表、調(diào)車進(jìn)路表等數(shù)據(jù)。TCC下位機(jī)數(shù)據(jù)配置模塊需制作并生成TCC設(shè)備ID，并導(dǎo)入TCC數(shù)據(jù)表中，進(jìn)行數(shù)據(jù)編譯并生成編碼文件，供數(shù)據(jù)配置使用；若編譯過程中存在異常數(shù)據(jù)，會及時(shí)進(jìn)行錯(cuò)誤提示，以便重新修正錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并進(jìn)行編碼。

圖6 TCC應(yīng)用子模塊下位機(jī)數(shù)據(jù)配置流程

2.3 信息化模塊

信息化模塊主要是將信號系統(tǒng)工程應(yīng)用設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)的進(jìn)度展示出來，將其劃分為5個(gè)子模塊：項(xiàng)目概覽、項(xiàng)目信息、車站信息、項(xiàng)目周計(jì)劃和版本記錄管理。

項(xiàng)目概覽是工程項(xiàng)目開發(fā)情況的總覽，展示當(dāng)前平臺中項(xiàng)目的整體數(shù)量，包括在執(zhí)行和已發(fā)布的項(xiàng)目數(shù)量；再根據(jù)項(xiàng)目、產(chǎn)品、狀態(tài)、逾期等各個(gè)維度進(jìn)行細(xì)化統(tǒng)計(jì)分析。項(xiàng)目信息是對項(xiàng)目的描述，主要有項(xiàng)目查詢、項(xiàng)目編輯、項(xiàng)目刪除、增加項(xiàng)目、發(fā)布項(xiàng)目、歷史項(xiàng)目導(dǎo)入等功能。車站信息是對列控車站的描述，主要功能有車站查詢、車站編輯、車站刪除、增加車站、發(fā)布車站和歷史車站導(dǎo)入等。項(xiàng)目周計(jì)劃主要實(shí)現(xiàn)在任務(wù)清單里，以設(shè)備為維度填寫的工程設(shè)計(jì)本周進(jìn)展、下周計(jì)劃，以及V&V（驗(yàn)證和確認(rèn)）測試的本周進(jìn)展、下周計(jì)劃等，并且支持按照項(xiàng)目分類、項(xiàng)目名稱等數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)信息查詢和展示。版本記錄管理是對工程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)方案和配置數(shù)據(jù)版本記錄的相關(guān)操作，主要包含版本記錄查詢、版本新增、版本修改、版本刪除等。

2.4 數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊主要包括：工程應(yīng)用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析和配置數(shù)據(jù)分析［15］。

工程應(yīng)用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)分析能夠根據(jù)車站應(yīng)用方案中的關(guān)鍵字進(jìn)行查詢，例如：對于TCC產(chǎn)品，可以快速查詢開通3點(diǎn)檢查的車站，與CBI通信協(xié)議為Subset 037（歐洲無線電系統(tǒng)功能接口規(guī)范）的車站，通過TDCS（列車調(diào)度指揮管理系系統(tǒng)）下達(dá)限速命令的車站，集中區(qū)在鄰站邊界的車站。將部分明確的關(guān)鍵字列為搜索條件，可直接勾選這些條件進(jìn)行數(shù)據(jù)搜索，對于未來不明確的分析搜索則提供SQL語句搜索入口供研發(fā)人員使用，便于快捷地統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

配置數(shù)據(jù)的分析搜索方法與工程設(shè)計(jì)方案搜索方法相同。通過該模塊，極大地減少了日常工作中的各種統(tǒng)計(jì)、匯報(bào)數(shù)據(jù)的工作量。

3 結(jié)論

1）鐵路信號數(shù)據(jù)配置系統(tǒng)是一個(gè)融合鐵路信號工程設(shè)計(jì)各環(huán)節(jié)及工程項(xiàng)目管理的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)能簡化鐵路信號產(chǎn)品整個(gè)工程設(shè)計(jì)過程，提高鐵路工程應(yīng)用設(shè)計(jì)進(jìn)度，縮短工程化工期，同時(shí)還具備工程化項(xiàng)目管理的監(jiān)控功能。

2）目前該系統(tǒng)已經(jīng)具備為國鐵信號產(chǎn)品，如列控中心、臨時(shí)限速服務(wù)器、聯(lián)鎖、無線閉塞中心，城市軌道交通信號產(chǎn)品，如VOBC、ZC、聯(lián)鎖等，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)配置的功能，并能應(yīng)對新產(chǎn)品數(shù)據(jù)配置的擴(kuò)展開發(fā)，已成功應(yīng)用于內(nèi)自滬、常益長等國鐵信號產(chǎn)品的工程，以及昆明長水機(jī)場地鐵信號工程中，大幅提升了鐵路信號系統(tǒng)工程實(shí)施質(zhì)量和效率，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化也將在未來的大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的優(yōu)勢。