基于云計(jì)算的高速鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)方案研究

魏 艷，段緒雍

（1.西南交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程系，峨眉山 614202； 2. 成都鐵路局 車輛段，成都 610051）

基于云計(jì)算的高速鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)方案研究

魏 艷1，段緒雍2

（1.西南交通大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程系，峨眉山 614202； 2. 成都鐵路局 車輛段，成都 610051）

本文根據(jù)高速鐵路的特點(diǎn)和實(shí)際要求，基于云計(jì)算，分析研究了信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及方案，運(yùn)用計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，達(dá)到信息資源共享，節(jié)省成本，優(yōu)化監(jiān)測功能，以實(shí)現(xiàn)信號設(shè)備的狀態(tài)維修。

云計(jì)算；高速鐵路；信號集中監(jiān)測系統(tǒng)

高速鐵路通過對信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的運(yùn)用，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程測試、遠(yuǎn)程監(jiān)督和遠(yuǎn)程診斷的功能，減輕了維修人員勞動(dòng)強(qiáng)度，對實(shí)現(xiàn)“預(yù)防修”和“狀態(tài)修”十分有利 。因此，信號集中監(jiān)測系統(tǒng)在高速鐵路建設(shè)中被賦予了更高的要求與標(biāo)準(zhǔn)。

現(xiàn)有信號集中監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)用計(jì)算機(jī)與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，直接進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測各信號設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及性能變化趨勢。作為信號集中監(jiān)測系統(tǒng)，擁有多個(gè)服務(wù)器，每一臺服務(wù)器僅對應(yīng)的一個(gè)應(yīng)用，但系統(tǒng)服務(wù)器配置要求并不高，這樣就造成了資源的浪費(fèi)。每個(gè)對應(yīng)的應(yīng)用都有其重要的作用，如果該服務(wù)器出現(xiàn)故障，整個(gè)應(yīng)用就陷于癱瘓之中，不能很好地滿足信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的功能要求。另外，信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲量大，維護(hù)管理訪問的終端多，如何對數(shù)據(jù)進(jìn)行更安全的存儲管理，對大量數(shù)據(jù)的查找和分析，以適應(yīng)各終端更便捷訪問，促進(jìn)提高維護(hù)工作效率，也是值得進(jìn)一步研究的問題。

云計(jì)算無疑是現(xiàn)有信號集中監(jiān)測系統(tǒng)存在問題既有效又便捷的解決方案。云計(jì)算作為通過使計(jì)算分布在大量的分布式計(jì)算機(jī)或遠(yuǎn)程服務(wù)器中、按照互聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作模式將資源根據(jù)需要切換到相應(yīng)的應(yīng)用上，以達(dá)成計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和存儲系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)資源共享模式

1 信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

高速鐵路信號系統(tǒng)作為綜合性系統(tǒng)，包括列車運(yùn)行控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖及區(qū)間車站一體化系統(tǒng)，調(diào)度集中系統(tǒng)（CTC）和信號集中監(jiān)測系統(tǒng)等子系統(tǒng)。現(xiàn)在高速鐵路信號系統(tǒng)的維護(hù)檢修，是建立綜合維修基地，充分地運(yùn)用信號集中監(jiān)測系統(tǒng)對信號設(shè)備與通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測維護(hù)。

信號集中監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想是實(shí)現(xiàn)對高速鐵路全部信號設(shè)備的在線集中監(jiān)測，包括：沿途車站/中繼站的基礎(chǔ)信號設(shè)備、列控聯(lián)鎖設(shè)備、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及相關(guān)設(shè)備所處環(huán)境等。將所有設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)集中在一起實(shí)時(shí)監(jiān)視，并對整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息共享、站間透明，為信號調(diào)度管理和網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。信號集中監(jiān)測系統(tǒng)由車站/中繼站監(jiān)測子系統(tǒng)，信號集中監(jiān)控中心子系統(tǒng)和廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)3部分組成。信號集中監(jiān)測設(shè)備通過車站子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)通信廣域網(wǎng)將監(jiān)測信息傳遞至集中監(jiān)控中心，由于與綜合調(diào)度中心和綜合維修中心聯(lián)網(wǎng)，因此可將此信息共享，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 各子系統(tǒng)的功能

（1）車站/中繼站監(jiān)測子系統(tǒng)。主要完成列控中心、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、CTC/TDCS的系統(tǒng)監(jiān)測，系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)與工作狀態(tài)的監(jiān)測和診斷，智能電源屏、ZPW-2000系列軌道電路、智能燈絲等信號基礎(chǔ)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和系統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測等內(nèi)容。

（2）信號集中監(jiān)控中心子系統(tǒng)。主要完成各車站/中繼站監(jiān)測數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)通信的管理任務(wù)，是集中管理和監(jiān)控的中心。

（3）廣域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)。主要完成對車站/中繼站的監(jiān)測設(shè)備與綜合維修基地的維修中心監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，是信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的神經(jīng)傳輸網(wǎng)絡(luò)部分。

1.2 信號設(shè)備故障處理流程

車站信號設(shè)備狀態(tài)信息通過嵌入式網(wǎng)關(guān)模塊傳送到車站采集機(jī)進(jìn)行監(jiān)測，包括開關(guān)量、電流電壓等模擬電參數(shù)，車站采集機(jī)又通過CAN總線與監(jiān)測站機(jī)相互通信。另外，監(jiān)測站機(jī)通過統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口獲取計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖及列控中心、調(diào)度集中等系統(tǒng)的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測和診斷，然后，車站監(jiān)測子系統(tǒng)局域網(wǎng)與集中監(jiān)測專用廣域網(wǎng)相連，將車站監(jiān)測信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，以送達(dá)高速鐵路信號集中監(jiān)測中心所在的綜合維修基地。信號綜合維修基地通過信號集中監(jiān)測中心局域網(wǎng)，可以查詢、分析和管理所有沿線各站的監(jiān)測信息。如果監(jiān)測信息反映現(xiàn)場設(shè)備故障信息時(shí), 可以通過聲、光報(bào)警進(jìn)行實(shí)時(shí)的判斷，使得信號設(shè)備故障能得到及時(shí)處理。由于監(jiān)測信息集中保存，對綜合維修基地信號局域網(wǎng)配置的數(shù)據(jù)存儲器容量要求足夠大，采用光纖磁盤存儲陣列。

2 基于云計(jì)算信號集中監(jiān)測系統(tǒng)方案

車站計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、列控中心，以及CTC/ TDCS等具有自監(jiān)測自診斷功能，而其它如信號機(jī)、軌道電路和道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)等信號基礎(chǔ)設(shè)備通過采集機(jī)采集的狀態(tài)信息，這些信息如何通過信號集中監(jiān)測系統(tǒng)及時(shí)集中地反映給維護(hù)管理人員，同時(shí)保證信息的安全有效呢？綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)、數(shù)字信號處理、標(biāo)準(zhǔn)總線、軟件工程和網(wǎng)絡(luò)通信等新技術(shù)來實(shí)現(xiàn)高速鐵路信號系統(tǒng)的集中監(jiān)測，同時(shí)運(yùn)用云計(jì)算平臺，以達(dá)到信號設(shè)備信息數(shù)字化、集中化、自動(dòng)化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化管理, 共享硬件和軟件資源。以下是對該系統(tǒng)方案的研究。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2。

2.2 硬件底層資源池

通過虛擬化資源整合和動(dòng)態(tài)分配技術(shù)，可以根據(jù)需要快速將應(yīng)用部署增加到虛擬化的資源池中。當(dāng)某車站信號監(jiān)測站機(jī)出現(xiàn)故障，通過微機(jī)服務(wù)器虛擬化后，通過IT資源共享和動(dòng)態(tài)分配，鄰站站機(jī)或其他站機(jī)就可自動(dòng)轉(zhuǎn)為該站監(jiān)測站機(jī)虛擬機(jī)，自動(dòng)啟動(dòng)其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的恢復(fù)和管理；另外，當(dāng)電務(wù)段信號集中監(jiān)控中心所在地綜合維修基地的應(yīng)用服務(wù)器過于繁忙，也可通過服務(wù)器虛擬化和動(dòng)態(tài)分配，使得其它閑置的服務(wù)器，如接口服務(wù)器或Web服務(wù)器及時(shí)響應(yīng)，以提高資源利用率。

2.3 數(shù)據(jù)處理中間層

分布式文件系統(tǒng)將監(jiān)測信息文件拆分為數(shù)據(jù)塊，以數(shù)據(jù)塊為基本的存儲單元，為了保障數(shù)據(jù)安全冗余，每個(gè)數(shù)據(jù)塊存儲在不同的多個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，通過擁有大量存儲節(jié)點(diǎn)的集群管理，可以擁有超大存儲空間，以備車站工區(qū)、客運(yùn)專線運(yùn)營各部門、電務(wù)段、鐵路局、鐵道部等許多終端訪問。

分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可將一個(gè)數(shù)據(jù)庫，比如調(diào)度集中CTC系統(tǒng)監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)庫，分別存儲在不同物理節(jié)點(diǎn)上，但邏輯上仍然是一個(gè)完整的數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，在不提前改變記錄中的字段前提下，根據(jù)列車調(diào)度信息變化，可以添加或移除字段；也可以不必重啟任何進(jìn)程或手動(dòng)遷移數(shù)據(jù)，只是通過動(dòng)態(tài)添加節(jié)點(diǎn)，就可給集群添加更大容量；還可以調(diào)整節(jié)點(diǎn)的布局，當(dāng)某一個(gè)數(shù)據(jù)中心有故障時(shí)，有備用數(shù)據(jù)中心自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)；特別是通過混合模式列表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以使集中監(jiān)測系統(tǒng)各終端的查詢索引更便捷。

分布式編程對信號集中監(jiān)測系統(tǒng)來說，主要是有關(guān)數(shù)據(jù)挖掘和分析的技術(shù)應(yīng)用。監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測的大量信息，可以通過不斷改進(jìn)的相關(guān)算法思想所產(chǎn)生的分布式編程方法，進(jìn)行信號集中監(jiān)測信息的數(shù)據(jù)處理。例如：典型的兩種編程方式，Google的MapReduce模式和微軟的Dryad模式[3]，前者可將監(jiān)測信息分解為小的數(shù)據(jù)集，用戶只需提供自己的Map函數(shù)以及Reduce函數(shù)即可并行處理海量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的大量節(jié)點(diǎn)的規(guī)模與出錯(cuò)處理由框架本身處理，各Map函數(shù)和Reduce函數(shù)通過應(yīng)用程序編碼，彼此獨(dú)立，從而達(dá)到應(yīng)用程序編寫人員不用關(guān)心節(jié)點(diǎn)的管理，體現(xiàn)了系統(tǒng)的易編程性；后者通過用戶在任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)上建立自己的任務(wù)，隨后形成一張有向無環(huán)圖的網(wǎng)絡(luò)，Dryad引擎就可以選取合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)程序的執(zhí)行，達(dá)到同時(shí)處理大規(guī)模的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同樣不需要用戶考慮節(jié)點(diǎn)與通信的出錯(cuò)管理。

2.4 維護(hù)管理應(yīng)用層

維護(hù)管理應(yīng)用層主要面向鐵路總公司、鐵路局和電務(wù)段信號集中監(jiān)測系統(tǒng)的集中監(jiān)測中心等各終端用戶，提供相應(yīng)的軟件應(yīng)用服務(wù)和各用戶的交互接口。可以在SOA架構(gòu)下，可以通過網(wǎng)絡(luò)訪問各種服務(wù)。將高速鐵路的工程技術(shù)信息、調(diào)度集中管理監(jiān)測軟件、日常辦公管理軟件，當(dāng)然包括信號設(shè)備維修管理軟件等，安裝在信號集中監(jiān)測中心的基礎(chǔ)設(shè)施“云”，進(jìn)行專業(yè)化管理，將任務(wù)和軟件功能封裝為通過網(wǎng)絡(luò)可訪問的服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)軟件功能的柔性化管理，各現(xiàn)場工區(qū)或鐵路總公司、鐵路局、電務(wù)段各管理終端，只管“享用”其軟件服務(wù)，不用安裝和管理軟件，可以減少投資成本，方便維護(hù)和快速部署。

3 結(jié)束語

高速鐵路建設(shè)中根據(jù)具體情況對地面信號系統(tǒng)進(jìn)行綜合一體化設(shè)計(jì)，如列控聯(lián)鎖一體化、車站信號一體化等，并建立綜合維修基地。由于信號系統(tǒng)的這些新特點(diǎn)，對信號設(shè)備與系統(tǒng)進(jìn)行安全監(jiān)控管理的信號集中監(jiān)測系統(tǒng)也應(yīng)具有相應(yīng)的特殊設(shè)計(jì)方案。通過云計(jì)算平臺的建設(shè)，可以有效地提高信號集中監(jiān)測系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)及服務(wù)器的利用率，而且可以增進(jìn)系統(tǒng)的高可用性，并改善信號設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全管理。

[1]聶 影，王海忠．秦沈客運(yùn)專線信號系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)及其借鑒意義[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2003（11）.

[2]張建勛，古志民，鄭 超. 云計(jì)算研究進(jìn)展綜述[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010（2）.

責(zé)任編輯 徐侃春

Solution for Signal Centralized Monitoring System of High-speed Railway based on cloud computing

WEI Yan1, DUAN Xuyong2
( 1. Department of Computer and Telecommunication Engineering, Southwest Jiaotong University, Emeishan 614202, China; 2. Car Depot, Chengdu Railway Administration, Chengdu 610051, China )

According to the characteristics and the actual demands of High-Speed Railway, based on cloud computing, it was analyzed the overall structure and solution of the Signal Centralized Monitoring System with computer and communication network technology. The System was formed with information resource sharing, cost savings, the optimization of monitoring function. The signal equipment condition-based maintenance would be implemented.

cloud computing; High-speed Railway; Signal Centralized Monitoring System

U284∶TP39

A

1005-8451（2014）11-0043-3

2014-05-15

西南交通大學(xué)峨眉校區(qū)科研基金（10401X10096010）。

魏 艷，講師；段緒雍，助理工程師。