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

（中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心，北京 100015）

結(jié)合國內(nèi)外鐵路試驗發(fā)展的經(jīng)驗,闡述了建設(shè)數(shù)字化環(huán)行鐵道的必要性。針對數(shù)字化環(huán)行鐵道的構(gòu)建開展研究，結(jié)合試驗中心業(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；數(shù)字化；總體架構(gòu)

0 引言

鐵科院環(huán)行鐵道試驗基地是中國乃至亞洲唯一的一個鐵路綜合試驗基地，可進行機車車輛、鐵道建筑、通信信號、鐵道電氣化設(shè)施、客貨運輸、特種運送等多專業(yè)的科學試驗。近年來，試驗基地的各類試驗為我國鐵路運輸和城市軌道交通的發(fā)展提供了良好的科技支撐條件，同時對中心提出了更高的要求。

美國運輸技術(shù)中心TTCI、日本鐵道綜合技術(shù)研究所RTRI、俄羅斯鐵道運輸科學院謝爾賓卡環(huán)行試驗基地都是著名的軌道交通綜合試驗中心，在數(shù)字化建設(shè)方面做出了大量工作，例如美國TTCI開發(fā)了InteRRIS系統(tǒng)[1]，運用先進的信息技術(shù)對試驗基地的設(shè)施設(shè)備、列車試驗、試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，值得借鑒。

環(huán)形鐵道作為我國軌道交通重要的試驗設(shè)施，為推進鐵路行業(yè)“強基達標、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服務(wù)，基礎(chǔ)設(shè)施管理以及運營管理服務(wù)成為了一個亟待解決的問題。

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)多部門進行試驗，科學管理試驗數(shù)據(jù)、共享試驗數(shù)據(jù)，建設(shè)環(huán)鐵數(shù)字化模型對保證試驗安全、科學合理，提高試驗效率很有意義。

1 設(shè)計目標及原則

1.1 設(shè)計目標

數(shù)字化環(huán)行鐵道建設(shè)的具體目標是保障試驗的安全性，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程及設(shè)備的有效監(jiān)控；服務(wù)于現(xiàn)有試驗業(yè)務(wù)，實現(xiàn)對試驗計劃、試驗人員、試驗設(shè)施設(shè)備、試驗環(huán)節(jié)、試驗方法的綜合管理，提高試驗效率；為系統(tǒng)試驗提供服務(wù)，支持試驗中心車、機、工、電、輛等多專業(yè)進行檢測及檢測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、存儲、分析等；滿足綜合展示的需要，基于實景地理信息技術(shù)建設(shè)環(huán)行鐵道三維可視化模型。

1.2 設(shè)計原則

1.2.1 系統(tǒng)性

數(shù)字化環(huán)行鐵道以試驗業(yè)務(wù)為主線，立足于試驗數(shù)據(jù)，集成試驗中心現(xiàn)有的電力監(jiān)測系統(tǒng)（SCADA系統(tǒng)）、視頻監(jiān)測系統(tǒng)、試驗調(diào)度展示系統(tǒng)、接觸網(wǎng)檢測系統(tǒng)等系統(tǒng)，實現(xiàn)對試驗計劃數(shù)據(jù)、多專業(yè)檢測試驗數(shù)據(jù)的采集、存儲、分析、仿真，建設(shè)系統(tǒng)性的數(shù)字化環(huán)行鐵道。

1.2.2 可擴展性

數(shù)字化環(huán)行鐵道在架構(gòu)上具備良好的可擴展性和適應(yīng)能力，能夠為新增試驗內(nèi)容或新增的功能模塊提供接口，支持后續(xù)擴大規(guī)模，為綜合試驗、系統(tǒng)試驗提供技術(shù)支持，確保試驗的安全性、準確性。

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)長期穩(wěn)定運行[2]。

2 數(shù)字化環(huán)行鐵道架構(gòu)設(shè)計

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)線上的傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、試驗車上的檢測設(shè)備等采集數(shù)據(jù)，采集到的試驗數(shù)據(jù)通過部署在環(huán)線上的無線接入設(shè)備、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、試驗車上的無線傳輸終端等傳輸，數(shù)據(jù)匯集到調(diào)度樓機房的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器。然后根據(jù)鐵道科學研究院各研究所以及中車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)庫建設(shè)，應(yīng)用軟件開發(fā)和軟硬件環(huán)境配置等。涉及的專業(yè)包括工務(wù)、接觸網(wǎng)、信號、試驗管理等[3]。

圖1 數(shù)字化環(huán)行鐵道總體架構(gòu)

2.2 功能設(shè)計

2.2.1 試驗管理平臺

試驗管理平臺以試驗生命周期管理為線索，以安全監(jiān)測為中心，展示給用戶的信息包括試驗運行狀態(tài)、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)、報表等，部分輸出數(shù)據(jù)將提供給專業(yè)分析和仿真軟件進行智能處理，而為了實現(xiàn)有效的試驗管理和安全檢測，需要多方面系統(tǒng)支撐。

試驗管理平臺包括試驗調(diào)度指揮、試驗安全監(jiān)控、專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)分析等主要功能。試驗調(diào)度指揮對環(huán)行試驗線和城市軌道交通試驗線進行的試驗進行人員、設(shè)備、線路資源、電力系統(tǒng)、車輛等進行調(diào)度管理。試驗安全監(jiān)測主要通過車輛軸溫智能探測系統(tǒng)（THDS）、車輛運行品質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）、車輛故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TFDS）等對試驗車輛進行監(jiān)控，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)對試驗關(guān)鍵地點進行視頻監(jiān)控，將試驗事故消滅在隱患階段。專業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)集成對分布在環(huán)行試驗線的TPDS、THDS、TFDS、軌道結(jié)構(gòu)參數(shù)長期監(jiān)測系統(tǒng)、基礎(chǔ)設(shè)施牽引供電及工務(wù)工程狀態(tài)檢測、變電站及直流所SCADA等系統(tǒng)，對試驗安全進行實時監(jiān)控，保證試驗安全，順利實施。

2.2.2 試驗數(shù)據(jù)管理平臺

試驗數(shù)據(jù)管理平臺是一個對各專業(yè)、各種不同類型的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一的收集管理、存儲、分析應(yīng)用、共享服務(wù)的平臺，具備試驗現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時匯集管理、試驗基礎(chǔ)信息管理、數(shù)據(jù)專項分析等功能，支持數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)臺帳關(guān)聯(lián)、深入挖掘分析、關(guān)聯(lián)綜合應(yīng)用，并通過試驗數(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)，通過數(shù)據(jù)權(quán)限、數(shù)據(jù)服務(wù)等途徑實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全和共享管理，通過模塊化分析、標準化接口等實現(xiàn)定制化的大數(shù)據(jù)應(yīng)用能力[4]。

主要用戶是現(xiàn)場試驗人員和試驗管理人員，是進行現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)采集、專業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)分析、跨專業(yè)關(guān)聯(lián)分析的大數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)收集匯集前置系統(tǒng)。系統(tǒng)對各類試驗數(shù)據(jù)進行管理，包括試驗基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、試驗過程數(shù)據(jù)、試驗分析結(jié)果數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)可以將正在進行和計劃進行的試驗項目數(shù)據(jù)進行管理，為長期積累各類試驗過程數(shù)據(jù)、對歷史試驗數(shù)據(jù)綜合對比分析挖掘、試驗項目立項分析等提供支撐。

試驗數(shù)據(jù)管理平臺的功能劃分如圖2所示。

圖2 試驗數(shù)據(jù)管理平臺功能模塊

2.2.3 基于實景地理信息技術(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)行鐵道線路運行條件的實景地理信息采集技術(shù)[5]，移動式可量測實景影像數(shù)據(jù)采集技術(shù)，同時運用北斗衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)等儀器設(shè)備，實現(xiàn)環(huán)鐵及其周邊實景信息的快速采集與自動化處理。在信息采集完成后，對數(shù)據(jù)進行提取、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、驗證、運營的實際業(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)標準和規(guī)范，統(tǒng)一收集環(huán)線線路基礎(chǔ)設(shè)施空間信息數(shù)據(jù)，為環(huán)行鐵道試驗基地提供統(tǒng)一的GIS功能服務(wù)；制定統(tǒng)一環(huán)線線路設(shè)備設(shè)施維護管理機制，確保GIS功能服務(wù)高效、穩(wěn)定、連續(xù)運行，保證各類環(huán)行鐵道基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)資源集成共享，促進應(yīng)用。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 列車定位技術(shù)

列車定位的精確性是保證列車安全高效運行的前提，而基于ＲFID( radio frequency identification，無線射頻識別) 的列車定位技術(shù)，是提供高精度列車定位的技術(shù)條件。采用接觸網(wǎng)桿等距間隔安裝電子標簽，電子標簽內(nèi)預(yù)先設(shè)置了對應(yīng)的位置信息參數(shù)，標簽閱讀器及通訊設(shè)備安裝于列車上，當標簽進入閱讀器讀寫范圍時，無源電子標簽通過線圈感應(yīng)閱讀器發(fā)出的射頻信號獲得能量啟動電子標簽控制電路和射頻電路發(fā)出預(yù)先設(shè)置于存儲于芯片上的位置參數(shù)。閱讀器亦可接收有源標簽主動發(fā)送某一頻率的信號進行解碼，讀取標簽內(nèi)的位置參數(shù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給車載信息處理模塊進行處理，最后系統(tǒng)得到列車的位置信息，從而實現(xiàn)定位的目的。

3.2 實景地理信息技術(shù)

隨著測繪技術(shù)和移動測量技術(shù)的發(fā)展，實景地理信息技術(shù)應(yīng)運而生，其是在傳統(tǒng)二維地理信息的基礎(chǔ)之上，增加了連續(xù)的地面可量測影像庫作為新的數(shù)據(jù)源，并通過專門的數(shù)據(jù)開發(fā)平臺與地理信息行業(yè)應(yīng)用軟件無縫集成，從而給用戶提供更直觀易用的實景可視化環(huán)境[7]。實景地理信息服務(wù)是指運用測繪技術(shù)、計算機軟件技術(shù)采集地理數(shù)據(jù)、可量測實景影像數(shù)據(jù)和行業(yè)專題地理數(shù)據(jù)[8]。

最先進的移動式鐵路線路實景數(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。針對環(huán)鐵實景采集數(shù)據(jù)開展數(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，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，并與環(huán)鐵空間數(shù)據(jù)庫關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)環(huán)鐵基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可視化管理。同時提供開放的服務(wù)，有效的支撐環(huán)鐵試驗、設(shè)施運行管理、線路養(yǎng)護等相關(guān)業(yè)務(wù)。

3.3 接口設(shè)計

數(shù)字化環(huán)行鐵道建設(shè)涉及到多個系統(tǒng)集成，接口的技術(shù)實現(xiàn)主要基于數(shù)據(jù)交換服務(wù)組件、采集引擎等實現(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，遵循對象管理組織（OMG）的實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)（DDS）標準。數(shù)據(jù)庫同步組件和文件同步組件通過配置同步策略，對各分系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫變化的增量數(shù)據(jù)和文件變化的增量數(shù)據(jù)進行同步更新，實現(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)等進行接口數(shù)據(jù)傳輸時，通過調(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)功能的正常運轉(zhuǎn)[10]。

4 結(jié)束語

近年來，國家鐵道實驗中心承擔大量的鐵道和城軌試驗項目，已完成各項試驗項目以及國際合作項目等試驗共計700余項[11]。試驗基地的各類試驗為我國鐵路運輸和城市軌道交通的發(fā)展提供了良好的科技支撐條件，同時對環(huán)行鐵道提出了更高的要求。整合現(xiàn)有的各種試驗資源，建設(shè)數(shù)字化環(huán)行鐵道很有必要，數(shù)字化環(huán)行鐵道可以為多專業(yè)試驗項目、系統(tǒng)性試驗服務(wù)，也將大大提高試驗效率。

本文立足于國家鐵道試驗中心的實際業(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，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程及設(shè)備的有效監(jiān)控，保證運行安全，降低運維成本。

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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

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(批準號：J2017X006)

周婉(1990-)，女，工程師，主要研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)；俞翰斌(1973-)，男，研究員，主要研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)；林峰(1981-)，男，高級工程師，主要研究方向：計算機應(yīng)用技術(shù)；王文華(1983-)，男，高級工程師，主要研究方向：計算機應(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