一種基于信號設備監測圖形化建模的方法

譚 艷，范春學，曹亞輝，羅 鑫

（1. 卡斯柯信號有限公司，上海 200071；2. 上海市鐵路智能調度指揮系統工程研究中心，上海 200071）

1 概述

國內高速鐵路網從“四縱四橫”升級到“八縱八橫”，高速鐵路技術體系完善、路網規模龐大。鐵路建設將直接引起城市交通區位的變化和空間可達性的改善，增強了沿線中心城市生產要素的聚集和輻射能力，推動了沿線城市資源整合，中國鐵路的高速發展助推了中國經濟的騰飛。

鐵路的發展助推了信號設備的發展，對眾多、復雜設備的監測也給信號集中監測系統提出了更高要求。監測系統通過實時的信息采集、數據處理得到該設備狀態信息后，把設備運行狀況信息通過圖形化呈現出來，不僅直觀且鮮明。尤其在3D 圖形化設備中定位顯示故障位置，相比于傳統文字說明，增強了故障定位的層次感，而且提升了用戶對故障位置的辨識度，對電務日常維護信號設備、快速處理故障具有重要意義。

為達到更加全面的、多層次的顯示效果，需要一種更加簡便、高效的數據存儲方法來應對復雜的圖形化顯示。通過設備信息矩陣來存儲對應設備的圖形化信息，再用2D 或3D 的方式建模設備圖形化來顯示設備矩陣中的信息。實現矩陣內信息交互、處理、引流，完成矩陣內數據與圖形化顯示點對點的對應。

2 監測設備圖形化建模

傳統的信號集中監測圖形化注重對設備的具現化，偏重設備外形輪廓的完整復制，之后顯示其各類狀態量和報警信息。當應對更加復雜的系統時，比如對設備的物理狀態、邏輯關系的呈現，信號機械室設備的空間立體布局，設備圖形化承載更多的顯示信息等。傳統的實現方式就會呈現出過于簡單、層級混亂、難于嵌套的弊端。

基于傳統圖形化問題以及新標準要求的考慮，需要引進一種分類更加詳細、便于多級嵌套、承載更多信息顯示、且更好適應現代化監測系統往智慧化方向發展的圖形化建模。

根據信號設備主體功能位置的空間劃分，通過組態工具HMIMaker 分別對室外設備、室內設備進行圖形化建模，相比傳統建模更具有主次感，多重層次性帶來更多的信息承載，可更加全面的展現信號設備的運行態勢。

2.1 室外設備圖形化建模

室外設備主要涉及3 類信號設備：軌道、道岔、信號機，首先要基于原有站場設備的布局整體展開，把模型中疊加多層圖元，每層中的圖元作為一個子設備信息承載單元，頂層的圖元是匯總映射底層的圖元，可以實時顯示建模設備關聯的多態量、模擬量等。圖元最頂層顏色關聯的是設備健康度分數，健康度可追溯整個設備生命周期。健康度分為：

1）設備運轉正常，所有指標均正常-綠色；

2）設備運轉正常，部分非關鍵指標越線-藍色；

3）設備可以運轉，關鍵性指標已經越線-黃色；

4）設備已經故障停用，急需上報搶修-紅色。

首先，按照站場圖中實際設備位置，通過HMIMaker 對軌道、道岔、信號機設備建模，這里要做到對設備坐標位置和邏輯連接關系上的還原。其次，編輯每一個軌道、道岔、信號機設備的承載信息，在圖元屬性背景顏色中設置設備健康度顏色顯示規則，在設備編碼中輸入設備的UUID，UUID 在整個設備生命周期中作為設備的唯一標識，后續圖形化信息矩陣中存儲的模擬量、狀態量、多態量都關聯到UUID 中，只要圖形化中輸入這個唯一的UUID，圖形化界面就會顯示信息矩陣中的設備信息。軌道、道岔、信號機建模及設備HMI 組件動畫信息編輯如圖1 所示。

圖1 室外設備建模及HMI組件動畫信息編輯Fig.1 Outdoor equipment modeling and the interface for editing HMI component animation information

2.2 室內設備建模

室內設備建模是對機房內信號設備進行三維建模，按照機房內設備空間立體位置進行繪制。三維機房設備頂層圖元也是顯示該設備的健康度，涉及到的室內設備主要有聯鎖、CTC、列控、電源屏等，室內設備有設備物理狀態建模，還有設備邏輯狀態關系的建模。通過自頂向下的方式，對設備依次進行關聯。三維機房里的設備下層關聯著物理、邏輯狀態建模圖，實現逐層嵌套、關聯。這種層與層之間的嵌套關系、數據信息的計算、導流關系都是通過信息矩陣中的層級關系矩陣實現的，用戶可以通過層層點擊查看下層關聯子設備信息以及健康度。

2.2.1 室內設備三維建模及設備組件動畫信息編輯

首先，按照信號機房內信號設備的空間位置，通過HMIMaker 對室內設備三維建模，要做到對設備空間布局和信號設備邏輯關系上的還原。其次，編輯每個室內三維設備承載的信息，在圖元屬性背景顏色中設置設備健康度顏色顯示規則，在設備編碼中輸入主設備的UUID。三維建模、設備組件動畫信息編輯如圖2 所示。

圖2 室內設備三維建模及HMI組件動畫信息編輯Fig.2 3D modeling of indoor equipment and the interface for editing HMI component animation information

2.2.2 室內設備物理、邏輯狀態圖形化建模

按照聯鎖機柜內具體設備實物，通過HMIMaker對聯鎖物理設備建模，比如聯鎖設備狀態燈、板卡狀態、電源狀態等。設備邏輯拓撲圖也需建模，比如聯鎖設備的網絡邏輯關系拓撲圖，通過HMIMaker 對聯鎖設備的網絡邏輯關系建模。聯鎖設備物理狀態及網絡邏輯關系拓撲建模圖效果如圖3 所示。

圖3 聯鎖設備物理狀態及網絡邏輯關系拓撲建模Fig.3 Topology modeling of the physical status, network logical relationship of CBI equipment

3 設備圖形化信息矩陣

上述設備建模完畢后，需要對圖形化中圖元的信息進行數據的存儲、交換、計算、導流，便于圖形化界面可便捷的獲取數據、顯示圖元信息。所以引入一種圖形化信息矩陣的方式來實現上述功能。

這里的設備圖形化信息矩陣Mk里邊主要包括若干子矩陣，子矩陣中涵蓋圖元關聯的設備信息矩

陣Ikn、導流矩陣Rkn、層級關系矩陣Ckn等。如公式（1）所示。

設備信息矩陣Ikn主要是該設備圖形化要關聯的顯示信息，比如關聯的模擬量、開關量、健康度等，可通過鼠標停留在圖形化上顯示其信息。如公式（2）所示。

導流矩陣Rkn主要是指引該設備的矩陣數據那些需要導流到另外的設備矩陣中，實現不同設備矩陣之間的數據共享、交換。比如聯鎖電源板卡的健康度直接影響聯鎖整個系統設備的健康度，如果B系的電源板卡健康度為0（電源板卡宕機），聯鎖B 系的驅動、采集卡都會受到牽連，而且電源板卡對應的父設備B 系直接宕機，只剩下A 系可用，同樣會影響頂層聯鎖系統設備的健康度。因此子設備健康度是其父設備健康度的一個因子，父設備健康度又是頂層系統設備健康度的一個因子，所以導流矩陣必須存在，且具有重要意義。如公式（3）所示。

層級關系矩陣Ckn是一個標注該設備在圖形化數據鏈路中位置、層級關系的矩陣，層級關系矩陣也是為導流矩陣服務的，Ch1標注的是該設備上層設備矩陣，C11標注的是該設備下層設備矩陣，Ch1、C11標注出上、下層級關系，解決多級嵌套問題。這樣導流矩陣中數據可明確的知道需要和哪些設備矩陣共享數據。如公式（4）所示。

矩陣中還會預留一些位置，方便后續擴展使用。把系統（聯鎖系統）、設備（驅動板、采集板等）、設備的各種采集信息（模擬量、開關量等）、計算出的導流信息（健康度）都會給予唯一的UUID，所以圖形化信息矩陣存儲的是設備關聯采集信息的UUID，上、下層設備的UUID，導流信息的UUID。數據與UUID 掛鉤，矩陣中存儲的是UUID 號而不是具體數據，這樣信息計算獲取都非常簡單，且易于實現，效率高。

4 圖形化建模顯示效果驗證

通過上述方法對鐵路信號設備軌道、道岔、信號機、室內設備進行圖形化建模，使用圖形化信息矩陣方法存儲、交換、計算、導流數據，現已在多條線路上試用，顯示效果出眾，完全符合2020 版監測對設備圖形化顯示的需求，同時結合輸入的打分項，對設備進行實時診斷、健康度打分，極大方便了工區對信號設備的監管、維護。

4.1 室外設備圖形化及健康度信息顯示

室外軌道、道岔、信號機設備圖形化建模以及健康度試用顯示效果如圖4、5 所示。

圖4 室外設備圖形化關聯信息顯示Fig.4 Diagram of graphical associated information of outdoor equipment

圖5 室外設備健康度顯示Fig.5 Diagram of the degree of health of outdoor equipment

4.2 室內設備物理、邏輯圖形化及健康度信息顯示

室內設備物理、邏輯圖形化建模以及健康度試用顯示效果如圖6、7 所示。

圖6 室內聯鎖機柜物理狀態及網絡邏輯關系拓撲圖形化顯示Fig.6 Graphical diagram of the physical status and the topology of network logical relationship of indoor CBI cabinet

5 結論

圖7 室內NPC板卡健康度顯示Fig.7 Diagram of the degree of health of indoor NPC board

為達到2020 版監測技術標準對圖形化的要求，同時滿足客戶對設備監管、維護的更高要求，本文提出了一種基于信號設備監測圖形化建模的方法，針對該建模方法提出基于設備圖形化信息矩陣的方式來存儲、交換、計算、導流數據，創新的提出一種數據導流矩陣的方式來實現各個設備數據引流、共用的解決策略。經過現場試用后客戶的反饋，不僅可以快速查看客戶所需的設備關聯信息，而且設備圖形化建模顯示效果帶來了更好的親和力。由于對機房設備采用3D 建模方式，給用戶一種親臨現場設備的使用體驗，這對于遠程指導操作、室內作業監督效果顯著。結合設備各個維度的健康度，對設備運行的狀態實時的監督，通過設備圖形化顏色來反映設備健康度信息，滿足用戶對設備整個生命周期的盯控，對后期設備的維護策略起到重要指導意義。