高速铁路灾害监测系统接口方案研究

武明生，王 彤，王 瑞

WU Ming-sheng，WANG Tong，WANG Rui

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

(Institute of Computing Technology， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

高速铁路灾害监测系统接口方案研究

武明生，王 彤，王 瑞

WU Ming-sheng，WANG Tong，WANG Rui

（中国铁道科学研究院 电子计算技术研究所，北京 100081）

(Institute of Computing Technology， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China)

在阐述高速铁路灾害监测系统结构和功能的基础上，分析系统接口存在接口数据内容、格式和传输方式不统一等问题，提出高速铁路灾害监测系统接口方案，即铁路局中心系统与现场监测设备之间通过应用/通信服务器实现接口数据交换；规定接口数据内容包含指令信息、灾害监测数据和设备状态监测数据，并根据数据类型设定不同的重发间隔；定义接口数据格式；建议接口数据采用OPC 异步方式进行传输。

灾害监测系统；接口；数据标准；高速铁路

1　概述

高速铁路灾害监测系统即自然灾害及异物侵限监测系统，能够对高速铁路沿线风、雨、雪、地震及上跨铁路的道路桥梁的异物侵限进行有效、准确、实时的监测，为调度指挥及设备设施维护管理提供报警、预警信息，有效防止或减少灾害对高速铁路列车运行安全的影响。高速铁路灾害监测系统始建于 2008 年京津城际高速铁路 (北京南—天津)开通之时，截至 2014 年底已在 50 条高速铁路、客运专线上应用。高速铁路灾害监测系统在铁路沿线现场部署了风、雨、雪、地震及异物侵限监测点，在各铁路局工务处、调度所、信息所、工务段、通信段、电务段设置监测终端。根据 2013 年编制的《高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统总体技术方案 (暂行)》，灾害监测系统由铁路局中心系统、现场监测设备 2 级架构构成，其中铁路局中心系统包含信息处理平台、监测终端、网络及安全设备等，现场监测设备包含监控单元和现场采集设备[1]。

高速铁路灾害监测系统实时采集现场风、雨、雪、地震、异物侵限等灾害信息，以及现场监测设备、铁路局中心系统设备状态信息，通过对相关灾害信息、设备状态数据进行分析、处理，生成风、雨、雪、地震、异物侵限的监测、报警信息及运营管理建议，并在确认为故障而影响行车时，进行应急处置、快速恢复，以减少对行车的影响。铁路局中心系统与现场监测设备间接口是灾害监测系统功能实现的关键环节，接口数据是否规范、统一，直接关系到数据的完整性和系统的整体性能。目前，各铁路局 (公司) 管理的系统越来越多，对高速铁路灾害监测系统接口数据提出了更高的要求[2]。但是，由于高速铁路灾害监测系统接口数据的内容、格式及接口方式由各相关设备厂家自由定义[3]，致使系统接口主要存在以下问题。

（1）接口数据内容不统一。由于各线路现场采集设备、监控单元采用了不同厂家、不同型号的设备，导致现场监测设备上传的接口数据也不同。根据高速铁路灾害监测系统的统计数据，各线上传接口数据的内容区别较大。接口数据内容差异如表1所示。

表1　接口数据内容差异

2014年，在新建 13 条高速铁路涉及的 22 套灾害监测系统中，雨量和 UPS 电源监测数据的差异尤为突出。在雨量监测方面，17 套系统监测降雨强度，9 套系统监测累计雨量，6 套系统监测冰雹强度，1 套系统监测气压和温度。在 UPS 电源监测方面，22 套系统全部监测电源主机的输入、输出状态，16 套系统监测电池电量，9 套系统监测输入电压，5 套系统监测输出电压和空开状态。结合表1可以看出，诸多高速铁路灾害监测系统中遗漏了一些重要的参数，如风监测中的气压，雨量和雪深监测中的温度，监控主机的采集模块状态，UPS 电源的输出电压和电池电量。现场监测设备上传接口数据的差异，导致同一用户单位面对不同高速铁路灾害监测系统时，获得不同的监测内容，为监测数据的分析和使用增加了额外的工作，影响了灾害监测系统的可用性[4]。

（2）接口数据格式不统一。截至 2014 年，全路已有 50 条高速铁路和客运专线开通使用灾害监测系统，各灾害监测系统均实现相关监测、报警功能，但由于灾害监测系统主要涉及 4 个设备厂家，各厂家现场监测设备上传接口数据格式并不一致，数据包的构成、长度、校验、预留及数据包封装方式等也存在较大差别，不同厂家研发的灾害监测系统不能接收和处理其他厂家现场监测设备发送的基础数据，导致灾害监测系统的兼容性受到影响，也增加了不同厂家系统之间整合的难度[5]。

（3）接口数据传输方式不统一。目前，高速铁路灾害监测系统从现场监测设备上传接口数据的传输方式上主要有以下 3 种。①基于 Windows Socket I/O 模型，监控单元主动向应用服务器发送现场灾害、设备监测数据。②基于 Windows Socket I/O 模型，应用服务器主动向监控单元发送灾害、设备监测数据上传命令，监控单元接到命令后即刻发送数据。③基于 MODBUS 技术，监控主机将实时监测数据放置于指定的寄存器地址，应用服务器主动到监控主机指定的寄存器地址读取相关灾害、设备监测数据。不同设备厂家现场监测设备上传接口数据的传输方式不统一，为高速铁路灾害监测系统主要设备之间的互操作性设置了障碍，为后期系统的维护带来困难。

2　高速铁路灾害监测系统接口方案

2.1接口架构

铁路局中心系统与现场监测设备之间通过应用/通信服务器实现接口数据交换。考虑灾害监测系统报警评判主要在铁路局中心系统完成，接口数据应包括指令信息、灾害监测数据、设备状态监测数据等。铁路局中心系统与现场监测设备接口架构如图1 所示。铁路局中心系统应用/通信服务器向现场监测设备的监控主机发送地震、异物侵限操作的指令及数据传输指令，现场监测设备监控主机向铁路局中心系统应用/通信服务器发送风、雨、雪、地震、异物侵限的监测、报警数据及设备状态监测信息[6]。

2.2接口数据内容

铁路局中心系统与现场监测设备接口数据围绕灾害监测、灾害报警及设备状态监测功能，兼顾系统网络而设计，在保证实现系统功能及运营维护管理需求的前提下，考虑接口数据对网络带宽及系统资源的占用情况，接口数据内容如下。

（1）指令信息。指令信息涉及地震紧急处置指令信息和异物侵限紧急处置指令，其中地震紧急处置指令信息包括地震报警、供电解除、信号解除、供电恢复、信号恢复指令；异物侵限紧急处置指令信息包括上行临时行车、下行临时行车、调度恢复、远程试验指令。

（2）灾害监测数据。灾害监测数据涉及风监测、雨量监测、雪深监测、地震监测、异物侵限监测等数据。其中，风监测数据包括瞬时风速、风向、气压，雨量监测数据包括降雨强度、温度，雪深监测数据包括雪深、温度，地震监测数据包括地震波[7]、地震报警，异物侵限监测包括异物监测、异物报警。

图1　铁路局中心系统与现场监测设备接口架构图

（3）设备状态监测数据。①现场采集设备状态，包括风速风向计、雨量计、雪深计、地震仪、双电网传感器联通状态。②监控单元状态，包括监控主机设备、网络状态，风、雨量、雪深、地震、异物侵限采集模块设备状态，电源主机设备状态、市电输入、电源输出、电池电量。③继电器状态，包括地震继电器、地震与信号系统接口继电器、地震与牵引供电系统接口继电器状态，异物侵限继电器、异物侵限与信号系统接口继电器状态等数据[8]。

对于指令信息、灾害监测数据、设备状态监测数据，因故无法发送成功时，地震紧急处置指令信息、异物侵限紧急处置指令、风监测、地震监测、异物监测及接口继电器状态重复发送时间间隔为1 s，其他信息重复发送时间间隔为 5 s。

2.3接口数据格式

接口数据以报文的形式通过网络进行交换与传输，它是现场监测设备一次性发送的数据块。按照保证数据完整性和实时性、兼顾简洁性与可扩展性的原则，设计铁路局中心系统与现场监测设备接口数据通用报文格式如表2 所示，编码方式选择十六进制。考虑现场监测设备上传的数据频率有所不同，风、雨量、雪深、地震、异物侵限监测数据及现场采集设备、监控单元状态监测等数据独立形成数据包进行发送。

表2　铁路局中心系统与现场监测设备接口数据通用报文格式

2.4接口数据传输方式

现场监测设备上传的基础数据较多，系统对不同的数据要求不尽相同，如风监测数据发送频率为 1 s，雨量监测数据发送频率为 1 min，系统对地震监测数据有更高的要求。接口数据传输方式的选择既要考虑接口数据上传的灵活性、实时性，也要考虑符合国际标准，以避免设备厂家根据 Windows Socket I/O 模型自由编制传输程序的现象。OPC (OLE for Process Control，用于过程控制的OLE) 是一个工业标准，OPC 是以 OLE/COM 机制作为应用程序的通信标准，包括一整套接口、属性和方法的标准集，适用于过程控制和制造业自动化系统，也适用于高速铁路灾害监测系统。

OPC 的数据访问方法分别有同步访问、异步访问和订阅式数据采集方式 3 种，考虑到高速铁路灾害监测系统接口架构及接口数据的多样性，可以采用异步访问方式。异步访问方式的效率更高，能够避免多用户大数据请求导致的阻塞，并可以最大限度地节省 CPU 和网络资源，有利于确保高速铁路灾害监测系统的整体性能。

3　结束语

高速铁路灾害监测系统实施统一的数据接口可以有效杜绝各设备厂家自由研发接口、定义数据、传输数据的现象，确保现场监测设备的兼容性、互换性，有利于提高系统监测、报警功能的可用性，可以为铁路局 (公司) 用户运行维护及灾害监测数据分析提供重要技术支撑。新建高速铁路灾害监测系统应符合统一的接口数据内容、接口数据格式、接口数据传输方式要求；而已有系统应按照统一的数据接口标准，完善现场采集、监控单元上传数据及应用服务器升级改造。

[1] 中国铁路总公司. TJ/GW088—2013 高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统总体技术方案 (暂行) [S]. 北京：中国铁道出版社，2013.

[2] 王 彤. 高速铁路防灾安全监控系统研究与开发[J]. 中国铁路，2009(8)：25-28. WANG Tong. Research and Development of Disaster and Safety Monitoring System for High Speed Railways[J]. China Railway，2009(8)：25-28.

[3] 王 瑞. 高速铁路灾害监测系统优化升级[J]. 中国铁路，2013(10)：17-20. WANG Rui. Optimization and Upgrading of HSR Disaster Monitoring System[J]. China Railway，2013(10)：17-20.

[4] 中国铁路总公司. 铁路技术管理规程 (高速铁路部分) [S]. 北京：中国铁道出版社，2014.

[5] 王峰高. 速铁路工程系统接口技术研究[D]. 北京：中国铁道科学研究院，2013.

[6] 杨绪坤. 站场与站后专业一体化数据接口的研究[J]. 铁道运输与经济，2010，32(4)：20-24. YANG Xu-kun. Research on Special Integrated Data Interface in Station Yard and after Civil Works[J]. Railway Transport and Economy，2010，32(4)：20-24.

[7] 刘承亮，史 宏，王 彤. 高速铁路地震监测技术研究与紧急处置系统的构建[J]. 铁路计算机应用，2009，18(11)：21-24. LIU Cheng-liang，SHI Hong，WANG Tong. Research on Earthquake Monitoring Technology in China High-speed Railways and Construction of Earthquake Emergency Disposal System[J]. Railway Computer Application，2009，18(11) ：21-24.

[8] Kimitoshi A. Development of a New Early Earthquake Detection and Alarm System[J]. Railway Technical Research Institute Quarterly Reports，2002，43(2)：50-52.

责任编辑：刘 新

Study on Interface Program of High-speed Railway Disaster Monitoring System

Based on expounding structure and function of high-speed railway disaster monitoring system, this paper analyzes problems related to data, format and transmission mode of system interface, and puts forward the interface program of high-speed railway disaster monitoring system, which adopts the architecture by which data between railway administration central system and on-site monitoring equipment are exchanged via application or communication server; stipulates that data consist of operational orders, disaster monitoring data and equipment status, and sets up different retransmission interval and according to data type; defines data format; and suggests that the interface data should be transmitted using OPC asynchronous mode.

Disaster Monitoring System; Interface; Data Standard; High-speed Railway

1003-1421(2015)12-0072-05+2

A

U298.1

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2015.12.15

2015-11-24

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2014T002-B)