铁路灾害监测系统在黔张常铁路的应用

刘 旸

(北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070)

1 概述

黔张常铁路西起重庆市黔江站，途经湖北省咸丰县、来凤县，湖南省张家界市，止于湖南省常德市，线路全长336.3 km，是一条设计时速200 km的国家级1 级双线电气化铁路。黔张常铁路横穿地形复杂的湖南西部山区。铁路沿线气候条件复杂，给铁路运营安全带来了严重影响。

根据中国铁路总公司发布的《高速铁路自然灾害及异物侵限监测系统总体技术方案》，铁路灾害监测系统是实现铁路沿线风、雨、雪、地震及上跨铁路的道路桥梁异物侵限的实时监测系统。系统根据现场监测设备采集的信息，对灾害报警及异物侵限报警进行识别和发布，为调度指挥及维护管理提供报警信息和行车管制预案，为运行计划调整、抢险救援、维修提供依据，为行车安全提供保障。

为减少铁路沿线风、雨、雪、地震及异物侵限对黔张常铁路运营安全的影响。根据黔张常铁路建设公司的需求，北京全路通信信号研究设计院集团有限公司开展了黔张常铁路自然灾害监测系统的系统设计与工程应用工作。

2 黔张常铁路灾害监测系统设计

2.1 系统硬件设计

系统硬件包括现场采集设备、网络传输设备、中心设备和终端设备组成。

2.1.1 现场采集设备

铁路灾害监测系统现场采集设备由室内的现场采集单元，户外的风雨雪传感器、异物侵限传感器以及地震传感器组成。

风雨雪传感器通过RS-485 串口接口与现场采集单元连接，主动发送风速风向、雨量和雪深的测量数据。

异物侵限传感器和地震传感器组通过继电接口与现场采集单元连接，主动发送异物侵限信号以及地震继电器动作信号。

现场采集单元汇集户外采集的数据，通过网络传输设备发送给中心设备。

2.1.2 网络传输设备

铁路灾害监测系统网络传输设备负责实现铁路沿线各监测点的采集设备与中心设备以及中心设备与终端设备的网络连接，实现各设备之间安全互联和数据交互。

网络传输设备包括接入网络交换机、汇聚网络交换机、核心网络交换机、中心接入交换机和终端接入交换机。

接入网络交换机位于铁路沿线各监测点负责采集单元的网络接入；汇聚网络交换机位于汇聚站，负责将接入网络交换机与核心网络交换机连接；核心网络交换机负责将现场设备、中心设备和终端设备各网段的连接和统一管理；中心接入交换机和终端接入交换机负责中心设备和终端设备的网络接入。

2.1.3 中心设备

铁路灾害监测系统中心设备最核心的设备是通信/应用服务器。它负责接收铁路沿线各监测点发送来的数据，并且对数据进行实时处理服务和数据存储服务；同时，也根据终端设备发送来的数据请求，向终端设备提供数据表示服务、统计查询服务、报警信息服务等。

此外根据项目需要，还可增配时钟同步服务器、维护管理服务器、接口服务器、防火墙、防病毒服务器等。

2.1.4 终端设备

铁路灾害监测系统终端设备由终端工作站和终端显示器组成。它向用户提供现场监测数据的表示信息、历史数据的查询统计信息、报警信息等功能。

2.2 系统软件结构设计

根据中国铁路总公司发布的铁路灾害监测系统相关技术方案和技术标准，黔张常铁路灾害监测系统由现场采集层、业务核心层和终端展示层组成。

现场采集层负责将现场采集的风雨雪及异物数据进行收集并上传至业务核心层。现场采集层由风雨雪监测接口模块、异物继电接口模块、地震继电接口模块和数据传输模块组成。

业务核心层主要负责接收现场采集层发送来的监测数据、对数据进行实时、存储、统计等服务功能，并根据终端展示层发送来的数据请求向终端发送相关数据。业务核心层由数据接收模块、数据处理模块、事务调度模块、数据存储模块、数据查询模块组成。

终端展示层主要负责终端显示和操作。终端展示层由数据请求模块、信息展示模块、消息管理模块、用户管理模块、报警管理模块组成。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall system structure

2.3 数据流

整个系统具有4 个数据流，分别是采集数据流、存储数据流、查询数据流和展现数据流。

1) 采集数据流：采集数据流激活了从各现场传感器采集点到采集单元的各接口模块，再到数据传输模块，通过采集传输层与业务核心层的数据链路，将采集数据传输到业务核心层的数据接收模块。采集数据流是整个灾害监测系统的数据来源。

2) 存储数据流：存储数据流从业务核心层的数据接口模块到数据处理模块再到数据存储模块，将原始的采集数据按照系统的定义存储到系统的数据库中。

3) 查询数据流：查询数据流由终端展示层的数据请求模块产生，到业务核心层的数据查询模块，查询数据流包括所有采集点的采集监测数据、报警数据、操作记录等。

4) 展现数据流：展现数据流从核心业务层各模块到部署于不同地点的终端设备的数据下发链路，实现在电务段、信息所、工务段展现终端上实时同步显示灾害监测信息。

3 黔张常铁路灾害监测系统实现

3.1 采集传输层实现

采集传输层通过多线程技术，实现风雨雪接口、异物侵限接口和地震接口的数据同步接收，各接口现场将数据处理后发送给数据传输模块再发送给业务核心层，采集传输层软件结构如图2 所示。

图2 采集传输层软件结构图Fig.2 Diagram of software structure at acquisition and transmission layer

3.2 业务核心层实现

业务核心层中的事务调度模块负责整个系统所有数据流中各系统事务的调度管理和并行控制，决定着系统整体的功能和性能。在系统中将所有的操作都封装到系统事务中，每个事务都设置事务最小截止时间，截止时间最小的事务紧迫程度越大，因此需要优先处理。因此整个业务核心层是采用基于最小截止时间的思想来进行软件实现的。业务核心层软件结构如图3 所示。

图3 业务核心层软件结构图Fig.3 Diagram of software structure at core service layer

3.3 终端展示层实现

业务核心层中的消息管理模块，负责对系统终端中用户管理模块、报警管理模块、信息展示模块产生的消息进行统一接收和处理，并通过数据接口模块与业务核心层进行数据交互。实现终端展示层软件的整体功能。终端展示层软件结构如图4 所示。

图4 终端展示层软件结构图Fig.4 Diagram of software structure at terminal and display layer

4 黔张常铁路灾害监测系统系统应用

4.1 系统整体应用方案

黔张常灾害监测系统包含现场的风监测点、雨量监测点、雪深监测点和异物侵限监测点；监测点接入的通信基站、信号车站/中继站和变电所/分区所内的监控单元，实现各监测单元与灾害监测中心网络通信的汇聚站；相关电务段、工务段、通信段网络设备、维护终端、黔张常灾害监测线路中心及广铁（集团）公司灾害监测中心系统。

系统整体应用方案示意如图5 所示。

4.2 中心系统实施方案

图5 系统整体应用方案示意图Fig.5 Diagram of overall system application

本项目在广铁集团新建调度大楼4 层新增黔张常线路应用/通信服务器，将黔张常线路灾害监测信息接入到既有广铁集团灾害监测系统中心。

4.2.1 网络及安全设备实施

网络及安全设备实现铁路局中心系统信息处理平台各类服务器的网络接入，监测终端的网络接入，以及铁路局中心系统与相关系统之间的安全互联及数据交换。包括：核心网络交换机、接入网络交换机、中心核心路由器、中心接入路由器、防病毒服务器、防火墙。

4.2.2 时钟同步设备实施

NTP 服务器：从铁路局调度所通信二级母钟获取标准时间源，实现灾害监测系统铁路局中心系统、黔张常线路中心系统与现场监测设备的时间同步功能。NTP 时钟服务器任一台发生故障、任意网络发生故障不影响系统正常运行，确保整个系统的可靠性。

4.2.3 灾害监测终端实施

根据调度区段划分，在广铁(集团)公司调度所对应的行车调度台设置1 套灾害监测调度终端。在广铁(集团)公司工务处设置1 套灾害监测调度终端。以上两处灾害监测终端均利用既有综合布线系统接入调度楼4 层综合机房路局灾害监测中心。在广铁（集团）公司怀化、张家界、长沙工务段各设置1 套工务段监测终端，在广铁（集团）公司怀化电务段、张家界通信车间各设置1 套通信段监测终端。

4.3 现场监测系统实施方案

现场监测系统由主机模块、各种监测功能模块、继电器组合模块、防雷单元、UPS 电源、机柜、与其他系统的接口等组成。

监控单元主机模块及各种监测功能模块按双机热备配置、支持热插拔，并且双机热备配置的主机和各种监测功能模块在两块不同的电路板上，可实现故障自动切换。UPS 电源冗余配置，供电时间不少于2 h（含风速计加热用电）。

监控单元位于沿线经选择的通信基站、信号车站/中继站、变电所/分区所内，可采集多路风、雨、雪、异物侵限监测信息，将信息汇聚、初步处理并进行通信规程转换后发送至系统中心。

4.4 系统网络

现场监测设备通过通信传输系统提供的主备用以太网透传通道及以太网汇聚功能，接入汇聚车站的交换机，由汇聚车站的主备路由器通过通信传输系统提供的专用通道与中心主备用核心路由器互联，将现场采集信息传至灾害监测中心系统。广铁集团灾害监测中心系统与相邻铁路局灾害监测中心系统或其他专业系统之间通过专用的网络通道互联。

网络结构如图6 所示。

图6 黔张常铁路系统网络结构示意图Fig.6 Diagram of structure of system network of Qianjiang-Zhangjiajie-Changde Railway

5 结束语

目前黔张常铁路灾害监测系统功能完善，性能稳定，完全满足了黔张常铁路灾害监测系统的设计和需求。不过根据工程应用情况和国内铁路灾害监测情况，还有很多需要完善和优化的方面，比如系统软件架构优化、监测设备优化、灾害预警技术等，为铁路安全运营保驾护航。