高速列车群安全状态综合监控预警平台总体设计1220.docx
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高速列车群安全状态综合监控预警平台总体设计1220
高速列车群安全状态综合监控预警平台
总体设计
综合监控预警平台课题组
2009.12.11
1引言
1.1编写目的
此总体设计说明书,旨在为高速列车群运行安全状态综合监控预警平台的开发提供规划和设计的依据。
为开发人员的平台开发工作提供参考和指导,为平台的其他使用人员提供依据和参考。
1.2背景
待开发产品的名称:
高速列车群运行安全状态综合监控预警平台
本项目的任务提出者、开发者:
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
用户:
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
实现该产品的单位:
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
随着全国铁路化进程的加快,高速铁路已经成为我国铁路运输的一种新形式。
“十一五”期间,我国通过建设高速铁路客运专线、发展城际客运轨道交通和既有线提速改造,初步形成以高速铁路客运专线为骨干,连接全国主要大中城市的快速客运网络。
高速列车具有运行速度快、行车密度大和对控制设备的依赖性强等特点,其安全性是列车运营过程中关注的首要问题。
高速列车行车安全受到多种要素的影响,各个要素之间相互作用和影响,造成高速列车群系统复杂和风险高的特点。
为此,本研究依托北京交通大学轨道交通控制与安全重点实验室,提出了构建可视化、集成化和智能化的高速列车群运行安全状态综合监控与预警平台,旨在分析影响高速铁路行车安全要素的基础上,采用“基础理论与关键技术、仿真实验”相结合的方法,通过对地面基础设施信息、车载设备信息以及列车运行环境信息的获取、融合及综合分析,实现对列车运营全过程的综合监控、安全预警、决策支持分析和信息的传递及共享,最大程度的避免事故发生和减少事故损失,最终形成体系化的高速列车群安全预警理论和决策支持技术体系。
本平台以京津城际为研究背景,实现上述研究目标。
京津城际铁路是我国第一条拥有完全自主知识产权、具有世界一流水平的高速铁路,它的运营经验将为我国高速铁路网的稳步发展提供有益的参考。
京津城际铁路于2008年8月1日正式运营,线路全长120km,最高运行速度350km/h,沿途设北京南、亦庄、永乐、武清、天津5个车站,其中永乐站为预留车站。
图1.1为京津城际线路图。
图1.1京津城际线路图
该线路以桥梁为主,全线桥梁累计长101km,占84.2%,桥梁基础采用钻孔桩;路基长度18.2km,占15.2%。
全线采用的无砟轨道长度为113.6km,约占线路总长的94.7%。
图1.2为通车后的京津城际高速铁路。
图1.2通车后的京津城际高速铁路
2基础理论与关键技术
2.1基础理论
1)计算智能理论
轨道交通系统运行安全受到多因素的制约,并且因素之间相互作用关系复杂多变。
在高速列车群安全状态综合监控预警平台的建设中,采用面向对象优化的计算智能理论,能够提高系统平台的运算效率,准确建模的程度,加强对模型的优化。
2)复杂系统建模理论
轨道交通系统具有非线性、层次性、开放性、涌现性等特点,在构建模型时要不断地在先验知识和近似模型之间来回区分新模型,引入新概念,并且把它们纳入修改后的模型,再进一步通过模型运行和结果分析阐明系统的问题。
在轨道交通系统中应用混合建模法、组合建模法、定性建模法及基于Agent建模法等方法,能够提高安全预测、预警以及调控的准确性。
3)信息处理理论
高速列车群安全状态综合监控预警平台监控信息来源于三个监控子平台,具有异构分布等特点,对信息综合处理可以实现监控信息有效的获取,并且对信息进行深度的挖掘、融合等处理后,从大量的模糊的监控信息中提取出有效信息,为轨道交通系统的安全分析提供决策支持。
2.2关键技术
1)信息系统互操作技术
针对互操作的开放性、自治性、服务性、等级性、动态性等特点,将动态信任管理应用到互操作模型中,分影响个体间互操作信任的定性和定量因素,建互操作信任评价指标体系。
采用基于TOPSIS的推荐信任度算法和具有普适性的互操作信任动态综合评价方法,实现互操作动态信任管理。
基于OBAC访问控制模型,建立基于信任度的互操作访问控制模型(DTM-OBAC),解决跨部门、跨地域的不同信息系统之间的信息交换及服务协作,实现不同信任域之间的动态访问控制。
2)多元信息共享及集成技术
将系统中各子系统和用户的信息采用统一的标准,规范和编码,实现全系统信息共享,进而可实现相关用户软件间的交互和有序工作,将相关的多元信息有机融合并且优化使用最终达到集成共享目的:
能够方便、快捷、准确、安全和全面的查询、浏览、获取、使用和再加工相关的数据,并包括对部分数据处理方法的自由使用。
信息共享强调数据集之间的相互透明访问和用户对数据集的透明访问和使用,对信息给出统一的描述和表示,达到信息本质上和形式上的共享。
3)列车运营安全综合评估技术
在对复杂系统理论对轨道交通系统安全要素及其相互作用机理、轨道交通系统安全行为涌现特征、事故推演及态势分析的研究基础上,构建影响列车运营安全的要素集并以此为基础建立多层次安全评价指标体系,安全要素相互作用关系的网络模型。
对轨道交通安全行为进行仿真,为安全预测预警,调控评估提供决策支持。
4)多元信息综合集成展现技术
在高速列车群安全状态综合监控预警平台中,可以实现对监控信息的微观展示,二维展现:
即二维视图场景的展示,铁路设施的展示,当前检测状态的展示,信息的标注等;三维展示:
基于计算机可视化和GIS技术,建立高速铁路三维仿真场景,实现三维场景全要素实时交互控制;视屏展示。
并且能够实现三维虚拟视图、二维检测展示视图、视频展现视图在时间和空间上的多视图联动功能。
3总体设计
3.1平台的建设目标
以上述基础理论和关键技术为支撑,高速列车群安全状态综合监控与预警平台的建设目标可以概括为“一个中心、两个平台、三大基础理论、四大关键技术”工程。
一个中心:
安全数据中心;两个平台:
高速列车群综合监控与预警平台和互操作平台;三大基础理论:
计算智能理论、复杂系统建模理论和信息处理理论;四大关键技术:
信息系统互操作技术、多元信息共享及集成技术、列车运行安全评估技术和多元信息集成及展现技术。
实现对高速列车群运营全程监控、预警与协调指挥,以及对应急救援指挥的决策支持,最大程度地避免事故的发生和减少事故损失。
(1)基于复杂系统理论对高速列车群安全要素及其相互作用机理、安全行为涌现特征、事故推演及态势分析进行深入研究,构建科学、可操作、具有很强指导意义的高速列车群安全分析理论体系,对高速列车群安全状态进行预测、预警和调控,降低事故的可能性,提高高速列车群的安全性;同时,应用多元信息集成方法,建立符合高速列车群安全的多维度的仿真系统模型,对上述研究成果进行仿真实验,实现对高速列车群事故推演和安全趋势分析,为高速列车群安全运营提供决策支持。
(2)通过互操作平台实现对三个子平台(轨道交通移动设施安全状态监控预警子平台、安全状态获取传感器网络及融合实验测试子平台、地面基础设施综合检测子平台)的实时监控信息的获取、集成与融合,实现监测数据在各个业务系统之间安全、顺畅地流动,达到高速列车群相关安全监控数据的集成和协同管理以及信息深层次利用的目的。
(3)为满足不同用户需求,基于数据仓库技术建立一个面向主题的、集成的和与时间相关的高速列车群安全数据中心,整合包括地面基础设施监控信息、车辆监控信息、传感器监控信息、视频监控信息和自然环境信息等各种类型的实时数据以及各类政策法规、安全技术设施、安全人员、应急预案等基础数据,方便相关部门信息共享,为管理者数据支持和业务支撑,为科学决策奠定基础。
3.2综合监控预警平台物理结构
高速列车群运行安全状态综合监控预警平台的物理结构如图3.1所示。
图3.1高速列车群运行安全状态综合监控预警平台物理结构
本平台依托于轨道交通移动设施安全状态监控预警子平台、安全状态获取传感器网络及融合实验测试子平台和地面基础设施综合检测子平台产生的实时监控数据,通过不同的获取方式(包括Ethernet、无线数传电台和PLC等)进入高速列车群综合监控与预警平台。
平台对获取的数据进行融合与集成等综合处理后,基于高速列车群安全分析理论体系,实现对高速列车群运行安全状态的预警与全方位展现。
另一方面,通过对数据的抽取、转换和装载,定期将已有历史数据存入数据仓库,为数据的融合、挖掘提供必备的辅助方法,为高速列车群的高速安全运行提供强有力的决策支持。
最终通过微观展现、二维展现、三位展现、视频展现、视图联动展现和时钟同步展现实现对监控信息的集成显示。
3.3综合监控预警平台逻辑结构
高速列车群运行安全状态综合监控预警平台的逻辑结构如图3.2所示。
图3.2高速列车群运行安全状态综合监控预警平台逻辑结构
●物理层
由轨道交通移动设施安全状态监控预警子平台、安全状态获取传感器网络及融合实验测试子平台和地面基础设施综合监测子平台组成,为高速列车群运行安全状态综合监控预警平台提供数据支持。
●传输层
主要由Ethernet、CAN总线、光纤、PLC等组成,物理层监测到的各项数据(地面基础设施监控信息、车载设备监控信息、传感器监控信息、环境监控信息和视频信息)通过传输层存入数据库。
●数据层
数据层中的各个数据库负责存储列车群运行中监测到的各项数据,并实现与数据仓库的交互,为以后的数据挖掘等提供支持。
●支撑层
以“三大基础理论和四大关键技术”(计算智能理论、复杂系统建模理论、信息处理理论和信息系统互操作技术、多元信息共享及集成技术、列车运营安全评估技术、信息集成及展现技术)为支撑,实现对监控数据的信息融合与集成。
●应用层
应用层主要完成对输入平台的各项数据的综合处理,包括监控信息的获取、监控信息的展现、信息查询与统计分析、安全预警、数据挖掘与融合、决策支持、监控信息标准核定与流程规范和平台维护。
●表示层
主要有微观展现,二维展现,三维展现、视频展现、视图联动展现和时钟同步展现。
微观展现主要展现其他三个子平台监测到的各项数据;二维展现包括展现当前车辆实时运行状况、已经检测的线路、未检测的线路以及检测异常点等;三维展现包括展现三维场景、展现关键检测和报警数据、展现当前高速列车运行位置、表达全息报警数据、三维主视图和三维视图与专业视图的切换;视图联动即实现三维虚拟视图、二维检测展示视图、视频展现视图在时间和空间上的多视图联动;时钟同步就是以被设为主视图的CPU时钟为准,主视图CPU发送时钟报文,通过网络到达其他视图,其他视图接收报文后校正时间,从而达到一致。
4模块设计
4.1系统功能模块划分
本试验平台的总体功能主要包括:
监控信息的获取、监控信息的集成展现、信息查询与统计分析、数据挖掘与融合、安全预警、决策支持、平台维护、监控信息标准核定与流程规范共8个功能模块,各功能模块的详细功能结构图4.1如下:
图4.1高速列车群运行安全状态综合监控预警平台的功能模块图
4.2系统功能模块说明
4.2.1监控信息的获取
此功能的实现通过构建互操作平台实现轨道交通移动设施安全状态监控预警子平台、安全状态获取传感器网络及融合试验测试子平台、基面基础设施综合检测子平台的多方合作。
将分散在各子平台的信息进行采集、整合、处理、管理等操作。
实现各子平台之间信息的交互与共享。
在监控信息的获取模块中,主要有以下7个功能:
●监控信息接入
通过标准通信接口,根据用户身份信息,判断用户身份是否合法,在确定用户身份后,按照一定的格式和规则将用户请求信息汇集接入到互操作平台中,作为信息预处理模块的输入;各个平台之间通过标准接口连接,由于各个平台功能方面的差异,标准接口的结构并不完全相同,接口标准可采用先进的组件技术。
●监控信息管理
该功能是分布式信息系统互操作实现的关键,主要任务是规划、搜集、获取、整理可互操作的信息,结合各子平台协同工作的需要,制定相关标准资源库,其中包括,语义规则库、索引库、任务库等,为平台互操作提供基础保障。
●监控信息预处理
该功能主要通过语义转换对用户请求信息进行语义解析,使其成为平台可以理解的“语言”,主要将用户请求信息转换成为通用理解“语言”,作为信息集成模块的输入。
●监控信息处理集成
该功能首先根据信息预处理功能的输出,对用户请求资源进行宽度、深度和混合搜索,然后通过信任度确定访问认证权限、负载量化确定服务端的负载状况,在负载较重的情况下要对用户访问进行控制,保证高优先级用户先访问服务端;最后获取相关信息,对数据进行分解、集成和转储,然后作为信息输出的输入。
●监控信息的访问控制
该功能根据所接入信息的安全级别和重要程度,将平台内部划分为不同的安全域,并对每个安全域制定相应的安全策略,确保数据交换、分发和访问的安全型,对所进行的访问操作进行审计,以备分析和审查。
●监控信息输出
该功能将信息集成模块的输出反馈给用户,同时将结果写入本地数据库,提供历史查询服务
●互操作平台的管理
该功能负责集成全域信息数据库的数据组织、存储、检索、更新、维护、注册和发布等管理功能以及监控信息平台内部各重要硬件设备、软件进程、系统资源的运行使用状况和相关的环境状态,收集管理各种设备、进程的故障信息。
通过平台的注册模块,用户可以通过平台的资源查询功能实现对任意地点任意资源的发现。
4.2.2监控信息的集成展现
该模块的实现是在综合信息展示界面上,将经过处理的数据进行综合展现,并为管理层提供直观展示和决策支持。
主要功能包括以下几个方面:
●微观展现
微观展现即对经过处理的数据进行展现,用户可以对数据进行统计查询。
将相关任务和协同事务处理集中进行管理,主要分为待办事宜、已完成工作、任务提醒、记录管理(包括记录填写、记录查阅、记录删除、表单打印、列表打印、附件处理)等提供平台化的统一管理。
为平台提供统一的信息检索、文件查阅、文档定位、流程查看、打印预览、桌面设置、日志管理、数据导入导出、项目导入导出、数据库管理、数据库同步管理、错误报告管理等。
●二维展现
二维地理信息展现,可以实现对高速列车群实时运行状况的展现、已检测的线路的展现、未检测的线路的展现以及检测异常点的展现,还具有展现整个系统的功能,包括:
二维视图场景的展现,如自然环境、地质环境、基础设施、气象状况;铁路设施的展现;当前检测状态的展现;信息的标注;历史信息展现;与其它视图联动;全息信息同步展现等功能。
●三维展现
三维展现即基于计算机可视化技术、空间分析技术和三维GIS技术,建立高速铁路沿线三维仿真场景,实现在高速条件下三维实时可视化、三维场景全要素实时交互控制,并为三维与二维GIS、多媒体、全息数据同步展示提供人机交互接口,形成多维全息信息在三维虚拟现实中的展示。
●视频展现
视频展示功能即利用摄像工具对线路和机车进行实时监控,可用于播放历史视频,并于其它视图保持同步联动功能,还可用于将此次实时监控信息与之前信息进行播放与比较。
●多图联动
该功能即实现三维虚拟视图、二维检测展示视图、视频展现视图在时间和空间上的多视图联动。
4.2.3信息查询与统计分析
信息查询与统计分析的实现,是系统对历史监控信息进行分析统计,用户可以通过监控信息的有效提示和查询来获得所监控物体的信息、状态和详细情况。
主要有以下三个功能:
●监控信息统计
信息的统计功能是要分类统计各种监控信息、评价结果、告警信息和预控对策。
数据的统计以表格、文本、图形(柱状图、饼图)等多种形式存在,便于用户对数据直观理解与查询的方便。
●监控信息查询
监控信息的查询即根据监控报警消息可以方便的获取报警的详细信息,包括:
报警点的位置、监控信息的分级表达。
本功还可将监控信息按照级别进行过滤显示和排序、分系统表达,方便用户对监控信息与报警信息进行查询。
●报表输出
该平台的一个重要功能是生成所需的报表,对生成的报表提供模拟显示,打印输出。
显示输出的报表内容和格式应在一定范围内可以修改和调节。
输出的报表包括日报、周报、月报以及年报等各种报表严重报警简报、严重报警处置情况简报、车辆严重报警统计表、线路严重报警统计表、各种设备严重报警统计表、恶劣环境严重报警统计表、综合监控报警信息统计表等。
4.2.4数据挖掘与融合
本功能模块的实现是基于复杂系统理论对高速铁路系统安全要素及其相互作用机理、安全行为涌现特征、事故推演及态势分析进行深入研究,构建要素相互关系的网络模型,建立安全行为分析模型与优化方法,实现基于系统动力学的轨道交通系统安全仿真。
主要包括3部分的功能:
●安全机理分析
基于分形理论将高速铁路运营中的人、机、环和管理等各种致因要素,根据要素属性、安全保障系统的内外部需求、技术构成,对安全要素进行分类,形成高速铁路系统安全要素体系,并建立安全评价指标体系。
然后分析不同状态下个体要素间相互作用对系统安全态势的影响,以及不同状态下高速铁路系统安全行为演化机制与涌现特征。
即从从复杂系统的角度分析高速铁路系统安全问题,挖掘高速铁路系统安全机理、影响要素之间的关联性、事故倾向性等规律性的内容,研究高速铁路安全与不安全相互依存与相互作用的系统边界,分析安全要素相互作用关系的复杂性,构建安全影响要素相互作用关系的网络模型;分析基于个体要素相互作用影响的高速铁路系统安全态势动态评估方法。
并在此基础上,分析安全要素共同作用下系统发生突变或畸变的涌现特征;基于复杂网络动态拓扑特性分析研究系统不安全性成因及要素影响传播机理,最后形成高速铁路系统安全事故致因理论。
●安全评估
此功能即确定时空变化下的安全评估方法,构建基于特征的安全要素典型行为模型和基于多模型融合的系统安全行为分析方法。
即采用多种描述方法,形成能够准确揭示高速铁路系统安全不确定性变化规律的表达方法,建立高速铁路系统安全行为模型,基于最优化理论与方法对该模型进行优化设计,确保系统的有序性;根据不确定性推理方法,建立面向轨道交通系统安全行为的基于不精确知识的安全评估方法,并对其进行安全评估。
●安全仿真
建立基于系统动力学理论和已经建立的高速铁路安全评估模型的高速铁路系统安全仿真方法,包括:
将定性定量的、精确和模糊的、形式化和非形式化的信息进行集成,为建立抽象形式化的仿真模型提供依据;应用安全信息源集成方法,建立符合高速铁路系统安全的多层次仿真系统模型;实现高速铁路系统事故推演与安全趋势分析,为高速铁路系统安全提供决策支持。
4.2.5安全预警
该模块主要包括以下功能:
预警规则设置、安全预警、预警信息管理。
:
●预警规则设置
预警规则的设置是保证预警准确性的前提。
预警规则的设置首先要确定安全预警指标体系。
在高速铁路系统中,可建立包括人因素预警指标、机务因素预警指标、环境因素预警指标、管理因素预警指标。
并可根据指标的重要程度在预警中的作用,将其分为敏感预警指标、重要预警指标和辅助指标。
然后建立预警模型。
针对高速铁路系统中各要素具有实时、随便、不确定等特征,从系统的稳定性、可靠性、鲁棒性、安全性等方面出发,基于复杂网络、系统动力学、最优化等理论建立安全预警模型,为进行安全预警奠定理论基础。
最后要划分预警等级。
即对安全预警等级进行确定,确保报警的准确性。
●安全预警
当发生越限、故障时,系统能发出声音报警,同时在报价信息窗口显示其报警类型、报警状态、报警时间等。
系统报警可根据管理员设置实时传递到相应的远程客户端,并在客户端产生明显的报警标志(动画图像、文字窗口、声音、关提示等)。
而且报警同时系统能自动调出事故回路所在的画面,全面展示事故信息。
●预警信息管理
在实际运行中,会产生大量的预警信息,这些信息存储在预警信息库中,而这些信息未必都是有用的信息,或者当前有用的信息过段时间就变成无用的信息,因此,系统提供预警信息管理功能来处理这些预警信息。
包括:
按指标重要度对预警信息进行排序;按预警级别排序等功能。
4.2.6决策支持
决策支持功能是对预警信息进行加工处理与分析,采取措施,消除危险,保障高速铁路系统的安全运行。
该模块包括的功能包括:
安全态势预测、决策方案制定实施。
●安全态势预测
安全态势预测即通过基于信息融合的安全态势评估方法,判断安全状况并预测其未来的发展趋势。
●决策方案的制定实施
决策方案的制定是至关重要的,要根据不同的预警级别分别设置不同的决策方案,在发生预警后,针对预警等级和危险源,估算危险范围,选择合适的决策方案进行实施,消除或屏蔽危险,保障系统的安全运行。
4.2.7平台维护
平台维护包括用户管理、权限设置、数据维护。
通过平台维护,保障系统的安全性、稳定性与可扩展性。
●用户管理
用户管理的主要功能包括:
用户添加,并给出相应的密码;权限管理,给选定的用户赋予或者删除某个或某些权限;密码管理,给用户修改密码;角色管理,添加、删除、修改相应的角色的权限。
●权限设置
权限设置是指对用户使用特定的权限的配置,控制系统的访问权限,保障系统的安全性。
此功能包括:
用户权限的授予;用户权限的取消;信息发布权限授予;信息发布权限取消。
对接入系统的配置进行管理,确保系统安全、稳定。
●数据维护
在安全监控预警平台中,数据库作为平台的核心担当着重要的角色。
如果发生意外停机或数据丢失其损失会十分惨重。
为此数据库管理员应针对具体的业务要求制定详细的数据库备份与灾难恢复策略,并通过模拟故障对每种可能的情况进行严格测试,只有这样才能保证数据的高可用性。
4.2.8监控信息标准核定与流程规范
本模块功能的实现,即制定与综合监控与预警相关的信息流程规范与业务流程规范,使监控信息的采集、传输、分析融合、展现等功能按照规范进行,保证数据传输准确与处理规范,建立一个实时、高效、可靠的综合监控预警决策支持平台。
5接口设计
5.1外部接口
高速列车群运行安全状态综合监控预警平台需要从不同的子平台获取安全监控预警需要的相关信息,这些信息来源于不同的系统、存在于不同种类的数据库,具体信息如图5.1所示。
图5.1系统与其他系统的接口
5.1.1与地面基础设施监控子平台的接口
通过地面基础设施安全状态监控子平台的接口,可以获得地面基础设施的信息,包括:
列车绝对定位信息、轨道平顺度信息(水平)、气隙信息、接触网状态信息、视频信息(轨道沿线环境)等内容,拟采用的物理接口为Ethernet、can总线、光纤和无线数传电台。
如表5.1所示。
表5.1地面基础设施安全状态监控预警子平台接口
序号
数
据
数据
类型
数据
范围
单位
传输
格式
刷新
频率
报警
阈值
接口
类型
备注
1
列车绝对定位
2
轨道平顺度
3
气隙
4
接触网状态
5
视频
6
7
5.1.2与轨道交通移动设施综合监控子平台的接口
通过车辆移动设备综合监控平台的接口,可以获得车辆设备的信息,包括:
电器部分采集信息:
供电监测信息,空调监测信息(回风温度、新风温度、通风全冷半冷、空调实验、空调送风故障、冷凝风机故障、压缩机故障、),车门检测信息(开门状态信息、关门状态信息、关门锁门故障、门应急状态开关),电控制动检测信息(牵引力、牵引制动量、制动率);机械部分采集信息:
轮对及轴承信息(轮径),车体及车架信息(车体传感器、车号、目的地、车长列车运行模式方向、列车状态),转向架信息(电机温度及传感器、轴箱温度及传感器、构架传感器、构架横向状态、电机轴承工作状态、轴箱工作状态、);其他部分采集信息:
气动装置信
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