CPS在轨道交通领域的应用分析

胡伊菁++司凤玲

摘要：全国铁道交通日益增大的环境下，铁道交通的信息系统与安全监测成为首要研究对象，而铁路轨道缺陷检测技术是安全监测中重要监测指标之一。针对现代的通信网络、物理信息、应用技术已经远远超出传统轨道交通系统的需求范围，考虑信息物理融合系统（CPS）是依靠物理环境感知的基础上，通过网络通信的实时传输，利用信息世界的信息处理能力和广度适应计算，提高对物理世界的控制能力。首次将CPS概念引入到铁路轨道交通中，基于信息物理系统概念和轨道检测技术的特点，提出了基于CPS环境下轨道检测系统架构模型，实现铁路轨道状态感知，可靠远程超声自动检测、实时通信传递以及有效无误的安全控制。

关键词： 信息物理系统；轨道交通；轨道检测；应用分析

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）26-0226-03

Analysis of the application of CPS in the rail transportation

HU Yi-jing，SI Feng-ling

（School of Wuhan Textile University ，Wuhan 430200，China）

Abstract：With the increasing environment of railway traffic， the information system and safety monitoring of railway traffic becomes the main research object， and the railway track detection technology is one of the important monitoring indicators in safety monitoring. In view of the traditional rail transport system has been unable to meet the new generation of physical equipment information and networking needs， consider the information of the physical system （CPS） based on the reliable physical environment perception， through the real-time transmission network， using the information of the world to adapt to the general computing and information processing capabilities， to achieve precise control of the physical world. CPS was first introduced to the railway rail transportation， physical characteristics of information system concept and track detection technology based on CPS is put forward under the environment of track detection model based on system architecture， implementation of railway track state perception， reliable remote automatic ultrasonic detection， real-time communication transmission and effectively correct safety control.

Key words：cyber physical systems； railway； track detection； application analysis

轨道交通系统是属于集多专业、多工种于一身的复杂系统。它的运输组织、功能实现、安全保证均遵循客观规律，它具有运量大、速度快、安全等特别。因此，确使轨道交通保持良好工作状态，让城市轨道交通能够无故障运行，并尽量延长物理设备使用寿命以及确保铁路轨道交通运行安全作为探究最终目标。如何利用信息技术及时有效的认知轨道状态变化，成为了国内外研究人员的重要研究课题。我国铁路轨道交通的日益壮大，传统检测技术已无法满足实现全覆盖的网络技术互联与互通，因此需要引入新的计算、通信和控制技术，以实现铁路检测信息系统和轨道交通物理系统之间更紧密的融合与协作，从而实现轨道交通系统的协调化和智能化[1]，以实现更可靠、有效、精准的铁路安全预防与维护技术。信息物理系统（CPS）是集成计算、通信与控制于一体的下一代智能系统，是计算进程和物理进程的统一体，使用网络化空间以远程的、可靠的、实体的、安全的、协作的方式操控一个物理实体，其包含了无处不在的环境感知、嵌入式计算、网络通信和网络控制等系统工程，使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程协作和自制功能[2]。

1 CPS的定义

信息-物理融合系统（Cyber-Physical System ， CPS）强调的是计算机系统与物理元素的紧密结合。对于CPS的定义，国内外尚无统一定论，美国NSF的定义：“计算资源与物理资源间紧密集成与深度协作”[3]； 中国科学院的何积丰院士的定义：CPS是在环境感知的基础上，深度融合了计算、通信、控制能力的可控、可信、可扩展的网络化物理设备系统，它通过计算进程和物理进程相互影响的反馈循环实现深度融合和实时交互来增加和扩展新的功能，以安全、可靠、高效和实时的方式监测或者控制一个物理实体[4]。具体表现有以下几种特征：

1） 必须具备实时、可靠、安全三大要素；

2） 物理实体与信息间存在反馈闭环控制；

3） 物理实体受时空的约束；

4） 信息世界与物理世界是紧密结合、深度交互的。

2 CPS与轨道系统

轨道系统建设是我国交通技术的进步与发展的重要组成部分，有效地调整了我国交通运输体系的结构方式。但是随着人们需求的提高，各种通信服务需求也就接种而至。传统的轨道系统网络内信息交流、轨道检测系统等已经不能满足新一代物理设备信息化和网络化的需求了。现今我国轨道交通系统均是嵌入式电子系统，Hermann Kopetz 提出， 当嵌入式系统强调实时信息处理子系统（ 计算机系统） 与被控制的物理设备和子系统（ 物理系统） 的协同交互作用时， 可称之为 CPS[5] 。

当今轨道交通系统其实是由多个服务单元组成的互相协调的通信网络，它其中包含传感器单元、控制单元、通信传输、检测单元、信息技术单元等。每个服务来自于不同的嵌入式子系统单元。因此整个CPS系统架构能是由多种服务单元连接的网络系统，这样就可以利用具有模糊性的服务单位理念，忽略各个信息系统及物理设备的差异性，在服务层面建立通用连接，从而构建基于CPS环境下轨道交通系统。

2.1 CPS子系统轨道检测系统

CPS 本身是可以嵌入到物理设备之中， 或者由多个通过网络交联的嵌入式计算设备组成[6]。轨道检测系统可看作一个物理实体，它采用激光摄像检测、超声导波无损检测等检测技术，计算机网络、光纤通信等信号传输网络以及计算调度、数字滤波等信号处理技术应用于轨道系统，通过网络传输，实时监测获取轨道系统状态，为可靠的、安全的、科学的轨道交通状态指引了方向。

2.1.1物理感知层

物理世界的感知由物理传感节点组成，在分布节点中的物理实体内嵌入传感器，基础物理量的监测就可以实时地反馈到物理感知层中心，从而映射总集的方法达到控制的目的。现今我国轨道交通普遍提速，给轨道检测系统的技术提出了更高的要求，考虑到安全性和可靠性的基础上检测系统项目的全面性、检测精度层面也设定了人工智能化的目标。而目前光纤数字陀螺、高速激光数字摄像传感器技术，超声导播探伤检测技术等，作为CPS系统物理感知层接入，分别由各树状节点接入如轨道几何状态检测物理量、车辆动态响应检测物理量、其他辅助检测包括速度、里程等物理量，物理量实时异构分布成物理界信息。

2.1.2 网络层

轨道检测系统中物理感知层每个节点分布各个检测传感，传感信息通过轨道通信网络接入到轨道检测系统网络层。轨道系统通信服务是轨道体系的重要组成部分，通信系统存在的问题也是影响实时信息协同的核心部分。我国现代轨道铁路传输系统由骨干传输和接入层传输两部分组成，对于轨道检测系统骨干传输包含着同步数字传输系统的开通、列控信息的传送。接入层网络传输可以完成抽象信号的提取、仿真、处理。网络层中信息中心的服务器记录这些数据，判断是否达到预先控制条件，进而向执行器的网络控制节点发出响应的调节控制命令。网络层是并行接收与传输物理信息与服务层控制信息，它涵盖了更多方法研究的方面。这里针对轨道检测系统指出CPS网络层建模除去给物理感知层与服务层提供接口外，需要具备模块化系统建模、离散与连续混合系统的特点，它具备了物理信息与服务信息相融合的特点，网络层的通信除去时间与空间的受限外，还受事件驱动，非常具备复杂度。

2.1.3 控制层

增强对轨道检测系统的控制能力是基于CPS环境轨道检测系统的现实目标。由于目前高速铁路发达，国际上利用高科技手段，研制开发具有综合性、高精度、高速度、高智能、高可靠性的大型轨道检测设备，这对检测系统的控制能力提出了更高的要求与更全面的技术方案[9]。传统检测系统控制器用来向系统发出控制指令，并接受测量采集的原始数据，然后对原始数据进行处理，计算出检测结果。这里相当于轨道检测系统数据处理和信息传输的中枢。提出CPS环境方案控制层的好处是控制层能够提高检测系统的可靠性和安全性，让检测项目更安全、检测精度更高。未来检测数据通过网络层实现等速检测，同时云计算的分布式架构与CPS要求的实现实时检测与信息反馈控制深度融合。

2.1.4 服务层

基于CPS的轨道检测系统可获得检测对象、检测工具、检测基础设施状态等各类信息，将丰富的信息数据为检测工作人员终端提供实时的检测信息服务是轨道检测系统服务发展的必然方向。针对轨道检测系统并应用控制层设计的控制算法，实现轨道检测系统的一些典型服务[8]，如安全检测资源优化调度等。

2.2 CPS在轨道领域中应用的关键技术

为了优化轨道交通系统，提出将其与CPS理念相融合。未来系统全面进步的同时，轨道交通系统平台也面临了更高的挑战，那么，需要突破的关键技术有：

1） 分布式管理技术

在轨道交通电子系统应用CPS 技术，虽说物理世界与信息控制是紧密协作的，但在实际实现过程中我们采取分布式的管理方式。应用往往是与功能相关的，但是在一定意义上它其实是与平台分离的。分布式管理技术构建在平台硬件和基础软件之上，为应用提供资源管理、容错重构、时间管理、安全管理、通信管理等服务[7]。并且，通过分布式管理技术，系统的任务能力和操作性能也能得到进一步提升。

2） 物理信息分离技术

通常，在实际运行的轨道交通系统中，任何轨道交通物理量主体均是分离的，如轨道损耗、轨迹位移等，而在信息系统中信息是统一协作的。另外，网络通信系统与控制系统均是高复杂度的物理系统，甚至有些情况下，控制的物理系统的复杂性还不如通信系统的流量大、难度高。因此关注物理量分离是一种很恰当地使用策略，分解整体减小复杂性，根据物理现象（电气、热、结果等）、抽象层（静态、集总参数动态分布参数动态，等）优化了实现高度可靠的实时传输性能。

3） 支持性能约束不同的层级网络通信

在轨道系统中，不同应用对系统性能约束也不经相同，如控制层的安全性约束大于感知层的安全性约束的，那么这就对网络通信定义了更高的需求。原有轨道交通系统按照功能把系统划分为不同的单元，各种单元可根据应用的具体要求进行稳定性、安全性和实时性的调度设计。而基于CPS环境的轨道电子系统在用户通信技术、轨道安全检测等要求的安全级别不同，那么在分布式管理的作用下，就必须实现不同级别的性能约束通信要求。

3 总结

将CPS技术应用到轨道交通领域，将物理过程与信息相融合，解决轨道交通存在的各方面问题，如轨道检测系统实时、安全、可靠性问题，核心是将计算、信息传递、控制的理念与轨道交通物理信息集成为统一先进技术，通过感知物理世界信息将其传递到网络层协同传输，再到信息地存储、计算、分析挖掘和优化控制等，优化轨道交通电子系统。该CPS技术在轨道领域的应用，在未来能够以更加高效、可靠、实时、准确的实现机制来实现轨道交通的方便、精准、安全环境。

参考文献：

[1] 高雨峰，王福田.铁路轨道状态分析信息系统设计与实现[J].中国安全科学学报2006，16（7）.

[2] Lee EA . Cyber physical systems Design challenges[A].Proceedings of 11th IEEE Symposium on Object Oriented Realtime Distributed Computing （ ISORC）[C].Washington： IEEE Computer Society，2008：363-369.

[3] NSF Cyber-Physical System Program Solicitation[EB/OL].（2011-07-06）.http：//www.nsf.gov.

[4] He Jifeng. Cyber-physical system[J]. Communication of the China Computer Fedaration，2010，6（1）：25-29.

[5] Roman Obermaisser， Hermann Kopetz.GENESYS： A Candidate for an ARTEMIS Cross- Domain Reference Architecture for Embedded Systems[R]. Vienna University of Technology，2009：5-6.

[6] 李仁发，谢勇，李蕊，等. 信息-物理融合系统若干关键问题综述[J].计算机研究与发展，2012，49（6）：1149-1161

[7] 孙棣华，李永福，刘卫宁，等. 交通信息物理系统及其关键技术研究综述[J].中国公路学报，2013，23（1）.

[8] 陈东升.中国轨道检测技术展望 [M].GJ-5型轨道检查车，2013.

[9] 高雨峰，王福田.铁路轨道状态分析信息系统设计与实现 [J].中国安全科学学报2006，16（7）.