数字化环行铁道总体架构及关键技术研究

周 婉，俞翰斌，林 峰，王文华



数字化环行铁道总体架构及关键技术研究

周 婉，俞翰斌，林 峰，王文华

（中国铁道科学研究院集团有限公司国家铁道试验中心，北京 100015）

结合国内外铁路试验发展的经验,阐述了建设数字化环行铁道的必要性。针对数字化环行铁道的构建开展研究，结合试验中心业务发展需求提出数字化环行铁道建设目标及原则，分析了数字化环行铁道总体架构、系统功能以及关键技术。

试验；数字化；总体架构

0 引言

铁科院环行铁道试验基地是中国乃至亚洲唯一的一个铁路综合试验基地，可进行机车车辆、铁道建筑、通信信号、铁道电气化设施、客货运输、特种运送等多专业的科学试验。近年来，试验基地的各类试验为我国铁路运输和城市轨道交通的发展提供了良好的科技支撑条件，同时对中心提出了更高的要求。

美国运输技术中心TTCI、日本铁道综合技术研究所RTRI、俄罗斯铁道运输科学院谢尔宾卡环行试验基地都是著名的轨道交通综合试验中心，在数字化建设方面做出了大量工作，例如美国TTCI开发了InteRRIS系统[1]，运用先进的信息技术对试验基地的设施设备、列车试验、试验数据进行统一管理，值得借鉴。

环形铁道作为我国轨道交通重要的试验设施，为推进铁路行业“强基达标、提质增效”提供了良好的科技支撑条件，如何更好的提供试验服务，基础设施管理以及运营管理服务成为了一个亟待解决的问题。

因此建设数字化环行铁道，用数字化手段协调多部门进行试验，科学管理试验数据、共享试验数据，建设环铁数字化模型对保证试验安全、科学合理，提高试验效率很有意义。

1 设计目标及原则

1.1 设计目标

数字化环行铁道建设的具体目标是保障试验的安全性，实现对生产过程及设备的有效监控；服务于现有试验业务，实现对试验计划、试验人员、试验设施设备、试验环节、试验方法的综合管理，提高试验效率；为系统试验提供服务，支持试验中心车、机、工、电、辆等多专业进行检测及检测数据的采集、传输、存储、分析等；满足综合展示的需要，基于实景地理信息技术建设环行铁道三维可视化模型。

1.2 设计原则

1.2.1 系统性

数字化环行铁道以试验业务为主线，立足于试验数据，集成试验中心现有的电力监测系统（SCADA系统）、视频监测系统、试验调度展示系统、接触网检测系统等系统，实现对试验计划数据、多专业检测试验数据的采集、存储、分析、仿真，建设系统性的数字化环行铁道。

1.2.2 可扩展性

数字化环行铁道在架构上具备良好的可扩展性和适应能力，能够为新增试验内容或新增的功能模块提供接口，支持后续扩大规模，为综合试验、系统试验提供技术支持，确保试验的安全性、准确性。

1.2.3 可靠性

采用成熟、稳定和通用的技术和设备，关键部分具有备份、冗余措施，保证系统长期稳定运行[2]。

2 数字化环行铁道架构设计

2.1 总体架构

数字化环行铁道总体架构如图1所示，环线上的传感器、数据采集仪、试验车上的检测设备等采集数据，采集到的试验数据通过部署在环线上的无线接入设备、无线网络传输设备、试验车上的无线传输终端等传输，数据汇集到调度楼机房的数据库服务器、应用服务器。然后根据铁道科学研究院各研究所以及中车公司等的需求提供服务。数字化环行铁道建设范围包括数据库建设，应用软件开发和软硬件环境配置等。涉及的专业包括工务、接触网、信号、试验管理等[3]。

图1 数字化环行铁道总体架构

2.2 功能设计

2.2.1 试验管理平台

试验管理平台以试验生命周期管理为线索，以安全监测为中心，展示给用户的信息包括试验运行状态、安全监测数据、报表等，部分输出数据将提供给专业分析和仿真软件进行智能处理，而为了实现有效的试验管理和安全检测，需要多方面系统支撑。

试验管理平台包括试验调度指挥、试验安全监控、专业监测系统集成、数据分析等主要功能。试验调度指挥对环行试验线和城市轨道交通试验线进行的试验进行人员、设备、线路资源、电力系统、车辆等进行调度管理。试验安全监测主要通过车辆轴温智能探测系统（THDS）、车辆运行品质动态监测系统（TPDS）、车辆故障动态图像检测系统（TFDS）等对试验车辆进行监控，通过视频监控系统对试验关键地点进行视频监控，将试验事故消灭在隐患阶段。专业监测系统集成对分布在环行试验线的TPDS、THDS、TFDS、轨道结构参数长期监测系统、基础设施牵引供电及工务工程状态检测、变电站及直流所SCADA等系统，对试验安全进行实时监控，保证试验安全，顺利实施。

2.2.2 试验数据管理平台

试验数据管理平台是一个对各专业、各种不同类型的试验数据进行统一的收集管理、存储、分析应用、共享服务的平台，具备试验现场数据实时汇集管理、试验基础信息管理、数据专项分析等功能，支持数据的基础台帐关联、深入挖掘分析、关联综合应用，并通过试验数据的数据清洗、格式转换、元数据建模等建立大数据融合应用的数据基础，通过数据权限、数据服务等途径实现数据的安全和共享管理，通过模块化分析、标准化接口等实现定制化的大数据应用能力[4]。

主要用户是现场试验人员和试验管理人员，是进行现场试验数据采集、专业内数据分析、跨专业关联分析的大数据平台数据收集汇集前置系统。系统对各类试验数据进行管理，包括试验基础信息数据、试验过程数据、试验分析结果数据等。系统可以将正在进行和计划进行的试验项目数据进行管理，为长期积累各类试验过程数据、对历史试验数据综合对比分析挖掘、试验项目立项分析等提供支撑。

试验数据管理平台的功能划分如图2所示。

图2 试验数据管理平台功能模块

2.2.3 基于实景地理信息技术的环铁三维可视化建模

建立环行铁道三维可视化模型是采用符合环行铁道线路运行条件的实景地理信息采集技术[5]，移动式可量测实景影像数据采集技术，同时运用北斗卫星定位导航系统等仪器设备，实现环铁及其周边实景信息的快速采集与自动化处理。在信息采集完成后，对数据进行提取、建模从而形成环行铁道三维可视化模型，为环行道试验、验证、运营的实际业务等提供基础技术和数据的支撑[6]。

数字化环行铁道的建设依据统一的技术标准和规范，统一收集环线线路基础设施空间信息数据，为环行铁道试验基地提供统一的GIS功能服务；制定统一环线线路设备设施维护管理机制，确保GIS功能服务高效、稳定、连续运行，保证各类环行铁道基础信息数据资源集成共享，促进应用。

3 关键技术

3.1 列车定位技术

列车定位的精确性是保证列车安全高效运行的前提，而基于ＲFID( radio frequency identification，无线射频识别) 的列车定位技术，是提供高精度列车定位的技术条件。采用接触网杆等距间隔安装电子标签，电子标签内预先设置了对应的位置信息参数，标签阅读器及通讯设备安装于列车上，当标签进入阅读器读写范围时，无源电子标签通过线圈感应阅读器发出的射频信号获得能量启动电子标签控制电路和射频电路发出预先设置于存储于芯片上的位置参数。阅读器亦可接收有源标签主动发送某一频率的信号进行解码，读取标签内的位置参数，然后将数据传输给车载信息处理模块进行处理，最后系统得到列车的位置信息，从而实现定位的目的。

3.2 实景地理信息技术

随着测绘技术和移动测量技术的发展，实景地理信息技术应运而生，其是在传统二维地理信息的基础之上，增加了连续的地面可量测影像库作为新的数据源，并通过专门的数据开发平台与地理信息行业应用软件无缝集成，从而给用户提供更直观易用的实景可视化环境[7]。实景地理信息服务是指运用测绘技术、计算机软件技术采集地理数据、可量测实景影像数据和行业专题地理数据[8]。

最先进的移动式铁路线路实景数据采集技术，快速获取环铁设备设施相关地理信息数据。并通过有效的数据质量控制技术有工艺流程，控制数据的质量。针对环铁实景采集数据开展数据提取、数据建模以及数据可视化研究,建立环铁基础空间数据库，并在此基础上形成环铁设备设施三维空间数据集。建立环铁基础档案数据库，并与环铁空间数据库关联，实现环铁基础数据可视化管理。同时提供开放的服务，有效的支撑环铁试验、设施运行管理、线路养护等相关业务。

3.3 接口设计

数字化环行铁道建设涉及到多个系统集成，接口的技术实现主要基于数据交换服务组件、采集引擎等实现。其中，数据分发服务组件是高性能的分布式传输中间件，遵循对象管理组织（OMG）的实时系统数据分发服务（DDS）标准。数据库同步组件和文件同步组件通过配置同步策略，对各分系统数据库变化的增量数据和文件变化的增量数据进行同步更新，实现系统统一管理[9]。

外部互联系统、各分系统、子系统等进行接口数据传输时，通过调用数据服务分系统提供的数据通用解析和封装组件，高效、便捷地交互数据，保证系统各业务功能的正常运转[10]。

4 结束语

近年来，国家铁道实验中心承担大量的铁道和城轨试验项目，已完成各项试验项目以及国际合作项目等试验共计700余项[11]。试验基地的各类试验为我国铁路运输和城市轨道交通的发展提供了良好的科技支撑条件，同时对环行铁道提出了更高的要求。整合现有的各种试验资源，建设数字化环行铁道很有必要，数字化环行铁道可以为多专业试验项目、系统性试验服务，也将大大提高试验效率。

本文立足于国家铁道试验中心的实际业务情况，利用数字化技术，提出了数字化环行铁道的总 体架构、系统功能以及关键技术。数字化环行铁道建设将有效的利用既有资源提高服务效率，实现对生产过程及设备的有效监控，保证运行安全，降低运维成本。

[1] 王文华, 王都. 建设国家铁道试验中心数字试验信息平台研究[J]. 铁路计算机应用软件, 2010, 19(10): 1-3.

[2] 王晓晖, 乔通. 云环境下面向感知数据汇集的通信服务系统设计与实现[J].软件, 2016, 37(02): 155-159.

[3] 史天运, 张春家. 铁路智能客运车站系统总体设计及评价[J]. 铁路计算机应用, 2018, 27(7): 9-16.

[4] 杜淑颖. 基于大型数据集的聚类算法研究[J].软件, 2016, 37(01): 132-135.

[5] 张毕祥. 基于倾斜摄影测量技术在大比例尺地形图测绘中的研究[J]. 软件, 2018, 39(7): 146-151.

[6] 许可, 许迪文, 杨润书, 等. 基于ZigBee和GIS的校园环境实时监测系统设计[J]. 软件, 2018, 39(7): 116-120.

[7] 艾嘉豪, 朱大明. 无人机倾斜摄影测量在三维建模中的应用[J]. 软件, 2018, 39(6): 192-195.

[8] 储恒, 王英杰, 封博卿. 基于GIS服务聚合和扩展技术的高速铁路地理信息系统应用研究[J]. 铁道运输与经济, 2017, 5(3): 49-53.

[9] 曾庆勇, 刘远仲. 浅谈物联网技术发展方向与产业前景[J]. 软件, 2018, 39(3): 37-4.

[10] 原方圆, 马书南, 雷伟, 等. 高安全性数字化档案管理系统的设计与实现[J]. 软件, 2018, 39(7): 98-102.

[11] 王都, 林峰, 闫晓春. 美国铁路试验服务及其思考[J]. 中国铁路, 2015, 10: 77-80.

General Framework and Key Technologies of Digitalized Loop Railway

ZHOU Wan, YU Han-bin, LIN Feng, WANG Wen-hua

(Institute of Computing Technologies National Railway Track Test Center; Beijing 100015)

Based on the experience of railway test development at home and abroad, this paper expounds the necessity of constructing digitalized loop railway. Based on the research on the construction of digitalized loop railway, this paper puts forward the target and principle of digitalized loop railway construction according to the business development requirements of the test center, and analyzes the overall structure, system functions and key technologies of digitalized loop railway.

Experiment; Digitalized; Overall architecture

TP311.5

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.006

中国铁路总公司科技研究开发计划项目(批准号：J2017X006)

周婉(1990-)，女，工程师，主要研究方向：计算机应用技术；俞翰斌(1973-)，男，研究员，主要研究方向：计算机应用技术；林峰(1981-)，男，高级工程师，主要研究方向：计算机应用技术；王文华(1983-)，男，高级工程师，主要研究方向：计算机应用技术。

周婉，俞翰斌，林峰，等. 数字化环行铁道总体架构及关键技术研究[J]. 软件，2018，39（11）：26-29