基于虚拟化云技术的路局中心地震预警监测系统方案及联动研究

张艳春

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 概述

地震预警监测系统是铁路灾害监测系统[1]（也称自然灾害及异物侵限监测系统）的一个重要组成部分，这对可能危及行车的地震灾害提供了一种有效的减灾手段，它能够根据地震台站和测定的地震动参数快速估算地震影响范围，并确定警报等级[2]，在破坏性地震波到达前，向受地震影响范围内的铁路发布地震紧急处置信息，联动触发相关系统对列车采取有效的紧急处置措施，从而为安全行车提供保障、最大程度地降低风险。目前地震预警监测系统已纳入了现行铁路建设标准[3]，成为了高速铁路建设的一项必备基础设施。各条铁路线地震预警监测系统中心设备集中设置于路局，其中前端预警服务器按铁路线设置，各条铁路独立设置；地震预警监测系统联动触发信号列控系统停车、牵引供电系统停电是其降低损失的重要机制，目前地震监测系统多由地震现场监测设备分段与信号列控中心和牵引供电系统相连，导致地震预警监测系统与信号系统、牵引供电系统间设置大量信号电缆，建设及维护成本高。研究采用虚拟化云平台[4]技术的铁路地震预警监测路局中心，以及通过地震预警监测中心和信号RBC中心、牵引供电系统中心触发紧急处置的策略为实现资源共享、节约投资乃至便于将来各条铁路线地震预警灾害监测系统平滑接入有着十分重要的意义。

2 铁路地震预警监测系统现状

2.1 路局中心预警服务器按线建设、资源共享率低

目前，地震预警监测系统按照铁路局中心、现场监测设备[5]两级设置，相对前些年采用的线路中心建设模式取得了较大的进步，在一定程度上起到了资源共享的作用，但路局中心预警服务器仍然按线建设，不论线路长短、接入中心的地震监测现场设备多少，以铁路线为单位，冗余配置，同时配套的通信网络、电源、机房等设备需匹配设置。这样就存在资源利用率低的问题，随着高速铁路线的不断增多，资源浪费现象愈加突出。

2.2 联动触发接口分散、投资高、维护量大

目前，铁路地震预警监测系统与信号系统、牵引变电系统的接口均在地震预警监测系统现场侧，也就是说不同系统之间存在多个接口，每个系统接口之间均需布放信号电缆，短则几公里，长则十几乃至二十公里，随着高速铁路地震预警监测系统的线路逐步增多，地震监测现场设备与信号、牵引变电系统的接口数量会呈几何层级递增，敷设信号电缆线路同比增长，互联互通愈加复杂，投资高、维护量大。

3 铁路地震预警监测系统需求分析

3.1 系统需求

（1）便于制定各铁路局统一的监测业务终端、监测维护终端等界面的相关技术标准。

（2）便于统一地震预警监测系统的软、硬件标准，建立兼容性好、可靠性高、可维护性和可扩展性强的地震预警监测系统铁路局中心系统。

（3）便于各条铁路线地震预警监测系统现场设备平滑接入，整合资源，提高设备利用率。

3.2 业务需求

（1）实现地震预警监测系统现场监测设备采集、发送灾害监测系统信息[6]的功能。

（2）实现通过阈值分析处理并生成监测、报警、预警信息，将信息传送至相关监测终端的功能。

（3）实现向监控单元、灾害监测系统下发控制命令的功能。

（4）实现数据存储、查询、统计等功能。

（5）实现联动触发信号系统停车、牵引供电系统停电的功能。

3.3 接口需求

（1）与信号系统接口，紧急情况下实现联动触发信号系统停车。

（2）与牵引供电系统接口，紧急情况下实现联动触发牵引供电系统停电。

（3）实现与现场监测设备接口功能，能够接收现场监测设备数据、状态信息，下达控制、试验、配置等指令。

（4）具备接引铁路局二级时间母钟同步信号功能；具备与GSM-R[7]移动通信系统接口功能。

（5）具备与相邻地震预警监测铁路局中心系统接口功能。

（6）具备与国家地震台网接口功能。

3.4 安全需求

（1）针对人为因素可能导致的地震预警监测系统路局中心中断的风险，建立完善的备份机制，在对平台进行数据调整时，保证功能出现异常时快速恢复。

（2）针对病毒、恶意攻击等安全威胁，建立有效的防病毒机制，并采取网络边界安全防护措施，防止病毒入侵、抵制恶意攻击行为。

（3）针对自然环境威胁引起的安全风险，根据相关标准设置防雷、防火、防电磁泄露等措施，并在各机房设置电源及环境监控系统，为系统的安全运行提供稳定、良好的工作环境。

3.5 维护需求

采用虚拟化技术有利于减少设备数量和信号电缆，便于统一维护和管理[8]，降低整体运营维护成本。

4 基于虚拟化云技术的路局中心系统建设方案研究

4.1 系统功能

铁路局中心系统是地震预警监测系统的控制中心，应具备以下功能:

（1）负责收集管辖范围内地震动监测、P波预警、阈值报警等信息，并对其分析与处理。

（2）具备多台P波预警、计算紧急处置级别和影响范围、发布紧急处置信息，解除误报和警报、下达震后恢复信息。

（3）实现与地震台网、相邻铁路局之间进行信息交互。

（4）具备与GSM-R通信系统互联功能。

（5）负责动态监测管辖范围的列车，并向相关系统发送地震紧急处置信息，实现保障列车的安全稳定运行。

4.2 系统构成

地震预警监测系统铁路局中心系统集中设置于各铁路局所在地，主要包括各类服务器、系统存储设备[9]、监测业务终端、监测维护终端、网络设备、安全设备以及时间同步等，总体结构如图1所示。

图1 地震预警监测路局中心系统总体结构示意

4.3 硬件组成

（1）服务器

为体现虚拟化云平台在路局中心建设中的优势，服务器配置暂按满足30条铁路线路接入路局中心系统的需求考虑。传统方案配置如下:数据库、前端接口、地理信息、紧急处置、邻局接口、维护管理、台网接口、短信、防病毒、通信应用、GPRS通信、地震GPRS接口、时间同步等服务器采用冗余配置的方式；前端预警服务器按线设置，双机配置，需配置30台；共需配置服务器86套。

采用虚拟化云平台技术，综合考虑系统性能、可靠性、机房空间利用率、简化管理集中运维等因素，采用如下原则进行配置:对数据库服务器和维护管理服务不考虑进云化，采用4台物理服务器进行承载4套虚拟机；其余各类服务器进行云化，因此地震预警监测铁路局中心系统需部署82套虚拟机，根据虚拟机容量[10]规划典型模型算法，可以推算搭建地震监测铁路局中心系统云平台分区采用2CPU6核物理服务器12套，云平台需配置管理节点服务器数3套。即数据库服务器2套，维护管理服务器2套，云化服务器12套，管理节点服务器3套，共计17套。17套物理服务器均采用高性能刀片服务器搭建，同时基于可靠性和安全性的考虑，至少部署为8个机框；为避免单系统故障隐患，每个刀片机箱采用全冗余基础架构，包括电源、风扇、管理模块和交换模块等等，配置服务器机柜2架。

综上，采用虚拟化云平台技术，服务器数量减少69套，经济效益明显，大大提高了资源利用率，有利于实现资源共享、节省建设投资、节约维护成本。

（2）监测业务终端

在铁路局调度所设置监测业务终端，以提供警报信息、紧急处置等可视化界面。

（3）监测维护终端

根据运营维护需求在相关维护管理单位设置监测维护终端，以提供地震警报信息、设备状态、紧急处置等可视化和运行维护操作界面。

（4）网络及安全

①为满足信息的快速、安全交互，铁路局中心系统机房局域网建议采用千兆网络[11]搭建。

②监测业务终端、监测维护终端连接维护管理服务器的传输带宽建议不低于10 Mbit/s。

③铁路局中心系统与国家地震台网之间传输带宽建议不低于10 Mbit/s，采用双链路冗余配置。

④相邻铁路局之间传输带宽建议不低于10 Mbit/s，采用双链路冗余配置。

（5）时间同步设备

采用NTP服务器[12]，建议冗余配置，同步于铁路局的二级母钟。

5 地震预警监测系统中心与信号RBC中心、牵引供电系统中心联动触发策略研究

5.1 功能需求

（1）与信号列控系统接口功能

地震现场监测设备接收到Ⅱ级、Ⅲ级警报[13]信息或接收到铁路局中心系统发布的Ⅱ级、Ⅲ级处置信息时，触发列控系统接口继电器动作；现场监测设备接收到铁路局中心系统发布的误报解除、警报解除和震后系统恢复信息时，恢复与信号列控系统接口继电器状态。

（2）与牵引变电供电系统接口功能

地震现场监测设备监测到地震动峰值（阈值报警）达到Ⅲ级警报阈值或接收到铁路局中心系统发布的Ⅲ级处置信息时，触发牵引供电系统动作；现场监测设备接收到铁路局中心系统发布的误报解除、警报解除和震后系统恢复信息时，恢复与牵引供电系统接口状态。

图2 地震预警监测系统现场侧联动触发结构

5.2 联动触发策略优化原理

（1）地震预警系统现场设备设置简况

地震计设置满足《中国地震动参数区划图》（GB18306）中的相关规定，一般设在地震动峰值加速度0.1 g及以上范围的铁路区段，间隔约25 km，并优先设置于牵引变电所、分区所、AT所内，困难的情况下设置在电力配电所、中继站、基站等处。

（2）现场侧联动触发方案

当前，地震预警监测系统与列控系统和牵引供电系统间普遍采用地震现场监测设备分段与列控中心、牵引供电系统接口的方案，造成了接口数量多、现场大量布放信号电缆的局面。如图2所示。

（3）系统中心侧联动触发方案

由于地震预警监测系统采用铁路中心级和现场设备两级架构，而对于列控系统和牵引供电系统也同样存在中心级和现场级（车站级），因此与列控系统、牵引变电系统接口也可以采用地震预警监测中心与信号RBC中心、牵引供电系统中心的接口方式。紧急情况下，地震预警监测系统向RBC中心发布预警信息，沿线列控中心通过RBC统一采取相应的紧急处置措施；同样，沿线的牵引供电系统通过路局中心系统直接与沿线系统进行内部信息交互，实现紧急情况下的断电功能。如图3所示。

采用此种方式一条铁路线地震预警监测系统与信号列控系统、牵引供电系统仅需1～2个接口，大大简化了不同系统间的接口数量以及附属线缆工程等，可以有效地提高系统可靠性、节约了成本。

图3 地震预警监测系统中心侧联动触发结构

6 结束语

采用基于虚拟化云技术的地震预警监测系统铁路局中心方案能够大大改变服务器重复建设、设备利用率低的现状，有利于资源共享、节约投资；采用中心侧联动触发的方案能够从源头上解决系统间接口数量多的问题，不仅可以减少设备配置和线缆布放，降低建设、运营成本，而且可以大大提高系统可靠性，这对提高地震预警监测系统在高速铁路运行可靠性方面具有重要意义。