一种基于信号设备监测图形化建模的方法

谭 艳，范春学，曹亚辉，罗 鑫

（1. 卡斯柯信号有限公司，上海 200071；2. 上海市铁路智能调度指挥系统工程研究中心，上海 200071）

1 概述

国内高速铁路网从“四纵四横”升级到“八纵八横”，高速铁路技术体系完善、路网规模庞大。铁路建设将直接引起城市交通区位的变化和空间可达性的改善，增强了沿线中心城市生产要素的聚集和辐射能力，推动了沿线城市资源整合，中国铁路的高速发展助推了中国经济的腾飞。

铁路的发展助推了信号设备的发展，对众多、复杂设备的监测也给信号集中监测系统提出了更高要求。监测系统通过实时的信息采集、数据处理得到该设备状态信息后，把设备运行状况信息通过图形化呈现出来，不仅直观且鲜明。尤其在3D 图形化设备中定位显示故障位置，相比于传统文字说明，增强了故障定位的层次感，而且提升了用户对故障位置的辨识度，对电务日常维护信号设备、快速处理故障具有重要意义。

为达到更加全面的、多层次的显示效果，需要一种更加简便、高效的数据存储方法来应对复杂的图形化显示。通过设备信息矩阵来存储对应设备的图形化信息，再用2D 或3D 的方式建模设备图形化来显示设备矩阵中的信息。实现矩阵内信息交互、处理、引流，完成矩阵内数据与图形化显示点对点的对应。

2 监测设备图形化建模

传统的信号集中监测图形化注重对设备的具现化，偏重设备外形轮廓的完整复制，之后显示其各类状态量和报警信息。当应对更加复杂的系统时，比如对设备的物理状态、逻辑关系的呈现，信号机械室设备的空间立体布局，设备图形化承载更多的显示信息等。传统的实现方式就会呈现出过于简单、层级混乱、难于嵌套的弊端。

基于传统图形化问题以及新标准要求的考虑，需要引进一种分类更加详细、便于多级嵌套、承载更多信息显示、且更好适应现代化监测系统往智慧化方向发展的图形化建模。

根据信号设备主体功能位置的空间划分，通过组态工具HMIMaker 分别对室外设备、室内设备进行图形化建模，相比传统建模更具有主次感，多重层次性带来更多的信息承载，可更加全面的展现信号设备的运行态势。

2.1 室外设备图形化建模

室外设备主要涉及3 类信号设备：轨道、道岔、信号机，首先要基于原有站场设备的布局整体展开，把模型中叠加多层图元，每层中的图元作为一个子设备信息承载单元，顶层的图元是汇总映射底层的图元，可以实时显示建模设备关联的多态量、模拟量等。图元最顶层颜色关联的是设备健康度分数，健康度可追溯整个设备生命周期。健康度分为：

1）设备运转正常，所有指标均正常-绿色；

2）设备运转正常，部分非关键指标越线-蓝色；

3）设备可以运转，关键性指标已经越线-黄色；

4）设备已经故障停用，急需上报抢修-红色。

首先，按照站场图中实际设备位置，通过HMIMaker 对轨道、道岔、信号机设备建模，这里要做到对设备坐标位置和逻辑连接关系上的还原。其次，编辑每一个轨道、道岔、信号机设备的承载信息，在图元属性背景颜色中设置设备健康度颜色显示规则，在设备编码中输入设备的UUID，UUID 在整个设备生命周期中作为设备的唯一标识，后续图形化信息矩阵中存储的模拟量、状态量、多态量都关联到UUID 中，只要图形化中输入这个唯一的UUID，图形化界面就会显示信息矩阵中的设备信息。轨道、道岔、信号机建模及设备HMI 组件动画信息编辑如图1 所示。

图1 室外设备建模及HMI组件动画信息编辑Fig.1 Outdoor equipment modeling and the interface for editing HMI component animation information

2.2 室内设备建模

室内设备建模是对机房内信号设备进行三维建模，按照机房内设备空间立体位置进行绘制。三维机房设备顶层图元也是显示该设备的健康度，涉及到的室内设备主要有联锁、CTC、列控、电源屏等，室内设备有设备物理状态建模，还有设备逻辑状态关系的建模。通过自顶向下的方式，对设备依次进行关联。三维机房里的设备下层关联着物理、逻辑状态建模图，实现逐层嵌套、关联。这种层与层之间的嵌套关系、数据信息的计算、导流关系都是通过信息矩阵中的层级关系矩阵实现的，用户可以通过层层点击查看下层关联子设备信息以及健康度。

2.2.1 室内设备三维建模及设备组件动画信息编辑

首先，按照信号机房内信号设备的空间位置，通过HMIMaker 对室内设备三维建模，要做到对设备空间布局和信号设备逻辑关系上的还原。其次，编辑每个室内三维设备承载的信息，在图元属性背景颜色中设置设备健康度颜色显示规则，在设备编码中输入主设备的UUID。三维建模、设备组件动画信息编辑如图2 所示。

图2 室内设备三维建模及HMI组件动画信息编辑Fig.2 3D modeling of indoor equipment and the interface for editing HMI component animation information

2.2.2 室内设备物理、逻辑状态图形化建模

按照联锁机柜内具体设备实物，通过HMIMaker对联锁物理设备建模，比如联锁设备状态灯、板卡状态、电源状态等。设备逻辑拓扑图也需建模，比如联锁设备的网络逻辑关系拓扑图，通过HMIMaker 对联锁设备的网络逻辑关系建模。联锁设备物理状态及网络逻辑关系拓扑建模图效果如图3 所示。

图3 联锁设备物理状态及网络逻辑关系拓扑建模Fig.3 Topology modeling of the physical status, network logical relationship of CBI equipment

3 设备图形化信息矩阵

上述设备建模完毕后，需要对图形化中图元的信息进行数据的存储、交换、计算、导流，便于图形化界面可便捷的获取数据、显示图元信息。所以引入一种图形化信息矩阵的方式来实现上述功能。

这里的设备图形化信息矩阵Mk里边主要包括若干子矩阵，子矩阵中涵盖图元关联的设备信息矩

阵Ikn、导流矩阵Rkn、层级关系矩阵Ckn等。如公式（1）所示。

设备信息矩阵Ikn主要是该设备图形化要关联的显示信息，比如关联的模拟量、开关量、健康度等，可通过鼠标停留在图形化上显示其信息。如公式（2）所示。

导流矩阵Rkn主要是指引该设备的矩阵数据那些需要导流到另外的设备矩阵中，实现不同设备矩阵之间的数据共享、交换。比如联锁电源板卡的健康度直接影响联锁整个系统设备的健康度，如果B系的电源板卡健康度为0（电源板卡宕机），联锁B 系的驱动、采集卡都会受到牵连，而且电源板卡对应的父设备B 系直接宕机，只剩下A 系可用，同样会影响顶层联锁系统设备的健康度。因此子设备健康度是其父设备健康度的一个因子，父设备健康度又是顶层系统设备健康度的一个因子，所以导流矩阵必须存在，且具有重要意义。如公式（3）所示。

层级关系矩阵Ckn是一个标注该设备在图形化数据链路中位置、层级关系的矩阵，层级关系矩阵也是为导流矩阵服务的，Ch1标注的是该设备上层设备矩阵，C11标注的是该设备下层设备矩阵，Ch1、C11标注出上、下层级关系，解决多级嵌套问题。这样导流矩阵中数据可明确的知道需要和哪些设备矩阵共享数据。如公式（4）所示。

矩阵中还会预留一些位置，方便后续扩展使用。把系统（联锁系统）、设备（驱动板、采集板等）、设备的各种采集信息（模拟量、开关量等）、计算出的导流信息（健康度）都会给予唯一的UUID，所以图形化信息矩阵存储的是设备关联采集信息的UUID，上、下层设备的UUID，导流信息的UUID。数据与UUID 挂钩，矩阵中存储的是UUID 号而不是具体数据，这样信息计算获取都非常简单，且易于实现，效率高。

4 图形化建模显示效果验证

通过上述方法对铁路信号设备轨道、道岔、信号机、室内设备进行图形化建模，使用图形化信息矩阵方法存储、交换、计算、导流数据，现已在多条线路上试用，显示效果出众，完全符合2020 版监测对设备图形化显示的需求，同时结合输入的打分项，对设备进行实时诊断、健康度打分，极大方便了工区对信号设备的监管、维护。

4.1 室外设备图形化及健康度信息显示

室外轨道、道岔、信号机设备图形化建模以及健康度试用显示效果如图4、5 所示。

图4 室外设备图形化关联信息显示Fig.4 Diagram of graphical associated information of outdoor equipment

图5 室外设备健康度显示Fig.5 Diagram of the degree of health of outdoor equipment

4.2 室内设备物理、逻辑图形化及健康度信息显示

室内设备物理、逻辑图形化建模以及健康度试用显示效果如图6、7 所示。

图6 室内联锁机柜物理状态及网络逻辑关系拓扑图形化显示Fig.6 Graphical diagram of the physical status and the topology of network logical relationship of indoor CBI cabinet

5 结论

图7 室内NPC板卡健康度显示Fig.7 Diagram of the degree of health of indoor NPC board

为达到2020 版监测技术标准对图形化的要求，同时满足客户对设备监管、维护的更高要求，本文提出了一种基于信号设备监测图形化建模的方法，针对该建模方法提出基于设备图形化信息矩阵的方式来存储、交换、计算、导流数据，创新的提出一种数据导流矩阵的方式来实现各个设备数据引流、共用的解决策略。经过现场试用后客户的反馈，不仅可以快速查看客户所需的设备关联信息，而且设备图形化建模显示效果带来了更好的亲和力。由于对机房设备采用3D 建模方式，给用户一种亲临现场设备的使用体验，这对于远程指导操作、室内作业监督效果显著。结合设备各个维度的健康度，对设备运行的状态实时的监督，通过设备图形化颜色来反映设备健康度信息，满足用户对设备整个生命周期的盯控，对后期设备的维护策略起到重要指导意义。