基于J2EE 架构的铁路区间信号集中监测采集系统

郭利军，张治国，赵翔彦，杜巧玲

（西安交通工程学院机械与电气工程学院，陕西西安 710300）

铁路在区间的运载能力和运行安全，直接关系到整个铁路系统的高效、正常运行。在区间内，对铁路进行信号监测与采集是保证铁路可靠运输的重要因素。因此，为了保证铁路信号系统安全、可靠，必须采用科学、精确的监测方法，以取代目前仅凭专家经验而估计的方法。当前铁路的监测采集方法主要有基于文本的抽取方法和基于贝叶斯推理的采集方法。其中，前者采用统一标注命名实体，构建信号集中监测采集模型，通过多维字符特征识别命名实体，以实现铁路区间信号集中监测采集[1]；而后者首先确定各个逻辑层之间的关系，根据攻击不确定性构建贝叶斯攻击图模型。在该模型下，结合故障信号出现概率，实现铁路区间信号集中监测采集[2]。现有的这些方法虽然能监测海量信号，但由于信号属性各异，易造成监测数据分散，无法全面有效利用，影响监测采集结果，为此，提出了基于J2EE 架构的铁路区间信号集中监测采集系统。

1 系统硬件结构设计

铁路区间信号集中监测采集系统是基于J2EE的分布式架构，主要是由表示层、逻辑层和数据层三个层次组成，如图1 所示。

图1 系统硬件结构图

1.1 表示层

表示层是一个交互终端，由应用程序为使用者提供交互界面，该交互界面只具有输入信息和输出信息功能，自身不能实现任何信息自动处理动作。使用者可以利用多个终端进行交互，获取和接收信息[3]。在操作界面中，使用者首先登录自己的账号，然后在首页输入铁路区间运行实际情况信息，最后将该信息传送至逻辑层，方便使用者查看。

1.2 逻辑层

逻辑层的主要功能是首先对表示层中的数据进行业务逻辑和权限的检验、分析；再将分析结果传送到数据层[4]；最后在逻辑层利用检索引擎调用数据库数据，实现数据统一查询与分析。

1.2.1 应用服务器

应用服务器采用J2EE 的负载平衡技术，实现对铁路区间信号的集中管理[5]。为了保证J2EE 架构应用的安全性，并解决访问控制问题，需在应用服务器中设置一个安全性许可结构，如图2 所示。

图2 应用服务器安全授权框架

在J2EE 应用程序服务器中，部署了一个安全策略执行点。策略执行点担任访问者身份，当一个信号被存取时，它将一个存取请求传送给存取控制系统[6]。访问控制管理程序对每个策略执行点的访问请求进行评价，并将评价结果反馈给策略执行点[7-8]。

1.2.2 区段终端监测机

区段终端监测机主要负责对所管辖区域内的信息进行管理、查询，并能实时地反映网络的拓扑结构及通信状况。区段终端监测机通过透镜产生的光学图像将光线（场景）投影到图像检测表面，并将图像转换成电信号形式，通过计算机可直接访问电信号，也可以通过解码设备解析电信号[9]。该装置是信号监测系统的核心组件，主要作用是管理网络，并维护和监测信号设备[10]。

1.3 数据层

数据层是由站机、采集机、隔离转换单元等结构组成的，主要负责信号采集、归类和处理。其中，站机负责分类存储信号，再由采集机预处理采集到的信号，最后再由隔离转换单元将信号转换为模拟信号，实现模拟量的转换[11]。

数据层采用信号采集机，也称为盘点设备，它的主要功能是把条码扫描设备与数据终端结合起来[12]。在该装置中，利用数据库连接技术实现对系统数据的采集，完成海量数据缓冲，进而提高数据存储速率。

2 系统软件部分设计

2.1 铁路区间信号集中监测

铁路区间信号的变换是从开始到读取的非同步处理[13-14]。在铁路间信号变换过程中查询变换后的标志位，待所有标志位状态都已完成，即可直接读取。这一过程中，信号的变换易造成系统的死锁。为解决该问题，在程序中引入多线程技术是可行的。

铁路区间信号集中监测是由主线程来实现的，该主线程以时间为核心，用两个子线程来完成区间信号的集中监测，如图3 所示。

图3 区间信号集中监测线程

在完成了一个线程以后，两个子线程独立存在，其中任意一个子线程都将共享该虚拟地址，因此，可以通过虚拟地址监控整个进程的所有位元[15-16]。通过主线程能够监测子线程，并利用全局标记，这种方法可以有效地解决在铁路区间信号切换时的卡顿和不能快速反应的问题，显著提升整个系统的工作效率。

2.2 铁路区间信号集中采集流程设计

通过时间线，主线程能够实现铁路区间信号集中监测，依据该监测线程设计详细采集流程，步骤为：

步骤1：信号采集服务器将采集的数据发送到通信服务器中，命令通信服务器监测采集到的数据；在此数据请求被传输之前，应加密处理发送的内容，该内容包括被证实的完整信息和被验证的安全信息。该过程的详细内容为：假设前方站进站信号机与后方站进站信号机通过某条传输路径获取的密钥协商共用参数为α和β，则密钥协商过程为：

前方站进站信号机选择一个比较大的随机信号i∈[1,n-1]，同时选择其他随机信号λx1,λx2,…,λxj，使其符合：

式中，λ为随机选择参数。

在所选的路径上向后方站进站信号机传输集中监测的信号，选择一个比较大的随机信号k∈[1,n-1]，同时选择其他随机信号λy1,λy2,…,λyj，使其符合：

前方站进站信号机采用数据密钥c加密需要采集的数据，假设铁路区间信号集中监测到的数据包为η，则需要加密处理的数据密文可表示为：

式中，Tc为前方站进站信号机利用自身私钥对数据的签名处理，方便后方站进站信号机进行同步数据采集加密分片。

步骤2：对于经过加密处理后的数据，经过通信服务器向监控终端发送监测请求；

步骤3：铁路信号监视系统依照各自的原始协议格式，响应于监测数据请求，将监测数据传回至信号通信服务器中；

步骤4：对接收到的各种协议形式的监控数据进行分析，将分析后的监控数据集整理为统一格式；

步骤5：铁路信号通信服务器向采集服务器发送具有统一格式的监测数据[17-18]，由此完成铁路区间信号的集中监测与采集。

3 实验与结果分析

实验过程中研究的中心区间线路为A-B 段，全长37.50 km，其中端A 中心里程为237.50 km，端B 的中心里程为275.50 km。以此为研究目标，进行实验验证分析。

3.1 实验平台

在J2EE 框架下，建立铁路信号集中监测采集系统的可靠性和安全性测试评价平台，以达到开发轨道信号的目的。实验平台结构如图4 所示。

图4 实验平台结构

3.2 实验数据分析

铁路运行经历的天气不具有单一性，导致铁路区间信号采集结果出现的波动性较大。信号波动频率主要有两种情况：

情况一：当监测到的信号波动处于正常范围时，说明频率波动具有一定规律性；

情况二：频率波动陡变程度较大。基于此，获取的实验数据如图5 所示。以图5 所示实验数据为依据，分别使用基于文本的抽取方法、基于贝叶斯推理的采集方法和基于J2EE 架构的监测采集系统进行实验验证分析。

图5 实际数据分析结果

3.3 实验结果与分析

针对情况一，分别使用三种方法对信号监测采集频率进行对比分析，结果如图6 所示。

图6 情况一下的监测采集频率对比分析

由图6(a)、(b)方法采集到的信号频率波动不具有规律性，这两种方法波动频率范围分别为-7～4 Hz和-4～3 Hz；使用文中方法采集到的信号频率波动具有一定规律性，波动频率范围为-5～5 Hz，与图5 所示实际波动范围一致。

针对情况二，分别使用三种方法对信号监测采集频率对比分析，结果如图7 所示。图7(a)、(b)方法采集到的信号波动频率部分波动陡变程度较大；使用文中方法频率波动范围为-10～10 Hz，波动频率波动陡变程度较大，与图5 实际波动范围一致。

图7 情况二下的监测采集频率对比分析

4 结束语

采用J2EE 架构开发的铁路区间信号集中监测采集系统在实验验证过程中，取得了较好的效果。该系统不但能够对现场的数据进行监测、收集，而且能够对数据进行统计、整理，实现业务过程的互联和数据交换，为以后的企业平台建设预留数据关联接口，确保了企业信息系统的可扩展性和兼容性。