地铁信号设备在线监测系统设计与实现

常浏凯，谭 华

（1.北京市地铁运营有限公司 地铁运营技术研发中心，北京 102208；2.杭州慧景科技有限公司，杭州 310000）

轨道交通信息系统

地铁信号设备在线监测系统设计与实现

常浏凯1，谭 华2

（1.北京市地铁运营有限公司 地铁运营技术研发中心，北京 102208；2.杭州慧景科技有限公司，杭州 310000）

通过多种类传感器技术实时获取信号设备运行基础数据，利用无线通信、网络等技术实现数据传输，搭建地铁信号设备在线监测系统。系统具有对道岔、转辙机、有源应答器、轨道电路以及信号设备、电源设备和系统的实时监测功能，有利于信号设备维护和管理人员远程实时监测运营信号设备的运行状态，便于设备运用、维护与诊断。

地铁；信号设备；在线监测；道岔；轨道电路；有源应答器

信号系统是确保地铁安全运行的关键设备，一旦发生故障将造成地铁降级运行、大面积晚点甚至停运。依靠传统人工定期巡查方式的维修模式，已无法满足北京地铁对于设备运行安全性和可靠性的需要。因此，亟需建立一种信号设备在线监测系统，实现信号设备的在线监测与智能诊断，便于设备维修与维护。

1 信号设备在线监测系统设计

1.1 系统结构设计

为了满足运营一线对信号设备监测及维护需求，信号设备在线监测系统由设备层、站机层、服务层和用户层4层结构组成，构架如图1所示。

1.1.1 设备层

设备层主要包括监测的对象设备以及针对对象设备搭建的监测平台设备，主要包括道岔监测设备、轨道电路监测设备、有源应答监测设备、UPS/电源屏监测设备，同时预留后期扩展的温控监测设备等。

1.1.2 站机层

站机层包括采集进程和站机平台两部分，采集进程负责信号设备监测数据的接入，将采集到的数据封装后上传至站机平台。采集进程与站机平台通过Socket通信，通信规约采用统一数据接入规约，由采集进程主动连接站机平台，并主动上报数据；站机平台对监测设备统一建模，对收到的数据报文进行解析和处理后统一存储，并以插件形式整合各监测业务功能模块，以满足站机层的设备监测业务需求。同时站机平台将本地数据按需同步到后端服务层，但站机平台的运行不依赖于上层网络及服务。

1.1.3 服务层

图1 地铁信号设备在线监测系统总体构架

服务层实现远程客户端软件的接入认证、通信调度及监测数据的缓存功能，为实现远端监测业务提供后台服务。服务层由实时监测服务器、数据库服务器、WebServer服务器 3 部分组成，可根据要求在硬件上实现合并。其中 WebServer服务器用于为Web浏览器方式访问提供服务。数据库服务器用于存储监测数据并为实时监测服务器和 WebServer服务器提供数据访问服务。而实时监测服务器的功能主要包括同步站机层监测数据，向数据库服务器提供同步的数据以及为远程客户端提供数据访问服务。

1.1.4 用户层

用户层实现信号设备在线监测以及后期数据分析及智能诊断。包含远程客户端和 Web浏览器客户端两种模式，远程客户端具备线路→车站层面的设备异常监测，同时具备指定车站的远程接入监测功能；远程客户端有两类应用需求：（1）通过监测服务器中转模式；（2）直连模式，即由远程客户端直连站机平台，根据用户使用环境选择。Web浏览器主要针对基于监测数据后期异常智能分析等高层应用。

1.2 系统功能设计

1.2.1 设备状态在线监测

信号设备监测系统包括4个监测子系统，道岔监测实现对尖轨爬行、尖轨密贴、转辙机阻力、缺口以及振动加速度的监测；有源应答器监测子系统对有源应答器的工作状态、临时限速命令的校核结果进行监测；轨道电路监测子系统对发送盒和接收盒电压、载频等数据进行监测；信号设备电源监测系统主要监测UPS的主路、备路电压，输出、输入电压以及电源屏电压。

1.2.2 数据访问

监测系统采用 B/S 和 C/S 构架，同时满足客户端模式及浏览器模式访问。根据用户需求不同，客户端模式能管理详细的设备监测数据而浏览器模式管理的数据则是较为宏观的数据，数据范围更广但精度略低。在 C/S 模式中可查看数据、图像等实时监测信息，还可以在历史数据中通过子系统名称、设备名称、监测内容等条件查询数据并以多种形式显示。

1.2.3 异常管理

主要有历史异常查询和异常处理两个功能。历史异常查询可实现根据日期、异常类型、子系统名称、异常等级及是否处理查询设备出现的异常等条件查询历史数据。异常处理实现查询的异常现象处理功能并根据维修情况实时跟踪处理状态。此外，当被监测设备出现异常时，系统还会根据预先设定好的规约向预定的手机发送异常报警短信。

1.2.4 辅助决策

主要有诊断规则和专家诊断两个功能。根据诊断规则建立专家库，当设备发生故障时，根据故障类型定义及诊断规则分析故障类型以及可能产生的原因，提供解决方案以供参考。

1.2.5 系统管理

主要包括运行日志、设备及车站管理、用户管理及系统配置3个功能，可通过系统管理功能查看系统运行日志，在权限范围内增加、修改和删除监测的车站和设备以及修改监测系统配置。

2 关键技术及解决方案

2.1 分层通信的通信技术

为在不同传输条件下实现快速高效的数据交换与传输，系统采用分层通信的方式。其中设备层与站机平台作为第1层，如图2所示；站机平台、监测服务器、远程客户端之间的通信为第2层，如图3所示。采集进程与站机平台之间采用基于 TCP协议的 Socket通信，由站机平台作为 Sever端，采集进程主动连接站机平台，并发送注册命令进行注册，注册报文中包含子系统类型等内容。所有在站机平台注册过的采集进程视为合法进程。

图2 设备层与站机层的通信机制

站机平台与监测服务器、远程客户端之间系统采用基于 TCP 的 Socket通信。针对不同的数据类型及数据特点，提供两类通信途径，常规数据通道和实时状态数据通道。实时数据通道对数据实时性要求较高，这类应用主要针对异常报警信息、站机平台运行状态信息、实时拍照数据、实时监测数据等。常规数据通道主要针对通信实时性要求不是很高的数据如周期缺口数据、历史数据等。

图3 站机平台与监测服务器、远程客户端通信机制

2.2 基于缓存技术的存储技术

为了提高存储系统的响应速度，减少 I/O 操作，系统在存储机制中采用缓存技术。缓存机制主要分为服务器数据响应缓存（用在服务端的数据请求响应）、客户端实时数据缓存（用于站机平台、远程客户端的实时状态数据刷新、实时数据监测）。服务器数据响应缓存将每次请求返回的数据自动加入缓存，请求发生时，首先进行缓存区命中检测，如果缓存中存在请求数据，则直接返回；如果缓存未命中，则从数据库或文件中读取数据并响应，并将数据置入缓存。缓存中的数据设有效时限，超出有效时限，自动清除。客户端实时数据缓存针对客户端监测对象状态实时刷新及实时数据监测需求设计。数据处理模块将接收到的实时数据定时推送到缓存区，UI层仅显示从缓存区获取最新的状态数据或实时数据从而减少频繁的 I/O 操作。数据缓存机制如图 4 所示。

图4 数据缓存机制

2.3 基于SOA的业务集成设计

SOA（面向服务架构）是一种以业务为中心的IT 架构方法，将业务作为彼此链接、可重复的业务任务或服务进行整合，站机平台利用SOA将业务服务层与上层功能模块层横向隔离。并通过业务接口总线，实现统一业务接口与多态业务子系统插件隔离，实现子系统功能插件与子系统业务服务接口插件对接的目标以及将业务功能的多样性和多变性与平台层隔离，实现纵向解耦。同时，通过业务接口总线的模式，扩展业务服务类型，实现横向解耦。

3 系统应用与测试

地铁信号系统运行状态在线监测系统于 2013 年8月通过了由北京地铁运营有限公司组织的专家评审，目前已在北京地铁的 13号线及昌平线进行试点部署。在应用过程中，其功能不断得到完善。系统的应用为提高地铁信号设备维护水平发挥了重要作用。如昌平线西二旗站2号道岔作为昌平线目前在此站唯一投入使用的折返道岔，每日需搬动 200余次，对道岔及转辙机状态有极高的要求，部署本系统后维护人员可以不受时间限制在值班室内实时观察转辙机缺口的影像，在第一时间了解转辙机工作状态，从而提前发现故障隐患。

4 结束语

地铁信号设备运行状态在线监测系统，是北京地铁运营有限公司为解决地铁快速发展带来的设备管理难题而研发的一套远程信号设备监测报警系统，通过一系列核心关键技术的研发，研制了高扩展性、便捷性、实用性的信号设备在线监测平台，实现了对道岔、有源应答器、轨道电路以及信号系统电源的在线监测、异常管理以及智能辅助决策，提高信号设备的运营维护水平，系统的研制和推广将提高地铁的运营服务水平，具有广泛的推广前景。

[1] 中国城市轨道交通年度报告课题组 .中国城市轨道交通年度报告 2012 [M].北京：中国铁道出版社， 2012.

[2] 马全松，秦亚明，杨云国 .TJWX-2000 型信号微机监测系统设计 [J].铁道学报，2003（1）：54-58.

[3] 刘彦斌，彭 强 . 基于 PC104 的铁路道岔监测系统的设计与实现 [J].铁路计算机应用，2007（8）：20-22.

[6] 陆 欣，丁晓明，裘正定 . CAN 总线在道岔密贴缺口监测系统中的应用 [J].铁路通信信号，2007，43（6）：20-21.

[7] 王立延 .LWJ2000 铁路信号微机监测系统 [J].铁路计算机应用，2004，13（5）：39-40.

[8] 郑 林 .铁路信号微机监测计算机辅助设计 [J]. 铁路计算机应用，2005，14（5）.

[9] 张 杰，李家才 .计算机网络在铁路信号中的应用 [J].铁道通信信号，2002，38（12）：1-3.

责任编辑 方 圆

Design and implementation of Online Monitoring System for signal devices of metro

CHANG Liukai1, TAN Hua2
( 1. Research and Development of Metro Operation Technology, Beijing Metro Operation Co., Ltd., Beijing 102208, China; 2. Hangzhou Huijing Technology Co., Ltd., Hangzhou 310000, China )

The real-time running data of signal equipment was obtained by using multiple kinds of sensor technology, and transmitted by using wireless communication and network technologies. The paper introduced the Online Monitoring System for signal devices of metro. The System was with real-time monitoring functions to turnout, switch machine, active balise, the track circuit, signal equipment, power equipment and system. It was benef i cial to remote realtime monitoring operation signal equipment, and facilitated the use, maintenance and fault diagnosis of equipment.

metro; signal devices; online monitoring; turnout; track circuit; active transponder

U231.7∶TP39

：A

1005-8451（2015）03-0054-04

2014-08-15

常浏凯，助理工程师；谭 华，助理工程师。