铁路接触网在线监测系统的设计与实现.docx

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铁路接触网在线监测系统的设计与实现

硕士专业学位论文

铁路接触网在线监测系统的设计与实现

DesignandImplementationofRailwayCatenaryOn-LineMonitoringSystem

作者：

导师：

北京交通大学

2022年4月

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10004密级：

北京交通大学

硕士专业学位论文

铁路接触网在线监测系统的设计与实现

DesignandImplementationofRailwayCatenaryOn-LineMonitoringSystem

作者姓名：

学号：

导师姓名：

职称：

工程硕士专业领域：

软件工程学位级别：

硕士

北京交通大学

2022年4月

致谢

摘要

电气化铁路由于是通过高速行进的受电弓与接触网滑动而取电的，这种相对高度动态接触的取流方式极大的增加了设备状态的不可预见性和不可控性，给电气化铁路正常供电状态的保持带来了巨大的挑战，尤其是在车列不断增长、车流密度不断增大的铁路线上，线路发生故障的几率会进一步提高。

本文分析了目前国内电气化线路接触网工作的实际情况，结合接触网故障发生的实际情况，给出了一套接触网故障在线监测系统的实现方案。

论文通过对接触网故障发生情况的实际调查和需求分析，在获取详细的需求报告的基础之上，对监测系统展开详细的设计，具体功能包含地区管理、设备管理、故障管理、报表管理以及系统管理，系统采用MVC框架，使用Java语言进行实现，针对所实现的系统设计了完整的测试方案并实施了测试。

本人主要参与的系统模块设计工作包括：

（1）地区管理，区域划分是电气化运输线路一个较为重要的概念，本文基于传统的实际区域划分情况，采用可视化的界面对区域划分进行展示，将管理工作的具体内容落到实处；

（2）设备管理，在线监测系统的主要工作是对线路中各部分的故障检测硬件进行信息管理，设备管理工作采用工业4.0的概念，对各种不同的设备以中间件的形式进行管理，其中包括设备的基本设置以及各种信息的管理；

（3）故障管理，故障管理是在线监测系统的核心，该部分负责所监控线路段所有故障信息的报警以及后续处理工作；

（4）报表管理，对系统中所有设备工作信息以及故障情况以报表的形式进行汇总、展示、保存，以其在日后的工作中提供经验指导工作；

（5）系统管理，考虑系统实际应用的需要，系统管理提供系统维护、权限管理以及用户信息管理，通过严格的权限管理为系统的安全性提供保障。

结合先进的技术手段与完善的需求分析工作，本文提供的接触网在线监测系统的解决方案可以很好的实现具体工作的需求。

经过初期的系统初步试运行，本系统的运行效果得到了使用部门的一致认可，取得了较好的效果。

关键词：

接触网；故障检测；在线监测；中间件

ABSTRACT

China'sboomingeconomy,theneedmaneuveringelectrifiedrailtransport.However,becauseitisthroughtheelectrifiedrailwaycatenarypantographslidewhilemovingathighspeedtotakepower.Thisrelativelyhighdegreeofdynamiccontacttakingstreamedgreatlyincreasestheunpredictabilityofthestateapparatusanduncontrollablenature,tomaintainthenormalpowersupplystaterailwayelectrificationhasbroughtgreatchallenges.Especiallyinthecarcolumnisgrowing,increasingtrafficdensityoftherailwayline,thelinenotonlyincreasesthechanceoffailure,andoperationalvaluedoubledrailwayminute,cangeneratetensofthousandsorevenhundredsofdollarperminuteindirecteconomicbenefits.

Inthispaper,consideringtheactualsituationofthedomesticelectrificationcatenarylineofwork,combinedwiththeactualsituationcatenaryfailure,itgivesacatenarylinemonitoringsystemimplementation.TheoccurrenceofactualinvestigationbytheOCSfault,aswellasrelevantstafftostartspecificneedsanalysis,detailedreportonthebasisofdemand,tostartthedetaileddesignofthemonitoringsystem,asetcomprising:

aregionalmanagement,equipmentmanagement,faultmanagement,reportmanagement,andsystemmanagementthemedesign,atthesametime,usingMVCframeworkwithJavalanguagesoftwaresystemsimplementationandrealizationofthesystemdesignforthecompletetestprogram,andimproveverificationsystem.Inthiswork,thesystemmoduledesignworkhimselfprimarilyinvolvedinclude:

（1）Regionalmanagement,zoningiselectrifiedtransportroutesamoreimportantconceptpaperbasedonthetraditionaldivisionoftheactualarea,theuseofthevisualinterfaceoftheregionaldivisionondisplay,theimplementationofthespecificcontentmanagementintopractice;

（2）Equipmentmanagement,on-linemonitoringsystemisonthelineinvariouspartsofthefaultdetectionhardwareinformationmanagement,equipmentmanagement4.0usingindustrialconcept,avarietyofdifferentdevicesintheformofmiddlewaremanagement,whichincludingbasicsettingsforthedevice,andmanageallkindsofinformation;

（3）Faultmanagement,faultmanagementofthecoreon-linemonitoringsystem,whichispartlyresponsibleforthealarmlinesegmentandsubsequentprocessingofinformationbymonitoringallfaults;

（4）Reportmanagement,systeminformation,andallthedevicesintheworkreportoffailuretosummarizeinformation,display,save.Provideguidanceforitseperienceinfuturework;

（5）Thesystemmanagement,considertheneedsofthepracticalapplicationofthesystem,thesystemprovidessystemmaintenancemanagement,rightsmanagementanduserinformationmanagement,throughthestrictrightsmanagementtoprovideprotectionforthesecurityofthesystem.

Combinedwithadvancedtechnologyandimprovethedemandanalysis,thisarticleprovidesacatenarylinemonitoringsystemssolutionscanachieveverygooddemandforconcretework.Aftertheinitialsysteminitialcommissioning,operationeffectsofthepresentsystemhasbeenrecognizedbytheuserdepartments,andachievedgoodresults.

KEYWORDS:

Catenary;Faultdetect;On-Linemonitoring;Middleware

1绪论

我国配电线路结构复杂，环境变化多样，接地、短路、断线、雷击和老化击穿等故障频繁，配电线路维护工作量大等，为提升供电可靠性和及时率，为国民经济保驾护航，线路故障监测工作在这中间扮演着重要的作用。

1.1论文背景

中国经济的蓬勃发展，需要风驰电掣的电气化铁路运输。

然而电气化铁路由于是通过高速行进的受电弓与接触网滑动而取电的。

动态取电方式对接触网的可靠性带来巨大的挑战，同时也为线路的可控制性带来挑战[1]。

同时，随着线路列车数量的不断增长，单一线路上的车流密度发生着翻天覆地的变化，在这种前提之下不但线路发生故障的几率提高了，而且铁路分钟运营价值成倍提高，每分钟就能产生数万元甚至十几万元的间接经济效益[2]。

神朔铁路西起陕西神木县大柳塔镇，东至山西朔州市，中间从山西神池县与朔黄铁路接轨，是双线电气化一级铁路，全长278KM，大柳塔至神池南为双线全自动闭塞，双线长216KM，是我国西煤东运的第二通道。

神朔线牵引供电系统年运量为9000万吨设计施工的，全线自西向东分设神木北、新城川、府谷、阴塔、神池南五座牵引变电所和若干分区所、AT所，其中大柳塔至桥头、神池南至朔州西采用直接供电方式，中间段桥头至神池南采用AT供电方式。

当接触网发生线路故障，往往找故障的时间远远大于排除故障的时间。

例如，一般接触网故障处理最多耗时1小时左右，而寻找故障点的时间却远远大于这个时间，有时竟达到数小时[4,5]。

为解决上述问题，本文基于配电线路的“智能电网”理念与实际运行技术经验研制出一套“接触网线路智能在线监测系统”。

该系统综合运用了故障检测、无线通信、计算机、网络通信和信息建模等技术，可以实时监测接触网线路运行情况，准确判断故障类型和位置，全面掌握线路运行情况。

本系统的应用，将提高供电可靠性、减轻工作人员的劳动强度，提高工作效率、为接触网线路的安全、经济运行保驾护航[6]。

1.2接触网故障检测现状

接触网故障检测问题是一个较为传统的项目，近年来随着国家大力兴建基础设施，国内铁路总里程经历着翻天覆地的变化。

随着铁路里程的增加，各种接触网相关的故障处理问题逐渐的凸显出来。

相关方面有众多学者进行了较为广泛的理论探讨学习。

何正友[7]先生等基于无人飞行器的接触网故障检测与诊断方法，其步骤为：

1）图像采集：

通过无人飞行器携带摄像设备沿接触网拍摄，分别得到可见光和红外光的接触网图像；2）图像灰度化；3）图像增强；4）图像分割；5）图像分解；6）图像融合：

将可见光的拉普拉斯金字塔各层与红外光的拉普拉斯金字塔相应层融合，再对融合后的拉普拉斯金字塔进行图像重构，得到可见光和红外光图像融合后的接触网部件图像；7）由BP神经网络进行图像识别与故障判断。

该方法可实现多方位多角度、实时有效地采集机车运行时的接触网图像，自动识别出图像中的接触网部件，并判断出接触网是否发生故障及故障类型，其判断结果更加准确、可靠，能更好地保障铁路运输的安全。

袁志鹏[8]先生等通过分析小波变换的原理及其算法，把小波的局部时-频特性与铁路接触网故障结合起来，用基数B-样条构造紧支集双正交小波提取故障时刻电流信号的瞬时特征量，提出了以此为基础的快速检测接触网故障的新方法。

该方法有效地提高了检测的可靠性和快速性。

刘志刚[9]先生针对高速铁路接触网棒式绝缘子故障的特点和检测需求，提出一种快速模糊匹配及故障检测方法。

在获取现场设备图像的前提下，通过分析图像采用分析算法，提取图像的KPI来计算电流峰值点，通过快速匹配来判断绝缘子的状态，对绝缘子的工作状态进行判断。

其识别结果显示该方法有较好的鲁棒性和识别率。

李玉庆同学[10]利用GTM900C模块与GPRS无线网络设计了一种接触网作业接地线检报系统，系统主要实现了调度中心工作人员能够通过服务器监视现场接地线的挂接与拆除情况，同时还可以管理接地线使用信息。

1.3论文主要工作

根据前文的叙述，接触网故障检测技术发展经历了较长时间的发展、研究。

综合目前进行的大部分的接触网故障检测相关的工作，不难发现存在以下几点不足之处[11]：

（1）专门针对电气化铁路线路的研究内容较少，不能考虑国内电气化铁路发展现状，做专门的研究探讨；

（2）研究比较独立，大部分的研究工作都只针对某项检测技术或者检测工具进行研究，研究结果的系统性使用缺失[12]；

（3）应用系统研究的缺失，针对国内接触网故障在线监测技术的发展，缺少相关的文献内容，尤其是具有使用意义的研究内容，更加稀少。

本文在综合考虑目前国内电气化线路接触网工作的实际情况，结合接触网故障发生的实际情况，给出了一套接触网故障在线监测系统的实现方案。

通过对接触网故障发生情况的实际调查，以及对相关工作人员展开具体的需求分析，在获取详细的需求报告的基础之上，对监测系统展开详细的设计，提出了一套包含：

地区管理、设备管理、故障管理、报表管理以及系统管理为主题的设计方案，同时，采用MVC框架搭配Java语言对软件系统进行实现，并针对所实现的系统设计完整的测试方案，验证系统的完善性。

在本次工作中，本人主要参与的系统模块设计工作包括：

（1）地区管理，区域划分是电气化运输线路一个较为重要的概念，本文基于传统的实际区域划分情况，采用可视化的界面对区域划分进行展示，将管理工作的具体内容落到实处；

（2）设备管理，在线监测系统的主要工作是对线路中各部分的故障检测硬件进行信息管理，设备管理工作采用工业4.0的概念，对各种不同的设备以中间件的形式进行管理，其中包括设备的基本设置以及各种信息的管理；

（3）故障管理，故障管理是在线监测系统的核心，该部分负责所监控线路段所有故障信息的报警以及后续处理工作；

（4）报表管理，对系统中所有设备工作信息以及故障情况以报表的形式进行汇总、展示、保存，以其在日后的工作中提供经验指导工作；

（5）系统管理，考虑系统实际应用的需要，系统管理提供系统维护、权限管理以及用户信息管理，通过严格的权限管理为系统的安全性提供保障。

本文的主要内容论述围绕以在线监测系统的分析、设计与实现来开展，主要的研究内容包括：

以实际应用环境的需求进行的系统建设需求分析，根据本系统在实际应用中所存在的功能诉求，建立本系统的需求报告；根据需求内容对系统的框架进行搭建，同时对系统建设的模块进行划分；依据各模块的功能需求，对各个模块展开具体的设计；最后依据技术手段以及所设计的功能，对系统进行实现以及详细的测试。

1.4论文组织结构

根据本文所涉及的内容，文章的组织结构主要分为7部分：

第一章，绪论。

本章主要就文章开题探讨的现实背景进行分析，就本文主要讨论对象提出的现实背景，然后再对国内外关于本方向的发展情况进行简单介绍，最后就本文的主要讨论内容进行阐述。

第二章，相关技术介绍。

就本文拟采用的技术手段进行一些简单的介绍，主要就该技术手段的技术优势进行分析，论证采用该技术的原因。

第三章，系统需求分析。

根据软件系统建设的典型方法，对系统的需求内容进行分析，主要就系统的用户群体分析，以及系统的功能需求的输入，在功能需求梳理完毕后对系统的模块进行初步的划分。

最后就本系统非功能性需求方面内容进行介绍。

第四章，系统详细设计。

首先对系统的架构进行设计，考虑到本文所采用的技术手段以及功能需求选择合适的框架。

然后就前面提及的功能诉求展开详细的设计，包括流程设计以及模块的设计。

最后就本文的数据库设计进行详细的阐述。

第五章，系统实现。

就前面部分设计的系统，采用技术手段展开详细的实现。

对各个模块进行详细的描述，以及关键技术源代码的展示。

第六章，系统测试。

根据系统的功能设计以及系统实际应用中可能出现的各种情况展开详细的软件测试，对系统的完整性进行论证。

最后，就本次工作的内容进行总结归纳，同时主要就在设计工作过程以及文章总结归纳过程中所存在的不足之处进行介绍，以便在以后工作中进行进一步的学习、完善。

1.5本章小结

本章是系统开篇背景论述阶段，首先就文章的出发背景进行介绍，进而提出文章的研究目的。

接着就文章所设计的技术内容以及学术内容的发展背景以及发展现状进行介绍，最后就文章的主要结构安排和内容部署进行介绍。

2相关技术

考虑到系统的使用条件，处于对安全性以及使用便利性的考虑，系统采用B/S与C/S混合的服务系统，糅合局域网安全性与万维网的高效性为系统提供支持。

为了方便对B/S和C/S混合服务的支持，以及提高系统的内聚性和降低耦合性，采用MVC框架进行实现，这样既提高了安全性，又可以实现B/S和C/S部分代码的复用性，降低系统开发的工作量。

2.1JavaEE体系结构

本系统开发过程中采用JAVAEE架构，此架构的好处是技术已经相当成熟，对于应用级的实现可以更好的提供技术支撑，并且在各种应用平台上都可以得到很好的运行，并且对于未来的不同需求的扩展也可以做很好的支持。

最终实现方案是通过web的形式实现此在线监测管理系统的，JAVAEE与B/S模式的结合，使得web应用更加轻量级，在实现机制上有多种方案提供选择，更加灵活。

下面对JAVAEE的优点进行几点总结：

（1）资源共享，JAVAEE是一个相当成熟的技术，在很多地方已经做了不同的应用，如果需要JAVAEE技术的支持，在很多地方都可以找到不同的资料和已经完成的成熟的技术包，使用的人员也很多，网络上很多人都针对JAVAEE技术进行了分析，资料到处可寻。

（2）对于Java软件开发技术人员来说，JAVAEE是基于一套开源的代码进行工作的，对外接口和中间组件可以很好的对接，很多平常使用的软件功能和技术实现在框架中已经实现，开发人员只需要正确的调用即可，并且在此基础上实现自己需要的特殊功能即可，基于这样的工作模式可以很好的减少工作量，提升开发效率[13]。

（3）论文中的实现方案为利用JAVAEE平台构架MVC的B/S的在线监测管理系统，基于Java的技术都可以很好的在不同技术平台上完美的运行，在兼容性方面的技术就不需要再进行考虑了。

并且对于未来的不同需求的扩展也可以做很好的支持[14]。

（4）对于系统的负载均衡方案，由于JAVAEE平台构架在现有的基础上已经有完美的实现，并且本系统也没有其他特殊的要求，只需要利用JAVAEE平台构架现有的技术即可，基于这样的工作模式可以很好的减少工作量，提升开发效率[15]。

（5）JAVAEE架构是一个相当成熟的技术，在很多地方已经做了不同的应用，可以很好的在不同技术平台上完美的运行，JAVAEE架构的运行的稳定性是毋庸置疑的，安全性能也是有足够的保证的。

基于以上对JAVAEE架构优点的分析，JAVAEE体系结构如图2.1所示。

图2.1JAVAEE体系结构

Fig.2.1ArchitectureofJAVAEE

2.2MVC框架

MVC框架是软件系统的模块化、层次化处理的一种典型理念。

MVC工作原理如图2.2所示。

图2.2MVC架构

Fig.2.2ArchitectureofMVC

在计算机编程过程中，经过经验丰富的代码编写，编程人员对代码的编程模式以及编写框架进行总结，得出了一套良好的编程框架与设计模式。

在该设计模式与框架的基础上进行代码编程，可以从一定程度上提高编程的效率，而且代码维护工作也十分方便简单。

所以，在系统建设前，先对其框架和设计模式进行分析，可以得到事半功倍的效果。

这样的分层模式减少了每层之间的关系，避免层与层之间的不好的相互作用。

这样不仅使整个框架的结构更加清楚明白，也可以使维护更加方便，因为它在维护的过程中可以使用户界面不受到影响，对管理者和用户都有优势。

如：

管理员在修改数据的操作过程中，可以不影响业务界面，用户可以照常使用。

对于MVC这样的分布式的有鲜明层次结构的三层架构，在上层的是表现层，表现层主要是为了显示界面，包括文字和图片等的显示；紧接着表现层的是业务层，主要是为了与表现层进行交互，和数据层进行数据连接，业务层与表现层交互是为了展现更丰富的页面数据，并且使得上层与数据层之间可以更好的衔接，工作起来更加高效、迅速；接下来的是数据层，主要是为了与数据库进行交互，对数据库中的数据进行操作：

添加、删除、修改等，在对系统的数据进行管理的过程中，可以选择很多不同的数据管理技术，不过对于MVC这种框架，最终的数据操作都是落在数据层的[16]。

在JAVAEE架构下实现的框架比较多，优秀的也有多种选择，在这些框架中对于MVC是现今比较流行的，其结合了JAVA的经典三大框架Struts、Spring和Hibernate的优势，可以更