列控设备动态监测系统dms学士学位论文.docx
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列控设备动态监测系统dms学士学位论文
湖南铁路科技职业技术学院
毕业设计
课题列控设备动态监测系统
专业城市轨道交通控制
班级312-1
学生姓名米雪
指导单位
指导教师许丽
二零一四年十二月二十二日
摘要
为实时掌握列控设备工作状态，科学指导列控设备维护工作，及时处理列控设备故障，保证列控设备正常运行，2006年铁道部运输局基础部组织开展了列控设备动态监测系统（DynamicMonitoringSystemofTrainControlEquipment,简称DMS）研发，并在铁道部、铁路局、电务段三级部门有关单位进行试验应用。
DMS采用成熟的信号处理、计算机、数据传输和网络通信技术，实现对列控设备工作状态的实时监测和预警分析，科学、快速地指导现场维护和故障应急处理工作，提高维护工作的针对性和时效性。
DMS由列控车载信息采集装置（简称DMS车载设备）、铁路总公司/铁路局DMS数据中心和用户终端组成。
在铁路总公司和相关铁路局设置两级DMS数据中心，在铁路总公司、铁路局和站段设置三级用户。
DMS车载设备安装在动车组内，在列车运行过程中，对列控车载设备运行状态信息、地面应答器信息、无线闭塞中心（RBC）报文信息和轨道电路信息等进行实时监测，并将监测数据通过铁路GSM-R网络或公网GPRS/3G实时传回地面数据中心，经过数据分类、判断、处理和分析，完成列控车载设备及相关地面设备工作状态的实时监测和分析。
关键词：
DMS车载设备；DMS数据中心；用户终端
目录
二零一四年十二月二十二日1
摘要2
目录3
第1章系统概述5
1.1总体描述5
1.1.1研制过程5
1.1.2概述5
1.2系统作用6
1.3系统特点6
1.4主要功能7
1.4.1实时监测功能8
1.4.2实时报警功能9
1.4.3实时跟踪功能11
1.4.4实时查看功能11
1.4.5信息解析功能11
第2章体系结构14
2.1原理框图14
2.2系统组成15
2.3体系结构16
2.3.1系统总体架构16
2.3.2系统物理架构19
2.3.3程序设计23
2.3.4软件测试26
2.3.5主要界面26
2.3.6传输方案29
2.3.7功能设计31
第3章DMS硬件和软件39
3.1硬件体系结构39
3.1.1车载设备39
3.1.2地面设备40
3.1.3通信结构41
3.1.4主要技术参数42
3.2软件体系结构46
3.2.1软件系统结构46
3.2.2车载设备软件结构48
3.2.3铁路总公司DMS数据中心设备软件结构51
3.2.4铁路局DMS数据中心设备软件结构52
3.2.5用户终端软件53
第4章系统接口和维护55
4.1安装运用情况55
4.2设备日常维护57
4.2.1状态说明57
4.2.2日常维护58
4.2.3操作注意事项60
4.2.4系统故障及处理61
第1章系统概述
1.1总体描述
1.1.1研制过程
铁路第六次大提速以来，随着大量动车组的开行，如何实时掌握动车组运行状态信息并科学指导列控设备应急故障处理，保证铁路运输安全和效率，成为运输部门一项重点关注的课题。
为实时掌握动车组列控系统工作状态，科学指导列控系统维护工作，及时处理列控系统故障，保证动车组正常运行，2007年，运输局基础部组织研发了列控设备动态监测信息采集装置，并开展了列控设备动态监测系统及动车组司机操控系统（简称DMS及E0AS）研究，在部、局、电务段三级部门有关单位进行试验应用，效果显著。
由于该系统车载设备及相关地面设备始终处于在线监测状态，对于科学、及时指导列控设备维护和故障处理起到了积极的作用，得到了用户的认可。
2007年通过铁道部科技司组织的技术审查。
1.1.2概述
列控设备动态监测系统及动车组司机操控系统，是利用高科技手段对动车组运行状态、列控设备工作状态及司机操作状态进行全程在线监测及检测的监测系统，由车载信息采集装置、地面数据中心及查询终端三部分组成。
车载信息采集装置安装在动车组相应机柜内，在运行中完成对ATP列控系统运用状态、应答器位置及报文、轨道电路传输特性等信息的采集，同时还实时采集动车组司机相关操控信息，这些信息对于电务部门及时掌握列控设备工作状态，科学指导列控设备维护维修由重要左右。
司机操控相关信息对机务管理部门及时掌握、分析动车组司机操控情况，监督司机工作状态，加强对动车组司机的业务指导与管理具有非常重要的作用。
系统采集的数据通过GPRS/GSM-R网络传回地面数据中心，经处理、分析、统计后，通过互联网或铁路生产网传给各查询终端，配以地面网络传输管理分析设备，从而达到动车组在运用过程中，对涉及行车安全的信号设备ATP、应答器、轨道电路等内容的监测，实现列控设备和地面设备的检测、分析。
总体做到列控设备日检测，达到利用车载动态设备检测地面静态设备的目的。
1.2系统作用
1）为电务维护人员提供ATP设备、轨道电路和应答器等实时信息，为设备维护提供依据。
2）为行车调度科学指挥提供动车组实时运行信息。
3）为机务管理部门及时掌握和分析动车组司机操控情况，监督和掌握司机工作状态，加强对动车组司机的业务指导与管理提供科学手段。
4）为机车综合无线通信设备（CIR）、工务晃车检测、机车信号远程监测系统等设备提供扩展接口，实现数据共享。
1.3系统特点
1）系统采用模块化、标准化设计，层次分明又相互衔接。
对车载列控设备运行状况、地面应答器、轨道电路等进行实时监测和检测，为电务分析和排除故障提供第一时间的数据资料。
2）系统支持包括200H、200C、300T、300S、3D和300H在内的六种ATP系统列控数据协议的解析；采用电气隔离和通信隔离的设计原则，在对列控设备进行监测的同时，保证列控设备的运行安全。
3）系统除了能适应不同车型的监测需求外，还提供了标准接口，只要第三方按照标准设计，列控设备动态监测装置还可以给第三方提供必要信息，列控设备动态监测装置可以做一个公用的共享平台。
4）系统采用支持GPRS和GSM-R同步传输处理技术，并智能选择通信网络、数据包完整性校验、通信应答和数据包加密等设计方法，保证了系统数据传输的安全性和可靠性。
5）地面数据中心服务器设备采用安全性较高的Unix和Linux操作系统，通过双机热备、限制端口、记录安全日志等措施保证主机的安全性和可靠性；系统的主要设备及能够用于服务的设备均部署在铁路内部生产网机房中，保证了系统的网络安全性；采用数据下载权限管理、身份识别设计和基础数据审查设计实现系统应用安全设计。
6）数据查询终端使用OpenGL标准图形引擎，结合丰富的图形表达能力，直观的、高性能的向用户展现了各类信息的图形化显示界面，全程跟踪动车组的运行情况，保证了系统的可用性。
7）列控设备动态监测系统能够满足设备维护需要，实现对列控车载设备和地面设备状态的实时监测和分析；能够满足调度需要，为调度员提供动车组实时运行信息；能够为其它设备（如CIR、工务晃车检测、机车信号远程监测）提供信息。
1.4主要功能
列控设备动态监测及司机操控信息分析系统是以GPRS、GSM-R和铁路内部网络为依托，实现动车组列控数据、司机操控信息实时采集、入库；建立铁道部和铁路局两级列控动态数据中心，实现铁道部、铁路局及站段的三级应用；形成铁道部以监督指导为主，铁路局以数据管理为主，电务段、机务段以分析运用为主的管理模式；实现列控数据、司机操控信息从源头到运用的全程管理。
1.4.1实时监测功能
（1）列控车载设备（ATP）信息实时监测
电务维护人员通过铁路网实时监测所有运行动车组ATP设备的信息，包括运行模式、运行等级、运行速度、常用制动、紧急制动、ATP故障、地面轨道信号状态、应答器状态等信息。
ATP事件变化或动车组运行速度每变化超过10公里，ATP状态信息及时组包进行发送。
运行模式、运行等级等一旦发生变化或制动触发，ATP状态信息即实时组包进行发送。
（2）司机操控信息实时监测
机务业务人员通过铁路网实时监测所有动车组司机操控信息，包括司机编号、司机姓名、制动状态、运行模式、隔离开关、司机对DMI的操作、牵引手柄状态、方向手柄状态等信息。
司机编号及司机姓名作为基本状态信息，在未发生变化前一直保持上一状态值的显示。
运行模式、隔离开关、牵引手柄状态、方向手柄状态和司机对DMI操作等信息采用触发式传输方式，一旦司机操作手柄使手柄的位置发生变化或司机对DMI进行操作，即进行实时组包并传输。
（3）动车组运行状态信息实时监测
调度业务人员通过铁路网实时监测所有动车组的运行时间、运行速度、里程、线路名称、交路名称、前方车站名称、所属路局、动车编号、车次等信息。
动车组运行速度每变化超过10公里，动车组运行状态信息及时组包进行发送。
动车组运行位置变化超过10公里，动车组运行状态信息及时组包进行发送。
其它信息采用触发式发送机制，即变化即组包发送。
1.4.2实时报警功能
系统对动车组运行过程中发生的异常信息进行实时报警，报警信息主要有四个部分：
（1）非正常停车报警。
非正常停车报警包括动车组在运行过程中出现的在非正常停车站的停车信息，系统应能自动给出停车车辆、运行车次、停车时间、停车位置，并综合各种信息做出非正常停车原因提示。
（2）轨道电路报警。
轨道电路信息报警包括轨道电路掉码、码序异常等报警。
（3）ATP报警。
ATP报警包括在动车组运行过程中ATP系统检测到系统自身各个单元模块工作异常情况报警。
（4）应答器报警。
应答器报警信息包括应答器链接错误报警、应答器默认报文报警和应答器丢失报警等。
（5）应答器报警。
无线链接异常报警包括无线连接超时报警、无线链接报警和无线一致性报警等。
1.4.3实时跟踪功能
运用GPS对运行中的动车组实时进行跟踪、定位，并可回放运行数据。
1.4.4实时查看功能
对各类信息，如：
应答器报文、RBC数据、关键文本信息都可实时进行查看、分析、回放、图示、导出等。
1.4.5信息解析功能
（1）列控数据的解析
目前投入运用的列控系统设备（ATP系统）涵盖了以下六种：
不同ATP系统所采用的通信原理、通信接口和通信协议均不相同，列控设备动态监测系统应同时具备六种ATP系统信息的解析功能，融合六种ATP系统数据解析协议。
（2）动车组司机操控信息的解析
目前运营的动车组车型涵盖了CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型动车组和380km/h动车组。
不同车型动车组司机操控信息通信协议和数据解析方式均不相同，列控设备动态监测系统及动车组司机操控信息分析系统同时具备五种车型动车组司机操控信息的解析功能，融合五种司机操控信息数据解析协议。
司机操控信息包括制动信息、控制手柄位置信息、方向手柄位置信息和司机对DMI的操作记录信息。
退勤检索分析项点包括：
隔离模式、目视行车、非正常转LKJ、超速触发常用制动、紧急制动、非正常停车等6项。
综合分析：
机务段安全科专职分析人员对段动车组司机操控信息进行综合分析。
◆支持基本检索分析。
◆支持数据汇总分析。
◆支持以EXCEL方式自动生成日、旬、月报表并导出为EXCEL表格。
◆支持动车组司机操控信息文件的下载和导出。
◆实时监控：
动车组信息台对动车组途中运行情况实施动态监控，对于系统警示信息、司机报告的运行途中发生的设备故障、重要情况等进行实时监控。
（3）动车组运行信息的解析
实时监控：
调度台业务人员对动车组运行基本状态实施动态监控，对于运行途中的动车组运行情况及运行位置、报警信息进行实时跟踪并及时安排调度计划。
综合分析：
调度台专职业务分析人员对动车组运行状态进行综合分析，动车组调度通过动车组运行信息查询系统实时掌握动车组运行情况，及时安排调度计划并综合分析。
◆动车组运行数据文件的下载和管理功能。
◆报警信息导出、保存功能。
◆关键数据支持以EXCEL方式自动生成日、旬、月报表功能。
第2章体系结构
2.1原理框图
1）每列动车组匀配置车载信息采集装置，完成对GPS、STM、BTM、ATP信息的采集，通过GPRS/GSM-R网络发送到地面数据中心，各铁路局、电务段、维护中心、动车段（所）通过互联网/铁路生产网接收数据。
2）300HATP车载设备中的DMS
2.2系统组成
DMS设备组成
车上设备：
列控设备动态监测装置地面设备：
1）地面数据中心；2）数据查询终端
2.3体系结构
2.3.1系统总体架构
（1）列控设备动态监测系统及动车组司机操控信息分析系统系统总体架构框图如右图所示：
（2）列控设备动态监测系统及动车组司机操控信息分析系统由六个模块组成：
2.3.2系统物理架构
由系统物理架构框图可看出系统的硬件架构设计共分为四层：
第一层：
列控车载信息采集装置；第二层：
铁道部列控动态数据中心（包含网络传输部分硬件）；第三层：
铁路局列控动态数据中心；第四层：
各站、段用户终端。
第一层：
列控车载信息采集装置：
车载信息采集装置采用标准CPCI结构设计、嵌入式操作系统。
在列车运行过程中完成司机操作信息、列控设备状态和报警信息、轨道电路信息、应答器及报文信息、RBC报文等列控信息和动车组运行状态信息的实时采集，数据通过GPRS或GSM-R无线网络发送到地面数据中心。
（1）设备构成
列控车载信息采集装置主机包含机箱、CPU插板、GSM-R插板、GPRS插板、GPS插板、TCR插板、ATP插板（MVB插板、C2插板）、CIR插板、TEST插板和POWER插板。
列控车载信息采集装置主机框图如下图所示：
（2）各模块功能介绍
①GPRS插板实现所采集数据通过GPRS的实时传输。
②GSM-R插板实现所采集数据通过铁路GSM-R进行实时传输。
③GPS插板为列控车载信息采集装置提供动车组位置信息和时钟信息。
④TCR插板实现轨道电路信号的采集和计算。
⑤ATP插板实现与列控车载ATP设备接口，接收列控车载设备运行、故障信息及应答器、RBC信息。
⑥CIR插板实现与CIR设备接口，接收列车车次号等信息的同时，向CIR输出里程标和列车速度等信息。
⑦TEST插板实现设备各单元故障指示，提供主机调试接口。
⑧POWER插板接入DC110V电源转化为DC12V和DC5V，为设备提供电源。
⑨CPU插板为列控车载信息采集装置设备核心处理单元，负责数据核心处理、数据传输控制、总线管理、通信调度功能；负责具有数据存储和数据USB自动下载功能。
⑩其他空白面板为扩展单元提供预留空间。
第二层：
铁道部列控动态数据中心：
铁道部列控动态数据中心硬件：
由数据库服务器、数据接收处理分析服务器、数据分发服务器、数据存储设备、维护工作站等构成。
①数据库服务器
数据库服务器主要负责业务数据及基础数据的存取和访问控制。
数据库服务器提供数据管理服务和数据集成分析服务，主要用来保存列控设备监测信息和动车组运行信息等过程业务数据，以及信号库、应答器库等基础数据。
数据库服务器选用高性能小型机。
数据库采用双机热备方式，保证整个数据存储的安全性。
②数据接收处理服务器
数据接收处理服务器主要负责接收通过GSM-R和GPRS网络传输的列控动态数据，包括数据传输控制、数据解压、数据序列处理和原始数据存储等工作。
通过数据接收处理服务器处理后传输给数据应用服务器结合基础数据进行进一步数据分析。
硬件配置可采用PC服务器。
③数据分发服务器
数据分发服务器主要负责将数据分析结果按照不同路局的数据分发权限，将数据分发给各铁路局列控动态数据中心。
根据业务数据类型分为电务数据、机务数据和调度数据。
数据分发服务器可采用刀片服务器。
④数据存储设备
列控设备动态监测系统对基础数据和业务数据进行存储。
⑤数据共享服务器数据共享服务器具备高性能计算和良好的可扩展性，安装数据共享处理分析模块，部署信息交换共享平台。
其它部门的业务系统经由数据共享服务器提供的数据接口、数据协议得到系统所需要数据，实现本系统与铁路其他业务部门和信息系统的信息共享。
共享服务器可采用PC服务器。
第三层：
铁路局列控动态数据中心：
铁路局列控动态数据中心硬件：
由数据库服务器、数据应用服务器和数据存储设备、维护工作站等构成。
①数据库服务器
数据库服务器，负责应用数据存取和访问控制。
主要用来保存本路局权限范围内的列控设备监测信息、司机操控信息和动车组运行信息等（15天至一个月）即时业务数据，以及信号库、应答器库、司机编号库等基础数据。
数据库服务器可选用小型机，数据库采用双机热备方式，保证整个数据存储的安全性。
②数据应用服务器
数据应用服务器主要完成数据处理、数据分发和基础数据维护三部分工作。
数据处理指业务数据结合部分基础数据（例如司机编号信息）的处理分析；数据分发指是将数据按照不同业务，分发给不同的站段用户终端；基础数据维护指开放基础数据维护端口，使用户可以根据基础数据的变更即时更新系统所用基础数据。
应用服务器可采用刀片服务器。
③存储设备
列控设备动态监测及动车组司机操控信息分析系统对基础数据、业务数据和分析结果等内容进行存储。
第四层：
各站段用户终端：
根据不同的业务部门，各站段用户终端分为：
①电务用户终端
②机务用户终端
③调度用户终端
用户终端采用商用PC机。
分别安装列控设备动态监测系统软件、动车组司机操控信息分析系统软件和动车组运行信息查询软件，通过铁路内部网实现列控信息、司机操控信息和动车组运行信息的查询、分析、下载，以及关键数据及重点分析数据的存储。
2.3.3程序设计
（1）程序信息流程
列控设备动态监测及动车组司机操控信息分析系统，信息处理流程框图如右图所示：
（2）程序模块
列控设备动态监测系统程序模块由4个模块组成：
2.3.4软件测试
为了保证列控设备动态监测系统软件产品的最终质量，对该系统的软件按照CMMIV3的要求进行了单元测试、集成测试、确认测试、系统测试和验收测试等质量保证。
每个生命周期的软件测试都有严格的测试计划、测试方案、测试规范，按要求严格实施测试，对测试记录进行分析，并根据回归测试情况撰写测试报告，保证列控设备动态监测系统软件的质量。
2.3.5主要界面
（1）列控动态实时监测系统主要界面如下图所示：
实时跟踪监控非正常停车报警信息动车跟踪示意图
（2）司机操控信息分析系统主要界面如图下图所示：
实时监测数据退勤分析查询签署退勤意见
2.3.6传输方案
（1）铁道部、铁路局级传输方案
列控车载信息采集装置安装在动车组上，在动车组运行中完成动车组运行状态信息、ATP设备的状态及故障信息、地面应答器状态、报文、RBC报文数据、轨道电路传输信息及司机操控信息的实时采集，形成列控动态数据，并通过无线网络传回铁道部列控动态数据中心。
（2）铁路局与用户终端间传输方案
①各铁路局列控动态数据中心应用服务器通过铁路内部生产网获得铁道部列控动态数据中心所分发的数据，结合基础数据库进行解析、存储。
铁路局列控动态数据中心负责本路局基础数据库的维护和管理工作。
②电务、机务和调度部门分别利用电务、机务和调度用户终端通过铁路内部生产网从路局列控动态数据中心下载和查询ATP设备状态信息、司机操控信息和动车组运行信息。
③其中部-局间数据传输采用了基于RemObject的分布式数据传输技术，保持路局数据与数据中心数据同步；终端与路局服务器之间直接采用基于TCP的查询访问。
（3）数据传输
GSM-R系统承载列控动态数据传输业务，采用集中控制模式，全路动车组上列控车载信息采集装置将列控动态数据发送到位于北京GSM-R核心网机房的M-GRIS（维护用GPRS接口服务器），然后再转发给铁道部列控动态数据中心设备。
列控车载信息采集装置配置GSM-R数据通信模块，实现GSM-R分组数据传输功能。
在北京GSM-R核心网机房配置监测用GPRS接口服务器（MGRIS），与北京GGSN连接，通过GSM-R网络实现与列控车载信息采集装置间的无线数据传输。
M-GRIS通过防火墙和数据专线与铁道部列控动态数据中心设备进行数据传输，保证业务应用系统与GSM-R系统的隔离。
（4）技术要求
①通信协议
列控车载信息采集装置与M-GRIS间采用TCP/UDP协议。
M-GRIS与小型机数据接收处理分析（GSM-R）间采用TCP/IP协议。
②下行数据传输
列控车载信息采集装置在上电获取IP地址后，应向铁道部列控动态数据中心申请用户注册，注册信息中包含车次号、PDP激活用户名、MSISDN号、列控车载信息采集装置设备号等。
铁道部列控动态数据中心在收到注册信息后，核对各项信息无误后，记录该列控车载信息采集装置当前状态。
在铁道部列控动态数据中心需要向列控车载信息采集装置发送数据传输确认等信息时，直接查表得到列控车载信息采集装置的IP地址，填入数据帧后发送给M-GRIS。
M-GRIS根据数据帧中目标IP地址直接建立与列控车载信息采集装置的连接，将数据帧发送给列控车载信息采集装置。
数据传输频度：
◆动车组停车时，列控车载信息采集装置发送数据的最小间隔不小于1分钟。
◆动车组运行时，列控车载信息采集装置发送数据的平均间隔为3秒。
2.3.7功能设计
（1）软件功能架构
根据列控设备监测及动车组司机操控信息分析系统的需求分析，整个系统的软件功能架构设计为信息采集/处理/传输、动车组运行信息查询管理、动车组司机操控信息分析管理、列控设备动态监测管理、数据共享服务和基础数据维护管理六个功能部分，以上六大功能模块的设计思想贯穿整个系统的设计方案中。
（1）应用功能设计
列控车载信息采集功能设计：
①完成列控车载设备状态信息和报警信息、地面应答器信息、无线列控RBC信息、GPS、轨道电路、司机操作信息及扩展设备信息的实时采集，采集数据经处理后通过GSM-R和公网GPRS网络实时发送到地面数据中心；
②具备上电自检及远程自诊断功能；
③具备软件远程自动升级功能；
④具有监测车载DC110V电源电压，并记录瞬间断电情况；
⑤为机车综合无线通信设备（CIR）、线路晃车检测、机车信号远程监测系统等设备提供扩展接口，实现数据共享；
⑥具有数据USB自动下载功能，并能结合“CTCS-2/CTCS-3数据分析软件”进行数据分析；
⑦具有单元扩展功能；
⑧信息采集具备通信隔离、电气隔离功能。
（2）铁道部级信息处理功能
（3）铁路局级信息处理功能
（4）列控设备动态监测功能
列控设备动态监测模块软件安装在电务处、电务段和动车所，为电务维护人员提供车载ATP、RBC、轨道电路、应答器等实时信息。
电务运用人员通过该软件实时掌握动车组运行状态信息、车载列控设备的运行状态信息和故障报警信息，并及时做出故障处理，保证安全行车。
主要功能如下：
①实时监测ATP设备运行状态、地面轨道电路状态
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