铁路安全运行数据管理系统.docx
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铁路安全运行数据管理系统
铁路安全运行数据管理系统
V1.0计说明书
第一章引言
1.1编写目的
1、该项目的目的。
2、本文根据功能需求设计软件的系统结构，供软件开发人员阅读。
3、此设计文档同时为后续升级开发提供依据。
1.2项目背景
随着铁路跨越式发展,我国高速铁路、客运专线铁路的建设速度大大加快。
对铁路运输而言,行车安全是第一位的。
特别是高速铁路、客运专线,随着列车运行速度的提高,可能遇到的各种危险因素也将增多。
除了要求机车车辆、供电、线路以及通信信号设备高性能外，对各种可能发生的灾害，如自然灾害强风、暴雨、大雪、地震、突发事故坍方落石、异物侵限、列车及设备故障等，都要实施全面监测。
如何针对可能发生的各类危及行车安全的灾害，制定科学有效的预警机制和应急预案，建立安全、可靠、实时、准确的铁路安全防灾监控和信息传输体系，在灾害发生前或发生后及时控制运行列车减速或停车，使各种多发、随机的铁路灾害造成的破坏力降低到最小程度或避免灾害的发生，这对铁路部门科学、合理地调度列车、指挥运行，确保铁路客运专线运行安全有着重大的实践意义。
因此，有必要针对可能发生的危及行车安全的铁路灾害，建立相应的监测及科学有效的预警机制，并利用WebService技术研发适合我国客运专线运营模式及自然环境的安全可靠、实时准确的铁路安全运行数据管理系统。
本项目所开发的铁路安全运行数据管理系统就是针对超越高速铁路、客运专线的各类固定和移动设备自身安全限度的灾害及其他危险因素进行监测的系统,达到防范风险、规避灾害、保证铁路列车安全运行的目的。
铁路安全运行数据管理系统的总体目标是在认真研究国外高速铁路的防灾安全监控系统及详细调查我国铁路行车安全检测监测设备种类和部署应用情况以及网络通信资源现状的基础上，充分利用现代通信技术、计算机及网络技术，建立并开发基于SOA（Service-OrientedArchitecture，面向服务架构）模式的多级、网络化、实时性的客运专线综合安全防灾监测和预警系统，实现对危及行车安全的各类铁路灾害的监测，并对监测数据进行集中管理、分析处理、综合利用以及跨地区、跨行业、跨应用系统间广泛的信息资源共享，以期对我国高速铁路的防灾起到积极作用。
在进行系统总体方案设计时应坚持从全局考虑的思想，遵循以下几个原则
Ø统一规划，分步实施原则
系统必须从整体考虑，统一规划，统一标准，统一开发，结合全路客运专线发展的需求，制定分阶段实施的规划。
Ø实用性原则
系统设计从实际出发，采用成熟的先进技术，兼顾未来发展趋势，量力而行。
以经济实用为主，又适当超前，为以后更新留有余地。
Ø可靠性与安全性原则
系统采用关键信息热备份技术、信息搜集的一致性处理、信息使用的权限管理、严格管理制度、严密的系统操作规程等手段，使系统设计根据要求达到相应安全级别，确保系统长期可靠的运行。
系统本身不发生误报和漏报，且不影响其他系统正常工作。
Ø先进性原则
以应用为驱动，在充分利用现有设施和资源的条件下，力求高起点，既满足近期需求，又适应长远发展的需要。
系统的软硬件及相关设备应达到国内先进水平，以满足系统对网络、数据库及客运专线有关部门决策管理等方面的需求。
Ø标准化和开放性原则
充分考虑现代信息技术的飞速发展，采用开放式的网络体系结构、网络协议以及数据库软件系统，以适应未来功能升级的要求，使系统具有开放性、兼容性、扩展性，项目设计应优先选择符合开放性和国际标准化的产品和技术。
在应用开发中，数据规范、指标代码体系、接口标准都应该遵循客运专线、国家及国际规范的相关要求。
第二章系统需求分析
2.1系统总体需求
对全线的基础设施、自然灾害、突发事件进行实时监测；对各种监测信息进行汇总、分析、处理，判定设备安全隐患、灾害及故障的类型、性质和级别；实时显示各种级别的报警预警信息，并提出处理建议。
铁路安全运行数据管理系统是对危及列车运行安全的自然灾害风、雨、洪水、地震等、异物侵限、突发事故等进行实时监测；对各种监测信息进行分析、处理、汇总，判定设备安全隐患、灾害及故障的类型、性质和级别；实时显示经处理后的信息及灾害预警、限速、停运、恢复运营等处理建议，为运营调度中心调整运行计划，下达行车管制、抢险救援、维修等指令提供依据。
系统应具有针对各类不同灾害的处理模型，可以依据线路参数、车辆参数、地形地貌等数据并结合国家地质、气象监测部门的中长期预报信息，根据安全监测装置发送的实时监测数据，通过灾害分析判定决模型，对各种灾害可能对列车运行造成的影响作出判断，提出应急车处理建议。
系统的判决处理模型能够根据运输生产的实际情况进行智能化处理。
系统生成的各种报警信息及行车管制建议应及时发送到与列车运行相关的系统。
实时接收报警信息处理情况的反馈信息，跟踪安全报警事件处理的全过程，实施全面、实时的安全监控。
实现对各种防灾安全监测信息、报警事件处理的统计、查询。
存储相关基础信息和管辖范围内各种监测信息采集设备上传的监测数据
自然灾害风、雨、洪水、地震等监测点的设置、选点布置及设备安装应满足现场环境条件，设置应满足铁路限界要求。
系统的运行不得对其它系统的正常工作产生不良影响。
监测报警设备安全等级应与相关系统安全等级匹配。
应考虑与国家气象部门及地震部门信息交换接口。
系统设备应有完善的故障自诊断和远程维护功能。
故障诊断信息应实时传送到运营调度中心和综合维修段。
系统作为客运专线运营调度系统的重要组成部分，应能够符合运营调度系统总体技术方案要求。
2.2系统具体需求
1、强风监测
能够对影响列车运行的强风作出及时的判别，向行车调度及列车驾驶人员发出行车建议。
根据地形地貌、气象条件和线路设计，设置风向与风速监测模块，当监测到预先设定的报警门限值时，向赛为铁路防灾安全监控模块中央处理装置传输报警信息和实际的风向风速信息，中央处理模块依据处理模型对风速、风向所能造成的行车影响进行分析，向运行调度模块提出行车建议。
2、雨量及洪水监测
对影响列车运行和轨道电路工作状态的降雨进行实时检测，对危及桥梁和列车运行安全的洪水水位与流量进行检测，当系统监测到预先设定的报警门限值时，向系统中央处理装置和综合维修段提供报警信息和实际检测值。
系统根据列车运行情况实时发布行车建议方案。
3、地震监控
系统应能够对铁路沿线的地震信息进行处理，当系统监测的信息达到设定的报警门限值时，提前采取诸如控制信号或牵引变电所断电等措施，停止列车运行，最大限度地降低灾害损失。
系统同时向运营调度中心发出报警信息。
4、异物侵限监控
异物落入铁路会对高速铁路的运行造成巨大影响，应次系统应能够对公路跨越客运专线的桥梁、隧道出入口等必要的地点进行异物侵限监控，对可能发生事件进行实时监测。
当监测到的异物侵限时，系统能够根据侵限程度发出预警或报警信息，通知维修或立即对列车运行进行管制。
系统同时向运行调度发出报警信息。
5、安全防护开关
安全防护开关是防止发生重大人身伤亡和重大行车事故的重要装置，系统应能够及时监控安全防护开关的各种状态。
防护开关的各种状态信息应能够及时反映到与行车相关的系统。
安全防护开关应采取必要的身份识别技术，系统应能够通过远程操作进行权限设置，防止非法的操作。
6、设备监控、火灾报警和视频监控
系统应具有与楼宇自动化、火灾监控系统及视频监控系统的接口，使得调度指挥人员能够及时掌握与列车运行安全相关的各类信息，并能够通过视频监控系统及时掌握现场的实际情况。
第三章软件系统的结构
3.1系统总体设计
1、系统是构架在铁路通信传输网基础之上的安全信息采集和监控系统，由风向风速监测模块、雨量及洪水监测模块、地震监测模块、轨温及火灾监测模块、突发事故异物侵袭及非法侵入防护模块组成。
系统在综合调度中心和基层站段得到运用和管理，配备相应的防灾显示设备、工作站和网络传输设备等。
系统可与客运专线的其它信息系统共享基础信息资源，并与其它信息系统进行数据交互。
整个系统是一个分布式结构，由综合调度中心防灾设备、基层站段防灾设备、现场采集设备3部分组成。
（1）.现场采集设备主要包括风向风速计、雨量计、感震柜、轨温检测仪、烟传感器、防护网、防护开关及数据采集器等。
它主要完成管辖区域内的各种信息量的采集，如风速计用来采集风速值，雨量计用来采集降雨量值等，并将从现场采集的各类灾害数据经初步处理后，经网络传输传送至基层站段。
运行的列车通过自诊断检测到列车上的故障信息，通过区间或站内无线基站传送至车站综合信息模块，并继续通过专用数据通信网传送至综合调度中心的安全监控台汇总、存贮和处理。
（2）.基层站段防灾设备将接收到的各类灾害基础数据进行汇集，实时传送至综合调度中心安全监控台。
同时将接收到的各类灾害基础数据进行统计分析，形成报表，并将结果上报。
（3）.综合调度中心防灾设备对接收的数据进行处理，处理后的强风、暴雨、洪水、轨温、地震等报警信息中包括灾害强度、线路状态、行车规定和巡检要求等具体规定。
按照灾害处理规程给出预警处理建议和方案，将建议和方案传送至各相关业务调度台，并在相关区域运行的列车上显示。
行车调度台将其作为调整行车运行计划的参考因素，必要时行车调度台通知维修和救援部门作好准备。
救援列车由车辆调度台通知动车段调动，救援部门由相关车站出面协调。
客运专线公司将从调度中心安全监控台接收到的信息存档记录以供决策。
2、系统采用分布组件式设计，包括以下部分
ⅰ、底层驱动组件FEP，主要接口组件包括：
OPC接口组件，CORBA接口组件。
设备层接口：
CIP接口驱动组件,ModBus，RS485等。
支持跨平台数据采集。
各驱动组件可动态配置在线加载。
ⅱ、实时数据库组件，具备实时数据处理分析，实时数据缓存，报警与事件事务管理，实时数据转储关系数据库等功能。
并集成微软脚本引擎实现全局联动功能脚本用户自定义功能。
事务调度采用多线程虚拟并行机制，通过记录锁，阶段锁防冲突机制控制事务并发调度。
在以上功能上优化查询算法及实时库数据压缩，提高了系统数据点容量。
在实时数据库引擎外围捆绑分布式组件（OPC与CORBA）建立分布式实时数据库。
ⅲ、实时数据分发服务器组件、该组件采用多线程方式处理客户端数据访问，采用订阅机制与实时库通讯。
同时该组件完成访问权限控制，权限控制可按域划分，也可按控制级别划分。
可在配置工具中灵活配置。
ⅳ、配置工具组，包括：
①实时数据库配置工具，加强了其模式控制配置，与站点配置工具以完成车站级实时库与中央级实时库的连接配置。
②WEB组态工具，该工具具有图形编辑，图库管理，图形组态功能，具备用户自定义维护图库等功能，同时包含WEB页面组态功能，可灵活配置web界面，插入删除图片，添加脚本，添加超级链接，添加删除windows标准控件，插入数据控件并配置数据控件绑定信息，便捷的web发布文件管理功能。
进行web组态后，客户端安装windows浏览器便可实现对系统软件的访问。
系统通过与web页面的数据控件通讯，可实现数据显示，动画，实时曲线分析，历史查询，操作控制，报警与事件通知，设备维护，能源管理等一系列管理功能。
3.2系统的总体功能
从整体上讲，系统主要包括安全监测信息的实时采集、监控及处理，设备运行状态的监测及维修管理，相关基础数据的维护与管理，监测信息的综合查询及统计报表，应用系统运行参数、权限和数据传输等管理，以及一系列后台支撑软件的管理等功能。
针对不同级别的用户和应用，其功能组成和侧重点有所不同。
本系统功能从调度中心级、基层站段级和现场采集设备级五个层面来考虑
1、调度中心级防灾监控子模块的功能
调度中心防灾监控子模块有如下功能：
Ø动态实时显示全线防灾安全监控信息
调度中心防灾监控子模块可在集成化的用户界面上动态、集中地展现全线所有监测点的安全监测信息，包括全线各类铁路灾害监测项的实时变化值和监测系统的运行状态。
Ø灾害预警报警分析及处理建议生成
调度中心防灾监控子模块按规程对全线灾害监测信息进行分析处理，给出各类影响行车安全的预警报警信息和处理预案。
生成的处理建议包括灾害种类、灾害强度、灾害发生时间、地点、线路状态、行车规定和巡检要求等具体规定。
根据各种灾害强度，按照灾害处理规程，至少给出警戒巡检、缓行和停车三级报警。
Ø灾害预警及自动报警
调度中心防灾监控子模块可根据预先设定的门槛值和报警信息分发规则，将报警信息及处理预案自动发送给相关业务部门，同时在系统用户界面上以不同报警手段声音或显示等对灾害分类进行提示，提醒相关部门提前处理。
Ø灾害报警解除报警处理全程跟踪
调度中心防灾监控子模块接收报警事件的处理情况反馈信息，并可在报警消除或事故恢复后获得通知，以跟踪安全报警事件处理的全过程，实施全面、实时的安全监控。
Ø全线安全基础数据的共享与查询
集中存储的全线各类安全信息可供相关业务部门按需要访问。
安全基础数据的查询和使用设有操作人员身份鉴别，防止非法操作和越权查询，数据库数据不可修改。
Ø历史数据存储与管理
全线事故记录、灾害监测数据和报警预警分析结果在调度中心数据库中长期保存，内容包括灾害种类、灾害级别、发生时间、地点、处理意见等数据，文本数据、图形和现场录像资料等。
Ø统计分析
提供全线监测数据和事故记录的日、旬、月、季、年的定期与指定时段的多种统计分析报表和图表，帮助管理人员全面掌握全线事故发生和安全监测的实际状况与变化趋势。
提供全线监测设备故障的日、旬、月、季、年的定期与指定时段的多种统计分析报表和图表，帮助其了解和评价全线设备运用情况。
利用长期累积的全线监测数据进行高级分析。
Ø后台管理
维护全线基础数据，配置系统运行参数，提供用户权限管理和访问日志，可在同一个系统上设置所有用户的访问权限，提供统一的用户认证和权限管理。
2、基层站段级防灾安全监控子模块的功能
基层站段级防灾安全监控子模块的功能如下：
Ø动态实时显示管辖范围内防灾安全监控信息
基层站段级防灾安全监控子模块可在集成化的用户界面上动态、集中地展现管辖范围内所有监测点的安全监测信息，包括管辖范围内各类铁路灾害监测项的实时变化值和监测系统的运行状态。
对于各个联网监测点设备运行状态进行的动态监测，可诊断和定位故障类型，并执行自动报警。
Ø实时接收管辖范围内灾害信息
基层站段级防灾安全监控子模块实时接收管辖范围内的各类灾害数据进行汇集，用于监视与统计。
Ø灾害预警及自动报警
子模块可根据预先设定的门槛值和报警信息分发规则，将报警信息及处理预案自动发送给相关业务部门，同时在系统用户界面上以不同报警手段（声音或显示等）对灾害分类进行提示，提醒相关部门提前处理。
Ø历史数据存储与管理
管辖范围内所有的灾害信息存储在基层站段级数据库中长期保存，内容包括灾害种类、灾害级别、发生时间、地点、处理意见等数据，文本数据、图形和现场录像资料等。
Ø管辖区内灾害数据统计
将接收到的灾害数据分类按日、旬、月、季和年进行统计，形成报表，帮助管理人员全面掌握管辖范围内事故发生和安全监测的实际状况与变化趋势，以及了解和评价管辖范围内设备运用情况，将统计结果上报调度中心。
Ø实时接收监测设备采集的数据
实时接收现场监测设备采集的数据，并进行汇总。
Ø实时自动上报。
Ø存储现场监测设备采集的数据，现场设备采集的监测数据和报警信息保存在基层站段级服务器上。
3、现场采集设备功能
Ø灾害数据实时采集
监测点采集设备能够从现场实时采集各类灾害数据，按需要还可以对采集的数据执行必要的现场处理功能。
Ø监测数据自动上报
将采集到的灾害信息进行初步处理后，按照监测数据接口规定的格式和内容自动生成向车站综合信息（防灾接入点监控模块）上报的监测数据，并将其传送到防灾接入点监控模块（车站综合信息模块）。
运行的列车通过自诊断系统检测到列车上的故障信息，通过区间或站内无线基站传送至车站综合信息模块。
Ø数据存储
自然灾害（风、雨、洪水、地震等）原始数据在监测点应作为资料保存。
具有自诊断功能现场监测设备具备自诊断功能，可发现故障部位。
Ø自诊断
接收远程控制，现场设备实施自诊断，以确认设备状态。
3.3系统信息流分析
系统的信息源类型众多，信息传输总体上是由下向上至综合调度中心的，各类监测信息均来自现场一次传感元器件，即信息从信息采集点到该点变换器，再到沿线的区间通信接入设备，通过专用通信网的通信接入系统到达车站综合信息模块，再利用车站综合信息网通过专用数据通信网传至综合调度中心的综合防灾监控子模块。
整个过程完成信息的采集、预处理、上传、分析统计、下发指令。
只有少数信息如抢险救援指令、列车管制指令等信息是从综合调度中心向下发送给车站、综合维修段（工区）及客运专线列车。
对于重大行车事故、长大桥梁或隧道中重大事故，以及地震和突发事故等可直接控制列车（通过ATC或变电所）停车。
在控制执行机构的同时也需要将信息传送至综合调度中心。
从信息传输及系统监控的实时性考虑，高速铁路安全监控系统需处理的信息可分为下述三种非实时处理信息、实时处理信息及移动设备的信息。
1、非实时处理信息
采集信息主要用于安全因素的搜集、处理及监测，对传送网络的传输时延没有严格的要求。
原始采集信息经过采集系统以音频或数据接口的形式接入沿线的区间信息接入设备，根据需要，进一步将各种信息传送至车站或调度中心。
2、实时处理信息
对于地震监测、长大隧道安全监控等系统所采集的有关信息，按照上述各系统的要求必须实时地传送至控制系统，在第一时间内采取安全措施实施控制，要求传送网络原则上没有传输时延。
对于紧急的安全信息，可以直接对有关设备实行就地控制，或通过通信传输网的专线通道直达控制地点实时控制，同时可通过非实时处理信息所采用的方式向调度中心传输有关信息。
3、移动设备信息
由列车自诊断系统来采集、处理的信息，由高速铁路无线通信模块来传送。
通过机车上设置的数据传输设备将安全监控信息发送至区间或站内的无线基站，再通过有线传输模块传送至调度中心进行处理。
此外，地震等监测信息的采集点，可能远离高速铁路，应根据采集点的具体情况具体处理。
在地形条件允许时，宜采用光缆的传输方式传送至高速铁路专用通信网。
在地形困难或市内条件不允许的情况下，一般采用无线接入的方式。
3.4系统技术架构
3.4.1SOA体系结构
面向服务的体系结构（Service-OrientedArchitecture，SOA，也叫面向服务架构）是指为了解决在Internet环境下业务集成的需要，通过连接能完成特定任务的独立功能实体实现的一种软件系统架构。
SOA是一个组件模型，它将应用程序的不同功能单元（称为服务）通过这些服务之间定义良好的接口和契约联系起来。
接口是采用中立的方式进行定义的，它应该独立于实现服务的硬件平台、操作系统和编程语言。
这使得构建在各种这样的系统中的服务可以以一种统一和通用的方式进行交互。
从计算模型上讲，软件服务是SOC/SOA的基本实体，较对象、构件又有了新的发展，具有较高的抽象级别、更大的粒度与更强的独立性与可用性，更加便于使用者直接使用。
在此基础上，基于软件服务的SOC/SOA借助了开放的社会系统中较为成熟的基于服务的松耦合运营模式的理念，以服务为基本单元封装各类网络资源，以服务集成为基本手段提供开放环境下的资源共享与集成的高层次抽象模型，以服务交互和协同为基本支撑，提供松耦合的计算模型。
传统的Web（HTML/HTTP）技术有效的解决了人与信息系统的交互和沟通问题，极大的促进了B2C模式的发展。
WEB服务（XML/SOAPDL）技术则是要有效的解决信息系统之间的交互和沟通问题，促进B2B/EAI/CB2C的发展。
SOA则是采用面向服务的商业建模技术和WEB服务技术，实现系统之间的松耦合，实现系统之间的整合与协同。
WEB服务和SOA的本质思路在于使得信息系统个体在能够沟通的基础上形成协同工作。
对于面向同步和异步应用的，基于请求/响应模式的分布式计算来说，SOA是一场革命。
一个应用程序的业务逻辑（BusinessLogic）或某些单独的功能被模块化并作为服务呈现给消费者或客户端。
这些服务的关键是他们的松耦合特性。
例如，服务的接口和实现相独立。
应用开发人员或者系统集成者可以通过组合一个或多个服务来构建应用，而无须理解服务的底层实现。
举例来说，一个服务可以用.NET或J2EE来实现，而使用该服务的应用程序可以在不同的平台之上，使用的语言也可以不同。
企业实施SOA的根本目标是通过把企业应用系统中的分散功能整合成可操作的、基于标准的服务，使其能被重新组合和重用。
从这个意义上说，SOA是一种需要改变IT提供方式的长期战略;另一方面，SOA又是一种立竿见影的企业IT战略，它必须对企业业务的改变做出迅速响应。
因此，要使SOA的好处得到充分体现，就必须很好地平衡长期目标和短期业务需求之间的关系。
针对以上挑战，BEA建立了一套实施SOA的系统方法论，帮助用户很好地协调组织机构、财务等方面的关系，这一系统方法论被称为“BEASOA域模型（BEADomainModelforSOA）”（如图所示），它源自BEA多年来帮助全球领先企业实施SOA的成功实践经验。
“BEASOA域模型”把影响SOA成功实施的挑战归纳为业务战略和流程、架构、服务组件、项目和应用、组织和管理几成本与收益六个域，这六个域虽然截然不同，但却互相关联、互为依存，必须同等地看待每个域，才能成功地建立起面向服务的IT架构。
仔细分析企业IT建设中面临的挑战，不难发现，BEASOA系统实施方法论中的六个域恰好能很好地应对企业IT建设过程中的六方面挑战。
Ø业务战略和流程
企业面临的主要挑战是如何让IT最好地支持业务及其需求的变化。
应对这一挑战的最佳途径就是提供一个适当的环境能够将IT管理与企业的业务战略连接起来，并使二者能协调一致，不断改进业务流程。
Ø架构
由于IT架构缺乏一致性，当业务需求发生变化时，企业必须面对企业范围内IT整合和流程整合的挑战，SOA是应对这一挑战的最佳途径，使得企业能够快速响应业务需求的变化。
Ø服务组件
通过创建可共用的、基于标准的服务组件，可帮助企业尽可能地重用资源，实现IT一致性和灵活性。
Ø项目和应用
如果将所有的应用功能以分类的、可重用的、基于标准的服务的形式提供，就能够随着业务需求的变化快速重组系统，节省投资，加大投资回报。
Ø组织和管理
解决机构不断调整导致的IT调整问题的办法是在企业IT建设之初就充分考虑企业的组织结构，使IT的提供流程标准化。
Ø成本和收益
BEASOA实施方法论可以帮助更好地规划和实施企业IT，迅速响应业务需求，使IT投资得到最大的回报。
充分考虑以上每个域面临的挑战，平衡企业的长期战略与短期业务需求，就能成功地实施SOA并从中获益。
3.4.2系统的硬件平台要求
系统设备由调度中心级设备、基层站段级设备和现场监测和采集设备组成。
如图：
浏览器
1、调度中心级设备
在调度中心这一级设置一台计算机作为数据库服务器；一台计算机用作应用服务器及服务器；另一台计算机作为浏览器，提供用户操作界面，监视全线或管辖范围内的灾害报警信息。
2、基层站段级设备
在基层站段级含车站、动车段、综合维修基地等基层站段设置一台计算机作为浏览器用来显示各种灾害监测信息、报警信息和检测设备运行状态信息，同时在灾害、事故和故障抢修恢复后，通过本终端显示灾害恢复信息。
在本系统中将基层站段级服务器设置为与调度中心级共用一台服务器，功能相同。
3、现场采集设备
系统的现场采集设备由放置在客运专线沿路的风速风向仪、雨量计、轨温地感器、地震仪和防护开关等组成，对现场环境进行数据采集，并作出简单的分类及处理。
3.5软件体系结构
随着软件系统的规模和复杂性的增加
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