高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口方案研究

馬 禎，王 彤，陳中雷

MA Zhen1，WANG Tong2，CHEN Zhonglei2

（1.中國鐵道科學(xué)研究院 研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

(1.Postgraduate Department， China Academy of Railway Sciences， Beijing 100081， China； 2.Institute of Computing Technologies， China Academy of Railway Sciences Corporation Limited， Beijing 100081， China)

1 高速鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口方案設(shè)計架構(gòu)

高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)鐵路局中心系統(tǒng)(以下簡稱“災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)”)是根據(jù)2013年《高速鐵路自然災(zāi)害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)總體技術(shù)方案》(鐵科技[2013] 35號)進(jìn)行設(shè)計與建設(shè)，該系統(tǒng)是高速鐵路行車安全保障體系的重要組成部分，其具備大風(fēng)、雨量、雪深及異物侵限監(jiān)測、報警及緊急處置功能，同時具備與國家級災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)、鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部相關(guān)專業(yè)信息系統(tǒng)互聯(lián)互通的功能[1-6]，對保證列車高速、安全、穩(wěn)定的運行具有重要作用，為高速鐵路列車調(diào)度員提供重要的行車指揮依據(jù)。

災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口服務(wù)器主要負(fù)責(zé)與國家級災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；負(fù)責(zé)災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)應(yīng)用/通信、數(shù)據(jù)庫、維護(hù)管理等服務(wù)器數(shù)據(jù)交換；負(fù)責(zé)與鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部相關(guān)專業(yè)或其他專業(yè)如相鄰災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)、CTC系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)交互[7]，為高速鐵路列車運行提供安全保障，確保災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)各功能正常運行。

由于專業(yè)領(lǐng)域的不同及各廠家的通信方式、通信數(shù)據(jù)格式、通信質(zhì)量等均為自定義，導(dǎo)致在通信接口對接時出現(xiàn)了諸多問題，如通信方式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)傳輸效率與質(zhì)量差和數(shù)據(jù)傳輸安全不高等，影響到高速列車的行車安全及整個災(zāi)害監(jiān)測專業(yè)系統(tǒng)的運行，因而亟需開展對災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口方案進(jìn)行統(tǒng)一、規(guī)范化的設(shè)計與研究。

針對災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)通信接口在建設(shè)與運行中存在的問題，在保證災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)通信接口功能的情況下對接口整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，接口數(shù)據(jù)類型與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，完成了對整個災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口方案的設(shè)計。災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)的接口采用整體兩級架構(gòu)與局部三級架構(gòu)相結(jié)合的形式，災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)的接口服務(wù)作為服務(wù)層，其他信息系統(tǒng)的接口程序作為客戶端[8]。災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口整體架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口整體架構(gòu)設(shè)計Fig.1 Overall interface framework design of the railway group central system of disaster monitoring

災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口主要由與國家級災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)通信接口、與線路災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備通信接口、與鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部其他專業(yè)信息系統(tǒng)通信接口、與相鄰鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)通信接口及通信接口維護(hù)管理5個功能模塊組成。其中與國家級災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)通信接口主要負(fù)責(zé)與國家氣象部門的氣象監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，以及接收國家地震局發(fā)送的地震相關(guān)數(shù)據(jù)；與線路災(zāi)害監(jiān)測設(shè)備通信接口主要負(fù)責(zé)與既有線路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換和接收現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)；與鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部其他專業(yè)信息系統(tǒng)通信接口主要負(fù)責(zé)將災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)評判出的氣象災(zāi)害報警發(fā)送給CTC系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、防洪管理信息系統(tǒng)、短信服務(wù)系統(tǒng)等相關(guān)專業(yè)系統(tǒng)，并接收各個專業(yè)信息系統(tǒng)的報警反饋，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)動并使列車調(diào)度員及各專業(yè)負(fù)責(zé)人能夠及時掌握氣象信息，保障列車安全、平穩(wěn)的運行，同時該功能模塊還具備定期向鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部時間同步系統(tǒng)進(jìn)行時間同步的功能，保證與鐵路內(nèi)部時間的一致性；與相鄰鐵路局集團(tuán)公司中心系統(tǒng)通信接口主要負(fù)責(zé)與其他鐵路局集團(tuán)公司的災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；通信接口維護(hù)管理主要負(fù)責(zé)對各個客戶端的安全檢查和連接分配等管理工作、數(shù)據(jù)通信接口的狀態(tài)監(jiān)測和故障處置、通信數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測，以及對各個數(shù)據(jù)通信功能模塊的管理和維護(hù)工作。

2 高速鐵路自然災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)研究

2.1 接口數(shù)據(jù)分析

按照災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口整體設(shè)計，災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)與各個信息系統(tǒng)均采用TCP/IP連接的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口服務(wù)器作為服務(wù)端，其他信息系統(tǒng)作為客戶端。災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)服務(wù)端提供一個集群虛擬IP，并為每個信息系統(tǒng)設(shè)立4個專用端口，每個端口僅供一類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)使用。根據(jù)災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)實際業(yè)務(wù)需求，將接口數(shù)據(jù)劃分為4類，分別是災(zāi)害監(jiān)測類數(shù)據(jù)、災(zāi)害報警類數(shù)據(jù)、命令類及配置信息類數(shù)據(jù)。

2.1.1 災(zāi)害監(jiān)測類數(shù)據(jù)

監(jiān)測類數(shù)據(jù)包括瞬時風(fēng)速、瞬時風(fēng)向、降雨量、雪深、設(shè)備狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等，其通過TCP/IP連接后采用定時傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)通信，其中風(fēng)速類監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸頻率為1條/s，其他類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)的頻率為1條/min。當(dāng)災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口服務(wù)器接收到現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)后，首先將所有數(shù)據(jù)發(fā)送至本監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用服務(wù)器，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)驗證、評判操作，并得到相應(yīng)返回結(jié)果；再將經(jīng)過處理的風(fēng)速、風(fēng)向、雨量和雪深的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至國家氣象部門，以供其結(jié)合自身相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行氣象預(yù)測工作；最后將所有監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至各個監(jiān)測業(yè)務(wù)/維護(hù)終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和維護(hù)管理服務(wù)器，以供相關(guān)調(diào)度人員掌握高速鐵路沿線的氣象情況，實現(xiàn)系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的存儲、維護(hù)工作。與此同時，國家氣象部門將高速鐵路沿線的氣象數(shù)據(jù)和氣象預(yù)報以及國家地震臺網(wǎng)將高速鐵路沿線的地震數(shù)據(jù)和地震預(yù)警發(fā)送至災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)的接口服務(wù)器，由該接口服務(wù)器發(fā)送至應(yīng)用服務(wù)器以供其結(jié)合本系統(tǒng)自有的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的災(zāi)害評判工作。災(zāi)害監(jiān)測類數(shù)據(jù)流程圖如圖2所示。

2.1.2 災(zāi)害報警類數(shù)據(jù)

報警類數(shù)據(jù)包括風(fēng)速報警、雨量報警、雪深報警、異物侵限，以及以上所有災(zāi)害報警解除數(shù)據(jù)、設(shè)備故障及設(shè)備故障恢復(fù)數(shù)據(jù)。報警類數(shù)據(jù)通過TCP/IP連接后采用觸發(fā)式傳輸機制，一旦發(fā)生災(zāi)害報警或報警解除及設(shè)備狀態(tài)變化，立即觸發(fā)發(fā)送。報警類數(shù)據(jù)由災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行評判，將評判出的報警數(shù)據(jù)發(fā)送至接口服務(wù)器。當(dāng)接口服務(wù)在接收到報警類數(shù)據(jù)后，將風(fēng)速、雨量、雪深的報警類數(shù)據(jù)發(fā)送至國家氣象部門，以提醒其加強對該監(jiān)測地段的監(jiān)測工作，同時也將該數(shù)據(jù)發(fā)送至CTC系統(tǒng)和綜合視頻管理系統(tǒng)，以方便調(diào)度人員對列車進(jìn)行相關(guān)的限速工作和加強對災(zāi)害現(xiàn)場的監(jiān)視工作；將雨量報警信息發(fā)送至防洪管理信息系統(tǒng)，以方便其能提前做好相關(guān)地段的防洪工作；將所有的報警類數(shù)據(jù)發(fā)送至各個監(jiān)測業(yè)務(wù)/維護(hù)終端、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、維護(hù)管理服務(wù)器、短信服務(wù)系統(tǒng)。災(zāi)害報警類數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。

圖2 災(zāi)害監(jiān)測類數(shù)據(jù)流程圖Tab.2 Disaster monitoring data flow

圖3 災(zāi)害報警類數(shù)據(jù)流程圖Tab.3 Disaster alarm data flow

2.1.3 命令類及配置信息類數(shù)據(jù)

命令類數(shù)據(jù)是針對高速鐵路異物侵限事故設(shè)計的，其包含上行臨時行車、下行臨時行車、異物現(xiàn)場恢復(fù)、異物調(diào)度恢復(fù)、異物遠(yuǎn)程試驗、異物遠(yuǎn)程恢復(fù)等處置。當(dāng)發(fā)生異物侵限報警后，現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備會直接進(jìn)行控規(guī)操作，防止列車駛?cè)胛ｋU區(qū)域，并生成異物報警信息通知至列車調(diào)度臺、工務(wù)、通信、電務(wù)等相關(guān)部門趕赴現(xiàn)場進(jìn)行故障搶修。當(dāng)現(xiàn)場工作人員完成線路障礙搶修工作后，由列車調(diào)度人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況通過災(zāi)害監(jiān)測業(yè)務(wù)終端發(fā)送允許上行線、下行線臨時通車的命令至接口服務(wù)器，并由接口服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)至現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備，當(dāng)現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備在接收到該命令后，解除對該區(qū)段上行線、下行線的控規(guī)操作，允許列車駛?cè)耄划?dāng)現(xiàn)場工作人員完成對異物監(jiān)測裝置的恢復(fù)工作后，通過現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備發(fā)送異物現(xiàn)場恢復(fù)命令告知各個監(jiān)測業(yè)務(wù)/維護(hù)終端，經(jīng)列車調(diào)度員確認(rèn)后通過災(zāi)害監(jiān)測業(yè)務(wù)終端向現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備及其他監(jiān)測業(yè)務(wù)/維護(hù)終端發(fā)送異物調(diào)度恢復(fù)命令完成異物侵限報警解除工作。異物遠(yuǎn)程試驗、異物遠(yuǎn)程恢復(fù)命令是為防止由于長期未發(fā)生異物侵限報警導(dǎo)致現(xiàn)場監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測失準(zhǔn)而進(jìn)行異物侵限模擬工作的命令。參數(shù)配置包括風(fēng)報警參數(shù)配置、雨量報警參數(shù)配置、雪深報警參數(shù)配置、限速區(qū)段配置、影響區(qū)間配置。參數(shù)配置是由工務(wù)調(diào)度人員通過災(zāi)害監(jiān)測維護(hù)終端向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)送相關(guān)災(zāi)害報警閾值及相關(guān)限速規(guī)則，以供應(yīng)用服務(wù)器在進(jìn)行災(zāi)害評判時使用。異物報警命令數(shù)據(jù)流程圖如圖4所示。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)配置流程圖如圖5所示。

圖4 異物報警命令數(shù)據(jù)流程圖Tab.4 Intrusion alarm command data flow

圖5 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參數(shù)配置流程圖Tab.5 Basic data parameter con figuration flow

2.2 接口關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 接口數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

由于災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)對列車的行車安全、運行效率及調(diào)度員對報警的處置工作具有重要影響，而且接口是該系統(tǒng)唯一能夠與外部通信的模塊，如何在不影響接口正常、高效工作情況下，提高其自身的安全防護(hù)級別便成為技術(shù)難點之一。為解決該問題，提出以下解決方法。

（1）增加端口維護(hù)機制。服務(wù)端通過設(shè)定端口連接數(shù)量、判斷端口是否遭受攻擊、主動斷開連接等功能以防止非法程序?qū)Χ丝谶M(jìn)行反復(fù)重連或惡意攻擊，從而保證程序在鏈路層的安全性。

（2）增加用戶驗證功能?？蛻舳嗽谂c服務(wù)端建立連接后，首先要發(fā)送包含用戶名及密碼的數(shù)據(jù)包至服務(wù)端，以供服務(wù)端進(jìn)行用戶驗證操作。對于驗證通過的客戶端，服務(wù)端開始接收其發(fā)送的數(shù)據(jù)，否則服務(wù)端不接收其發(fā)送的數(shù)據(jù)且主動斷開連接。

（3）數(shù)據(jù)包增加CRC校驗字段。為防止數(shù)據(jù)在傳輸過程中數(shù)據(jù)內(nèi)容被篡改的情況發(fā)生，在數(shù)據(jù)協(xié)議增加CRC校驗字段，在接受到數(shù)據(jù)包后先進(jìn)行CRC計算，然后與校驗位進(jìn)行比較，校驗通過后再進(jìn)行下一步操作，否則進(jìn)行日志記錄與數(shù)據(jù)丟棄工作。

（4）增加數(shù)據(jù)檢查機制。對通過CRC校驗的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)內(nèi)容完整性、合法性的檢查工作。檢查通過后再進(jìn)行數(shù)據(jù)解包等工作，否則進(jìn)行日志記錄與數(shù)據(jù)丟棄工作。

2.2.2 接口數(shù)據(jù)保護(hù)技術(shù)

災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)屬于安全類的實時監(jiān)測系統(tǒng)，其對數(shù)據(jù)的依賴性極高。若發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，所產(chǎn)生的后果是無法預(yù)估的，對列車的行車安全也帶來了極大的隱患。如何在各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境與硬件環(huán)境下，仍能保證數(shù)據(jù)質(zhì)量便成為技術(shù)難點之一。為解決該問題，提出以下解決方法。

（1）引入負(fù)載均衡技術(shù)。在災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)中引入負(fù)載均衡技術(shù)，為接口服務(wù)器建立集群，通過降低服務(wù)端與客戶端的耦合度，消除雙方互相影響與制約的因素解決了物理層數(shù)據(jù)丟失問題，同時也使接口服務(wù)器具備了靈活擴(kuò)展、健康檢查、日志報警等功能。

（2）針對關(guān)鍵信息增加回執(zhí)功能。當(dāng)服務(wù)端或客戶端收到一條關(guān)鍵信息，如報警信息、命令信息等，立即向?qū)Χ税l(fā)送一條回執(zhí)信息，以告知對端已收到本條關(guān)鍵信息，當(dāng)對端收到回執(zhí)信息后立即停止發(fā)送本條信息，否則觸發(fā)重發(fā)機制，對本條信息進(jìn)行重發(fā)。

（3）增加數(shù)據(jù)補發(fā)、重發(fā)機制。當(dāng)因非人為因素造成通道重連與切機工作時，觸發(fā)數(shù)據(jù)發(fā)送端的數(shù)據(jù)補發(fā)與重發(fā)機制，將為發(fā)送不成功的數(shù)據(jù)進(jìn)行補發(fā)、重發(fā)工作。

3 結(jié)束語

災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心接口系統(tǒng)已經(jīng)與CTC系統(tǒng)等鐵路局集團(tuán)公司內(nèi)部信息系統(tǒng)及國家氣象臺等外部信息系統(tǒng)實現(xiàn)互聯(lián)互通，并接入京沈高速鐵路(北京—沈陽)、新通客運專線(新民北—通遼)等10條線路災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)。根據(jù)鐵路運輸生產(chǎn)運行中用戶反饋發(fā)現(xiàn)，明顯提升了通信接口的時效性、可靠性、安全性、穩(wěn)定性，在很大程度上解決了因數(shù)據(jù)傳輸格式和內(nèi)容不同而產(chǎn)生的兼容性問題。高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)接口方案應(yīng)用不僅推動了高速鐵路災(zāi)害監(jiān)測專業(yè)接口的統(tǒng)一和規(guī)范，而且為災(zāi)害監(jiān)測鐵路局中心系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大及各專業(yè)系統(tǒng)間相互融合奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。