本作品通过深入调研分析现有高速铁路运营业务信息系统基础上，提出研制开发基于可视化、集成化与智能化的高速列车群运营安全综合监控与预警实验平台。以期实现高速铁路列车群运营全过程的信息模拟仿真获取、融合、预警以及决策支持分析，实现基于历史运营信息的高速铁路列车群运营安全演变机理分析与综合评价模型验证，为高速列车群运营安全提供有力的保障。

一、引言
1.1 项目的背景
高速铁路以其高速度、低污染、快捷、舒适、安全和准时等优势，已迅速成为解决城市间2000km范围内交通问题的首要选择。目前，中国已经成为世界上高速铁路发展最快、系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。按照国家《中长期铁路网规划》和目前的建设进度，到2012年，中国高速铁路总里程将超过1.3万公里；到2020年，将达到1.6万公里以上。届时，北京到达全国各个省会城市的时间将在8小时以内。
安全是铁路运输适应经济和社会发展的先决条件，是铁路运输产品最重要的质量特性，是铁路各项工作质量的综合反映，是加快铁路改革与发展的重要保证。与传统铁路相比，高速铁路的安全性要求更为严格，其安全水平高低对高速铁路可持续发展及稳定运营具有决定性的意义。1998 年6月3日，从德国慕尼黑至汉堡间一列ICE高速列车以大约200km/h高速行驶的途中，因车轮断裂脱轨撞桥，造成车毁桥塌，101人死亡，88人重伤，经济损失上亿马克；2000年10月17日，一列高速列车以185km/h 的速度从伦敦Kings'Cross 到Leeds 的途中，在通过1460m曲线时发生脱轨事故，整个11节车厢的列车后面8节车厢脱轨，车厢遭到严重破坏，其中70人受伤，4人死亡，4人伤势严重；2005 年12月25日，日本JR羽越新干线列车“稻穗14 号”以100km/h 速度行驶过程中遭遇风速远高于警戒限速标准的横风作用，列车脱轨翻车，导致5人死亡，32人受伤；2009年12月29日，武广铁路因ATP系统敏感导致列车晚点一小时；2010年2月7日，从郑州开往西安的G2003、G2007和从西安开往郑州的G2006次动车组因为天气原因引起设备故障造成列车晚点。从以上几个例子中可以明显看出，高速列车运营安全问题正随着高铁的广泛推广而日益凸现，相应的安全防护措施亟待提出！
高速铁路系统是一个人-机-环-管互相交融的动态复杂巨系统，其运营安全具有以下特点：
（1）安全要素之间集成度高、相互作用更加紧密
（2）安全要素的敏感程度高、微小扰动引起突变
（3）运营安全相关要素之间耦合度高
（4）事故后果严重性大
（5）我国高速铁路监控技术问题日益窘迫
因此，如何建立有效的运营过程安全分析、评估和预警理论与方法，已成为我国高速铁路运营安全由被动响应向主动预防模式转变的瓶颈。
1.2 平台研究目标
本作品通过深入调研分析现有高速铁路运营业务信息系统以及需求分析基础上，提出研制开发基于可视化、集成化与智能化的高速列车群运营安全综合监控与预警实验平台。以期实现高速铁路列车群运营全过程的信息模拟仿真获取、融合、预警以及决策支持分析，实现基于历史运营信息的高速铁路列车群运营安全再现与演变机理分析，为高速铁路列车群运营安全科学研究提供实验平台，为研制开发高速铁路列车群运营安全综合监控与预警实际应用平台提供借鉴作用。设计的目标主要包括：
（1）研制开发了支持多类型传感器实时信息综合获取、处理与自动传输数据采集设备。
（2）建立了高速铁路列车群运营安全综合监控与预警结构、逻辑和体系框架。
（3）构建了基于高速列车群运营安全影响要素的动态评价指标体系和基于信息驱动的运营安全评估模型，通过自定义实验及安全演变过程再现，实现模型最优化。
（4）从宏观与微观两方面实现对高速列车群运营全过程的可视化综合监控，主要包括：GIS展现、视频展现、图表展现、多图联动展现及组态微观展现等。
（5）建立历史查询系统对各项历史数据进行多方统计，为应急决策提供数据支持。
因此，高速列车群运营安全综合监控与预警实验平台的研究目标可以总结为以下几点：
1、看得见
实现对高速列车群运营全过程进行可视化监控。平台所监控的信息主要包括四个方面：地面基础设施信息、车载设备信息、列车运行环境信息及人员定位信息。不仅能够通过综合监控系统对高速列车群运营状态进行宏观展示，还可以通过微观展示系统进行实时动态微观展示，使得用户能够更加全面、清楚地了解列车实时运行的安全状况。同时，平台在展示方式上具有多样性，主要包括：GIS展现、视频展现、图表展现、多图联动展现等等。
2、上得来
融合现有高速铁路业务系统中的信息，实现信息共享与综合应用。高速列车群运营安全综合监控与预警平台能够为现有高速铁路业务信息系统提供外部接口，使得外部系统的数据“上得来”，实现对地面基础设施安全影响要素的信息、车载关键设备的信息、环境信息及人员定位信息的深度集成，达到信息共享和综合应用；
3、搞得清
通过构建基于高速列车群运营安全影响要素的动态评价指标体系，掌握不同状态下个体要素间相互作用对高速铁路运输系统安全态势影响以及个体安全要素间相互作用的机理，通过构建基于信息驱动的运营安全评估模型，实现基于历史运营信息的高速铁路列车群运营安全再现与演变机理分析，为高速铁路列车群运营安全科学研究提供实验平台。
4、管得住
高速列车群运营安全综合监控与预警平台是一个集业务信息获取子系统、综合监控子系统、微观展示子系统及历史查询与统计子系统于一体的综合性平台，该平台浮于高速铁路现有业务信息系统之上，实时处理的信息量十分庞大，因此，要求平台能够充分协调好各个系统间的关系，在保证“看得见”、“上得来”、“搞得清”的基础上，实现对高速列车群运营安全的控制——“管得住”。
基于平台设计目标，通过对高速列车群安全状态信息的全方位的获取、融合及综合分析，实现对列车运营全过程的综合监控、决策支持分析、信息的传递及共享和安全预警，最大程度地避免事故发生和减少事故损失，最终形成体系化的高速列车群安全预警理论和决策支持技术体系。
1.3 研究思路
本作品以高速列车群运营安全需求为背景，以现有高速铁路运营安全业务系统为基础条件。通过对国内外列车安全保障体制现状研究以及针对高速铁路安全影响因素及演变机理的理论分析，结合对京津城际路段安全运维部门的实地调研，采用计算智能理论、复杂系统建模理论、信息处理理论，建立了一套高速铁路列车群运营安全综合监控与预警结构、逻辑和体系框架。
在理论研究的基础上，研制开发了基于可视化、集成化与智能化的高速列车群运营安全综合监控与预警实验平台，完成了高速列车群运营安全综合监控与预警实验平台的总体设计与详细设计报告。采用振弦传感器及其激励技术，多通道采集技术，小信号放大滤波技术、电磁屏蔽技术、远距离数据传输技术等技术，研制了多种类型传感器实时信息综合获取、处理、与自动传输数据采集设备。采用基于多种数据类型的数据融合技术、基于元数据的多元信息共享与集成技术、基于可视化的时空信息自动匹配技术、ArcGis技术、Flex技术、XML技术等技术完成高速列车群运营安全综合监控与预警实验平台的系统开发。
1.4 平台与其他业务系统关系
高速列车群安全状态综合监控预警平台是保障高速列车安全运营的一个综合集成系统，它全面集成了地面基础设施、环境、列车运行状态和人员定位等方面的监测信息以及现有高速铁路安全保障信息系统中的动态与静态信息，是高速铁路行车安全保障系统的中枢和“大脑”，它为高速铁路的运输指挥和安全管理、人员集中提供了全面、及时、准确和完整的决策支持信息，实现了高速铁路行车安全全过程的全面监测、预警及安全管理。
1.5 设计的科学性与创新性
高速铁路具有高速度、高密度等特点，已成为城际间2000公里范围内的首选交通方式。虽说国外已建立一系列完善的安全保障系统，但由于国情的特殊性和技术的保密性，国外的安全保障系统不完全适用于我国高速铁路国情。从我国目前安全保障体制来看，如何有效从全局、全方位保障高速铁路的正常安全运营，已成为高速铁路发展过程中迫切需要解决的难题。
为此，本作品构建了高速铁路列车群运营安全综合监控与预警体系框架，提出了基于多种数据类型的数据融合技术,在不改变原有系统的基础上，实现了多元信息共享与集成，建立了基于可视化的时空信息自动匹配技术，实现了时空信息的实时动态综合展现与信息的深度分析和应用。在理论研究方面，实现了基于历史运营信息的高速铁路列车群运营安全再现与演变机理分析，构建了基于高速列车群运营安全影响要素的动态评价指标体系和基于信息驱动的运营安全评估模型，通过自定义实验及安全演变过程再现，实现模型最优化，为科学研究高速铁路运营安全演变机理和安全评估提供了实验平台。
本项目的创新性在于以下几点：
1、首次建立了高速铁路列车群运营安全综合监控与预警体系框架。
2、构建了基于高速列车群运营安全影响要素的动态评价指标体系和基于信息驱动的运营安全评估模型，通过自定义实验及安全演变过程再现，实现模型最优化。
3、研制开发了高速列车群运营安全综合监控与预警实验平台。
4、首次研制开发了支持多类型传感器实时信息综合获取、处理与自动传输数据采集设备。

二、总体设计
2.1 平台系统的划分
高速列车群安全状态综合监控预警实验平台由业务信息获取子系统、综合监控子系统、微观展示子系统、历史数据查询与统计子系统等4个系统构成。各系统功能如下：
（1）业务信息获取子系统
由于现有高速铁路业务系统缺少对基础设施的全方面监测信息，所以平台采用振弦传感器及其激励技术，多通道采集技术，小信号放大滤波技术、电磁屏蔽技术、远距离数据传输技术等技术，研制了多种类型传感器实时信息综合获取、处理、与自动传输数据采集设备。通过无线设备传输给数据接收上位机，通过数据校验和解析，将接收数据转换为传感器监测信息，并生成实时监测数据的点表和关系表，为其他系统提供数据支持。
同时，业务信息获取子系统设计开发了数据模拟发生器，对于那些平台无法接入的数据，该子系统能够按照相关指标的分布规律对数据进行模拟，为实验平台的建立提供数据支持。
（2）综合监控子系统
通过与其他外部系统建立统一的接口协议，该系统能够全面集成现有高速铁路安全保障信息系统中的动态、静态信息，实现基于可视化的高速列车群运营安全综合监控平台的信息共享和综合应用；
该子系统能够对高速列车群运营全过程进行宏观上展现，利用GIS、图表、多图联动等多种形式对人员定位、环境、固定设备和移动设备状态信息等进行综合监控。
此外，该子系统具备实验设置功能，通过构建动态评价指标体系和基于信息驱动的运营安全评估模型，对列车的运营场景进行历史回放，实现基于历史运营信息的高速铁路列车群运营安全演变机理分析与综合评价模型验证，实现模型的最优化，以此来提供安全、可靠的预报警功能。本系统的核心特色在于提供安全因素指标体系自构建以及外综合评价模型导入功能，通过新建实验或回放历史实验，不断修正模型参数，调整指标阈值，提高模型评价与真实情况的契合度。保证用户根据需求对系统进行综合监控，以及信息的高效利用。
（3）微观展示子系统
微观展示子系统主要针对地面基础设施、环境和列车运行状态等方面的信息，通过表格、动态图、文字及趋势曲线等多种形式对高速铁路运行状态进行微观展现。该子系统对列车运营安全信息的展示更为微观和具体，某一地点或车次的安全要素信息更为详细。当指标数据超出阈值范围时，能够进行单值报警，并具备报警记录查询的功能。
（4）历史数据查询统计子系统
该子系统主要包括信息的查询、历史数据的统计、数据维护和系统管理四项功能，用户可以对任一时间的历史数据进行查询，包括传感器信息、人员信息、传感器采集值及预警报警信息等。同时，该系统能够对各项历史数据进行多方统计，获得的数据可以生成报表并打印输出，为应急决策提供数据支持。
2.2 平台物理结构
该平台为现有高速铁路业务信息系统中多种数据的接入定义了相应的数据接口以及接口规范，为传感器采集到的监测数据设计了详细的数据通信协议，弥补了现有系统间信息共享率低、获取信息单一、监测信息实时性差的缺陷，实现了对高速铁路地面基础设施安全影响要素信息、车载关键设备信息、环境信息及人员定位信息的深度集成，保证了对高速列车群运营安全状况分析的全面性。
该平台研制开发的支持多类型传感器实时信息综合获取、处理与自动传输数据采集设备能够同时对桥梁、隧道、轨道、地基等基础设施信息进行实时监控，通过不同的获取方式，包括Ethernet、无线数传电台、CAN总线、485接口、RS232接口等，将数据分类传输给数据分析系统。数据进行校验、解析等综合处理后，将转换为传感器监测信息，并生成实时监测数据的点表和关系表，存储到数据库。与此同时，对于那些目前还无法接收或是难于监测到的信息数据，可以由仿真数据发生器对缺失数据进行模拟。
综合监控子系统和微观展示子系统可以实时从数据库中取用数据，实现高速列车群运行全过程的宏观与微观展现，包括GIS展现、图表展现、多图联动展现、视频展现及实时报警提示。同时，用户通过构建动态评价指标体系和安全评估模型，能够对模型的指标参数进行多次修正，从而提高了模型评价与真实情况的契合度，进而保证了列车运营安全过程中的实时分析、评价、预警与报警。
此外，通过对历史数据的抽取、整理和分析，用户可以获得监控对象的所有详细记录信息，为高速列车群的高速安全运行提供强有力的决策支持。
2.3 平台逻辑结构
该平台以各类传感器和现有其他业务子系统为物理基础，通过建立数据接口与制定相关的协议，实现对列车运行安全指标要素值的实时动态采集与全面集成。以属性数据库、地理信息数据库、配置数据库、动态数据库和视频数据库为支撑，主要应用于监控信息动态获取、信息查询统计分析、综合监控宏观展现、监控信息微观展现、安全预警与报警等方面。展现的形式主要包括：二维展现、视频展现及综合查询统计展现等。
2.4 数据库设计
数据是高速列车群安全运行综合监控与预警平台的重要组成部分，因此一个组织良好的数据资源结构和数据资源关系对于系统有着十分重要的意义。本项目的数据资源主要包括有地理信息数据库、数据配置资源、属性数据库、动态数据库。
（1）属性数据库
属性数据库提供各种业务系统的属性信息。属性数据库在高速列车群安全状态综合监控预警平台不以实体的方式存在，而是以引用的方式存在。高速列车群安全状态综合监控预警平台引用其他各种业务信息系统实现数据的融合与共享。属性数据大量以数据库方式存储和共享。属性数据库的物理存在方式依赖于各个业务数据库的物理存放方式。对属性数据库的访问控制采用的是对不同的业务数据库采用不同的用户名/密码的访问控制方式。
（2）地理信息数据库
空间数据库存放各种二维地理信息数据，包括了电力、安全监控、客运货运、事故发生点、障碍物和危险源等业务图层。空间数据以数据库的方式存储，采用Oracle，并采用SDE的空间数据引擎。为了对地理信息数据库进行权限控制，采用了对于不同类型的用户采用不同的用户名/密码的访问控制方式。
（3）配置数据库
配置数据库存放各种用户、权限、风格、资源相关的配置信息数据，系统通过配置数据库对整个综合运营安全监控中心系统的系统访问、系统行为、系统资源等内容进行访问控制和系统行为控制。配置数据数据库采用Oracle，采用唯一的管理用户密码和唯一的只读用户密码来控制访问。
（4）动态数据库
综合监控需要的动态数据资源，包括有列车实时位置信息、行车安全监控信息、基础设施安全监控信息、环境监测信息、人员定位监测信息、客/货运统计信息等内容。动态数据库资源存放在Oracle数据库中，使用用户名/密码方式访问控制。
2.5 接口设计
高速列车群运行安全状态综合监控预警平台需要从不同的子平台获取安全监控预警需要的相关信息，这些信息来源于不同的系统、存在于不同种类的数据库。具体信息包括：
（1）5T系统：
轴承温度、滚动轴承噪音、客车轴温、制动系统、转向架安全指标火灾报警、客车供电、电器及空凋系统运行安全状况、轮对尺寸。
（2）防灾安全监测系统：
风速信息、雨量信息、降雪量信息、震级信息、异物侵限信息、泥石流信息、牵引供电信息、路基安全信息、通信信号信息。
（3）基础设施监测系统：
桥梁信息：锚索压力、温度、绕度、桥墩应力；
隧道信息：应变；
轨道信息：扭转、沉降、温度、分层温度、土壤温度、倾斜度。
（4）列车运行组织系统：
车辆编组信息：车辆编号、出发地、到达地、出发地点、达到地点、编组内容、列车种类、定期车次、附注等信息。
（5）人员定位监测系统：
区域人员姓名、工号、所在部门、射频码、进入区域时间、离开区域时间、目前位置、档案、备注、人员轨迹图、区域人员数量、考勤统计表。
（6）视频联动系统：
动力监控：常规动力设备；
环境监控：对机房空调、温湿度、漏水、新风机等实时监控；
安全监控：对门禁、视频、防盗、消防等系统实时监控。
高速列车群安全状况综合监控与预警实验平台设计与开发是信息化的一个新领域，与列车运行安全密切相关，具有实时性强、可靠性高、涉及面广、专业性强、优化周期长等特点，因此建立符合我国列车运行要求，具有世界先进水平的综合监控与预警系统，对保障高速列车运行安全具有重大的社会和经济意义。

三、设计特点及前景分析
3.1 使用说明
将传感器布设于不同的监测点，打开无线检测设备，业务信息获取子系统将接收到不同传感器传输来的实时频率数据，然后通过数据解析将频率数据转换成可用数据，并将其导入到数据库中。同时，综合监控子系统可以进行以GIS为基础的空间-属性数据的联动展示，将线路中的指标值以图表展示和多图联动等多种形式表现出来。此外，微观展示子系统可以读入数据库中的数据，将线路的具体信息进行微观展现。历史信息查询统计子系统可以对数据库中的数据进行实时查询，并对各项历史数据进行多方统计分析。
3.2 技术的特点及优势
采用无线数据传输技术，弥补现有监测设备需要操作人员在现场进行操作的不足，可以远距离对现场数据进行读取。采用多通道采集技术，同时监控多路传感器信号，成功解决现有读数设备每次只能读取一路传感器数据的局限。
同时，提出了基于多种数据类型的数据融合技术，在不改变原有系统的基础上，实现了多元信息的导入、融合，建立了多元信息共享与集成技术与时空信息自动匹配技术，实现了时空信息的实时动态综合展现与信息的深度分析和应用。在理论研究方面，实现了基于历史运营信息的高速铁路列车群运营安全再现与演变机理分析，构建了基于高速列车群运营安全影响要素的动态评价指标体系和基于信息驱动的运营安全评估模型，通过自定义实验及安全演变过程再现，实现模型最优化，为科学研究高速铁路运营安全演变机理和安全评估提供了实验平台。
3.3 适用范围
本作品研制开发了高速铁路运营原型系统平台，在进一步改进与深度开发和完整性测试之后，可作为现场的应用平台；对于科研工作者，本平台可作为高速铁路运营安全机理分析与实验平台，具有很好的推广前景。
3.4 推广前景
（1）满足高速列车群安全监测体系需求日益提高的要求。
（2）与其他的系统共通，解决“信息孤岛”问题。综合监控系统通过外部接口可以实现与运行组织系统、应急管理系统、视频联动系统的共通，达到信息共享的目的。提高各大系统的工作效率，为系统功能的实现提供有利数据与信息的支持。
（3）具有技术领先性和完全自主知识产权，且符合可持续发展的目标要求。本平台中的硬件设计与软件设计具有技术领先性和完全自主知识产权，制造与使用成本低，使用寿命长，不仅可以作为运营监控平台，服务于各大铁路部门，还可以作为实验平台，服务于各大研究院校，具有良好的推广前景。
3.5 市场分析和经济效益
本平台符合列车监测系统日益增长的安全信息需求。同时，具有技术领先性和完全自主知识产权，具有较大的市场需求和技术需求，能够达到较好的经济效益。
本平台设计与开发是信息化的一个新领域，与列车运行安全密切相关，具有实时性强、可靠性高、涉及面广、专业性强、优化周期长等特点，具有重大的社会和经济意义。

第十二届“挑战杯”省赛作品 省赛特等奖
作品在2011年度北京交通大学 “挑战杯”课外学术科技作品竞赛中荣获科技发明制作类“一等奖”。
软件著作权：
1、高速列车群安全状况监控实验平台模拟数据生成系统V1.0 软件著作权编号：2010SRBJ6120
2、高速列车群安全状况监控实验平台模拟实验系统V1.0 软件著作权编号：2010SRBJ6258
3、高速列车群安全状况监控实验平台安全要素维护系统V1.0 软件著作权编号：2010SRBJ6259