鄭曉波，梁 娜

（1.中國(guó)鐵路總公司 審計(jì)和考核局，北京 100038； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100038）

電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在武岡城際鐵路上的應(yīng)用

鄭曉波1，梁 娜2

（1.中國(guó)鐵路總公司 審計(jì)和考核局，北京 100038； 2.中鐵工程設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100038）

本文以武岡城際鐵路電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)為模板，從系統(tǒng)體系架構(gòu)、邏輯架構(gòu)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和主要功能4個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)介紹，對(duì)該系統(tǒng)在武岡城際鐵路實(shí)際部署和應(yīng)用予以闡述。

電源；環(huán)境監(jiān)控；武岡城際

電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是一種用以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)房?jī)?nèi)各類電源設(shè)備和環(huán)境信息的計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)信息采集、分析和告警，能夠輔助管理人員全面掌控機(jī)房?jī)?nèi)各類設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境信息，為實(shí)現(xiàn)機(jī)房無人值守，減少系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間提供有效的技術(shù)手段和工具。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

武岡（武漢—黃岡）城際鐵路電源及環(huán)境系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控單元（RTU）、采集程序和Web應(yīng)用3層架構(gòu)組成，如圖1所示。Web應(yīng)用服務(wù)負(fù)責(zé)整合系統(tǒng)應(yīng)用，供用戶實(shí)時(shí)瀏覽與訪問。采集程序負(fù)責(zé)對(duì)下層進(jìn)行輪詢數(shù)據(jù)和接收?qǐng)?bào)警事件，對(duì)上層通知事件的報(bào)警與消警信息，起到承上啟下的作用。遠(yuǎn)程監(jiān)控單元負(fù)責(zé)采集與監(jiān)控指定設(shè)備的數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)與中間層采集程序的通信，接收與響應(yīng)采集程序的輪詢請(qǐng)求。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

根據(jù)業(yè)務(wù)需求和特點(diǎn)，系統(tǒng)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)采用面向服務(wù)的設(shè)計(jì)理念，從下到上依次分為遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控層，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)層，Web應(yīng)用層，如圖2所示。每層均定義了自己的調(diào)用接口與服務(wù)說明，下層為上層提供相關(guān)服務(wù)，上層調(diào)用下層的服務(wù)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。系統(tǒng)按層次化的模型將整個(gè)需求域從垂直方向進(jìn)行分割，每層按照高內(nèi)聚低耦合的原則進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)與模塊組合。

2.1 遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控層

遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控層由遠(yuǎn)程監(jiān)控單元（RTU）和硬盤錄像機(jī)（DVR）構(gòu)成。對(duì)下，RTU負(fù)責(zé)通過設(shè)備廠商所開發(fā)的私有協(xié)議與被監(jiān)控對(duì)象的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)采集；對(duì)上，RTU進(jìn)行設(shè)備集成并屏蔽被監(jiān)控對(duì)象之間的差異性，通過自定義的統(tǒng)一協(xié)議與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)層進(jìn)行通信，將設(shè)備差異性隔離在遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控層，保證上層采集層序的單一性與一致性。同時(shí)，當(dāng)遇到網(wǎng)絡(luò)噪聲比較大，或上層采集程序發(fā)生故障時(shí)，RTU還具有臨時(shí)存儲(chǔ)環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)和報(bào)警事件的能力，在網(wǎng)絡(luò)或程序恢復(fù)后能夠把存儲(chǔ)在本地的監(jiān)控信息發(fā)送到中心平臺(tái)，保證監(jiān)控信息的連續(xù)性，從而保證不發(fā)生漏報(bào)事件。DVR主要完成現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，供上層調(diào)用。硬盤錄像機(jī)參與報(bào)警事件處理流程，能夠與報(bào)警事件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)、實(shí)現(xiàn)預(yù)置點(diǎn)、巡航、抓拍和錄像等功能。

圖2 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)層

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)層由采集程序和數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。采集程序根據(jù)用戶定義的采集周期，采用多線程的工作方式定期對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控單元進(jìn)行輪詢，向遠(yuǎn)程監(jiān)控單元請(qǐng)求實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，采集程序通過輪訓(xùn)方式獲取數(shù)據(jù)后，根據(jù)協(xié)議規(guī)約進(jìn)行信息解碼，并把這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。有報(bào)警（消警）事件發(fā)生時(shí)，該事件信息通過捎帶技術(shù)附加在通信協(xié)議實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)域尾部。當(dāng)采集層序檢測(cè)到捎帶而來的報(bào)警（消警）信息時(shí)，采集程序會(huì)將該事件存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫的報(bào)警信息表中，并調(diào)用Web應(yīng)用層的報(bào)警服務(wù)，啟動(dòng)相應(yīng)的事件處理機(jī)制。

2.3 Web應(yīng)用層

Web應(yīng)用層面向終端用戶，主要負(fù)責(zé)信息的發(fā)布與整合，屬于整個(gè)系統(tǒng)的表現(xiàn)層，用戶通過Web應(yīng)用層可以輕松完成瀏覽實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，查看報(bào)警事件等功能。系統(tǒng)通過電子地圖、實(shí)時(shí)視頻顯示、報(bào)警處理等程序?yàn)橛脩籼峁┲庇^、身臨其境的監(jiān)控體驗(yàn)，同時(shí)通過Web應(yīng)用層進(jìn)行信息的發(fā)布與整合，可以簡(jiǎn)化客戶端部署與升級(jí)，也使用戶易于接受。系統(tǒng)在Web應(yīng)用層定義了一系列的Web服務(wù)供客戶端或第三方系統(tǒng)訪問，在保證具有開放性的同時(shí)，也體現(xiàn)了面向服務(wù)的特性。

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)參考了RUP思想（Rational Unified Process，是一個(gè)面向?qū)ο笄一诰W(wǎng)絡(luò)的程序開發(fā)方法論）和Gof設(shè)計(jì)模式（Gang of Four—4人組，由4位專家在《設(shè)計(jì)模式》一書中提出的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)方法）的理念，采用領(lǐng)域模型將整個(gè)應(yīng)用開發(fā)分為幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的層次，實(shí)現(xiàn)了高內(nèi)聚、低耦合的設(shè)計(jì)目標(biāo)。在系統(tǒng)因某種原因必須進(jìn)行修改時(shí)，只需對(duì)相關(guān)層進(jìn)行調(diào)整而不影響與其相鄰的上下層。系統(tǒng)采用基于組件的開發(fā)方法，將數(shù)據(jù)與服務(wù)組件和具體的應(yīng)用系統(tǒng)分開，基于數(shù)據(jù)資源可構(gòu)建不同的業(yè)務(wù)服務(wù)組件，而通過調(diào)用不同的服務(wù)組件和數(shù)據(jù)資源又可以構(gòu)建各種應(yīng)用業(yè)務(wù)系統(tǒng)，在業(yè)務(wù)應(yīng)用層之上提供統(tǒng)一的外部接口。

3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案

采集程序從RTU采集實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和報(bào)警信息，在初步整理、解碼后，數(shù)據(jù)將被保存到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)按設(shè)備類型分別設(shè)置有基本環(huán)境數(shù)據(jù)表、UPS數(shù)據(jù)表、空調(diào)數(shù)據(jù)表和配電數(shù)據(jù)表，用以存放采集程序所獲取的數(shù)據(jù)。其中基本環(huán)境數(shù)據(jù)表包含環(huán)境溫濕度、門禁、玻璃破碎和漏水的實(shí)時(shí)信息；UPS數(shù)據(jù)表、空調(diào)數(shù)據(jù)表、配電數(shù)據(jù)表分別包含UPS、空調(diào)和配電設(shè)備的實(shí)時(shí)信息。

在異常情況下遠(yuǎn)程監(jiān)控單元將采集到的設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和報(bào)警事件保存在內(nèi)存中，由遠(yuǎn)程監(jiān)控單元進(jìn)行管理與維護(hù)，當(dāng)系統(tǒng)從異常狀態(tài)恢復(fù)后，遠(yuǎn)程監(jiān)控單元將其內(nèi)存中保存的數(shù)據(jù)打包上傳給采集程序，用以保證系統(tǒng)監(jiān)控信息的連續(xù)性以及盡量減少漏報(bào)事件發(fā)生的幾率。

系統(tǒng)使用內(nèi)存作為臨時(shí)數(shù)據(jù)緩存，采集程序?qū)⒉杉降膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)寫入該緩存中，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)預(yù)設(shè)的采集閾值時(shí)再將緩存中的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫的相應(yīng)表中，以減少數(shù)據(jù)庫的訪問壓力，保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。歷史數(shù)據(jù)根據(jù)采集日期按日存儲(chǔ)，每晚24:00生成當(dāng)日的環(huán)境監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)表，系統(tǒng)根據(jù)用戶的參數(shù)設(shè)置，可靈活調(diào)整歷史數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)時(shí)限，同時(shí)提供歷史數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能，若用戶在系統(tǒng)中配置了歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)滿足一定條件后可自動(dòng)導(dǎo)出存儲(chǔ)到該服務(wù)器內(nèi)，供用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘與統(tǒng)計(jì)分析使用。系統(tǒng)對(duì)于報(bào)警信息采用單獨(dú)存儲(chǔ)的方式，默認(rèn)存儲(chǔ)時(shí)限為一年。

用戶信息、設(shè)備信息等系統(tǒng)運(yùn)行本身需要的相關(guān)信息，保存在相應(yīng)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表中，為系統(tǒng)正常運(yùn)行，提供數(shù)據(jù)完整性支持。

4 主要功能

電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)用于支持對(duì)機(jī)房環(huán)境的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，主要包括溫濕度檢測(cè)、漏水檢測(cè)、UPS監(jiān)控、配電監(jiān)控、空調(diào)監(jiān)控等部分。系統(tǒng)達(dá)到了對(duì)機(jī)房“五遙”遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)目標(biāo)，為機(jī)房高效管理和安全運(yùn)營(yíng)提供有力的保障。

該系統(tǒng)由環(huán)境監(jiān)控、視頻監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)和系統(tǒng)管理4部分構(gòu)成。環(huán)境監(jiān)控包括電子地圖、基本環(huán)境、UPS、配電和空調(diào)等模塊；視頻監(jiān)控主要包括實(shí)時(shí)預(yù)覽、視頻回放和抓拍瀏覽等模塊；歷史數(shù)據(jù)包括報(bào)警事件和監(jiān)控記錄等模塊；系統(tǒng)管理包括采集管理、用戶管理、監(jiān)控策略和存儲(chǔ)策略、操作日志等模塊。

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

4.1 動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控

4.1.1 基本監(jiān)控子模塊

通過智能空調(diào)的數(shù)據(jù)采集接口實(shí)時(shí)采集空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息。采集的主要狀態(tài)參數(shù)有：工作模式、送風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度、壓縮機(jī)狀態(tài)、加熱器狀態(tài)、除濕器狀態(tài)和加濕器狀態(tài)。

4.1.2 配電監(jiān)控子模塊

通過加裝在配電柜上的智能電量?jī)x實(shí)時(shí)采集輸入輸出的電能質(zhì)量，主要采集三相電壓、三相電流、有功功率、無功功率、視在功率和頻率等參數(shù)。

4.1.3 UPS監(jiān)控子模塊

全面監(jiān)控智能UPS的電池狀態(tài)、旁路狀態(tài)、負(fù)載保護(hù)、在線模式和負(fù)載過載等狀態(tài)；實(shí)時(shí)監(jiān)控的工作參數(shù)主要包括：輸入電壓、輸入電流、輸入頻率、負(fù)載電壓、負(fù)載電源、負(fù)載頻率、旁路電壓、旁路電流和旁路入頻率等。

4.1.4 空調(diào)監(jiān)控子模塊

通過傳感器完成對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)溫度、濕度、漏水、門禁、煙感、蓄電池和玻璃破碎等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4.2 視頻監(jiān)控

視頻監(jiān)控模塊包含實(shí)時(shí)預(yù)覽子模塊、視頻回放子模塊和抓拍瀏覽子模塊，完成對(duì)機(jī)房?jī)?nèi)視頻圖像的實(shí)時(shí)瀏覽、控制、視頻回放和圖像抓拍等功能。

4.3 歷史數(shù)據(jù)

歷史數(shù)據(jù)模塊包含報(bào)警事件和監(jiān)控記錄兩個(gè)子模塊，主要負(fù)責(zé)歷史監(jiān)控記錄查詢、報(bào)警事件查詢、報(bào)表生成和報(bào)表導(dǎo)出等功能。

4.4 系統(tǒng)管理

系統(tǒng)管理模塊包含采集管理、用戶管理、監(jiān)控策略、存儲(chǔ)策略和操作日志5個(gè)子模塊。主要用于維護(hù)系統(tǒng)用戶，管理存儲(chǔ)信息，配置監(jiān)控策略等。

5 武岡城際鐵路電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用介紹

武岡城際鐵路電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在武漢鐵路局調(diào)度大樓設(shè)置監(jiān)控中心平臺(tái)服務(wù)器，用以收集和存儲(chǔ)各站點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過系統(tǒng)運(yùn)算以及相關(guān)閾值的比對(duì)，將機(jī)房的實(shí)時(shí)環(huán)境信息和設(shè)備的報(bào)警信息顯示給機(jī)房管理人員；在沿線14處通信、信號(hào)和信息機(jī)房均設(shè)計(jì)有電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備—RTU，通過該設(shè)備上的串行接口、數(shù)字量接口和模擬量等接口分別連接不同的設(shè)備和傳感器，通過RTU內(nèi)程序的控制，定時(shí)輪詢各傳感器的數(shù)據(jù)并根據(jù)數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)，智能調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)隊(duì)列，即先發(fā)送優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)，后發(fā)送優(yōu)先級(jí)低的數(shù)據(jù)，以保證監(jiān)控中心優(yōu)先處理重要事件；在武漢通信段網(wǎng)管中心設(shè)置統(tǒng)一的監(jiān)控調(diào)度臺(tái)，通過通信網(wǎng)絡(luò)訪問調(diào)度大樓內(nèi)的動(dòng)環(huán)監(jiān)控服務(wù)器，獲取監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。目前，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿足功能要求。

6 結(jié)束語

為了保障武岡城際鐵路沿線各機(jī)房?jī)?nèi)重要設(shè)備安全穩(wěn)定工作，減輕機(jī)房管理人員日常工作負(fù)擔(dān)，解決事故追憶、故障分析困難的難題，本文采用層次化的系統(tǒng)架構(gòu)，建成了一個(gè)3層次的機(jī)房電源及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)為機(jī)房日常管理提供了一種有效手段。

[1]李明江. 動(dòng)力環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀及在電源維護(hù)中的作用[J].通信電源技術(shù)，2010（3）.

[2]張 巖.機(jī)房動(dòng)力及運(yùn)行環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].消費(fèi)導(dǎo)刊， 2010（7）.

[3]鄭曉波，劉育欣，溫桂玉. 機(jī)房動(dòng)力及環(huán)境集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用， 2012，21（7）：23-25.

責(zé)任編輯 陳 蓉

Power and Environment Monitoring System in Wugang Intercity Railway

ZHENG Xiaobo1, LIANG Na2
( 1.Administration of Audit and Assessment, China Railway，Beijing 100038，China；2.China Railway Engineering Design Institute Co., Ltd, Beijing 100038，China )

This paper taken Wugang Intercity Railway Power Supply and Environment Monitoring System as the template, introduced system architecture, logical architecture, data storage and main functions in detail, described the actual deployment and application of the System in Wugang Intercity Railway.

power; environment monitoring; Wugang Intercity Railway

U29∶TP39

A

1005-8451（2015）07-0038-04

2014-11-24

鄭曉波，工程師；梁 娜，經(jīng)濟(jì)師。