高速铁路防灾安全监控系统方案研究

摘 要：通过分析高速铁路防灾安全监控系统的层次结构，探讨高速铁路防灾安全监控系统管理网和现场网的组网方案，并提出一种基于CAN总线的系统组网方式。

关键词：高速铁路；防灾安全监控系统；CAN

Abstract：Through the analysis of hierarchical structure of the disaster prevention and safety monitoring system of high speed railway, this paper discussed the networking scheme of the network management and the network of the disaster prevention and safety monitoring system of high speed railway, and then proposed one kind of system networking basing on the CAN bus .

Key words: high speed railway; disaster prevention and safety monitoring system; Controller Area Network（CAN）

中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：

防灾安全监控系统作为铁路信息系统的一个子系统，其功能是对各种危及高速铁路运行的自然、事故灾害进行监测、报警，提供经处理后的灾害预警信息，为综合调度中心运行计划调度、下达行车管制、抢险救援和维护维修作依据，保证列车安全正点、高效舒适。防灾安全监控系统由风监测系统、雨量及洪水监测系统、地震监测系统、轨温监测系统、突发事故异物侵限及非法入侵防护系统组成。本文从系统的硬件和网络构成入手，探讨系统的组网方案。

一、系统层次结构

高速铁路防灾安全监控系统包含两个层次的网络，上层网络为管理网，下层网络为现场网。

1、管理网

高速铁路防灾安全监控系统是一个广域互连的计算机网络，需要将防灾安全监控的车站、区间、工区、变电所等局域网和调度中心局域网通过数据网或TDM电路互连。

管理网以主监控中心和区域监控中心为主的二级网络。其作为防灾安全监控系统的上层网络，负责收集、汇聚下层现场网络数据，对数据进行处理、产生告警等信息，将信息传至综合调度中心，并在综合调度中心信息共享，进行系统联动和控制；同时负责接收、转发综合调度中心下达的维修防护、抢险救援指令，并控制下层设备网络的相关动作。

2、现场网

现场网主要由监控点、传感器、控制器、执行器等现场设备组成，是一个原始数据采集的底层网络。根据监测地点的不同，现场设备可以设置于车站、工区、区间、无人值守机房、变电所等。

现场网主要负责采集现场原始数据，上传至网管理网；同时根据管理网下传的指令进行相应动作，并维护自身的稳定运行。

二、系统方案设计

1、设计原则

（1）充分利用铁路数据网和传输网基础资源，构建铁路防灾安全监控系统信息网。

（2）充分考虑系统的实时性，数据上传、指令下达所经过的节点不应太多。

（3）各现场子系统的资源应能有效共享，尽量构建在统一的监测平台上。

（4）各子系统应能适应铁路沿线的恶劣环境，在灾害降临时，底层设备应能不受干扰的、有效、可靠的运行，单监测点的失效应不影响整个系统的运行。

2、组网方式

（1）管理网

主监控中心一般为综合调度中心。设置各类服务器、数据库、协议转换设备、网络设备及各种监控终端等，实现其接收、处理、存储各类信息，输出告警、共享数据及指令下发、转发等功能，并完成与外部其它系统的接口互联。主监控中心网络结构如下图所示：

主监控中心局组网图

区域监控中心一般为综合维修工区。通过设置各种接入、处理设备，将现场监控点数据进行汇聚并上传至主监控中心。区域监控中心的组网如下图所示：

区域监控中心组网图

（2）现场网

监控点位于车站、区间、变电所等。监控点接收现场设备采集的监测数据、对数据进行正确性分析、告警判断，并对现场设备进行直接管理。监控点可输出实时告警信息，对于需要综合历史数据、联动其它系统进行分析计算才能确定的信息，则上传至上级监控中心进行处理。监控点是管理网与现场网的连接部分，并具备直接管理现场设备的功能，是整个系统设计成败的关键所在。

监控点的核心是连接管理网和现场网的网关设备。该设备主要实现以下功能：

 接受现场数据，并对数据进行正确性分析

 与上级监控中心的通信功能

 告警判断功能

 实时告警数据的暂存功能

 设备自检、故障告警功能

该设备主要提供以下接口：

 与现场采集设备的接口（总线接口或其它）

 与监控终端（后台设备）的本地、或远程网络接口（RJ45或其它）

 网络管理接口（RJ45或RS232）

 与上级监控中心的网络接口（E1或其它）

为保证监控点的可靠性，网关设备宜采用双机热备的工作方式。监控点组网如下图所示：

监控点组网图

底层设备包括传感器、控制器、执行器等，是防灾安全监控系统的基础设施。底层设备的组网方式灵活多样，借鉴工业控制领域现场总线的成功运用经验，在此提出基于CAN（Controller Area Network）现场总线组建防灾安全监控系统监测网络的方案。

CAN总线具备多主工作方式、无站址通信、带优先权的总裁技术、短帧传送、出错及故障监测等技术特点，能较好的解决信息传输的实时性、可靠性和准确性；其总线组网方式能将各子系统有机的整合；尤其适用于节点多而分散、实时性要求高、现场环境干扰大的铁路防灾安全监控系统。

以铁路各车站、变电所、无人值守机房及区间的风、雨洪水、轨温、火灾、地震、异物侵限及非法入侵监测传感器，门禁、消防控制器、执行器为底层网络节点，以CAN总线组建底层网络。CAN总线网上位机作为作监控点与底层设备之间的网关，监控点工作人员通过后台设备查询现场监测数据及设备运行状态，控制机通过铁路数据网或专用TDM电路上传至上级监控中心。

底层CAN总线网络工作原理为：CAN总线设置为主从式工作，CAN上位机负责监控各个从机（CAN节点），向从机指令，并接收、处理从机传来的监测数据，输出告警；从机执行主机的指令，向主机传送监测数据或控制部件动作；由于通信信号传输到导线的端点时会发生反射，而且反射信号会干扰正常信号的传输，因此，总线两端应接有终端电阻，以消除反射信号，其阻值应当与传输电缆的特性阻抗大致相当。底层设备网络如下图所示：

基于CAN的防灾安全监控系统结构图

基于CAN总线设计的监测系统有较高的使用价值，而且价格低廉、可靠性高。同时系统还具有高可扩展性，在需要多通道采集的情况下只需添加少量的采集模块即可；组网方式灵活，铁路沿线车站、区间、车站房屋、通信信号机房等需要监控的的点都可挂接在CAN总线上；还可将AD、DA、开关量、计数器、控制器等模块进行集成，形成通用数据采集模块，进一步减少现场设备。

三、结语

本文通过分析高速铁路防灾安全监控系统的管理网、现场网的网络结构，给出一种适合的组网方案，其结论可为高速铁路防灾安全监控系统组网方案提供借鉴。

参考文献：

[1]Bosch公司 CAN 协议规范 V2.0版本．

[3]雷森．现场总线控制网络技术[M]．电子工业出版社．

[4]史久根，张培仁，陈真勇．CAN现场总线系统设计技术[M]．国防工业出版社．

[5]邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计[M]．北京航空航天大学出版社．

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。