譚 艷，范春學(xué)，曹亞輝，羅 鑫

（1. 卡斯柯信號有限公司，上海 200071；2. 上海市鐵路智能調(diào)度指揮系統(tǒng)工程研究中心，上海 200071）

1 概述

國內(nèi)高速鐵路網(wǎng)從“四縱四橫”升級到“八縱八橫”，高速鐵路技術(shù)體系完善、路網(wǎng)規(guī)模龐大。鐵路建設(shè)將直接引起城市交通區(qū)位的變化和空間可達性的改善，增強了沿線中心城市生產(chǎn)要素的聚集和輻射能力，推動了沿線城市資源整合，中國鐵路的高速發(fā)展助推了中國經(jīng)濟的騰飛。

鐵路的發(fā)展助推了信號設(shè)備的發(fā)展，對眾多、復(fù)雜設(shè)備的監(jiān)測也給信號集中監(jiān)測系統(tǒng)提出了更高要求。監(jiān)測系統(tǒng)通過實時的信息采集、數(shù)據(jù)處理得到該設(shè)備狀態(tài)信息后，把設(shè)備運行狀況信息通過圖形化呈現(xiàn)出來，不僅直觀且鮮明。尤其在3D 圖形化設(shè)備中定位顯示故障位置，相比于傳統(tǒng)文字說明，增強了故障定位的層次感，而且提升了用戶對故障位置的辨識度，對電務(wù)日常維護信號設(shè)備、快速處理故障具有重要意義。

為達到更加全面的、多層次的顯示效果，需要一種更加簡便、高效的數(shù)據(jù)存儲方法來應(yīng)對復(fù)雜的圖形化顯示。通過設(shè)備信息矩陣來存儲對應(yīng)設(shè)備的圖形化信息，再用2D 或3D 的方式建模設(shè)備圖形化來顯示設(shè)備矩陣中的信息。實現(xiàn)矩陣內(nèi)信息交互、處理、引流，完成矩陣內(nèi)數(shù)據(jù)與圖形化顯示點對點的對應(yīng)。

2 監(jiān)測設(shè)備圖形化建模

傳統(tǒng)的信號集中監(jiān)測圖形化注重對設(shè)備的具現(xiàn)化，偏重設(shè)備外形輪廓的完整復(fù)制，之后顯示其各類狀態(tài)量和報警信息。當(dāng)應(yīng)對更加復(fù)雜的系統(tǒng)時，比如對設(shè)備的物理狀態(tài)、邏輯關(guān)系的呈現(xiàn)，信號機械室設(shè)備的空間立體布局，設(shè)備圖形化承載更多的顯示信息等。傳統(tǒng)的實現(xiàn)方式就會呈現(xiàn)出過于簡單、層級混亂、難于嵌套的弊端。

基于傳統(tǒng)圖形化問題以及新標(biāo)準(zhǔn)要求的考慮，需要引進一種分類更加詳細(xì)、便于多級嵌套、承載更多信息顯示、且更好適應(yīng)現(xiàn)代化監(jiān)測系統(tǒng)往智慧化方向發(fā)展的圖形化建模。

根據(jù)信號設(shè)備主體功能位置的空間劃分，通過組態(tài)工具HMIMaker 分別對室外設(shè)備、室內(nèi)設(shè)備進行圖形化建模，相比傳統(tǒng)建模更具有主次感，多重層次性帶來更多的信息承載，可更加全面的展現(xiàn)信號設(shè)備的運行態(tài)勢。

2.1 室外設(shè)備圖形化建模

室外設(shè)備主要涉及3 類信號設(shè)備：軌道、道岔、信號機，首先要基于原有站場設(shè)備的布局整體展開，把模型中疊加多層圖元，每層中的圖元作為一個子設(shè)備信息承載單元，頂層的圖元是匯總映射底層的圖元，可以實時顯示建模設(shè)備關(guān)聯(lián)的多態(tài)量、模擬量等。圖元最頂層顏色關(guān)聯(lián)的是設(shè)備健康度分?jǐn)?shù)，健康度可追溯整個設(shè)備生命周期。健康度分為：

1）設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，所有指標(biāo)均正常-綠色；

2）設(shè)備運轉(zhuǎn)正常，部分非關(guān)鍵指標(biāo)越線-藍色；

3）設(shè)備可以運轉(zhuǎn)，關(guān)鍵性指標(biāo)已經(jīng)越線-黃色；

4）設(shè)備已經(jīng)故障停用，急需上報搶修-紅色。

首先，按照站場圖中實際設(shè)備位置，通過HMIMaker 對軌道、道岔、信號機設(shè)備建模，這里要做到對設(shè)備坐標(biāo)位置和邏輯連接關(guān)系上的還原。其次，編輯每一個軌道、道岔、信號機設(shè)備的承載信息，在圖元屬性背景顏色中設(shè)置設(shè)備健康度顏色顯示規(guī)則，在設(shè)備編碼中輸入設(shè)備的UUID，UUID 在整個設(shè)備生命周期中作為設(shè)備的唯一標(biāo)識，后續(xù)圖形化信息矩陣中存儲的模擬量、狀態(tài)量、多態(tài)量都關(guān)聯(lián)到UUID 中，只要圖形化中輸入這個唯一的UUID，圖形化界面就會顯示信息矩陣中的設(shè)備信息。軌道、道岔、信號機建模及設(shè)備HMI 組件動畫信息編輯如圖1 所示。

圖1 室外設(shè)備建模及HMI組件動畫信息編輯Fig.1 Outdoor equipment modeling and the interface for editing HMI component animation information

2.2 室內(nèi)設(shè)備建模

室內(nèi)設(shè)備建模是對機房內(nèi)信號設(shè)備進行三維建模，按照機房內(nèi)設(shè)備空間立體位置進行繪制。三維機房設(shè)備頂層圖元也是顯示該設(shè)備的健康度，涉及到的室內(nèi)設(shè)備主要有聯(lián)鎖、CTC、列控、電源屏等，室內(nèi)設(shè)備有設(shè)備物理狀態(tài)建模，還有設(shè)備邏輯狀態(tài)關(guān)系的建模。通過自頂向下的方式，對設(shè)備依次進行關(guān)聯(lián)。三維機房里的設(shè)備下層關(guān)聯(lián)著物理、邏輯狀態(tài)建模圖，實現(xiàn)逐層嵌套、關(guān)聯(lián)。這種層與層之間的嵌套關(guān)系、數(shù)據(jù)信息的計算、導(dǎo)流關(guān)系都是通過信息矩陣中的層級關(guān)系矩陣實現(xiàn)的，用戶可以通過層層點擊查看下層關(guān)聯(lián)子設(shè)備信息以及健康度。

2.2.1 室內(nèi)設(shè)備三維建模及設(shè)備組件動畫信息編輯

首先，按照信號機房內(nèi)信號設(shè)備的空間位置，通過HMIMaker 對室內(nèi)設(shè)備三維建模，要做到對設(shè)備空間布局和信號設(shè)備邏輯關(guān)系上的還原。其次，編輯每個室內(nèi)三維設(shè)備承載的信息，在圖元屬性背景顏色中設(shè)置設(shè)備健康度顏色顯示規(guī)則，在設(shè)備編碼中輸入主設(shè)備的UUID。三維建模、設(shè)備組件動畫信息編輯如圖2 所示。

圖2 室內(nèi)設(shè)備三維建模及HMI組件動畫信息編輯Fig.2 3D modeling of indoor equipment and the interface for editing HMI component animation information

2.2.2 室內(nèi)設(shè)備物理、邏輯狀態(tài)圖形化建模

按照聯(lián)鎖機柜內(nèi)具體設(shè)備實物，通過HMIMaker對聯(lián)鎖物理設(shè)備建模，比如聯(lián)鎖設(shè)備狀態(tài)燈、板卡狀態(tài)、電源狀態(tài)等。設(shè)備邏輯拓?fù)鋱D也需建模，比如聯(lián)鎖設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系拓?fù)鋱D，通過HMIMaker 對聯(lián)鎖設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系建模。聯(lián)鎖設(shè)備物理狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系拓?fù)浣D效果如圖3 所示。

圖3 聯(lián)鎖設(shè)備物理狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系拓?fù)浣ig.3 Topology modeling of the physical status, network logical relationship of CBI equipment

3 設(shè)備圖形化信息矩陣

上述設(shè)備建模完畢后，需要對圖形化中圖元的信息進行數(shù)據(jù)的存儲、交換、計算、導(dǎo)流，便于圖形化界面可便捷的獲取數(shù)據(jù)、顯示圖元信息。所以引入一種圖形化信息矩陣的方式來實現(xiàn)上述功能。

這里的設(shè)備圖形化信息矩陣Mk里邊主要包括若干子矩陣，子矩陣中涵蓋圖元關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息矩

陣Ikn、導(dǎo)流矩陣Rkn、層級關(guān)系矩陣Ckn等。如公式（1）所示。

設(shè)備信息矩陣Ikn主要是該設(shè)備圖形化要關(guān)聯(lián)的顯示信息，比如關(guān)聯(lián)的模擬量、開關(guān)量、健康度等，可通過鼠標(biāo)停留在圖形化上顯示其信息。如公式（2）所示。

導(dǎo)流矩陣Rkn主要是指引該設(shè)備的矩陣數(shù)據(jù)那些需要導(dǎo)流到另外的設(shè)備矩陣中，實現(xiàn)不同設(shè)備矩陣之間的數(shù)據(jù)共享、交換。比如聯(lián)鎖電源板卡的健康度直接影響聯(lián)鎖整個系統(tǒng)設(shè)備的健康度，如果B系的電源板卡健康度為0（電源板卡宕機），聯(lián)鎖B 系的驅(qū)動、采集卡都會受到牽連，而且電源板卡對應(yīng)的父設(shè)備B 系直接宕機，只剩下A 系可用，同樣會影響頂層聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)備的健康度。因此子設(shè)備健康度是其父設(shè)備健康度的一個因子，父設(shè)備健康度又是頂層系統(tǒng)設(shè)備健康度的一個因子，所以導(dǎo)流矩陣必須存在，且具有重要意義。如公式（3）所示。

層級關(guān)系矩陣Ckn是一個標(biāo)注該設(shè)備在圖形化數(shù)據(jù)鏈路中位置、層級關(guān)系的矩陣，層級關(guān)系矩陣也是為導(dǎo)流矩陣服務(wù)的，Ch1標(biāo)注的是該設(shè)備上層設(shè)備矩陣，C11標(biāo)注的是該設(shè)備下層設(shè)備矩陣，Ch1、C11標(biāo)注出上、下層級關(guān)系，解決多級嵌套問題。這樣導(dǎo)流矩陣中數(shù)據(jù)可明確的知道需要和哪些設(shè)備矩陣共享數(shù)據(jù)。如公式（4）所示。

矩陣中還會預(yù)留一些位置，方便后續(xù)擴展使用。把系統(tǒng)（聯(lián)鎖系統(tǒng)）、設(shè)備（驅(qū)動板、采集板等）、設(shè)備的各種采集信息（模擬量、開關(guān)量等）、計算出的導(dǎo)流信息（健康度）都會給予唯一的UUID，所以圖形化信息矩陣存儲的是設(shè)備關(guān)聯(lián)采集信息的UUID，上、下層設(shè)備的UUID，導(dǎo)流信息的UUID。數(shù)據(jù)與UUID 掛鉤，矩陣中存儲的是UUID 號而不是具體數(shù)據(jù)，這樣信息計算獲取都非常簡單，且易于實現(xiàn)，效率高。

4 圖形化建模顯示效果驗證

通過上述方法對鐵路信號設(shè)備軌道、道岔、信號機、室內(nèi)設(shè)備進行圖形化建模，使用圖形化信息矩陣方法存儲、交換、計算、導(dǎo)流數(shù)據(jù)，現(xiàn)已在多條線路上試用，顯示效果出眾，完全符合2020 版監(jiān)測對設(shè)備圖形化顯示的需求，同時結(jié)合輸入的打分項，對設(shè)備進行實時診斷、健康度打分，極大方便了工區(qū)對信號設(shè)備的監(jiān)管、維護。

4.1 室外設(shè)備圖形化及健康度信息顯示

室外軌道、道岔、信號機設(shè)備圖形化建模以及健康度試用顯示效果如圖4、5 所示。

圖4 室外設(shè)備圖形化關(guān)聯(lián)信息顯示Fig.4 Diagram of graphical associated information of outdoor equipment

圖5 室外設(shè)備健康度顯示Fig.5 Diagram of the degree of health of outdoor equipment

4.2 室內(nèi)設(shè)備物理、邏輯圖形化及健康度信息顯示

室內(nèi)設(shè)備物理、邏輯圖形化建模以及健康度試用顯示效果如圖6、7 所示。

圖6 室內(nèi)聯(lián)鎖機柜物理狀態(tài)及網(wǎng)絡(luò)邏輯關(guān)系拓?fù)鋱D形化顯示Fig.6 Graphical diagram of the physical status and the topology of network logical relationship of indoor CBI cabinet

5 結(jié)論

圖7 室內(nèi)NPC板卡健康度顯示Fig.7 Diagram of the degree of health of indoor NPC board

為達到2020 版監(jiān)測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對圖形化的要求，同時滿足客戶對設(shè)備監(jiān)管、維護的更高要求，本文提出了一種基于信號設(shè)備監(jiān)測圖形化建模的方法，針對該建模方法提出基于設(shè)備圖形化信息矩陣的方式來存儲、交換、計算、導(dǎo)流數(shù)據(jù)，創(chuàng)新的提出一種數(shù)據(jù)導(dǎo)流矩陣的方式來實現(xiàn)各個設(shè)備數(shù)據(jù)引流、共用的解決策略。經(jīng)過現(xiàn)場試用后客戶的反饋，不僅可以快速查看客戶所需的設(shè)備關(guān)聯(lián)信息，而且設(shè)備圖形化建模顯示效果帶來了更好的親和力。由于對機房設(shè)備采用3D 建模方式，給用戶一種親臨現(xiàn)場設(shè)備的使用體驗，這對于遠(yuǎn)程指導(dǎo)操作、室內(nèi)作業(yè)監(jiān)督效果顯著。結(jié)合設(shè)備各個維度的健康度，對設(shè)備運行的狀態(tài)實時的監(jiān)督，通過設(shè)備圖形化顏色來反映設(shè)備健康度信息，滿足用戶對設(shè)備整個生命周期的盯控，對后期設(shè)備的維護策略起到重要指導(dǎo)意義。