大准铁路综合巡检管理系统的实施方案

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摘要:随着我国铁路运量的逐年增加，铁路巡检质量也变得愈加重要。文章介绍了大准铁路综合巡检管理系统的实施方案，以及RFID在巡检管理系统中的应用，宽带无线WiMAX网络的安全方案等，并对GIS和GPS的功能进行了概述。

关键词:大准铁路；综合巡检管理系统；信息纽扣；RFID

中图分类号:U445　文献标识码:A　文章编号:1009-2374(2011)24-0077-04

大准铁路正线全长264公里，是国家I级单线电气化铁路。1995年开通运营，设计年运量1500万吨，2010年已实现运量7129.3万吨。随着运量逐年增加，加强铁路巡检质量尤为重要。目前大准铁路的巡检业务仍以人工为主，为实现工务、供电、通信、信号的巡检工作统一进行，及时将巡检结果、故障信息等传送给相应单位的维护、管理人员，形成完善、便捷的巡检、派修、检查机制就尤为重要。

一、巡检系统现状与分析

电子巡检系统一般由被巡检设备、手持巡检终端仪、巡检管理系统主机服务器组成。从应用的技术看，主要有基于信息钮扣的巡检系统、基于RFID的巡检系统以及基于GPS/GIs技术的巡检系统。

(一)基于信息钮扣的电子巡检系统

信息钮扣是一种自动识别芯片，安装在巡检设备上，巡检人员手持巡检仪碰触信息钮扣读取信息。执行任务时把巡检仪记录结果传送到巡检管理服务器，供相关的管理人员考查。这种巡检仪的缺陷是:操作不方便、易被破坏、易造成接触不良。

(二)基于RFID的巡检系统

基于RFID的系统是一种利用射频实现非接触双向通信的射频自动识别技术，系统由读卡器与射频卡两部分组成。RFID的基本特点是读卡器和射频卡不需要直接接触，它们之间的能量传输和信息交换是通过电磁耦合或者电感耦合来实现的。

RFID的非接触读取信息的特点虽然克服了信息钮扣系统的缺点，但也有其缺陷:(1)系统记录的是离散分布的巡检点的信息，无法记录巡检路径，不能很好的运用于线路巡检；(2)系统只记录了读取射频卡时的时间，无法考查巡检人员是否按操作规范检查了设备。

(三)基于GPS/GIS技术的巡检系统

巡检人员执行任务时，手持巡检终端接收全球卫星定位系统(GPS)数据，到达信号设备后，待巡检仪有效定位后保存设备的位置，执行任务时通过无线网络将数据传送到巡检管理服务器，并结合GIS(地理信息系统)功能软件进行分析，生成巡检报告。

这种巡检系统缺陷是:(1)室外设备若受其他物体的遮挡无法收到4颗以上的卫星信息，将无法有效定位；(2)一般手持GPS接收机定位精度在25m左右，当巡检设备分布集中时，从测得的GPS数据无法区分是哪个设备的数据。

目前的巡检系统虽然可以督促相关人员的巡检行为更加规范，但实际上对巡检行为的最大目的――发现问题和解决问题没有任何帮助。

二、综合巡检管理系统要实现的功能

1.利用先进的技术手段对巡检过程进行控制，实现视频、图像、声音信息的现场采集，实时了解巡检人员的工作任务安排和完成情况。

2.通过无线网络实现终端到数据服务中心的全面集成和数据的实时传输，能够保存并快速查询历史上巡检任务完成和各类异常问题的解决情况。

3.发挥计算机系统的辅助计算和决策建议能力，实现更有效的问题解决机制，提高效率。

4.线路、设备发生问题时，能够实时了解现场的实际情况，根据现场情况进行灵活调度。

三、智能巡检管理系统建设目标

大准铁路公司线路巡检管理系统项目的总体建设目标为在满足和符合准能、集团公司现有IT环境并满足信息化建设相关标准规范的前提下，建立一套全面覆盖、技术先进、运行可靠并能对管理水平有明显提升的系统。

基于统一、共享的IT基础架构初步实现基于RFID技术的无线WiMAX网络体系架构，并在宽带无线接入技术体系下遵循IEEE802.16系列标准，建设涵盖整个大准线路的所有设备、桥涵洞等相关巡检业务，初步形成巡检管理智能化，实时监控相关设备的状况及巡检人员位置等信息。

四、系统的拓扑结构

巡检管理系统应满足和符合大准铁路公司现有IT基础架构和技术标准的、基于宽带无线城域网wiMAX组网方式的、体现线路巡检及其业务的全生命周期的、基于RFID应用架构的、智能化的全方位铁路巡检管理应用。

巡检管理系统建立于大准铁路公司的无线WiMAX网络体系架构之上，采用先进的RFID技术以通过射频信号自动识别大准线路设备信息等对象，并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，形成智能化、全天候的巡检管理。自动建设思路与传统的巡检开发方式有本质区别，是神华准能公司信息化诸多业务应用系统之一，所以必须满足和符合神华准能集团公司现有的IT基础架构。

五、系统技术原则

(一)技术先进

综合巡检管理系统是一个能工作在恶劣环境的、相对复杂的系统，它的建设涉及智能电子标签、读卡阅读器、射频天线、移动GIs地理信息管理、GPS定位系统管理、综合信息管理软件平台等，基于宽带无线城域网WiMAX的网络架构，同时，巡检管理系统的建设还涉及符合和满足现有的IT基础架构、满足和符合相关技术标准和规范等，要保证系统安全、可靠、稳定的运行。

巡检管理系统须支持大准铁路公司巡检管理现有的和将来的、增加和改变的大量业务需求，这些业务工作主要围绕着信息处理技术展开，这些技术包括应用服务器技术、数据库技术、RFID技术、GPS定位技术、GIS地理信息技术、无线wiMAX技术、FLEX分析图表等多种技术的组成。

(二)遵循IEEE802.16宽带无线接入的技术标准

wiMAX是基于IEEE802.16标准系列的无线城域网技术，为用户提供“最后一公里”的宽带无线连接。它是一项新兴的通信技术，建立在IP技术之上，是“语音+数据+视频+无线”的通信技术演进和系统融合的必然结果，有着众多其他无线通信技术所不具有优势。WiMAX与3G的关系是融合而不是代替，又可作为3G的补充。

(三)基于开放标准的软件平台

巡检管理系统的建设涉及多个软件平台，各软件平台本身应采用开放标准，如数据库、手持终端系统、综合管理软件等技术部件通过开放接口、采用标准协议相互连接，成为线路巡检业务应用系统的技术支持服务层，通过这些开放、标准的软件平台为巡检管理应用提供数据存储、WEB应用等服务。

以巡检的综合信息管理软件为基础，通过开放标准的各软件平台的优化组合，实现各应用系统的统一系统管理、统一数据存储和管理、统一用户管理、统一业务数据分析、查询和统计平台。为系统进一步拓展，实现线路所有设备及其它信息的集中统一管理，构成一个规模更大的系统应用提供了技术基础。

(四)高可靠性，信息处理及时准确性

基础结构必须提供使这些巡检业务数据能够通过 无线宽带网进行快速通信处理，高可靠的系统和组件连接是系统架构设计必须考虑的重要因素。做到信息处理的及时性和准确性，使线路巡检的工作简单而智能化，并对巡检人员进行定位跟踪管理及线路设备故障报修能及时分派人员参与处理。

任何基础结构都不得妨碍业务系统的操作和维护。特别是对及时性要求比较高的核心业务系统。尽管需要基础结构提供大量的功能，但基础结构一旦建立之后，应当尽量减小它对系统的影响。

(五)可靠的信息传输和数据交换

巡检管理系统涉及多个子应用系统的信息传输和数据交换，系统总体架构的设计必须考虑能够对这些信息传输和数据交换进行安全、可靠、良好的支持。

在进行应用间的数据传送时，也许会使用未经过处理的信息传递。丢失这些信息是不可接受的，即使不能将它们传送到正确地点，也不能将其丢失。至少应当使用一个错误地址信息队列。这需要巡检手持终端、无线wiMAX网络、GIs软件平台等提供可靠的同步、异步通信调度和支持。

(六)可管理性，灵活、安全的系统管理

无论对于所使用的第三方软件平台管理工具，或是基于软件平台软件二次开发的应用，系统总体架构的设计必须考虑灵活、安全的统一管理，必须提供统一的监视。对于巡检手持终端、无线WiMAX安全、GIS软件平台、综合信息管理软件平台等环节都应该提供灵活、易用的管理维护工具。

同时，还必须能够随时存取系统信息和业务过程信息的实时及历史统计数据。系统管理的内容必须非常广泛，其中应包括故障恢复支持及分布式负荷平衡，以使系统能够动态处理大负荷。

六、系统功能实现方案

(一)总体功能设计

大准铁路公司巡检管理系统总体功能结构主要包括以下模块:信息系统门户、认证及权限管理服务、GIS&GPS定位导航服务、人事管理服务、设备管理服务、缺陷管理服务、巡检调度服务、智能数据分析。大准铁路公司巡检管理系统的功能结构应如图2所示:

(二)设备管理服务

一类是大准铁路所有需要巡检的线路及其路基、钢轨、桥隧涵设备和供电设备、线路及通信设备、线路等。另一类是巡检系统中使用的工器具设备。系统为这两类设备提供如下功能:基本设备信息管理、设备维护日志管理、设备状态评价。

(三)缺陷管理服务

缺陷主要是针对巡检过程中所发现的各类设备问题，并协调和跟踪其解决过程。大准铁路综合巡检平台系统的缺陷信息模块主要管理所有巡检员在巡检过程中可能遇到的各种设备的缺陷。提供如下功能:缺陷主数据管理、缺陷类型管理、缺陷类别管理、缺陷内容管理、缺陷参数内容管理。

(四)人事管理服务

人事管理服务是对各类工作人员进行管理所提供的服务。包括以下功能:组织架构基本信息管理、人员基本信息管理、人员职责管理、人员任务执行分析。

(五)巡检调度服务

巡检调度的过程，包括了日常的巡检过程和发现问题后的处理的整个管理过程。具体可以分为以下几个部分:任务主数据管理、任务管理、任务执行、任务跟踪、任务优化组织。

(六)智能数据分析

智能数据分析将作为整个系统的核心功能。其主要的工作方式是记录用户日常业务的各种要求和实际过程，在此基础上通过配置的方式，形成分析结果。同时根据各种记录下来的模式动作指导后续业务操作的过程。

1.通过对数据进行分析和处理，为相关的业务管理服务提供支持。各种业务操作也将在这些数据分析的基础上进行优化。

2.直接通过对数据的分析生产各类报表和图表。作为汇报、总结的基础，或者作为领导进行相关决策的基础。

(七)GIS&GPS定位导航服务

GIS&GPS服务作为一个整体，用户可以实时直观的了解整个巡检区域内的运行状况。主要功能包括:GIS地图显示、GPS导航定位。

七、关键技术及解决方案

(一)RFID在巡检管理系统中的应用

1.建设RFID应用的意义。原有线路巡检管理依靠的是手工的方式，只能实现简单的管理，无法对巡检的结果进行科学的判断分析，射频技术的采用，是对巡检管理系统运行的支撑。为使线路巡检工作不再受到时问、地点等外界因素限制，对线路巡检工作进行更好的监控，通过巡检管理系统的运行，实现巡检高效、智能的管理。

采用射频技术有以下几个优势:

(1)利用RFID，宽带无线城域网，数据库等先进技术，可以实现线路设备管理，更好地保证线路设备的高效率、低故障的安全运行。

(2)实现线路设备信息实时化管理。原始的巡检管理依靠的是手工报表，人工统计的方式来实现，导致相关部门无法及时确切了解设备的状态信息。RFID射频技术将使管理人员和相关部门可以实时、准确地掌握线路设备信息情况。

(3)优化业务流程，提高工作效率。通过RFID射频技术结合计算机技术和RFID技术，手持终端设备，对铁路所属设施设备进行巡检，并将采集的数据实时的传输到综合管理平台中。

(4)采用射频技术后，能够监督巡检管理的全生命周期运行。在铁路所属的设施设备安装时，就直接贴上标签，监督设备从购买、运行、报废的全生命周期，作到设备出现问题有源可查，从而为巡检规范管理提供依据。

2.RFID技术的特点。智能标签即无线射频识别标签，它是标签领域高新技术产品，如今已在产品包装中发挥重要的作用，逐步替代传统的产品标签和条形码。

电子标签主要由芯片和天线组成，芯片主要用于接收和传送数据，通过由阅读器发出的无线射频信号来读取，阅读器与天线和计算机网络相连，形成一个电子模块，阅读器发送来自其天线的特殊信号给特定区域的电子标签，再将反馈信息处理后传送给计算机网络，从而使管理人员得到设备的特殊信息。

智能标签具有小、薄、柔(制作的产品厚度可达到0.1mm左右，大小从几毫米到近20厘米，可随意扭曲、弯折)的优点，以及具有读取数据信息快，并可依特殊命令读取ID号码和一些特殊信息等特点。

(二)宽带无线WiMAX网络的安全方案

巡检管理系统通过wiMAX通信技术实现采集的语音、视频、图像及文字数据的无线传输。WiMAX是3G移动通信技术中发展较快的技术，国内外正在大规模建设WiMAX网络。

1.WIMAX的技术特点。和目前的其它技术相比，wiMAX具有以下技术特点:成本低、数据传输速率更高、传输距离远、部署灵活，配置伸缩性强，可平滑升级、提供广泛的多媒体通信服务。

2.WIMAX的组网方式。移动WiMAX网络架构基于通用的无线通信体系架构，在逻辑上可分为用户终端、接入网、核心网3个部分。其中，移动WiMAX终端包括固定、漫游和移动3类终端。

移动wiMAX接入网由基站和接入网关组成。基站的主要功能是管理空中接口，为终端用户提供无线接入，并支持无线资源管理等功能；接入网关主要处理到核心网的接口功能和自身管理。

移动WiMAX核心网是一套网络功能的组合，基于IP的核心网络架构包括路由器、内容服务器、用户数据库及Internet网关设备等，为WiMAX用户提供IP连接，解决用户认证、漫游等功能及处~WiMAX网络与其它网络之间的接口关系。

在WiMAX的组网方案中，按照终端的移动性，存在固定终端接入模式和移动终端接入模式。前者主要解决集团网络接入问题，还可应用于实时监控等场景。后者主要满足在移动条件下的通信要求。

WiMAX网络有3种组网方式:固定组网、移动组网和Mesh组网。

3.无线wiMAX网络方案。对于大准铁路的巡检系统，采用wiMAX来进行数据的传送。无线数据网络(WiMAX)结构图如图3所示。

(三)GIS功能概述

GIS地理应用管理是线路巡检业务的重要环节。

1.为了确保巡检人员在户外巡检时，须按照公司统一制定的巡检计划里的任务进行工作，并按照正确巡检的地理路线完成线路巡视，GIS地理应用管理是最常用的方式。它对决定巡检人员的工作状态及其地理位置有重要作用。高效的GIS地理应用管理可以帮助节省资源，提高运行效率。

GIs地理应用提供大准铁路的各种地理空间数据及属性数据，进行各种空间分析。

GIS地理应用子系统分为客户层、WEB服务层、GIS应用服务层和数据库。

2.巡检路径地图。大准铁路巡检路径图的管理主要分为2个部分:地图生成模块和地图浏览功能。其中，前者根据数据库中查询得到的地图数据，包括地理数据和属性数据，转换成可以在浏览器显示的电子地图，数据库的更新将直接影响地图的显示。电子地图的浏览包括放大、缩小、漫游及全图等常见的操作命令。

(四)GPS功能概述

GPS信号接收主要提供定位和跟踪。GPS接收器通过手持终端的蓝牙模块或者GPS模块实现无线数据通信，利用定位卫星传来的数据，从中获取位置、方向、速度等参数信息，将接收到的用户位置匹配到地图中的路径里。通过GIs完成空问数据的管理分析，GPS进行定位和跟踪，借助宽带无线WiMAX技术完成在线路巡检过程中采集的语音、视频、图像及文字等数据的传输。GPS接收机与巡检手持终端通信时，每隔几秒钟更新一次经纬度和时间数据，及时了解设备或人员的位置等信息。

GPS接收机在完成接收GPS数据后，由GPS模块负责读取GPS数据，并为其它模块提供合适的GPS数据读取接口。网络通信模块负责和服务器的通信，通过宽带无线网络向服务器实时发送用户或设备的当前位置，完成GPS信号接收管理。