（交通信息工程及控制专业论文）铁路信号设备巡检管理信息系统的设计与实现.pdf

中文摘要 摘要：在铁路运输领域。铁路信号设备是保证行车安全、提高运输效率、传递信 息、改善行车人员劳动条件的重要设施，实现设备信息化以及信息化管理是必然 的发展方向。近几年来，铁路信号设备在信息化方面已经取得了很大的发展，但 是管理的信息化仍然不能满足现场的需要。另外，随着列车行驶速度加快，天窗 维护时闻交短，使得信号设备维护工作时要多巡视少开箱，信号设备的巡检工作 变得尤为重要。因此，为保证信号设备巡检管理的质量、确保信号设备的正常运 行，研究先进的电子巡检管理系统势在必行。 电子巡检管理系统主要包括巡检仪和巡检管理软件两部分，本文的重点是设 计和实现巡检仪的人机交互管理软件一巡检管理信息系统。针对铁路信号设备维护 工作具有点多线长、设备分散的特点，而现有的电子巡检系统不能够实现点巡检 和线巡检质量的全面考核，本文设计开发了基于g p s ( g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ，全 球定位系统) 、g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理信息系统) 和r f i d ( r a d i o f r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，射频识别) 技术的铁路信号设备巡检管理系统。 本文使用i b mr a t i o n a lr o s e 建模软件和u m l 建模语言对巡检管理信息系统 进行了详细的需求分析和用例分析，对系统登录、添加巡检点、记录导入、历史 数据回放等关键操作部分做出了时序分析和协作分析，并对系统的数据库和软件 保护方案进行了设计。在此基础上用v i s u a lc + + 开发工具实现了具有较高可复用性 的软件架构和友好的用户界面，完成了信息管理、计划编排、记录管理、数据维 护、统计报表等功能模块的实现。系统采用g i s 及地图匹配技术处理记录在巡检 仪中的巡检路径g p s 数据，考查巡检人员是否按照规定的路径和时间进行巡检； 利用记录的r f i d 数据考查巡检人员是否检查了某个设备，两种方式相结合对巡检 人员的工作质量进行全面的考查。用实测数据对系统中的地图匹配算法及系统整 个功能进行了测试，取得了良好的效果，达到了预期设计目标。 关键词：管理信息系统；地理信息系统；全球定位系统；铁路信号设备；巡检； 地图匹配 分类号：u 2 8 3 4 ；u 2 8 3 5 a b s t r a c t a b s t r a c t ：r a i l w a ys i g r l a l i a gd e v i c e s 勰v e r yi m p o r t a n tt oe n s u r ei r a i ns a f e t y , i m p r o v et r a n s p o r te t t i e i e n e y , t a a r l s m i ti n f o r m a t i o n 柚di m p r o v et h ew o r k i n gc o n d i t i o n s o fs t y h i g ht e c h n o l o g ye q u i p m e n ta n di n f o r m a t i o nm a l l a g c m c l l ti s 姐i n e v i t a b l e d i l 硎o l lo fd e v e l o p m e n t i nr e c e n t y e a r s ，i n f o r m a t i o n - b a s e dr a i l w a ys i g n a l i n g e q u i p m e n t sh a v ea c h i e v e dg r e a td e v e l o p m e n t h o w e v e r , m a n a g e m e n t s t i l lc 缸n o tm e e t t h ei n f o r m a t i o nn e e d so ff i e l d w i t ht h ew a i n 删u p ，o p e nt i m ef o rm a i n t e n a n c e b e c o m e ss h o r t e r , w h i c hm a k e ss i g n a l i n ge q u i p m e n tm a i n t e n a n c ew o r kt of e w e ro p e n i n g c h e c ka n dm o l ep a t r o l l i n ge l a e e k t h ep a t r o l l i n gw o r ko fs i g n a l i n gd e v i c e sb e c o l n e 8 m o l ea n dm o r ei m p o r t a n t t h e r e f o r e ，i no r d e rt og u a r a n t e et h eq u a l i t yo ft h ep a t r o l l i n g m a n a g e m e n ta n d e n b - u r et h en o r m a lo p e r a t i o no f s i g n a l i n ge q u i p m e n t s ，w em u s td e v e l o p a d v a n c e de l e e l a o n i ep a t r o l l i n gm a n a g e m e n ts y s t e m e l e c t r o n i cp a t r o l l i n gm a n a g e m e n ts y s t e mi sc o m p o s e do fp a l r o li n s t n m l c r i ta n d i n f o m a a t i o n m a n a g e m e n t s o t t w a r e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h eh u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ns o f t w a r e - - p a t r o l l i n gm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o ns y s t e m r a i l w a ys i g 瑚a i n gd e v i c e sa r e ：w i d e l yd i s t r i b u t e d , a n dt h ee x i s t i n g e l e e t r o n i cp a t r o l l i n gs y s t e mc a l ln o ta c h i e v ep a t r o l l i n ge x a m i n a t i o no fb o t hp o i n t sa n d l i n e s t h e r e f o r e ，w ed e s i g n e da n dd e v e l o p e dt h ep a t r o l l i n gm a n a g e m e n ts y s t e mf o r r a i l w a ys i g n a l i n g d e v i c e sw h i c hb a s e do n g p s ( g l o b a l p o s i t i o n s y s t e m ) ， g i s ( g e o g r a p l a i ei n f o r m a t i o ns y s t e m ) a n dr f m ( r a d i of r e q u e n c yi d e l 出e a t i o n ) t e c h n o l o g y ht h i st h e s i s ad e t a i l e da n a l y s i so fr e q u i r e m e n ta n dl l s ec a s ea n a l y s i so fc r i t i c a l o p e r a t i o nh a v e b e e np e r f o r m e d 埘t hi b mr a t i o n a lr o s es o t = t w a r ea n du n i f i e dm o d e l i n g l a n g u a g e a n dm a n yc r i t i c a lo p e r a t i o n ss u c h 丛l o g g i n gi ns y s t e m , a d d i n gp a t r o ls i t e s i m p o r l i n gr e c o r d sa n dr e p l a y i n gh i s t o r i c a ld a t aa r ed e s i g n e da n da n a l y z e db ys e q u e n c e d i a g r a m sa n dc o l l a b o r a t i o nd i a g r a m s d a t a b a s ea n ds o f t w a r ep r o t e c t i o np r o g r a ma l e a l s od e s i g n e da n dc o m p l e t e d o nt h i sb a s i s ，al a j 曲r e u s a b i l i t yo fs o f t w a r ea r c h i t e c t u r e a n df r i e n d l yu s e ri n t e r f a c eh a sb e e nd e s i g n e dw i t hv i s u a lc + + d e v e l o p m e n tt o o l s m a n y m o d u l e ss u e l aa si n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t , p r o g r a mp l a n n i n g ，r e c o r d sm a n a g e m e n t , d a t a b a s em a i n t e n a n c ea n dr e p o r ts t a t i s t i c sa r ei m p l e m e n t e d g p sd a t aa n dg i s m 叩一m a t c h i n ga l g o r i t h m sa r ec o m b i n e d t oe x a m i n et h ep a t r o lr o u t e ，w h i l er f i dd a t ai s u s e dt oe x a m i n ew h e t h e rp a t r o lw o r k e r sh a v ei n s p e c t e dt h ee q u i p m e n t b a s e do nt h e a n a l y s i so f t h et w ow a y st h ep a n o l l i n gq u a l i t yo f w o r k e r si se x a m i n e d i na d d i t i o n , t h e m a p - m a t c h i n ga l g o r i t h ma n ds y s t e mf u n c t i o n sa l et e s t e dw i t hf i e l dd a t a , a n dt h e e x p e c t e dd e s i g ng o a l sa r ea c h i e v e d k e y w o r d s ：m i s ，g i s ，g p s ，r a i l w a ys i g n a l i n gd e i c e ，p a t r o l l i n g ，m a p - m a t c h i n g c l a s s n o ：u 2 8 3 4 ：u 2 8 3 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名狂异 签字日期：少呻年7 1 月了1 日 一名：匆 签字日期：阳年l 姻彩日 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 黜一躲秘琵柳瓤叩吼月7 蛔 致谢 本论文的工作是在我的导师蔡伯根教授的悉心指导下完成的，蔡伯根教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。他悉心指导我完成了 实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此衷心 感谢三年来蔡老师对我的关心和指导。 陈德旺老师和王剑老师对于我的科研工作和学习提出了许多的宝贵意见，在 此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，安毅、罗鑫、唐一哲等同学对我论文中的硬 件方面研究工作给予了热情帮助，张辉同学对我的论文也提出了很多有意义的建 议，还有一起工作学习的袁振江、惠怀志、张峰等同学也给了我很大帮助，我在 此向他们表达我的感激之情。 最后，在这里感谢我的父母、弟弟及我的女朋友，他们的理解和支持使我能 够在学校专心完成我的学业。 l 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 铁路信息化与数字铁路 铁路在促进社会进步和推动经济发展中占有重要位置，在人类高度重视可持 续发展战略的今天，铁路以其能耗低、污染轻、占地少等自然优势，加之客运高 速、货运重载、运输指挥管理现代化等高技术的支持，在各种交通方式的激烈竞 争中呈现重新振兴的势态。回顾现代铁路的发展历程，可以清楚的看到铁路信息 化是现代铁路生存和发展的客观要求与必然趋势。处于改革开放交通运输业迅速 发展形势下的中国铁路，信息化问题更显得突出和重要。 利用现代信息技术提高铁路运输管理水平和服务质量，是推进铁路集约化经 营、增强铁路市场竞争能力的重要手段，也是实现铁路现代化的关键。 铁路信息化建设的总体目标是：通过对全路信息基础设施和信息系统进行全 面的规划，建立铁路信息化可持续发展的规范化、标准化体系结构：使各管理信 息系统有机连接，建立可共享的综合数据环境，达到管理信息系统互通互联、信 息资源综合利用，为铁路各级、各部门管理、决策人员提供系统的信息服务与决 策支持：改变营销服务手段，使铁路信息服务实现市场化、社会化；配合各管理 信息系统的建设，建立更加完善的基础数据采集自动化系统，进一步提高生产过 程的自动化程度，实现铁路运输经营、管理与服务的系统化、指挥控制的现代化、 决策的智能化“j 。 在中国铁路信息化蓝图中，主要包括财务管理信息系统、机务管理信息系统、 车辆管理信息系统、工务管理信息系统、电务管理信息系统、供电给水管理信息 系统、客票预售系统、车号识别信息系统等。铁道部部长在2 0 0 7 年的全国铁路科 技大会中的讲话中指出：“加快推进经营管理信息化，统筹建设机车、车辆、工务、 电务等业务信息管理系统，推广铁路建设项目管理信息系统，启动人力资源、全 面预算、统计分析、铁路用地等管理信息系统建设，丰富办公信息系统功能，为 铁路加快转变生产经营方式、提高经济发展质量提供现代化手段。要突出解决好 信息共享和网络信息安全两个问题，最大限度地实现信息共享和硬件设施、接入 通道共用，提高铁路各信息系统的安全性和抗灾害性。” 另外，铁路部门在数字地球的前提下，提出了“数字铁路”的概念，数字铁 路是建立在铁路信息基础上的。把铁路车、机、工、电、辆、行政指挥、运营管 理等部门的海量的数据按照统一的地理坐标集成起来，使各级决策层及管理、技 术人员无论走到哪里，无论何时都可以按照优先级别得到铁路任何一个地方、任 何部门的信息，这些信息以动静结合、具有高度沉浸感和临场感、交互方便地展 现在用户面前，使得遍布全国的庞大的铁路系统真实地重现在各级决策者面前， 为决策及生产指挥提供依据。 1 1 ，2 铁路信号设备巡检管理的必要性 铁路信号设备是铁路信号、联锁、闭塞等设备的总称，是组织指挥列车运行， 保证行车安全，提高运输效率，改善行车组织方式，实现行车指挥现代化的关键 设施。铁路信号设备主要包括信号机、转辙机、继电器、轨道电路、信号电源等。 根据铁道部颁布的铁路信号维护规则的规定，巡检信号工必须每日巡视 各种信号设备，及时发现并排除隐患。信号设备维护工作必须坚持。安全第一、 预防为主”的方针，贯彻预防与整修相结合的原则，确保信号设备运用状态良好。 要积极采用现代化的技术手段，优化维护作业方式方法，推进修程修制改革，提 高劳动生产率，要全面落实责任制，完善考核制度，推行全面质量管理，提高维 护管理水平。 随着我国第六次大提速的实施，列车行驶速度的进一步加快，开天窗维护时 问变短，铁路信号设备的维护工作难度越来越大。在列车速度加快的同时，车次 增多，在一些繁忙路段，铁路的运营甚至已经趋于饱和，要点进行信号设备的维 护已经非常困难，铁路信号设备的维护工作的难度之大可想而知。为此，要求工 作人员在设备维护工作时要多巡视设备状况，少开箱检查，即“多看少动”，因此 巡检信号设备的工作尤为重要。 铁路信号设备技术密集、科技含量高，具有点多线长、设备分散、布局成网、 不间断运用、结合部多、易受外界影响等特点，并且巡检设备属室外作业，对信 号工的巡检工作情况难以考核。长期以来形成了“巡与不巡一个样，巡多巡少一 个样。巡与不巡没人知道”的被动局面。 传统的信号设备巡检管理工作一般采取签到的方式，依靠人为管理和监督实 现，但是工作签到记录的方法容易被伪造，且历史记录不易保存，也不利于数据 日后的查询和管理。铁路信号维护规则指出“信号维护部门要经常交流、推广 先进的维护经验和新的工作方法；积极采用新技术、新材料、新工艺；积极支持 新技术开发中的现场试验工作，并尽快在信号维护管理工作中开发运用电子计算 机。” 2 因此，引入先进的智能化电子巡检管理系统势在必行。电子巡检系统的优势 在于一方面可以避免巡检人员的麻痹思想和作弊行为，从而更好的保证铁路运输 的安全性，另一方面可以更科学的考核巡检工作人员的工作业绩，提高管理效率。 1 2 电子巡检系统的研究现状 1 2 1 电子巡检系统的功能、组成及分类 巡检是指工作人员按照规定的巡检路线，在规定的时间段内必须到达巡检路 线中的每一点，并在一段时间内完成对规定区域的巡查。电子巡检系统的一般功 能包括： ( 1 ) 监督巡检人员坚守岗位，尽职尽责，实现科学化人员管理。 ( 2 ) 实现技防与人防的有效结合，弥补技防可能存在的缺陷和不足。 ( 3 ) 提供巡检人员人身安全保证手段，通过电子巡检系统可以及时了解到值班 人员的工作状态，及时发现问题。 尽管能够实现上述功能的电子巡检系统很多，但是它们的基本组成是相似的。 一般来说，电子巡检系统由四部分组成，即巡检点、巡检仪、传输介质、巡检管 理主机。所谓巡检点，就是安装在巡检人员需要查看的地点的设备，巡检点可以 由有源设备构成，也可以由无缘设备构成：所谓巡检仪，就是巡检人员巡检过程 中使用的一种电子设备，它有特定的结构和功能，或完成巡检信息的自动记录和 存储，或完成巡检信息的自动发射，或完成巡检信息的传输触发，具体功能与巡 检系统的总体结构密切相关；传输介质根据巡检系统的结构不同而不同，它可以 是有线的铜缆介质，也可以是电磁波介质，还可以是以其它无线或有线方式传输 信息；巡检管理主机是一个计算机管理系统，经常由一台普通p c 机担任，实现包 括巡检系统动态实时信息在内的巡检信息综合管理任务【3 】。 电子巡检系统的分类方法很多，从传输介质角度来看，巡检系统主要分为无 线电子巡检系统和有线电子巡检系统。 就无线电子巡检系统来说，分为以下三种： ( 1 ) 巡检点设备直接无线发射巡检信息的无线电巡检系统。在这类系统中， 巡检点是一个独立的发送设备，它可以采用i e e e s 0 2 1 l a b 、s w 廿等无线通信协 议巡检仪只是一种独特的触发装置，巡检人员用专用的巡检仪触发巡检点发射 巡检信息。这类巡检系统实现多点对单点的通信。该系统的优点是：安装方便， 不需要铺设线缆，信息传送实时性好。其缺点是：发射装置成本比较高，系统总 体费用高，维护比较困难。 ( 2 ) 巡检仪直接发送巡检信息的无线电巡检系统。在这类系统中点设备仅是 一种带地址编号的特殊触发装置，如信息纽扣等。系统仅需要一台具有无线发射 功能的巡检仪，系统仅需要实现单点对单点的无线通信。该类系统具有与上述系 统类似的优点，同时该系统只需要一个无线发送设备，所以成本要比前者低许多。 ( 3 ) 巡检仪记录巡检信息的无线巡检系统。在这类系统中，巡检点装置唯一 标识巡检点名称，例如用信息纽扣i b u t t o n 作巡检点，用嵌入式系统作巡检仪，通 过巡检人员手持巡检仪巡视巡检点，完成巡检信息的纪录、传输和管理。这类巡 检系统结构简单，成本低廉，工作可靠、实用，系统安装、变更和维护均比较方 便，因此得到了广泛应用。 就有线电子巡检系统来说，可以分为以下两类： ( 1 ) 基于传统串行总线的电子巡检系统。在这类巡检系统中，每一个巡检点 设备是一个带地址编号的有源或无源的触发器，值班人员用巡检仪触发巡检点， 完成巡检信息发送。这类体统是一典型的计算机通信系统，巡检点与中央计算机 之间实现多点对单点的通信。这类系统可靠，实时性好，但需要铺设线缆，安装 比较麻烦，成本高，不易变更和扩展。在一定程度上，它是一种简化的计算机集 散控制系统。 ( 2 ) 基于现场总线的电子巡检系统。这类系统与上述系统有很大相似之处， 只是每个巡检点为现场总线节点，节点之间实行串行总线连接。这类系统的优点 表现为现场总线系统的优点，即可靠、灵活和抗干扰等。但是由于这种系统成本 高，因此很少有人采用。 从应用的技术角度看，目前主要有三种电子巡检系统： ( 1 ) 基于信息纽扣的巡检系统 信息纽扣( i b u t t o n ) 是一种自动识别芯片，种类繁多，采用不锈钢封装，具 有良好的保安性能，容易安装在任何地方。信息纽扣不怕冲击、不怕水，能忍受 内负载超载，外电压超载或短路。信息纽扣采用全球唯一的1 2 位数字编号，一个 信息纽扣对应一个巡检设备。 该系统的工作原理是：将信息钮扣安置在指定的巡检线路上，巡检人员沿途 巡检时，手持巡检仪，依次碰触信息钮扣，当巡检仪确定已经和信息钮扣接触上 时，便在一线总线上完成命令和数据的传递，巡检仪将信息钮扣的唯一的标识码 和巡检时间记入巡检仪。一定时间后，再将巡检仪中记录的考勤结果通过通讯座 送往微机，供管理人员考查。管理人员通过计算机读出巡检仪中的信息，可随时 了解巡检人员的整个巡检活动，取得真实依据，有效地督促巡检工作【4 】。 该系统的优点是接1 3 简单，可靠性强。缺点是在读取信息纽扣时必须接触才 能读取信息，操作起来不方便，尤其是晚上；而且信息纽扣外露，容易被破坏。 4 ( 2 ) 基于射频识别( r f d ) 技术的巡检系统 r f i d 是r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 的缩写，即射频识别，它是一种利用射 频实现非接触双向通信的自动识别技术。一套完整的r f i d 系统由读卡器与射频卡 两部分组成， r f i d 系统的基本特点是读卡器和射频卡不需要直接接触，它们之问的能量传 输和信息交换是通过电磁耦合或者电感耦合来实现的。该系统的工作原理和信息 纽扣巡检系统类似，主要的不同就是信息纽扣改为射频卡，系统由接触式系统改 为非接触式。 该系统具有信息纽扣系统的优点，同时克服了信息纽扣系统的缺点。但它们 同样只能用于离散分布的巡检点的巡检。 ( 3 ) 基于g p s g i s 技术的巡检系统 g p s 是g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m 的简称，即全球定位系统，它可以为用户提供 实时的准确的位置信息。g i s 是g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m 的简称，即地理信 息系统，它是近些年来迅速崛起并得到广泛重视和应用的技术。 该系统的工作原理是：巡检人员执行任务时，手持巡检仪接收g p s 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，任务结束将数据导入管理 主机，结合g i s 功能软件进行分析，生成巡检报告。 这种系统的优点是可以记录连续的路径信息，缺点是在受到物体遮挡的区域 无法进行有效的定位。 1 2 2 电子巡检系统的应用领域 电子巡检系统可以使得人员管理更加科学化和规范化，电子巡检系统刚开始 出现时主要应用在小区的安防巡逻领域，只是完成简单的巡更工作，随着巡检系 统技术及功能的进一步完善，其功能不仅仅限于完成“巡更”工作，而是在读卡 过后，把巡检点碰到的问题显示记录下来，再传送回管理中心便于管理和解决问 题，真正达到“巡检”的目的。 巡检系统不仅能够完成考勤记录的工作，还能够实时再现辖区内的事件，及 时掌握第一手资料，迅速解决问题。巡检管理系统是对包括安全、设备巡检实行 量化、动态管理的现代化手段，是促进相关部门实行科学化管理的重要步骤。巡 检管理系统软件以维护部门日常管理为主线，根据巡检仪中记录的数据对维护部 门的巡检工作的完成情况进行考核，实现维护部门日常管理的信息化，加强维护 部门管理的科学化、制度化，提高维护部门的整体管理水平。 目前电子巡检系统的应用领域越来越广泛，主要包括：石油行业管线、井位 巡查管理：电力行业线路、设备巡查管理；通讯行业线路、设备巡查管理：铁路 及安全设备巡查管理；市政各种管线、设备巡查管理；公交站场巡查管理；邮政 系统信箱开取检查管理：商业网点巡查管理；城市违章建筑巡查管理；林业系统 林区巡查管理；及其他行业重要部位和重要室外设备设施的巡查管理 1 3 论文主要工作及结构 前面介绍了目前的电子巡检系统，虽然它们大大提高了巡检管理工作的效率， 但是这些电子巡检系统也存在明显的不足，不能够实现点巡检与线巡检的完美结 合。 本文的主要工作是设计开发基于g p s 、g i s 和r f i d 技术的铁路信号设备巡检 管理系统。采用g i s 及地图匹配技术处理记录在巡检仪中的巡检路径g p s 数据， 考察巡检人员是否按照规定的巡检路径、巡检时间和巡检顺序进行巡检；利用记 录的r f i d 数据考查巡检人员是否检查了某个设备，通过系统的分析对巡检人员的 工作情况进行全面的管理和考查。 计算机技术在各个领域内的应用有一个很重要的层面就是人机交互设计，对 于巡检仪更是如此。因为无论多先进的硬件设备都需要一个接口作为机器和用户 交流的平台，而这个交互接口直接关系到巡检信息的输入输出以及巡检仪的操作 和功能控制。另外，考虑到巡检仪使用者和管理者的计算机水平，设计者需要详 尽的分析用户的交互特性需求和交互任务需求，选择合理的交互方式，科学的进 行人机任务区分，开发出功能性和易用性俱佳的、更为人性化的人机交互接口。 巡检管理信息系统研究的目标主要包括三个方面：第一，利用数字采集设备 代替传统的签到记录管理方式；第二，通过计算机自动识别技术对巡检员的巡检 质量进行客观、量化的判断；第三，建立相应的管理信息方式记录和保存铁路信 号设备故障及巡检情况的相关资料，为日后的查询分析提供方便。 本文对铁路信号设备巡检管理信息系统进行了详细的需求分析及关键操作的 用例分析，设计了具有较高可复用性的软件架构和友好的用户界面，实现了信息 管理、记录管理、数据分析、统计报表、数据维护等模块。 论文主体结构分为五章，具体安排如下： 第一章首先介绍了本文的选题背景，分析了铁路信号设备巡检管理引入先进 的电子巡检管理系统的必要性，并且介绍了电子巡检系统的研究现状。 第二章主要介绍了系统使用的g p s 、g 1 s 、r f i d 技术的基本原理、地图匹配 的常用算法、面向对象软件开发技术以及人机交互界面的设计原则。 第三章是铁路信号设备巡检管理信息系统的详细设计说明，包括系统需求分 6 析、方案分析、可行性分析，以及u m l 系统建模、数据库设计、地图匹配算法设 计和软件保护方案设计。 第四章是铁路信号设备巡检管理信息系统的编程实现。详细介绍了系统的框 架和各个模块的实现，并制作了联机帮助文档和系统安装程序。 第五章是论文的总结与展望，提出了后续的研究需要改进的地方。 7 2 系统关键技术 本章介绍了系统涉及的主要技术，包括射频识别( r a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 、全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 、地理信 息系统( g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，o l s ) 、地图匹配( m a pm a t c h ，m m ) 技术，以及面向对象体系结构( o b j e c to r i e n t e da r c h i t e c t u r e ，o o a ) 、人机交互设 计原则和软件保护技术。 2 1 射频识另j l ( r f i d ) 技术 r f i i x p - , a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 即射频识别，常称为感应式电子晶片或应 答器、感应卡、非接触卡、电子标签、电子条码等。一套完整的r f i d 系统由阅读 器 1 说明实际巡检路线与计划巡检路线有所偏差。在这里厶。：的 取值取决于接收机的精度，可以根据情况进行实际调整。 图3 8 实际路线一与计划路线匹配 f i g u r e3 - 8t w o r o u t e sm a t c h 图3 - 9 实际路线二与计划路线不匹配 f i g u r e3 - 9t w or o u t e sn o tm a t c h 图3 - 1 0 实际路线与计划路线的距离值 f i g u r e 3 一l od i s 撇b e t w e e n t w or o u t e s 4 0 图3 1 1 相邻距离的方差 f i g u r e3 1 1v a r i a n c e 叫 3 8 系统的软件保护方案设计 根据第二章的软件保护技术介绍，本系统采用基于硬盘序列号和r s a 加密算 法的序列号保护方案。 序列号方案是一种广泛应用的共享软件保护技术。用户可以在一段时间内或 一定次数内免费使用该软件，或长期使用该功能。如果用户想要长期使用软件的 全部功能，需要向软件开发者交费注册。软件开发者根据用户提供的信息生成序 列号，以完成注册。 序列号方案要注意防止正确的序列号明显出现，而且最好能跟计算机的某些 固定的硬件特征相结合。硬盘序列号存在于硬盘的控制芯片内，是一个与操作系 统无关的特性，该序号只能用硬盘控制器的i o 指令读取，并且不能用常规办法 修改。由于其具有唯一性和可读性的特点，因此用其来进行软件加密是一种很有 效的方法。 这种方案的序列号生成不包含于程序中，同时可以使用加密算法保证算法的 安全性。因此采用硬盘序列号和r s a 加密算法相结合的方案。 巡检管理信息系统在发布运行时，需要对当前的运行环境进行初步验证，若 没有运行在指定的硬件平台下，则立即退出。 4 l 4 系统的实现 4 1 巡检仪的实现 第一章介绍了现有的电子巡检系统，虽然它们大大提高了巡检管理工作的效 率，但是这些电子巡检系统也存在明显的不足，不能够实现点巡检与线巡检的完 美结合。因此我们研制出了结合运用g p s 和r f i d 技术的新型电子巡检仪，巡检 仪样机如图禾1 所示，它采用g p s 技术记录巡检路径，采用r f i d 技术考查巡检 工作人员是否检查了某个设备，这样就可以多方面的考查巡检人员检查信号设备 时的操作规范性。 图4 1 巡检仪样机 f i g u r e4 - 1p a t r o li n s t a n n e n tm o d e l 巡检仪的硬件系统由微型g p s 接收模块、r f i d 通信模块、大容量的s e c u r e d i g i t a l 存储卡、3 2 位a r m 处理器以及液晶显示模块、键盘、电源等模块组成。 硬件结构如图4 - 2 所示。 本系统用到的嵌入式处理器是a t 9 1 s a m 7 s 6 4 ，它是基于a r m 架构的3 2 位处 理器，控制其它硬件资源；s d 读写口是s e c u r e i ) i # t a i 卡的物理容器与电气接口， s e c u r e d i g i t a l 卡为符合s d 卡规范的存储卡，完成数据存储功能；g p s 模块为u - b l o x 的l e a - h 模块，嵌入式处理器通过l e a h 得到位置坐标并写入s d 卡；r f i d 模 块为m f r c 5 3 1 ，工作频率1 3 5 6 m h z ，非接触读写距离1 0 c m 用于读取巡检设备 电子标签的数据；g s m 模块为g r 4 7 模块，它是9 0 0 m h z 的g s m g p r s 通信模块， 可以通过公共移动网络与管理中心进行数据通信：l c d 显示模块用于显示必要的 状态信息，嵌入式处理器把g p s 坐标信息与时间信息显示在液晶模块上，并且利 用电子地图进行路径导航：u s b 端口为巡检仪提供与p c 的数据通信连接，还可以 通过u s b 端口进行电池充电；诊断口用于记录设备的诊断数据；l i i o n 电源为巡 检仪提供电能。 图4 2 巡检仪硬件结构 f i g u r e4 - 2h a r d w a r es t n w t u r eo f p a t r o li n s t r u m e n t 本巡检仪采用了1 3 5 6 m i - i z 非接触射频识别( r f d ) 读写模块读取电子标签 上的巡检数据，操作方便。基于r f i d 的电子标签比起现有接触式系统具有防水、 防电、不易无损等优点。采用嵌入式g p s 模块生成巡检路径数据和巡检时间数据， 考察了巡检的路径和巡检时间间隔，相比以往方案，结果更加具体。l e a - h 是芯 片级的g p s 模块，体积小，功耗低。 4 2 巡检管理信息系统总体框架的实现 巡检管理信息系统在v i s u a lc + + 6 0 平台下开发，使用了姗f c 应用程序的文 档视图体系结构。由于本系统功能较多，故将c m a i n f r a m e 框架进行了切分，左 侧窗口为图标式选择控制栏，用来选择不同的功能；右上侧窗口为显示窗口，用 来显示地图或列表框；右下侧窗口为不同功能下的相应控制或输入信息窗口。系 统功能框架如图4 _ 3 所示。 铁路信号设备巡检管理信息系统 驸雕驯滕忙 图4 - 3 系统功能框架 f i g u r e4 - 3s y s t e mf u n c t i o nf r a m e w o r k 根据人机交互界面的设计原则，系统设计了简单易操作的菜单栏和工具栏。 其中所有功能的实现都有对应的菜单项，并且设计了相应的快捷键让用户可以直 接使用键盘进行操作。本系统设计了两个工具栏，其中上方工具栏是菜单中最常 用的用户操作，右侧工具栏主要是针对地图操作。状态栏用来显示当前登录用户 名及鼠标在地图上移动时的当前位置。另外，考虑到不同用户对界面要求的差异 性，系统实现了用户可以自由改变视图大小比例、可隐藏显示工具栏和状态栏的 功能。系统的主界面实现如4 - 4 所示。 参数设置报表显示地图显示 实时监控统计报裹记录管理计划编捧 分析参 致据鲁份 输出打印筛选 页面设置 信息点设置 线路设置 雨加退检点 地田漫髀地凰缩小 图4 4 系统主界面框架 f i g u r e4 - 4s y s t e ms o l , w a r ef r a m e w o r kl l l t 绷a c c 4 3 系统各模块实现介绍 根据系统的功能需求分析，按照模块化的设计原则，对系统的各模块结构进 行了实现。各模块功能相对独立，通过系统设定的接口进行关联，可以方便的对 模块进行复用和维护下面对几个主要模块分别加以介绍。 4 3 1 系统登录模块 用户登录模块是用户进入系统的门户模块，它会根据用户输入的登录信息来 分配系统权限，从而达到保护系统的目的。本系统设置了管理员、高级用户、普 通用户三个不同权限的用户级别，不同的级别具有不同的操作权限，其中管理员 具有最高的权限。 一个完整的用户登录模块，主要由用户交互接口、权限生成模块、加密解密 模块和数据访问模块四部分组成。其中，用户交互接口需要为系统和用户都提供 安全的登录保障，这包括用户输入的保密性和用户输入的正确性。 系统在启动后，首先显示用户登录界面等待用户输入，如图4 5 所示。用户输 入用户名和密码并确认后，系统从数据访问模块中读取原始的用户信息，通过加 密解密算法处理后对用户名和密码进行验证，如果用户名不存在或密码不匹配， 系统就拒绝用户的请求并提示重新输入，如果用户连续三次输入错误，系统登录 自动退出。当用户名和密码输入正确时通过数据库中查找到的用户的权限进入相 应操作权限的主界面。 图 5 系统登录界面 f i g u r e4 - 5s y s t m 【鸺i i li n t e r f a c e 4 3 2 用户信息管理模块 系统管理员作为本系统的最高管理者，登录后可以设置管理其他用户的信息， 例如权限修改、密码设置、信息修改等。在本系统中专门设置了一个对话框来完 成此项功能，界面如图4 6 所示。系统管理员可以通过这一模块查看、设置其他任 何用户的详细信息 图4 - 6 用户信息管理 f i g u r e4 - 6u s e ri n f o r j a t i o nm a n a g e m e n ti n t e f f a c e 高级用户和普通用户登录系统后，无权修改其他用户的信息，但是可以修改 自己的登录密码。考虑到系统安全，当用户修改密码时，需要对原密码进行验证， 并对新密码采取双重确认方式，界面如图4 7 所示。 图4 7 修改密码模块 f i g u r e 4 - 7 t h e d i a l o g o f c h a n g i n g p a s s w o r d m o d u l e 4 3 3 计划编排模块 计划编排模块包括线路设置、巡检点设置和巡检人员设置三个子模块。 巡检人员在进行巡检之前，需要由巡检管理人员制定巡检线路，不同的巡检 人员按照不同的计划执行巡检任务。巡检线路的设置编排模块界面如图4 8 所示。 巡检管理人员可以增加、修改、删除巡检班次路线，用鼠标点击巡检班次路线表 中的巡检路线时，右侧巡检点列表中将自动列出该线路中的所有巡检点及巡检时 间。点击不同的巡检点，可以完成添加、修改、删除不同班次路线的巡检点的功 能。在这里设计了两种人机交互方式，一种是通过点击列表框进行操作，另一种 是通过使用地图选择工具点击地图上的巡检点进行操作。这两种方式使得巡检管 理人员在制定巡检任务、修改巡检班次路线时更加直观、方便。 在进行巡检点设置时，用鼠标选中地图中的巡检点，该巡检点的信息将自动 显示于列表框中，用户可以查看这些巡检点的信息是否准确，如果需要修改，点 击编辑按钮，则巡检点的部分信息框变为可编辑状态，这时用户可以对巡检点的 信息进行设置。操作界面如图4 - 9 所示。 4 7 图4 - 8 巡检计划编排模块界面 f i g u r e4 - 8p a t r o lp l a n n i n gm o d u l ei n t e r f a c e 图4 - 9 巡检点信息设置 f i g u r e4 - 9p a t r o ls i t ei n f o r m a t i o ns e t t i n gm o d u l e 如果需要增加巡检点，只需要选择地图工具栏中的添加巡检点工具，在地图 4 3 中需要增加巡检点的地方点击鼠标左键，系统将弹出一个对话框，如图4 1 0 所示。 巡检点的经纬度已经自动显示在对话框中，用户只需要输入巡检点的i d 和名称、 选择巡检点类别即可，按确定后系统将自动将数据信息存入数据库。 图4 - 1 0 添加新巡检点 f i g u r e4 - 1 0t h ed i a l o go f a d d i n gp a t r o ls i t e 4 3 4 记录管理模块 巡检人员巡检结束后，其巡检的路径信息和巡检过的巡检设备点信息分别以 不同的格式保存在巡检仪的s d 卡内。这时，我们需要把其中的信息导入到巡检管 理信息系统中对巡检结果予以分析和保存。 巡检仪中记录的设备巡检数据格式为：s p t r e c ，1 ，e a 5 3 c 6 5 8 , 2 0 0 7 0 1 0