新疆北线高速铁路风监测系统的研究

新疆北线高速铁路风监测系统的研究

新疆铁路沿线的自然环境很差。根据国家规定，当高速列车通过的环境侧风速度小于15m时，可以正常行驶。当侧风速度大于20ms时，应采取分级减速。当侧风速度超过30ms时，严禁高速列车进入风区。当时，列车必须关闭并关闭铁路线。完善升级风监测系统非常必要，新的补强工程以风数据采集、传输、筛选、预警控制、信息发布技术为核心。1监测网的构成系统的气象数据采用双路传感采集器数据采集，每次间隔3s。每次单数据汇集，以双路数据传输至通讯及心跳服务器，经行调服务器分发至各终端任务服务器，由数据服务器对所得数据进行分析、筛选等相应处理。监测数据既可以通过各分级阈值提供不同自动预警信息，也可由系统内网工作人员监控，同时提供VPN与Web方式服务。本系统由气象观测站、区间数据汇集站、数据中心、调度监测中心、技术保障中心和网络发布中心等部分构成。网络拓扑结构由子网、干网、内网与Web业务网四部分组成。其中，子网为气象观测站至区间数据汇集站的冗余专网；干网为区间数据汇集站至路局数据中心的2M专网（E1模式）；内网为由数据中心、调度监测中心和技术保障中心组成的业务网；Web业务网则为获得授权的Web用户群。数据传输采用自主开发的报文协议，业务处理采用TCP/IP协议。子网提供两路光纤通道，实现数据通道的冗余保护。2基于服务功能的程序模拟环境本系统由Adobe公司的Flex与Microsoft公司的C#.NET交互开发。利用Flex开源开发框架和C#.NET的基于XMLWeb的环境，实现程序在网络传输、共享数据的服务平台的优越性能。利用Flex优于原有的SilverLight流媒体应用的支持等特点，充分开发其实时动态表现和多系统平台访问的功能。服务器的数据库使用微软公司的SQL-Server2008平台开发，主要考虑兼容性、稳定性与安全性。3系统的全球设计3.1风向风速测量由于铁路沿线自然环境恶劣，使用常规的观测仪器极容易出现故障，损坏严重，因此选择定制的抗恶劣环境的ZZC系列风向风速仪。该测风仪由风向风速传感器、主机、连接电缆组成，其最大抗风强度为75m/s，测量风速60m/s。可同时显示3s采样取得的瞬时风向风速和2分钟内平均风向风速，并可提供不少于10个月的现场存储能力，能对自身工况实时自动侦测。同时它具有看门狗（WacthDog）功能，运行异常时可自行复位。3.2基于tcp/ip协议的数据报文风监测系统的气象数据采用双路传感采集器数据采集，每次间隔三秒钟，每次为单一数据汇集。采集所得数据通过协议转换器转换为标准数据报文格式，此格式符合TCP/IP协议要求，可利用已有的光纤网络由双路数据传输至通讯服务器。考虑到数据安全问题，自主开发了一套基于TCP/IP层的传输协议。通过C#控制程序在数据报文发送前加上自研发协议的报文首部，如此可确保报文的可靠保密性。报文包含前导码、帧距、帧编号、优先级、发送与目标地址、报文类别与内容、结束码和最后的CRC16数据校验码。其中，采集器实时报文记录格式如表1所示。3.3实时数据库存储系统数据库分为即时心跳数据库、行调数据库、监控数据库、实时数据库和历史数据库等数个组成部分。数据经双路传输、筛选、行调至各数据库服务器进行处理。当日已进行过比对的常规数据存入实时数据库以便于监控人员调用查询；每日常规数据将定期存储至历史数据库用于后期专家系统对气象数据进行比对分析。考虑到MS-SQL数据库的承载，设计时采用存储过程（StoredProcedure）的方式。以路局标准为基础，建立数据库内各表之间的逻辑关系，保证数据的各类控件属性全部规范并唯一，并以此建立元数据字典-项目库和元数据字典-项目库-分析结果数据库工作模型。示意图如图1所示：系统服务器采用C#架构，根据需求搭建了各类独立的应用服务器，为了实现数据共享，针对数据库选用了基于数据库对象的数据调用接口。3.4数据处理和统计分析考虑到新疆气候的特殊性，系统的采集器长期处于低温、冰雪、大风或高温、长日照的极端环境中，采集得到的数据可能会因为信号干扰、信号衰减或采集器老化破损等情况出现信号失真情况。针对这一情况，系统采用了数据双路传输，互为参照完整性约束纠错，以冗余形式最大程度的保障数据的准确与可靠。同时也制定了整套的数据分析纠正体系，用于数据的进一步分析与纠正。当系统接受到某采集点的数据异常———即前后得到的数据差异过大或采集所得值超出设定阈值时，数据筛选程序首先会将此数据存入监控数据库，同时对数据进行公式处理分析并存入实时数据库。公式如下：式中为第n次计算的气象变量的平均值；yi为第i个样本值；a为在移动着的样本区间内的第1个样本：当n≤N时a=1，当n>N时a=n-N+1;N是样本区间内的样本总数；m为在移动着的样本区间内“正确”的数据样本数（m≤N）。其中对气压、温度、相对湿度的计算，i=1,n=N。在数据写入实时数据库的同时系统会将此数据记录备档。当所测风速相邻两次采样相差10m/s（瞬时风速≤10m/s）或相邻两次采样相差20m/s（瞬时风速≥20m/s），则此采样数据为可疑或错误数据。在一定时间段内此类数据不再出现，即判定为错误数据并忽略；若此数据多次出现，则认为该处风速过大，应对相关工作人员与前方列车发出预警。3.5web数据库发布服务该模块提供系统对VPN内网与Web的各类服务。其中，Web环境下的所有业务模式与VPN环境的下主要业务程序的采用B/C架构模式，而VPN环境下的核心业务程序则为C/S工作模式。VPN内网用户按照权限可进行数据查询、数据使用、报表、下载等操作；Web用户可享有数据查询、数据使用、授权下载服务。服务提供了统一的数据视图，不同业务系统可直接在数据库级使用公共分析等。提供针对某些数据视图，某一个专门的业务系统可以使用特殊性质的分析数据。Web数据发布服务使用C#.NET与Flex交互开发，数据库为MS-SQLServer，其中Flex作为前台显示，C#.NET为后台提供服务。由于C#.NET与Flex无法直接通讯，因此需要用到FluorineFX。它是一个开源库，提供了一种在．NETframework下对Flex的远程过程调用。通过这个库，即可实现C#.NET与Flex的通信。通信模式如图2所示：其中，FlexG-Data和C#G-Data分别为Flex和C#中负责数据存储、发送的子程序；LineChart控件为Flex程序里调用显示数据的子程序。图3为Flex根据SQL数据库内数据实时绘制Web风速线图。4自动向相关人员调阅相较于乌鲁木齐铁路局使用的原有风监测系统，本文的设计提高了数据传输的准确性、时效性与可靠性。交互工作方式良好，方便了内部工作人员监控与外部人员调阅