青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统研究

论文摘要

恶劣风环境对铁路运输危害巨大,不仅损坏铁路设备、导致铁路网瘫痪,甚至造成人员伤亡。青藏铁路的格尔木至拉萨段正位于青藏高原腹地,气候复杂,极端天气事件频繁发生,给铁路安全运营带来严重威胁。研究解决包括新疆、青藏高原及东部沿海受台风影响地区等国内所有风区铁路的问题,确保恶劣风环境下的铁路运输安全,并尽可能实现铁路畅通,是铁路行业当前的一项重要任务。本文是在国家“十一五”支撑计划和铁道部下达的青藏铁路大风环境行车安全问题多个重点课题研究的基础上,针对青藏高原铁路风环境的特点,研究建立一套能适应青藏铁路特殊要求,从实时大风监测预警到形成列车运行速度限制指令、并能实现及时与通过风区的列车进行信息交换的大风监测预警系统,为列车安全通过风区以及大风环境下行车指挥调度提供有效决策依据和手段。针对青藏铁路沿线特殊风环境,确定青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统总体设计思路,对格—拉段沿线风区子域划分及长距离实时风速采集、传输、存储技术,列车—大风—路况等多源信息融合与集成处理技术,风区列车运行实时预警与指挥决策技术,大风监测预警与行车指挥系统诊断维护与可靠性技术等进行了深入研究,提出了大风监测预警与行车指挥系统总体技术方案,构建了系统的主要功能模块。利用网络通讯与控制相关先进技术,在世界上首次建成辖域达1120km的高原铁路长大风区大风连续监测网络体系,集成了沿线大风连续监测系统网络、铁道部TMIS和TDCS系统网络、格拉段列车行调指挥系统网络,实现了整个网络体系所属系统间的数据高速、实时通讯功能。构建的西宁海量数据处理系统,实现了网络体系结构中所有系统的来源数据信息的实时储存与分析处理。对青藏铁路沿线各测风站位置及其辖域风区的风速、路况、列车等相关信息需要融合进行综合分析,建立了青藏铁路列车—大风—路况等多源信息融合处理方法,包括测风站位置—大风变化规律—路况信息融合,瞬时风—平均风—极大风—路况信息融合,铁路TMIS与TDCS系统信息融合,大风—列车气动性能—列车动力性能信息融合。通过上述各种信息融合处理,得到青藏铁路特殊风环境下的列车安全运行临界速度,进一步研究定出风速—路况—车外型与质量不同组合状态的列车安全运行速度限值。据此建立以车辆倾覆系数为主要运行安全评判准则的“决策模型”,即青藏铁路各测风站辖域内结合路况的各种风速—车型—车辆质量耦合、共计74880种工况的“工程化”限速算法。该算法实时计算出当前位于相关测风站辖域适合列车运行的“工程化”速度,成为实时预警与指挥青藏铁路恶劣风环境下安全行车决策的依据,发出限速指令,该指令通过列车行调指挥系统网络实时指挥当前列车以允许的速度安全通过其所在风区或至指定地点待避。研发了具有自主知识产权的高原铁路大风监测预警与行车指挥系统应用软件。包括高原铁路大风行车指挥软件、高原铁路大风实时监测软件、高原铁路大风列车实时限速计算软件、强侧风下列车倾覆稳定性计算软件、高原铁路动态编组监视软件、高原铁路大风无线传输控制软件、高原铁路大风数据处理分析软件、高原铁路大风实时预测分析软件。针对高原铁路恶劣气候下系统运行的高可靠性要求,实现了系统运行状态远程自动监测、控制以及故障状态信息自动储存等功能,构建了高原铁路大风监测预警与行车指挥系统可靠性运行保障体系,确保了高原铁路大风监测预警与行车指挥系统全天候高可靠性运行。高原铁路大风监测预警与行车指挥系统,自2006年7月通车不间断运营至今,经过两年应用考验,系统稳定可靠,已多次指挥列车停轮和限速,有效地保障了青藏铁路列车运行安全和运输效率,为预防青藏铁路大风危及行车安全提供了保障。建成的系统对风向多变,难以在线路两侧修建挡风墙的风区铁路,提供了一种保障大风环境下行车安全的有效手段,为解决我国所有风区铁路的行车安全问题奠定了重要基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 国内外铁路大风环境下行车安全问题研究概况
• 1.1.1 国外研究概况
• 1.1.2 国内研究概况
• 1.2 青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统研究内容
• 1.2.1 系统研发基础—列车安全运行判定依据研究
• 1.2.2 系统研发主要内容及技术难点
• 1.2.3 系统主要创新点
• 1.3 本论文的章节安排
• 第二章 青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统总体设计
• 2.1 青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统总体设计思路
• 2.2 青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统关键技术
• 2.3 青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统总体设计方案
• 2.4 青藏铁路大风监测预警与行车指挥系统主要功能模块
• 2.5 小结
• 第三章 青藏铁路测风站数据采集与传输
• 3.1 分布式计算机控制系统关键技术
• 3.1.1 DCS集散控制系统的特点
• 3.1.2 实时工业以太网Enternet Power Link技术
• 3.1.3 工业过程控制软件接口标准-OPC技术
• 3.1.4 GSM-R/GPRS无线传输技术
• 3.2 青藏铁路测风站数据采集与传输技术方案
• 3.2.1 固定位置测风设备采集原理
• 3.2.2 可移动式测风设备采集原理
• 3.2.3 测风设备安装
• 3.3 基于OPC技术的固定位置测风站采集传输设计
• 3.3.1 固定位置测风站采集传输OPC服务端发布
• 3.3.2 固定位置测风站采集传输OPC客户端设计
• 3.3.3 固定位置测风站采集传输OPC客户端实现
• 3.4 可移动无线测风站设计
• 3.4.1 青藏铁路GSM-R无线传输网络
• 3.4.2 可移动无线测风站功能需求
• 3.4.3 可移动无线测风站硬件设计
• 3.4.4 可移动无线测风站数据传输协议设计
• 3.4.5 可移动无线测风站软件设计
• 3.5 小结
• 第四章 大风—路况信息融合与数据处理
• 4.1 信息融合基本理论
• 4.1.1 信息融合的定义
• 4.1.2 信息融合的特点
• 4.1.3 信息融合的基本算法
• 4.1.4 信息融合的关键问题
• 4.2 青藏铁路测风站位置—线路区间—路况信息融合
• 4.3 青藏铁路各测风站的辖域划分模型
• 4.4 青藏铁路沿线区段风速分布连续监测研究
• 4.4.1 控制列车限速的风速区间算法
• 4.4.2 沿线区段风速分布连续监测模型实现
• 4.5 青藏铁路西宁大风数据处理中心
• 4.5.1 关系数据库基本理论
• 4.5.2 SQL Server关系数据库
• 4.5.3 青藏铁路西宁大风风速数据处理中心研建方案
• 4.5.4 青藏铁路西宁大风数据处理中心硬件设计
• 4.5.5 青藏铁路西宁大风数据处理中心应用软件平台
• 4.5.6 青藏铁路西宁大风数据库表结构设计
• 4.5.7 青藏铁路西宁大风数据处理软件设计
• 4.6 青藏铁路沿线风速存储
• 4.6.1 海量数据存储技术
• 4.6.2 沿线风速存储技术方案
• 4.6.3 沿线风速存储具体实现
• 4.7 小结
• 第五章 青藏铁路风速时序建模与实时预测
• 5.1 风速时序建模与预测研究概况
• 5.2 时间序列分析理论
• 5.2.1 时间序列法模型体系
• 5.2.2 时间序列法建模方案
• 5.3 卡尔曼自适应滤波理论
• 5.5.1 卡尔曼滤波递推方程
• 5.5.2 最优预测
• 5.4 青藏铁路风速时序建模与预测建模思路
• 5.5 风火山测风站风速建模与预测计算实例
• 5.5.1 数据特征检验与预处理
• 5.5.2 模型识别与模型定阶
• 5.5.3 模型参数估计
• 5.5.4 模型预测计算
• 5.6 小结
• 第六章 列车编组-车型-运行信息融合
• 6.1 铁道部TMIS和TDCS简介
• 6.1.1 铁道部TMIS系统
• 6.1.2 铁道部TDCS系统
• 6.1.3 铁道部TMIS和TDCS系统结合方案
• 6.2 列车编组-车型-运行信息接口
• 6.2.1 铁道部TMIS数据信息
• 6.2.2 铁道部TDCS数据信息
• 6.2.3 铁道部TDCS和TMIS接口
• 6.3 异构型数据库互连与数据同步技术
• 6.3.1 Oracle与SQL Server数据库的表数据对象移植
• 6.3.2 Oracle与SQL Server数据库数据同步技术
• 6.4 列车编组-车型-运行信息接口设计
• 6.4.1 Oracle数据库.NET开发工具
• 6.4.2 Oracle数据库远程连接
• 6.4.3 SQL Server的链接服务器
• 6.4.4 Oracle和SQL数据库的表数据定时同步程序开发
• 6.4.5 SQL数据库SSIS可执行包TDXTTPDATE定时运行
• 6.5 列车编组与运行信息动态监测
• 6.5.1 列车编组与运行信息数据库设计
• 6.5.2 列车编组与运行信息数据库程序流程图
• 6.5.3 列车编组与运行信息数据库程序运行
• 6.6 小结
• 第七章 大风环境下行车实时预警与指挥决策
• 7.1 大风环境下行车实时预警与指挥决策模型方案
• 7.2 大风环境下行车实时预警与指挥决策模型研发基础
• 7.2.1 特殊风环境下风/车/路耦合空气动力特性规律
• 7.2.2 车辆气动力与路堤高度、风速、风向、车速关系
• 7.2.3 风特性参数与空气动力系数关系
• 7.2.4 强侧风下车辆倾覆稳定性计算
• 7.2.5 强侧风列车脱轨、倾覆的列车临界运行速度
• 7.3 青藏铁路工程化列车安全运行速度限值研究
• 7.4 青藏铁路工程化列车安全运行速度限值表
• 7.4.1 青藏铁路工程化列车安全运行速度限值表数据库结构设计
• 7.4.2 青藏铁路工程化列车安全运行速度限值表数据定义
• 7.5 大风环境下行车实时预警与指挥决策模型实现流程
• 7.6 大风环境下行车实时预警与指挥决策程序运行
• 7.7 小结
• 第八章 铁路大风监测预警与行车指挥系统应用软件
• 8.1 应用软件平台与开发关键技术
• 8.1.1 Microsoft .NET平台
• 8.1.2 多层分布式架构及其应用
• 8.1.3 分布式Web Servies
• 8.1.4 文本到语音的合成（Text-TO-Speech）技术
• 8.2 铁路大风监测预警与行车指挥系统应用软件构架
• 8.3 铁路大风监测预警与行车指挥系统应用软件功能设计
• 8.3.1 高原铁路大风实时监测软件
• 8.3.2 高原铁路大风无线传输控制软件
• 8.3.3 高原铁路大风数据处理分析软件
• 8.3.4 高原铁路大风实时预测分析软件
• 8.3.5 高原铁路动态编组监视软件
• 8.3.6 强侧风下列车倾覆稳定性计算软件
• 8.3.7 高原铁路大风列车实时限速计算软件
• 8.3.8 高原铁路大风行车指挥软件
• 8.4 与综合信息监控系统接口软件设计
• 8.4.1 服务端WebService程序
• 8.4.2 客户端调用
• 8.5 小结
• 第九章 远程大风监测预警诊断与维护系统
• 9.1 远程大风监测预警诊断与维护系统关键技术
• 9.1.1 ftp传输协议
• 9.1.2 ZIP文件压缩
• 9.1.3 基于XML的数据交换
• 9.2 基于XML诊断与维护系统协议格式设计
• 9.3.1 XML诊断与维护系统协议格式构架设计
• 9.3.2 XML诊断与维护系统协议格式定义
• 9.3.3 典型XML诊断与维护系统协议文件
• 9.3 远程大风监测预警诊断与维护系统设计
• 9.3.1 远程大风监测预警诊断与维护系统设计思路
• 9.3.2 远程大风监测预警诊断与维护系统技术方案
• 9.3.3 远程大风监测预警诊断与维护系统功能模块
• 9.3.4 中南大学远程大风监测预警系统监测软件
• 9.4 小结
• 第十章 结论
• 10.1 完成的主要工作
• 10.2 论文工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果