1.本发明涉及轨道交通技术领域，尤其涉及一种基于动态时间规整技术的信号集中监测安全信息监督方法。


背景技术：

2.随着铁路运输行业与计算机技术的蓬勃发展，越来越多的铁路信号系统得以广泛应用，其所管辖与获取到的数据越来越广泛。在国外，许多国家都很重视铁路信号设备的监测数据综合平台的作用，在保证高铁运行安全方面有丰富的经验。国外信号控制系统一般是控制、监测一体化，覆盖车载信号、区间信号和车站信号，有效地将监测的数据与控制数据相结合，从而实现故障预警。
3.我国铁路信号系统，通过不断总结经验、科研创新，形成了适合我国国情、路情的自主技术体系，目前主要由计算机联锁(computer based interlocking，cbi)、列控中心(train control center，tcc)、zpw2000系列无绝缘移频轨道电路、无线闭塞中心(radio block center，rbc)、临时限速服务器(temporary speed restriction server，tsrs)、调度集中系统(centralized traffice control，ctc)等构成。这些信号子系统既相互独立工作，又相互通信交互信息，通过各自的维护终端记录着各自的工作状态数据。当行车发生故障时，有时需查看同一时间不同设备的记录数据才可以全面分析故障原因。信号集中监测系统(centralized signaling monitoring，csm)是实时监督上述信号子系统和信号基础设备的状态，具备全面了解各设备工作状态的条件。随着铁路信号设备技术的发展，各信号子系统自身的安全和可靠性越来越高，但是设备间结合部的隐患仍存在。
4.目前国内的研究都是集中在某一单个领域的研究设计，没有对信号子系统的各种信息资源进行整合，没有实现完整的信息共享，缺乏对系统间列控安全信息的监督提示，未能形成合力为运输提供服务，所以对于信号系统结合部处的安全隐患防范和故障监督急需加强。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于动态时间规整技术的信号集中监测安全信息监督方法，能够针对各信号子系统间数据时间戳不同步的问题，保障了各信号子系统间数据的一致性与准确性；同时高效地将各个接口系统不同来源的数据融合且转换为统一的时间维度，可以有效的解决在设备间结合部的潜在安全隐患，实现完整的信息共享，对系统间信号集中监测安全信息的监督给出准确预报警提示，达到安全行车的目的。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于动态时间规整技术的信号集中监测安全信息监督方法，包括：
8.使用动态时间规整技术，将不同子系统的时间序列数据或者相同子系统内不同来源的时间序列数据，两两进行动态对齐，获得规整后的统一刻度的时间序列数据对；
9.基于规整后的统一刻度的时间序列数据对，执行列控安全信息一致性比对；
10.将列控安全信息一致性比对的结果进行展示。
11.由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过对接入信号集中监测安全监督的不同子系统的数据时间进行动态时间规整，不仅可以将多源信息进行融合，方便及时发现各系统结合部间的数据不一致性而引发的安全隐患。而且，将规整后的时间连带数据进行关联分析，有效地保证了数据统计分析的维度在统一的时间流。这对保证列车高效安全行驶起到了重要的指导作用，有故障时可以做到及时安全隐患的排查，报警等级最高时甚至应当及时控车停止，提前提示诸如追尾，出轨等事故的发生。对实际铁路运输行业的平稳高效安全运行具有重要的意义和应用价值。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
13.图1为本发明实施例提供的一种基于动态时间规整技术的信号集中监测安全信息监督方法的流程图；
14.图2为本发明实施例提供的规整后的统一时间刻度的时间序列数据示意图；
15.图3为本发明实施例提供的报警信息时实时报警展示界面示意图；
16.图4为本发明实施例提供的对已经发生过的历史报警信息进行统计的展示界面示意图；
17.图5为本发明实施例提供的对已经发生过的历史报警信息进行查询的展示界面示意图；
18.图6为本发明实施例提供的站场表示信息示意图；
19.图7为本发明实施例提供的显示多系统来源数据之间相关的关联的示意图；
20.图8为本发明实施例提供的实现信号集中监测安全信息监督方法的的网络结构示意图。
具体实施方式
21.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
22.首先对本文中可能使用的术语进行如下说明：
23.术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”或其它类似语义的描述，应被解释为非排它性的包括。例如：包括某技术特征要素(如原料、组分、成分、载体、剂型、材料、尺寸、零件、部件、机构、装置、步骤、工序、方法、反应条件、加工条件、参数、算法、信号、数据、产品或制品等)，应被解释为不仅包括明确列出的某技术特征要素，还可以包括未明确列出的本领域公知的其它技术特征要素。
24.目前国内的研究都是集中在某一单个领域的研究设计，没有对信号子系统的各种
信息资源进行整合，没有实现完整的信息共享，缺乏对系统间信号集中监测安全信息的监督提示，未能形成合力为运输提供服务，所以对于信号系统结合部处的安全隐患防范和故障监督急需加强，对于铁路运输行业列车稳定安全研究具有重要意义。
25.本发明实施例提出的一种基于动态时间规整技术的信号集中监测安全信息监督方法，解决各信号子系统间随时可能产生的安全隐患，开展信号集中监测安全信息监督及报警提示的相关研究。通过对各信号子系统间结合部数据的监测分析与诊断，对多来源数据进行校验与分析。对子系统间采集数据的时间可能不同步的场景，利用动态时间规整技术，以规整后的源头和终点数据为边界，重点分析几类影响列车安全运行的安全监督场景，及时发现结合部信息不一致的异常信息，对潜在的风险进行预警，从而助力高铁行车更安全，调度指挥更高效。
26.下面对本发明所提供的一种基于动态时间规整技术的信号集中监测安全信息监督方法进行详细描述。本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。本发明实施例中未注明具体条件者，按照本领域常规条件或制造商建议的条件进行。
27.如图1所示，一种基于动态时间规整技术的信号集中监测安全信息监督方法，包括如下步骤：
28.步骤1、使用动态时间规整技术，将不同子系统的时间序列数据或者相同子系统内不同来源的时间序列数据，两两进行动态对齐，获得规整后的统一刻度的时间序列数据对。
29.本发明实施例中，使用动态时间规整技术将不同子系统的时间序列数据，或者相同子系统内不同来源的时间序列数据，两两进行动态对齐；不同子系统是指不同的信号子系统，信号子系统主要包含前文提到的计算机联锁、列控中心、zpw2000系列无绝缘移频轨道电路、无线闭塞中心、调度集中系统等。
30.动态时间规整(dynamic time warping，dtw)是一种基于动态规整的模板匹配算法，它根据两个信号的相似性进行局部压缩或拉伸，从而使得两个序列最佳匹配。
31.将两个不同子系统或者相同子系统内两个不同来源的时间序列数据分别记为r＝{r1,r2,r3,...,r
n
}，t＝{t1,t2,t3,...,t
m
}，其中，n与m分别为时间序列数据r与t的总帧数；r
i
表示时序序列数据r的第i帧的特征矢量，t
j
表示时序序列数据t的第j帧的特征矢量，i＝1,2,3,...,n，j＝1,2,3,...,m。
32.时间序列数据r与t彼此的失真度决定了时间序列数据r与t的相似度，失真度越小则相似度越高，将r
i
与t
j
的失真度记为d(i,j)，设状态转移函数d(i,j)为在时间序列数据t匹配了r
i
，在时间序列数据r匹配了t
j
的失真度。
33.为了求取最终状态转移函数d(m,n)，定义一个矩阵，矩阵的每个行列值(i,j)包含了d(i,j)与d(i,j)，对于规整路径集合w＝{w1,w2,w3,...,w
k
}有：
[0034][0035]
其中，k表示规则路径元素数目，w
k
表示第k个规则路径；规整路径集合w的约束条件包括：w1＝(1,1)且w
k
＝(m,n)；a
k+1
≤a
k
+1,且b
k+1
≤b
k
+1当w
k
＝(a
k
,b
k
),w
k+1
＝(a
k+1
,b
k+1
)，a、b代表规则路径中的每个点集的坐标值，下标k为规则路径的序号；a
k+1
≥a
k
,b
k+1
≥b
k
,且a
k
+b
k
≠a
k+1
+b
k+1
当w
k
＝(a
k
,b
k
),w
k+1
＝(a
k+1
,b
k+1
)；基于以上约束条件，
得到状态转移函数d(i,j)为：
[0036][0037]
在矩阵中通过该状态转移函数得到一条从位置(1,1)到位置(n,m)的路径，根据路径上每一个位置点的行列号对齐两个时间序列数据，从而得到规整后的统一刻度的时间序列数据x与y。前述约束条件限制了每一步只能从(i,j)位置走到(i+1,j)、(i,j+1)或者(i+1,j+1)。动态规整路径为所有路径中满足经过各点的∑d(i,j)最小的一条。
[0038]
步骤2、基于规整后的统一刻度的时间序列数据对，执行列控安全信息一致性比对。
[0039]
通过前述步骤1可以得到规整后的统一时间刻度的时间序列数据对，如图2所示。csm通过对信号子系统接口间的关键数据进行数据比对及逻辑分析，实现安全风险提示，csm是信号集中监测系统的简称，其下包括车站层信号集中监测安全监督与中心层信号集中监测安全监督，本发明实施例中，分别由车站层信号集中监测站机/列控安全监督站机与中心层信号集中监测安全监督服务器(即列控安全监督服务器)实现比对分析功能，保障列车的高效安全运行，起到真正的安全监督作用。
[0040]
本发明实施例中，列控安全信息一致性比对主要包括：
[0041]
1、规整后的统一刻度的联锁sa(signaling authority，信号许可)信息与联锁进路信息一致性比对，它是对联锁进路信息与联锁sa信息进行全过程监督；当联锁将sa信息发送至无线闭塞中心时，持续比对联锁sa信息逻辑正确性，当进路取消、改办以及基础信号设备状态发生变化后，检查sa信息是否随之变化，如果未随之变化，则说明二者信息产生了不一致，应当给出风险预警。
[0042]
本发明实施例中，所述联锁sa信息与联锁进路信息均为计算机联锁的动态信息，属于相同子系统内不同来源的时间序列数据，通过前述步骤1进行规整后得到统一刻度的时间序列数据对，这两类信息都会发送至csm，最终由列控安全监督服务器进行比对。
[0043]
2、规整后的统一刻度的无线闭塞中心的ma(movement authority，行车许可)信息与联锁进路信息一致性比对。
[0044]
本发明实施例中，所述无线闭塞中心的ma信息与联锁进路信息属于两个不同子系统的时间序列数据，同样通过前述步骤1进行规整后得到统一刻度的时间序列数据对，再进行一致性比对，包括如下情况：
[0045]
1)ma信息越过禁止信号：将无线闭塞中心的ma信息与联锁进路信息进行校验，同时检查ma信息覆盖范围内的信号机点灯状态，当发现ma信息覆盖范围内存在禁止信号时(例如，列车冒进)，输出风险预警。
[0046]
2)ma经过已占用的区段：将无线闭塞中心的ma信息与联锁进路信息，以及联锁sa信息进行校验，检查ma信息覆盖范围内的区段占用状态，当ma信息尽头区段占用或者ma信息覆盖范围内区段状态发生异常时(例如，异常红光带等情况)，输出风险预警。
[0047]
本领域技术人员可以理解，异常红光带是铁路信号专业轨道区段的一种故障场景，属于风险预警中的一种。
[0048]
3)ma信息道岔位置与联锁进路信息中道岔位置不一致：将无线闭塞中心的ma信息
与联锁进路信息进行校验，同时计算ma信息覆盖范围内道岔的表示状态，并与联锁进路信息中的道岔表示状态进行比对；当二者道岔表示状态不一致的情况时，输出风险预警。
[0049]
3、子系统间区段占用状态一致性比对：将同一区段在不同子系统中的占用状态进行关联分析。此情况所涉及的信息是指不同子系统的时间序列数据，同样通过前述步骤1进行规整后得到统一刻度的时间序列数据对，再进行关联分析，包括如下情况：
[0050]
1)车站层子系统间区段占用状态一致性比对：站内区段的占用状态以计算机联锁作为标的，区间区段占用状态以列控中心作为标的，将计算机联锁、列控中心、zpw2000系列无绝缘移频轨道电路、调度集中系统中的区段占用状态进行两两比对。
[0051]
2)中心层区段占用状态一致性比对：以计算机联锁的区段占用状态作为标的，将计算机联锁、无线闭塞中心的区段占用状态进行两两比对。
[0052]
当某一子系统宕机或者其它原因造成站场表示信息维持，与其它子系统中相应区段的占用状态不一致时，输出风险预警。
[0053]
4、相邻站列控中心区间线路方向一致性比对：本站获取相邻站列控中心区间线路的方向状态信息，然后校验两个车站对应区间的线路方向状态；当发生车站改方时，相邻车站如若未同步改方的情况下，产生不一致报警。
[0054]
此情况所涉及的信息属于相同子系统内不同来源的时间序列数据，通过前述步骤1进行规整后得到统一刻度的时间序列数据对，再进行一致性比对。
[0055]
本领域技术人员可以理解，改方是在轨道交通中的专用名词，指列车发生调转方向的意思。
[0056]
5、相邻站列控中心邻接区段占用逻辑一致性比对：本站获取相邻站列控中心的邻接多个区段的占用状态，结合列车运行的方向，由本站结合边界区段的实时状态信息实现相邻站列控中心邻接区段占用逻辑一致性比对，比对结果不一致时，输出风险预警。
[0057]
此情况所涉及的信息属于相同子系统内不同来源的时间序列数据，通过前述步骤1进行规整后得到统一刻度的时间序列数据对，再进行一致性比对。
[0058]
步骤3、将列控安全信息一致性比对的结果进行展示。
[0059]
通过前述步骤2可以得到一致性比对结果，并进行展示，主要包括如下信息：实时报警信息、历史报警信息、关联实时值以及站场图。
[0060]
本发明实施例中，实时报警信息对应于正在发生的风险预警，历史报警信息对应于已经发生的风险预警，各类风险预警可以根据实际情况设定相应的级别，展示报警信息时，将相关的级别以及相关报警类型以及报警内容一并显示。
[0061]
此外，当发生风险预警时，往往会定位到具体发送故障的部位，例如是某一段轨道或者是道岔还是信号机等，因此，通过展示关联实时值以及站场图中可以明确这些风险预警，相当于是不同维度的展示。
[0062]
图3为产生报警信息时实时报警展示界面；图4～图5分别为对已经发生过的历史报警信息进行统计与查询的展示界面；图6为相对应的站场表示信息，从图6中可以直观的看到列车当前的运行轨迹；图7能够显示多系统来源数据之间相关的关联查看，对比展示功能。
[0063]
图8展示了实现本发明实施例上述方案的具体网络结构。
[0064]
左侧部分为车站层信号子系统，其中：cbi系统与csm站机(即图8左侧中间虚线框
的cbi维护终端、新版csm站机)通过两个标准单向串行接口(rs422)连接；新版csm站机与tcc(即图8左侧中间虚线框的tcc维护终端)通过一个标准单向串行接口连接；新版csm站机与ctc维护终端通过一个标准单向串行接口连接；新版csm站机与zwp2000维护终端通过rj45双向连接；既有cms站机与tcc、zpw
‑
2000、ctc(即图8左侧底间虚线框的相应维护终端)均维持既有接口方式。本领域技术人员可以理解，既有csm站机是已经开通并在铁路车站实际投入使用的系统；新版csm站机是根据新一版技术要求而提出的下一代csm站机。
[0065]
中间部分为中心层信号子系统，其中：rbc维护终端与csm接口服务器(图8中简写为接口服务器)通过一个标准单向串行接口；tsrs维护终端与csm接口服务器通过一个标准单向串行接口；ctc中心服务器与csm接口服务器通过rj45经单向物理网闸接口，同时预留csm向ctc中心接口服务器发送预报警信息的单向串行接口。ctc中心接口服务器通过rj45与右侧部分的ctc中心服务器双向连接。通过图8所示的网络结构进行信息采集，再交由列控安全监督服务器进行一致性比对，步骤流程可以描述为：
[0066]
1、列控安全监督分析所需车站层的数据需从cbi、tcc、zpw2000、ctc系统获取。既有csm站机需增加列控安全监督站机，分别从csm站机和csm车站通信接口机获取接口数据，同时负责csm站间数据传输。新版csm站机则直接可从相关接口系统获取数据。通过监测专网将采集的数据上传至信号集中监测安全信息监督子系统(即列控安全监督服务器)。
[0067]
2、在中心层信号子系统，将rbc中心所在地增加接口服务器(即图中的接口服务器2)，使用串口与rbc维护终端通信，完成rbc数据采集工作；在局集团公司ctc中心所在地增加ctc中心接口服务器和接口服务器(即图中的接口服务器1)，经过单向网闸隔离与中心ctc接口，完成ctc中心数据采集工作，同时预留接口服务器与ctc中心接口服务器的单向串口。通过监测专网将采集的数据上传至列控安全监督服务器。
[0068]
3、车站层及中心层信号子系统采集的数据，通过监测专网经csm前置机将数据上传至列控安全监督服务器进行实时监督分析，同时将分析数据存储至存储服务器，并将实时分析的预报警信息经csm前置机、ctc接口服务器发送给ctc中心接口服务器，最终发送至局集团公司ctc中心，实现列控安全监督信息提示。
[0069]
4、列控安全监督服务器与rbc(预留tsrs、dms)有关的车地、跨站、跨系统的信息安全监督分析；分析的结果通过监测网发送至csm应用服务器，由csm终端进行浏览查阅。
[0070]
本发明实施例上述方案，与现有技术相比，主要具有如下优点：首先利用基于动态时间规整的dtw算法对各子系统数据进行预处理，将各子系统传递来的可能不同时间序列的数据进行处理与加工，使其具有较小的失真度，保障了较高的相似度。使用动态时间规整方法，使得系统分析的数据具备相对相同的时间时序，从而使得安全监督分析流程与预警业务更为准确与信服。
[0071]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是cd
‑
rom，u盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0072]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模
块完成，即将系统的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
[0073]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。