CPS在軌道交通領域的應用分析

胡伊菁++司鳳玲

摘要：全國鐵道交通日益增大的環境下，鐵道交通的信息系統與安全監測成為首要研究對象，而鐵路軌道缺陷檢測技術是安全監測中重要監測指標之一。針對現代的通信網絡、物理信息、應用技術已經遠遠超出傳統軌道交通系統的需求范圍，考慮信息物理融合系統（CPS）是依靠物理環境感知的基礎上，通過網絡通信的實時傳輸，利用信息世界的信息處理能力和廣度適應計算，提高對物理世界的控制能力。首次將CPS概念引入到鐵路軌道交通中，基于信息物理系統概念和軌道檢測技術的特點，提出了基于CPS環境下軌道檢測系統架構模型，實現鐵路軌道狀態感知，可靠遠程超聲自動檢測、實時通信傳遞以及有效無誤的安全控制。

關鍵詞： 信息物理系統；軌道交通；軌道檢測；應用分析

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0226-03

Analysis of the application of CPS in the rail transportation

HU Yi-jing，SI Feng-ling

（School of Wuhan Textile University ，Wuhan 430200，China）

Abstract：With the increasing environment of railway traffic， the information system and safety monitoring of railway traffic becomes the main research object， and the railway track detection technology is one of the important monitoring indicators in safety monitoring. In view of the traditional rail transport system has been unable to meet the new generation of physical equipment information and networking needs， consider the information of the physical system （CPS） based on the reliable physical environment perception， through the real-time transmission network， using the information of the world to adapt to the general computing and information processing capabilities， to achieve precise control of the physical world. CPS was first introduced to the railway rail transportation， physical characteristics of information system concept and track detection technology based on CPS is put forward under the environment of track detection model based on system architecture， implementation of railway track state perception， reliable remote automatic ultrasonic detection， real-time communication transmission and effectively correct safety control.

Key words：cyber physical systems； railway； track detection； application analysis

軌道交通系統是屬于集多專業、多工種于一身的復雜系統。它的運輸組織、功能實現、安全保證均遵循客觀規律，它具有運量大、速度快、安全等特別。因此，確使軌道交通保持良好工作狀態，讓城市軌道交通能夠無故障運行，并盡量延長物理設備使用壽命以及確保鐵路軌道交通運行安全作為探究最終目標。如何利用信息技術及時有效的認知軌道狀態變化，成為了國內外研究人員的重要研究課題。我國鐵路軌道交通的日益壯大，傳統檢測技術已無法滿足實現全覆蓋的網絡技術互聯與互通，因此需要引入新的計算、通信和控制技術，以實現鐵路檢測信息系統和軌道交通物理系統之間更緊密的融合與協作，從而實現軌道交通系統的協調化和智能化[1]，以實現更可靠、有效、精準的鐵路安全預防與維護技術。信息物理系統（CPS）是集成計算、通信與控制于一體的下一代智能系統，是計算進程和物理進程的統一體，使用網絡化空間以遠程的、可靠的、實體的、安全的、協作的方式操控一個物理實體，其包含了無處不在的環境感知、嵌入式計算、網絡通信和網絡控制等系統工程，使物理系統具有計算、通信、精確控制、遠程協作和自制功能[2]。

1 CPS的定義

信息-物理融合系統（Cyber-Physical System ， CPS）強調的是計算機系統與物理元素的緊密結合。對于CPS的定義，國內外尚無統一定論，美國NSF的定義：“計算資源與物理資源間緊密集成與深度協作”[3]； 中國科學院的何積豐院士的定義：CPS是在環境感知的基礎上，深度融合了計算、通信、控制能力的可控、可信、可擴展的網絡化物理設備系統，它通過計算進程和物理進程相互影響的反饋循環實現深度融合和實時交互來增加和擴展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監測或者控制一個物理實體[4]。具體表現有以下幾種特征：

1） 必須具備實時、可靠、安全三大要素；

2） 物理實體與信息間存在反饋閉環控制；

3） 物理實體受時空的約束；

4） 信息世界與物理世界是緊密結合、深度交互的。

2 CPS與軌道系統

軌道系統建設是我國交通技術的進步與發展的重要組成部分，有效地調整了我國交通運輸體系的結構方式。但是隨著人們需求的提高，各種通信服務需求也就接種而至。傳統的軌道系統網絡內信息交流、軌道檢測系統等已經不能滿足新一代物理設備信息化和網絡化的需求了?，F今我國軌道交通系統均是嵌入式電子系統，Hermann Kopetz 提出， 當嵌入式系統強調實時信息處理子系統（ 計算機系統） 與被控制的物理設備和子系統（ 物理系統） 的協同交互作用時， 可稱之為 CPS[5] 。

當今軌道交通系統其實是由多個服務單元組成的互相協調的通信網絡，它其中包含傳感器單元、控制單元、通信傳輸、檢測單元、信息技術單元等。每個服務來自于不同的嵌入式子系統單元。因此整個CPS系統架構能是由多種服務單元連接的網絡系統，這樣就可以利用具有模糊性的服務單位理念，忽略各個信息系統及物理設備的差異性，在服務層面建立通用連接，從而構建基于CPS環境下軌道交通系統。

2.1 CPS子系統軌道檢測系統

CPS 本身是可以嵌入到物理設備之中， 或者由多個通過網絡交聯的嵌入式計算設備組成[6]。軌道檢測系統可看作一個物理實體，它采用激光攝像檢測、超聲導波無損檢測等檢測技術，計算機網絡、光纖通信等信號傳輸網絡以及計算調度、數字濾波等信號處理技術應用于軌道系統，通過網絡傳輸，實時監測獲取軌道系統狀態，為可靠的、安全的、科學的軌道交通狀態指引了方向。

2.1.1物理感知層

物理世界的感知由物理傳感節點組成，在分布節點中的物理實體內嵌入傳感器，基礎物理量的監測就可以實時地反饋到物理感知層中心，從而映射總集的方法達到控制的目的?，F今我國軌道交通普遍提速，給軌道檢測系統的技術提出了更高的要求，考慮到安全性和可靠性的基礎上檢測系統項目的全面性、檢測精度層面也設定了人工智能化的目標。而目前光纖數字陀螺、高速激光數字攝像傳感器技術，超聲導播探傷檢測技術等，作為CPS系統物理感知層接入，分別由各樹狀節點接入如軌道幾何狀態檢測物理量、車輛動態響應檢測物理量、其他輔助檢測包括速度、里程等物理量，物理量實時異構分布成物理界信息。

2.1.2 網絡層

軌道檢測系統中物理感知層每個節點分布各個檢測傳感，傳感信息通過軌道通信網絡接入到軌道檢測系統網絡層。軌道系統通信服務是軌道體系的重要組成部分，通信系統存在的問題也是影響實時信息協同的核心部分。我國現代軌道鐵路傳輸系統由骨干傳輸和接入層傳輸兩部分組成，對于軌道檢測系統骨干傳輸包含著同步數字傳輸系統的開通、列控信息的傳送。接入層網絡傳輸可以完成抽象信號的提取、仿真、處理。網絡層中信息中心的服務器記錄這些數據，判斷是否達到預先控制條件，進而向執行器的網絡控制節點發出響應的調節控制命令。網絡層是并行接收與傳輸物理信息與服務層控制信息，它涵蓋了更多方法研究的方面。這里針對軌道檢測系統指出CPS網絡層建模除去給物理感知層與服務層提供接口外，需要具備模塊化系統建模、離散與連續混合系統的特點，它具備了物理信息與服務信息相融合的特點，網絡層的通信除去時間與空間的受限外，還受事件驅動，非常具備復雜度。

2.1.3 控制層

增強對軌道檢測系統的控制能力是基于CPS環境軌道檢測系統的現實目標。由于目前高速鐵路發達，國際上利用高科技手段，研制開發具有綜合性、高精度、高速度、高智能、高可靠性的大型軌道檢測設備，這對檢測系統的控制能力提出了更高的要求與更全面的技術方案[9]。傳統檢測系統控制器用來向系統發出控制指令，并接受測量采集的原始數據，然后對原始數據進行處理，計算出檢測結果。這里相當于軌道檢測系統數據處理和信息傳輸的中樞。提出CPS環境方案控制層的好處是控制層能夠提高檢測系統的可靠性和安全性，讓檢測項目更安全、檢測精度更高。未來檢測數據通過網絡層實現等速檢測，同時云計算的分布式架構與CPS要求的實現實時檢測與信息反饋控制深度融合。

2.1.4 服務層

基于CPS的軌道檢測系統可獲得檢測對象、檢測工具、檢測基礎設施狀態等各類信息，將豐富的信息數據為檢測工作人員終端提供實時的檢測信息服務是軌道檢測系統服務發展的必然方向。針對軌道檢測系統并應用控制層設計的控制算法，實現軌道檢測系統的一些典型服務[8]，如安全檢測資源優化調度等。

2.2 CPS在軌道領域中應用的關鍵技術

為了優化軌道交通系統，提出將其與CPS理念相融合。未來系統全面進步的同時，軌道交通系統平臺也面臨了更高的挑戰，那么，需要突破的關鍵技術有：

1） 分布式管理技術

在軌道交通電子系統應用CPS 技術，雖說物理世界與信息控制是緊密協作的，但在實際實現過程中我們采取分布式的管理方式。應用往往是與功能相關的，但是在一定意義上它其實是與平臺分離的。分布式管理技術構建在平臺硬件和基礎軟件之上，為應用提供資源管理、容錯重構、時間管理、安全管理、通信管理等服務[7]。并且，通過分布式管理技術，系統的任務能力和操作性能也能得到進一步提升。

2） 物理信息分離技術

通常，在實際運行的軌道交通系統中，任何軌道交通物理量主體均是分離的，如軌道損耗、軌跡位移等，而在信息系統中信息是統一協作的。另外，網絡通信系統與控制系統均是高復雜度的物理系統，甚至有些情況下，控制的物理系統的復雜性還不如通信系統的流量大、難度高。因此關注物理量分離是一種很恰當地使用策略，分解整體減小復雜性，根據物理現象（電氣、熱、結果等）、抽象層（靜態、集總參數動態分布參數動態，等）優化了實現高度可靠的實時傳輸性能。

3） 支持性能約束不同的層級網絡通信

在軌道系統中，不同應用對系統性能約束也不經相同，如控制層的安全性約束大于感知層的安全性約束的，那么這就對網絡通信定義了更高的需求。原有軌道交通系統按照功能把系統劃分為不同的單元，各種單元可根據應用的具體要求進行穩定性、安全性和實時性的調度設計。而基于CPS環境的軌道電子系統在用戶通信技術、軌道安全檢測等要求的安全級別不同，那么在分布式管理的作用下，就必須實現不同級別的性能約束通信要求。

3 總結

將CPS技術應用到軌道交通領域，將物理過程與信息相融合，解決軌道交通存在的各方面問題，如軌道檢測系統實時、安全、可靠性問題，核心是將計算、信息傳遞、控制的理念與軌道交通物理信息集成為統一先進技術，通過感知物理世界信息將其傳遞到網絡層協同傳輸，再到信息地存儲、計算、分析挖掘和優化控制等，優化軌道交通電子系統。該CPS技術在軌道領域的應用，在未來能夠以更加高效、可靠、實時、準確的實現機制來實現軌道交通的方便、精準、安全環境。

參考文獻：

[1] 高雨峰，王福田.鐵路軌道狀態分析信息系統設計與實現[J].中國安全科學學報2006，16（7）.

[2] Lee EA . Cyber physical systems Design challenges[A].Proceedings of 11th IEEE Symposium on Object Oriented Realtime Distributed Computing （ ISORC）[C].Washington： IEEE Computer Society，2008：363-369.

[3] NSF Cyber-Physical System Program Solicitation[EB/OL].（2011-07-06）.http：//www.nsf.gov.

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[5] Roman Obermaisser， Hermann Kopetz.GENESYS： A Candidate for an ARTEMIS Cross- Domain Reference Architecture for Embedded Systems[R]. Vienna University of Technology，2009：5-6.

[6] 李仁發，謝勇，李蕊，等. 信息-物理融合系統若干關鍵問題綜述[J].計算機研究與發展，2012，49（6）：1149-1161

[7] 孫棣華，李永福，劉衛寧，等. 交通信息物理系統及其關鍵技術研究綜述[J].中國公路學報，2013，23（1）.

[8] 陳東升.中國軌道檢測技術展望 [M].GJ-5型軌道檢查車，2013.

[9] 高雨峰，王福田.鐵路軌道狀態分析信息系統設計與實現 [J].中國安全科學學報2006，16（7）.