客運專線列控系統維護平臺架構及關鍵技術

燕 翔 周 暐 江 明

(北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073)

燕翔，男，碩士畢業于清華大學，現供職于北京全路通信信號研究設計院有限公司通用研究院，工程師。主要從事鐵路通信信號方面的工作，曾參與十一五國家支撐計劃項目“CTCS-3級列控系統綜合設計集成平臺”并擔任子任務負責人，現擔任研究設計院“C3綜合測評系統”及“基于通用計算機技術的安全平臺的關鍵技術研究”項目負責人。擁有發明專利一項。

我國高速鐵路的發展即將從一個時間較為集中的建設階段進入一個時間跨度較長的運營維護階段。高鐵信號系統技術攻關、關鍵裝備研制、工程集成的需求逐漸減小，設備日常運營維護的需求日益增大。對于鐵道部、鐵路局、電務段等用戶而言，面對短時間內大規模裝備的種類繁多、技術含量高的新型信號設備，亟需一種先進的技術裝備和與之配套的管理方法，來對這些設備的運營進行有效維護及管理。對于企業而言，隨著輸出產品的日益增多，亟需一種可靠性強、智能化程度高的技術手段，對產品的運行狀態、健康程度進行監控、評估；對產品的維修、更換、升級等給出合理的建議，降低系統性風險，減少傳統維護方式帶來的人力、物力、財力方面的開銷。本文從技術現狀及未來發展趨勢出發，描繪了客運專線列控系統維護平臺的總體架構，分析了構建平臺所需研究的關鍵技術，為將來維護平臺的建設提供技術性指導。

1 技術現狀及未來發展趨勢

目前，面向維護功能的系統有CSM（信號集中監測，2010年定標）、DMS（列控設備動態監測系統，2008年定標）。由于定標及時間的原因，這兩個系統從設計、功能上看偏向于監測，維護功能有限，且監測范圍有限、深度不夠，作為新型列控系統的維護系統來說，存在以下不足。

1）中心設備RBC、TSRS尚未納入監測范圍；

2）車站設備如TCC、CTC站機雖已納入監測范圍，但監測手段是依靠設備自身主動上報運行狀態等，缺乏客觀性，可信度低；

3）車載設備監測范圍不夠，針對無線通信的監測功能還比較薄弱；

4）系統級的綜合分析、故障診斷功能缺乏，不具備檢測系統整體運行狀態、預測系統運行趨勢的能力；

5）網絡化程度低，企業管理者無法隨時掌握輸出產品的概況，技術人員無法及時了解輸出產品的運行情況；

6）智能化程度低，系統設計以“監測”為目標，“維護”手段缺乏，導致系統的維護功能“先天不足”，無法提供具體的維護維修建議。如軌道電路、轉轍機、道岔等，監測范圍廣、深度高，但數據多、信息少，診斷功能缺乏，無法為維護人員提供決策；

7）現有維護方式的成本隨著輸出產品的增多線性增長，隨著時間的推移非線性增長。

綜上所述，現有技術手段、維護方式已經無法滿足新型信號系統日益增長的維護需求。因此，迫切需要一種能夠滿足大規模運營維護需求的信號綜合運維平臺。該平臺應具備以下功能。

1）平臺應具備全面的監測功能，監測范圍能夠涵蓋高鐵信號的所有子系統；

2）平臺應具備獨立的監控功能，能夠以不依賴于設備自身上報狀態的方式對其進行監控；

3）平臺應具備子系統的故障診斷功能，能夠基于獨立的監測數據對子系統的運行狀態進行分析，對故障狀態進行判別；

4）平臺應具備系統級的綜合分析功能，能夠對系統級故障情況進行診斷、對危險趨勢進行識別；

5）平臺應具備設備管理、軟件管理、數據管理功能，能夠對在軌產品的運營狀態、運行情況、健康狀況進行全面監控；

6）平臺應具備智能維護功能，能夠根據故障現象、異?，F象為列控系統用戶提供準確的維修建議；

7）平臺應具備快速部署及敏捷傳送功能，能夠在鐵道部、鐵路局、電務段、企業內部快速部署并實時顯示運營維護相關的信息。

2 平臺構建目標及平臺架構

新型列控系統的維護平臺，應實現子系統級、系統級、平臺級三個層次的維護功能。各層次實現的目標如圖1所示。

其中，子系統級實現獨立于子系統本身、具有安全無擾的監測接口的故障診斷系統；系統級實現現場的大列控的系統級運行狀態評估、綜合故障診斷；平臺級實現信號產品全生命周期的管控、智能化維護維修，實現運營維護的網絡化、敏捷化。

為實現以上目標，需要構建以運維中心為主體，區域維護中心為支柱，車站維護系統為基礎的維護平臺結構，如圖2所示。

車站維護系統完成車站管轄范圍內列控設備的狀態監測及子系統級的故障診斷，同時完成車站級維護管理；區域維護中心完成系統級運行狀態評估及片區級維護管理；運維中心完成所有在軌產品的運營維護管理。車站維護系統與區域維護中心、區域維護中心與運維中心之間通過高速數據通道傳輸運維關鍵數據。

3 平臺涉及的關鍵技術

維護平臺兼具分布式系統與集中式系統特征，兼具B/S結構與C/S架構特點，同時需要滿足遠程傳輸、實時通信、網絡安全、高處理能力、模塊化、可擴展、分布式部署等需求。因此，在維護平臺建設之前，需要對其中涉及的關鍵性技術進行充分、深入的研究，為維護平臺的工程實施奠定基礎。

3.1 子系統安全監測技術

研究實現各子系統獨立、安全監測涉及的各項技術，主要包括：針對具有不同電氣特性、接口方式、協議類別的信號設備采用的無擾、抗擾數據采集技術；采集裝置小型化技術；采集裝置模塊化技術。通過上述技術的研究，解決監測數據的可信性、數據采集過程的安全性、數據采集裝置的大規模裝備等關鍵問題。

3.2 子系統故障診斷技術

以子系統故障庫為基礎，研究對子系統實際運行過程中的監測數據與故障庫中的故障特征進行模式匹配的方法與技術。研究目的是區分子系統運行過程中的正常狀態與故障狀態，并且識別故障的類別，實現子系統級別的、不依賴于設備自身上報信息的故障診斷功能。

3.3 數據遠程傳輸技術

研究各子系統監測數據在車站（中繼站）與區域維護中心之間、系統綜合分析評價數據在區域維護中心與企業（鐵道部）維護中心之間進行傳輸的技術方式及實施方案。研究數據安全傳輸技術、數據壓縮技術、冗余恢復技術。通過技術方式的研究，可以實現運維數據的遠程、實時、安全傳輸；通過實施方案的研究，能夠綜合評估數據傳輸通道的一次性建設成本及后期運行成本，為后續的工程化實施提供指導。

3.4 大數據存儲技術

研究運維數據在車站（中繼站）、區域維護中心、企業（鐵道部）維護中心的分布式存儲體系；研究運維數據在存儲體系內的更新技術；研究運維數據的快速查詢檢索技術；研究運維數據數據中心的構建方案及冗余備份方案。通過數據存儲體系的研究，可以實現大數據的實時、可靠存儲；通過數據中心構建方案的研究，能夠綜合評估數據中心的一次性建設成本及后期運行成本，為后續的工程化實施提供參考。

3.5 異構數據預處理技術

研究對各子系統監測數據進行綜合分析、評價前的數據預處理技術，主要包括：數據清理技術，對監測數據進行噪聲光滑、離群點識別、缺失值填補等；數據集成技術，將不同協議、格式的監測數據整合成一致的數據結構；數據變化技術，將監測數據轉換為適合分析處理的形式，如數據泛化、規范化、屬性構造等；數據規約技術，將海量監測數據集用較小的數據集來表示，而不損失信息內容。數據預處理能夠剔除大量監測數據中的錯誤信息、無用信息，甄別出有用信息，縮小數據規模，并且能夠將異構數據采用歸一化的形式表示，為后續系統級的綜合分析評價提供便利。

3.6 系統級數據綜合分析技術

研究采用數據挖掘理論與方法中的頻繁模式識別、離群點檢測、聚類等技術，識別列控系統運行過程中的異常情況；研究列控系統系統級的故障模型，建立系統級故障庫；研究采用故障診斷理論與方法中的專家系統、模式識別等技術，分析系統級故障的發生原因、定位故障位置、識別故障類型；研究能夠描述列控系統整體運行情況、評估列控系統整體運行狀態的參數及指標。通過該項任務的研究，企業管理者、系統用戶能夠隨時掌握系統整體運行狀況，系統維護人員能夠及時、準確定位故障位置并獲知故障類型，大大降低由于未及時發現故障導致的安全風險，顯著縮短故障修復時間，減少由于故障維修導致影響正常運營的機率。

3.7 產品全生命周期管理技術

研究采用成熟、先進的信息系統實現產品全生命周期管理的技術；研究根據產品運營情況、運行狀態、健康程度實現產品壽命管理的方法和技術。通過該項研究，企業輸出產品全生命周期都將納入管控體系內，企業管理者能夠隨時掌握所有輸出產品的概況，維護人員能夠及時了解任意輸出產品的運行情況，徹底消滅由于產品管理不善、管控不到位導致的安全風險，使得輸出產品狀況變得可觀、可控。

3.8 智能化維護技術

研究采用人工智能理論與方法中的智能搜索、機器學習、知識獲取等技術為故障設備提供維修指導、為處于亞健康狀態的設備提供維護建議，實現智能化維護維修。該項研究的目標是構建“故障類型-維修決策”及“健康狀況-維護建議”兩個知識庫，這兩個知識庫可實時更新，并能從已有解決方案中不斷進行學習，實現信號系統智能化維護維修，大大降低人工維護所需的工作量，顯著提高維護維修效率。

3.9 信息融合及綜合展示技術

研究采用當前流行的多媒體技術，綜合運用文本、圖形、圖像、音頻、視頻、動畫等元素對信號系統運營情況、信號設備運行狀態、列車運行情況等進行展現；研究對車站、區域維護中心、企業（鐵道部）維護中心等不同層級用戶產生不同級別展示視圖的技術，包括數據泛化技術、概念分層技術等；研究對管理者、維護人員、技術人員等不同角色用戶關注點不同而需要實現的多維度展示技術；研究既有的各子系統監測、CSM、DMS與運維平臺進行信息融合的技術與實施方案。該項技術的研究為運維平臺提供一個信息展示豐富的、界面友好的用戶終端。

4 展望

從客專列控系統的后續維護來看，一個涵蓋范圍廣、診斷程度深、可靠性好、智能化程度高的維護平臺，無論對于企業和鐵道部（鐵路局、電務段）來說，都是十分必要的。因此，有必要盡快開展維護平臺關鍵技術及實施方案的研究，為后期維護平臺的大規模建設奠定理論基礎，為方案制定提供技術路線、性能、成本等方面的指導。

[1]運基信號[2010]709號 鐵路信號集中監測系統技術條件[S].

[2]運基信號[2008]119號 列控設備動態監測系統技術條件（暫行）[S].