高速鐵路電務(wù)運維技術(shù)探討

趙明玉 張雪松

我國高速鐵路建設(shè)已進(jìn)入快速發(fā)展階段，技術(shù)先進(jìn)、種類繁多的高鐵信號設(shè)備也配套投入使用，這就使得鐵路電務(wù)部門的現(xiàn)場維修和維護(hù)的工作量及難度日益增大。同時列車運行密度不斷提升，上線作業(yè)安全隱患進(jìn)一步凸現(xiàn)，“天窗”點兌現(xiàn)難度逐步增大，依托現(xiàn)有的設(shè)備系統(tǒng)和安全措施已經(jīng)不能滿足日益增長的高速鐵路電務(wù)運維需求。

由于高速鐵路運營維護(hù)作業(yè)只能在夜間進(jìn)行，因而加強日常的運營維護(hù)就尤為重要。目前應(yīng)用于高速鐵路的信號集中監(jiān)測系統(tǒng) （CSM）、列控設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) （DMS）、道岔缺口監(jiān)測系統(tǒng)、動力環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、電務(wù)信息管理系統(tǒng)等，雖然對電務(wù)的日常運營維護(hù)起到了一定的作用，但是，各個系統(tǒng)都是集中在某個單獨領(lǐng)域，沒有一套能夠?qū)﹄妱?wù)部門各種信息資源進(jìn)行整合，為運營管理提供便利的技術(shù)平臺，缺乏系統(tǒng)級的綜合分析。同時，多數(shù)系統(tǒng)智能化程度低，要么以監(jiān)測為目的，缺乏維護(hù)手段；要么以維護(hù)管理為手段，不能直接了解現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)，因而設(shè)計一套電務(wù)運維系統(tǒng)是現(xiàn)場迫切需要的。本文針對依此建立的高速鐵路電務(wù)運維系統(tǒng)進(jìn)行了研究。

1 電務(wù)運維系統(tǒng)關(guān)健技術(shù)

高速鐵路電務(wù)運維系統(tǒng)致力于建立一個智能的、綜合的電務(wù)運維平臺，實現(xiàn)對高鐵信號設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)督、風(fēng)險預(yù)警、智能分析與故障診斷、智能化運維、應(yīng)急指揮和生產(chǎn)管理等。

1．1 關(guān)鍵數(shù)據(jù)比對分析和信號基本邏輯分析技術(shù)

電務(wù)運維系統(tǒng)綜合分析各信號設(shè)備的實時接口數(shù)據(jù)，并對不同來源的相同內(nèi)容信息進(jìn)行比對，判斷關(guān)鍵數(shù)據(jù)是否一致。通過與信號設(shè)備的最終狀態(tài)進(jìn)行比對，判斷信號邏輯是否正確；通過對車－地間通信數(shù)據(jù)分析，判斷車－地間通信情況是否正常，對異常情況進(jìn)行實時報警顯示。

關(guān)鍵數(shù)據(jù)比對和信號基本邏輯分析主要包括：軌道區(qū)段、信號機、進(jìn)路、區(qū)間方向、臨時限速、應(yīng)答器監(jiān)督、列車位置、車－地通信、車－地一致性、列車追蹤、通道故障以及執(zhí)行電路監(jiān)督等，最終實現(xiàn)對信號設(shè)備進(jìn)行監(jiān)督、報警和預(yù)警。

對比分析的內(nèi)容主要分為由車站負(fù)責(zé)或由中心負(fù)責(zé)。當(dāng)車站進(jìn)行信息對比發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不一致后，立即把報警信息上報至中心。

1．2 大數(shù)據(jù)技術(shù)

高速鐵路電務(wù)運維除了需要收集CSM、CI、TCC、ZPW－2000、TSRS、RBC、CTC等系統(tǒng)信息外，還要儲存設(shè)備管理信息和運營維護(hù)信息。數(shù)據(jù)種類繁多、數(shù)量巨大，存儲與檢索的需求也不一樣，既有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也有非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。隨著記錄的持續(xù)進(jìn)行，累積的數(shù)據(jù)量也越來越大，因而建立強大可靠的數(shù)據(jù)中心尤為重要，圖1為數(shù)據(jù)中心層次圖。

有了數(shù)據(jù)中心就可以存儲海量數(shù)據(jù)，但如何分析和利用這些海量數(shù)據(jù)，從中高效獲取并發(fā)現(xiàn)有價值的數(shù)據(jù)，就需要采用大數(shù)據(jù)技術(shù)。

1．對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和預(yù)處理。在車站，根據(jù)目前為電務(wù)運維系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力，還無法將車站收集到的數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。因此就需將原始數(shù)據(jù)在車站進(jìn)行清理和數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)歸納等預(yù)處理方法，以便大幅度提高數(shù)據(jù)挖掘的質(zhì)量，并減少挖掘所需的時間。

2．采用分布式計算技術(shù)。將需要大量計算的工程數(shù)據(jù)分成小塊，由多臺計算機分別計算，再上傳運算結(jié)果，將結(jié)果統(tǒng)一合并得出結(jié)論。

3．采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。通過分析每個數(shù)據(jù)，從海量數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律，主要有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、規(guī)律尋找和規(guī)律表示3個步驟。數(shù)據(jù)挖掘的技術(shù)有關(guān)聯(lián)分析、聚類分析、異常分析、特異群組分析和演變分析等。

4．?dāng)?shù)據(jù)處理結(jié)果的可視化。利用計算機圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖形或圖像在屏幕上顯示，并進(jìn)行交互處理。

圖1 電務(wù)運維數(shù)據(jù)中心層次圖

1．3 多維度可視化維修技術(shù)

電務(wù)運維系統(tǒng)可以查看、監(jiān)督不同信號系統(tǒng)設(shè)備自身的健康狀態(tài)，如：設(shè)備板卡狀態(tài)、設(shè)備通信狀態(tài)、關(guān)鍵設(shè)備的輸入／輸出狀態(tài)等。另外，采用U3D技術(shù)復(fù)現(xiàn)設(shè)備的工作狀態(tài)，將各板卡的狀態(tài)在終端機上進(jìn)行可視再現(xiàn)，也便于現(xiàn)場人員及時定位設(shè)備故障點。采用U3D技術(shù)首先要為信號設(shè)備建模，用真實感的圖片構(gòu)建信號設(shè)備板件三維模型組件，實現(xiàn)信號設(shè)備的三維模型組態(tài)化，通過拼裝組件實現(xiàn)信號設(shè)備三維可視化。此方法具有通用性、靈活性和可擴展性。

在各信號設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)和綜合分析數(shù)據(jù)的驅(qū)動下，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以逼真展現(xiàn)信號設(shè)備的運行狀態(tài)，精確定位設(shè)備故障模塊，故障模塊三維圖像清晰可見，無需特殊培訓(xùn)即可實現(xiàn)快速維修。

1．4 基于GIS的應(yīng)急指揮和生產(chǎn)管理技術(shù)

GIS地理信息系統(tǒng)是一門綜合性學(xué)科，結(jié)合地理學(xué)與地圖學(xué)以及遙感和計算機科學(xué)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在不同的領(lǐng)域。電務(wù)運維系統(tǒng)基于谷歌地圖、百度地圖等搭建GIS環(huán)境，并基于GIS地圖進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)如下功能。

1．實時監(jiān)控。實時監(jiān)控和顯示當(dāng)前通過手持終端登錄的工作人員位置信息，并可以查看工作內(nèi)容和歷史軌跡記錄。采用AGPS定位技術(shù)可以快速和精準(zhǔn)定位人員，首次定位僅需幾秒。

2．視頻語音通信。在GIS地圖上可以檢索具體手持終端人員，并可以對現(xiàn)場人員進(jìn)行語音和視頻實時的通信。通過VoIP技術(shù)實現(xiàn)多網(wǎng)穿透，可以將電話網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前Internet網(wǎng)絡(luò)互連，做到跨網(wǎng)通信。

3．備件檢索。顯示站點位置信息和備品備件位置信息，在地圖上展現(xiàn)站點、備品備件等的分布情況，可以搜索、查看站點和設(shè)備的詳細(xì)信息。

4．報警提示。根據(jù)其他監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)過來的報警信息，在GIS地圖上閃爍提示，以查看具體的報警內(nèi)容，以及在GIS地圖上直觀查看涉及的備品備件位置、庫存等信息。

5．作業(yè)下達(dá)。可以直接對故障報警點進(jìn)行作業(yè)的下達(dá)，作業(yè)關(guān)聯(lián)報警信息，指揮人員確定工作小組。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2．1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

電務(wù)運維系統(tǒng)由車站層、中心層和車載層三部分組成。每個車站需要安裝1套車站分機設(shè)備，每個電務(wù)段需要安裝1套中心設(shè)備，每臺車需要安裝1套車載設(shè)備。系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

1．車站層。主要負(fù)責(zé)和計算機聯(lián)鎖、列控中心、CTC站機、軌道和信號集中監(jiān)測通信的接口。采集信號設(shè)備的在線實時數(shù)據(jù)，并進(jìn)行本站相關(guān)的數(shù)據(jù)比對、邏輯分析和報警輸出。運行數(shù)據(jù)和報警信息存儲在車站，并通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行暮透鹘K端。車站信息采集結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 電務(wù)運維系統(tǒng)的總體框圖

圖3 電務(wù)運維車站信息獲取結(jié)構(gòu)圖

電務(wù)運維系統(tǒng)在車站設(shè)置2臺通信前置機獲取各信號系統(tǒng)的信息，并采用冗余配置以提高系統(tǒng)的可靠性，接口方式可以采用串口或以太網(wǎng)。

2．中心層。主要負(fù)責(zé)和RBC、CTC、TSRS通信接口，采集車載ATP、調(diào)度行車意圖、車次號、臨時限速等信息，并對站間相關(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行比對、邏輯分析和報警輸出。中心數(shù)據(jù)和報警信息可通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)较嚓P(guān)各車站和終端，中心層還負(fù)責(zé)全線數(shù)據(jù)的存儲、轉(zhuǎn)發(fā)工作。中心信息采集結(jié)構(gòu)如圖4所示。

電務(wù)運維系統(tǒng)設(shè)置2臺接口服務(wù)器獲取各信號系統(tǒng)的信息，同樣采用冗余配置以提高系統(tǒng)的可靠性，接口方式采用以太網(wǎng)。

3．車載層。車載設(shè)備主要通過與ATP的JRU接口進(jìn)行通信，實時捕獲ATP的運用記錄數(shù)據(jù)，并通過3G網(wǎng)絡(luò)，實時傳輸回運維系統(tǒng)數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，進(jìn)行數(shù)據(jù)實時展示和存儲。車載信息采集結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 電務(wù)運維中心信息獲取結(jié)構(gòu)圖

圖5 電務(wù)運維車上信息獲取結(jié)構(gòu)圖

信息采集的安全防護(hù)措施主要有：①物理隔離，通過成對使用串口／光纖轉(zhuǎn)換器或以太網(wǎng)／光纖轉(zhuǎn)換器的方式與信號設(shè)備進(jìn)行電氣隔離，保證電務(wù)運維不影響各接口的信號設(shè)備；②增加安全設(shè)備，對通過以太網(wǎng)獲取信息的接口，增加防火墻等安全設(shè)備進(jìn)行防護(hù)；③進(jìn)行信息流向控制，即只接收各信號系統(tǒng)的信息，不向各信號系統(tǒng)發(fā)送信息。避免對各信號系統(tǒng)的影響。

圖6 電務(wù)運維軟件結(jié)構(gòu)圖

2．2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用B／S架構(gòu)與C／S架構(gòu)聯(lián)合模式進(jìn)行設(shè)計，該模式滿足遠(yuǎn)程傳輸、實時通信、網(wǎng)絡(luò)安全、高處理能力、模塊化、可擴展、分布式部署等需求。其中客戶端／中心應(yīng)用服務(wù)器部分采用B／S架構(gòu)，用戶可以在任何地方進(jìn)行操作而不用安裝任何專門的軟件，只要連入網(wǎng)絡(luò)內(nèi)即可通過瀏覽器登錄查看，不同的用戶因為權(quán)限不同看到的內(nèi)容也不同；車站及中心接口系統(tǒng)采用C／S架構(gòu)，該方式可以保證信息采集的實時性，同時對信息安全的控制能力強。軟件結(jié)構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié)束語

高速鐵路電務(wù)運維系統(tǒng)根據(jù)鐵路信號設(shè)備的維護(hù)特點設(shè)計，依托鐵路現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行系統(tǒng)整合，實現(xiàn)各網(wǎng)絡(luò)資源間數(shù)據(jù)和信息的快速傳遞及資源共享；依托運維數(shù)據(jù)中心信息匯集展現(xiàn)平臺，將各類信息進(jìn)行匯集和集中展示，實現(xiàn)安全生產(chǎn)及調(diào)度指揮的可視化、便捷化，同時避免了信息的重復(fù)采集，具有投資少見效快的特點。該電務(wù)運維系統(tǒng)，經(jīng)過了試驗室測試和驗證，能夠滿足高速鐵路電務(wù)運維的需要。

［1］ 王道平．故障智能診斷系統(tǒng)的理論與方法［M］．冶金工業(yè)出版社，2001．

［2］ 楊叔子，鄭曉軍．人工智能與診斷專家系統(tǒng)［M］．西安交通大學(xué)出版社．1990．

［3］ 彭曉紅，劉久富．基于模型檢測的軟件測試技術(shù)．軟件導(dǎo)刊［J］．2009（3）．

［4］ Du W，Mathur A P．Vulnerability Testing of Software System Using Fault Injection．Technical Report，TR－97－026，purdure University，1997．

［5］ 繆淮扣，高曉雷，李剛．結(jié)構(gòu)化方法－面向?qū)ο蠓椒ê托问交椒ǖ谋容^和結(jié)合［J］．計算機工程與科學(xué)，1999 21（4）．