智能電務信號監測分析系統方案探討

孟　琳　魏　濤　中國鐵路上海局集團有限公司徐州電務段

近年來，我國高速鐵路建設取得了迅猛發展，截至2016年底，全國鐵路營業里程達12.4萬km，其中高速鐵路2.2萬km以上。我國已成為世界高速鐵路運營速度最高，運營里程最長、在建規模最大的國家。伴隨著高速鐵路及現代信息技術的發展，我國鐵路信號技術也正在經歷著重大變革。設備功能由單一分散運行向系統綜合化發展，并已成為保障列車運行安全、實現統一調度指揮的控制和監督綜合自動化系統。

盡管我國高速鐵路信號系統功能強大并逐步完備，技術裝備達到世界先進水平，圍繞各種信號設備也開發了許多監測及記錄裝置，但是，鐵路信號集中監測系統目前只具備信號設備狀態參數的采集功能及報警，尚未具備狀態數據的智能分析能力，因此只能采用每天瀏覽記錄數據的人工分析辦法，檢查信號設備狀態是否正常，比較依賴于值班人員的業務能力和工作態度，對關聯性故障，設備性能劣化趨勢，則不能及時發揮預警作用。

由此，當前車站信號設備的安全控制能力和質量控制能力還十分薄弱，而通過提升值班人員綜合能力解決上述問題的方法又難以盡快實現，傳統的維修維護模式與高鐵電務精準化維護需要的矛盾愈發突出。綜上所述，隨著高速鐵路大規模開通運營，信號設備維護工作難度加大，只有通過提高電務管理信息化建設，引入智能電務信號監測分析系統，對信號設備運用狀態進行全面、實時和科學的檢測與監測，才能提高維修維護綜合智能化水平，保障列車安全運行。

1 信號集中監測系統(CSM)概述

信號集中監測系統是保證行車安全、加強信號設備結合部管理、監測信號設備狀態、發現信號設備隱患、分析信號設備故障原因、輔助故障處理、指導現場維修、反映設備運用質量、提高電務部門維護水平和維護效率的重要行車設備。

目前國內鐵路信號集中監測系統是以站、段為基礎，實行鐵路總公司、鐵路局、電務段三級體系結構。在系統體系框架下，依托系統配置的層次結構和數據通信的網絡結構將系統劃分為鐵道部（總公司）子系統、鐵路局子系統、電務段子系統以及車站子系統四層。其中每一層組成各自的局域網，各車站之間通過專用廣域網絡環形連接，然后以抽頭的方式與電務段維護中心的連接。整個系統以電務段維護中心為集中控制的中心，各個車站構成監控系統的基層信息基礎。CSM系統由車站基層子系統、電務段監測中心子系統、鐵路局監測子系統、鐵道部監測子系統、以及各子系統之間的網絡通信子系統五個部分組成（見圖1）。

圖1 鐵路信號集中監測系統各層示意圖

車站主機是車站信號微機監測系統的核心，它負責微機監測系統所需開關量、模擬量、報警信息、環境數據的收集、分類、邏輯分析處理、報警輸出、數據統計匯總和存儲回放等功能。 并提供了人性化的人機交互界面，以圖形、列表及曲線等方式給電務維護人員提供最有價值的維修狀態信息，同時接收用戶數據以及指令的輸入，實現實時、交互式的瀏覽和查詢。另外，車站主機作為基層采集和執行單元，和電務段監控中心及各級監測終端系統進行通信，通信方式采用TCP/IP協議。站機將車站實時的數據和報警傳送到上層，并接受上級（車間、電務段、電務處）的控制命令，然后驅動外圍控制單元實現環境等設備的控制功能。

信號集中監測系統通過CAN總線實時采集轉撤機、信號機、軌道電路、信號電纜、電源屏等信號設備的電氣參數模擬量信息和部分開關量信息，并以通信接口方式與ZPW2000軌道電路及CBI、TCC等設備的維修機連接，獲取其部分監測信息．CSM 具有檢測、報警、信息儲存、狀態再現等功能，便于分析人員對現場設備工作狀態進行監測、診斷，指導現場的維修工作。

2 鐵路信號系統監測技術現狀分析

近年來，鐵道部（中國鐵路總公司）為提高鐵路一線車站信號設備的安全和質量控制能力，非常重視推廣信號設備的鐵路信號集中監測系統，并已經在全路5000個以上的車站安裝了該系統。我國圍繞信號系統監測與維護開展了許多工作，信號集中監測等各維修管理終端逐步投入使用，在設備運行監測、維護上起到了很大的作用，但仍存在一些問題：

（1）基礎數據分析能力不足，設備隱患主要依靠人工判斷。高速鐵路的運營特點是維護人員不能進入線路進行日常檢查，因此如何實現設備電氣特性的測試和預警，保證設備穩定、安全地運行就成為擺在維護人員面前的一個大問題。信號集中監測系統是我國鐵路信號監測的核心設備，主要監測了聯鎖系統相關的轉撤機、信號機、軌道電路、信號電纜、電源屏等設備的電氣參數和部分開關量信息，并通過ZPW2000軌道電路及TCC等設備的維修機連接，獲取其監測信息，現場維護時主要依靠設定的“上下限值”進行預警分析，對于道岔動作曲線以及移頻電路等階段周期緩慢變化量不能及時分析預警，巡視工作主要依靠人工經驗和責任意識。

（2）各種監測系統間缺少互聯互通，監測數據總體上缺少關聯性。譬如列控系統故障后，究竟是車載設備故障、地面設備故障、車站設備故障還是RBC故障等仍然主要靠人工判斷故障位置、故障設備，不能實現自動診斷。既有監測系統與RBC維護終端、動態監測設備(DMS)等缺少互聯互通，監測數據總體上也缺少關聯性、綜合性，不能實現設備間對比分析、關聯分析及綜合智能分析。

（3）不能實現設備狀態的智能分析與預測，影響從“故障修”向“狀態修”過渡。目前我國鐵路信號各種監測設備盡管存儲和記錄了大量歷史監測數據，但缺乏對歷史數據進行有效的數據挖掘與利用的智能分析軟件，軌道電路、道岔轉轍機等設備運用狀態得不到準確分析、預測及預警，使現場設備從“故障修”向“狀態修”過渡難以實現。

（4）通信信號分離，信號設備監測數據無法互通，通信信號結合部分故障不能得到有效分析。目前GSM-R已成為了列車控制與調度指揮系統的重要組成部分，承載了CTCS-3級列控系統的車-地信息傳輸業務。目前在高鐵運營過程中，通信超時、脫網等事件時有發生，影響了列控系統的正常工作。由于我國通信網管及信號設備監測數據沒有共享，難以對故障原因(傳輸設備問題、無線電干擾、信號車載設備問題、信號地面設備問題等)進行準確分析和快速定位。

3 智能電務信號監測分析系統構想

為了提高鐵路信號監測、綜合智能分析和輔助決策能力，應當研究開發智能電務信號監測分析系統。通過對檢測、監測設備進行功能完善、技術集成，形成具有綜合處理功能的檢測與監測平臺。 該系統的核心是信號監測數據智能綜合分析，通過對監測數據進行對比、關聯分析，實現信號設備的故障報警和故障定位，為電務調度指揮中心提供輔助決策信息（見圖2）。

此外，該系統結合電務生產現場維護信息和歷史監測數據，進行特征挖掘和智能分析，利用“大數據分析”，實現對信號設備運用狀態的趨勢預測和狀態預報警。系統中建立維修維護專家系統，對道岔、軌道電路等基礎設備進行報警分析、狀態預警，并根據故障和異常原因分析結果，指導現場人員維修維護。同時，維護人員的處理結果可以輸入到系統中，進行數據補充整理，不斷完善故障模型條目，達到參照系統的自學習和自完善功能。

圖2 智能電務信號監測綜合分析系統框架結構圖

智能電務信號監測分析系統的具體說明如下：

（1）采集各種監測數據，便于集中綜合分析。以現有監測系統為基礎，采用各種傳輸方式及聯網方式，把各種信號設備和相關通信設備的監測信息采集歸納，現場維護人員對各采集設備進行維護和校核，保證采集設備的良好狀態和數據精度。

（2）實現數據匯集存儲，實現綜合智能分析。仍以現有監測系統的數據存儲分析為基礎，加強對數據的分類存儲管理，對數據進行整合分析，生成日報表、周報表、月報表及年報表，便于周期性變化對比論證。

（3）引入智能診斷分析，系統專家現場多力合一。在構建數據處理平臺基礎上，融合各種監測數據及現場維修人員測試、檢查數據及設備日常故障數據，總結、分類維修經驗、標準模型和領域知識，不斷優化數據分析模型，建立智能分析與故障診斷知識庫，積極開發比對分析、關聯分析及智能分析算法，實現綜合智能分析，提高準確率。

（4）融合通信網管監測信息，實現通信信號監測一體化。許多列控系統故障需要依靠信號監測系統及通信網管系統信息共享、綜合分析，才能實現高效診斷與處理。因此，應當融合通信網管相關監測信息，包括GSM-R的監測信息等，實現地面設備監測與車載設備監測、通信系統監測與信號系統監測一體化。

（5）充分利用歷史監測數據，強化電務設備狀態預測分析處置。充分利用各種監測系統存儲的歷史數據及電務段收集的設備檢修及履歷數據，運用可靠性技術及數據挖掘技術，與生產廠家一起開發設備可靠性分析模型，掌握設備狀態的可靠性特性，實現設備狀態的智能分析與預測，借助智能分析系統終端和短信、APP終端，對問題實現閉環處理，為實現現場設備“狀態修”奠定技術基礎。

4 智能電務信號監測分析系統功能實現

4.1 實現對站場聯鎖邏輯關系的實時分析

捕獲瞬態故障，提供故障報警，顯示故障設備所處的位置，并檢測信號關閉延遲時間，分析監測方法解鎖過程。主要包括：①進路選排一致性分析與報警；②進路排列過程分析。主要包括區段空閑檢查、道岔位置與轉換檢查、信號狀態監督；③進路實時監督與分析。主要包括道岔表示監督、區段鎖閉監督；④進路過車分析。主要包括道岔位置監督、區段分路不良分析，進路解鎖分析；⑤區間狀態與接、發車進路關聯性分析。

4.2 道岔電路實時分析

主要有：①道岔表示實時監督。在沒有道岔操作信息時，道岔無表示報警；提速道岔報警到分表示繼電器；道岔表示電壓異常波動報警；道岔表示電壓時、日、月、年曲線分析。②道岔轉換實時監督。道岔轉換過程分析；道岔轉換阻力分析。

4.3 軌道電路實時分析

軌道電路實時分析如下：①區段故障分析。空閑區段紅光帶分析；不平衡牽引電流導致空閑區段閃紅光帶故障捕捉；因軌道電路分路不良導致區段占車丟失監督。②區段質量分析。軌道電路分路不良區段分析；軌道電路區段設備質量異常分析（如連接線、可調電阻接觸不良；絕緣質量、器材質量異常）；區段間絕緣絕緣破損預警分析；區段電壓時、日、月、年曲線分析。

4．4 區間閉塞分區分析

區間閉塞分區分析如下：①根據車列位置，分析區間狀態，提供故障報警；根據閉塞分區電壓變化對區間過車過程及信號狀態變化進行分析；根據車列位置，分析區間電壓變化與設備質量變化，如電容質變；④ 閉塞分區電壓時、日、月、年曲線分析。

4.5 故障報警及處理

當鐵路信號集中監測智能分析系統確定信號設備存在故障后，系統會自動彈出窗口，并提示故障；查詢故障記錄，查看故障情況，或者選擇能顯示故障位置的圖紙，方便現場排除故障和事后故障分析。同時，該系統會生成故障分析報告，并指導專人維護；系統自動記錄故障發生和存在的異常狀況，并提供24h內設備變化分析報告，這樣不但能減少維護人員的工作強度，而且可以提高故障分析的質量。故障診斷功能是在故障發生后，由專家系統依據知識庫，通過多種方法進行綜合分析，自動給出故障原因判斷，幫助信號維護人員迅速判斷故障范圍和故障性質，壓縮故障處理時間。

4.6 輸出維修分析報告

鐵路信號集中監測智能分析系統在發現信號設備存在異常后，會進行連續跟蹤和分析，然后提出24h分析報告和維護指南，以此指導現場維修人員進行有針對性的維修，從而提高維修效率和效益。

5 關鍵技術與難點

5.1 自學習功能

專家系統的知識并不是完全充分的，知識庫里的知識是建立在信號專業知識、現場技術人員和信號專家的經驗基礎上的，解決問題的能力具有局限性。在建立基于微機監測的鐵路信號設備故障智能分析系統時，很多情況下均是人們把預測的各種問題及現象歸納總結，用知識庫可識別的知識表示方式表達出來，當故障發生時用它與實際情況進行比較，這種方法具有一定的局限性。自學習功能的加入，可以實現當信號設備發生故障時系統提供不出解決方案或方案有錯，可以通過技術人員解決后予以校正，分析判斷邏輯上的問題，解決后更新優化知識庫。

5.2 建設數據處理平臺，實現綜合智能分析

在構建數據處理平臺基礎上，融合各種監測數據及現場維修人員測試、檢查數據及設備日常故障數據，總結、分類維修經驗、標準模型和領域知識，建立智能分析與故障診斷知識庫，積極開發比對分析、關聯分析及綜合分析軟件，實現綜合智能分析。

5.3 統一接口協議及數據規范

在分步實施過程中，要著手認真建立統一的接口協議及數據規范，方便實現各種系統的數據共享，同時對數據的傳輸協議、傳輸方式逐步統一。

5.4 合理分工，注意設備間網絡安全

對于直接影響行車的設備要分配較高安全等級，附屬監測部分應盡量考慮與控制設備隔離，明確劃分安全責任。另外，監測及維護管理網絡要盡可能與信號控制網絡實現物理隔離，避免由于監測網絡影響控制網絡的工作．密切關注網絡安全。在構建智能化電務監測維護系統后，電務監測維護系統與控制系統關聯性可能會加強，因此，需要密切關注監測及維護管理網絡安全，嚴格安全防護措施，杜絕黑客和病毒的侵入。

6 結束語

智能電務信號監測分析系統主要依托鐵路信號集中監測系統的硬件和軟件平臺及信息資源，對采集到的各種開關量、模擬量和報警數據進行概括、分類和智能分析，并應用不斷優化的算法和累積的案例“大數據”分析，參照電務設備“專家知識庫”，為現場維護人員提供及時有效的診斷信息和解決問題的大方向，簡化維修過程或直接定位故障發生地點，以方便現場應急處置人員快速找出故障點，大大減少故障延時。智能電務信號監測分析系統是在鐵路信號集中監測系統的更深層應用，二者有機配合，實時監測及分析診斷鐵路信號設備的各種狀態及信息，提前發現事故隱患，可以有力的保證鐵路信號設備安全穩定。同時，對于智能化電務監測系統的開發與研究，針對系統設計、智能分析算法、案例匯總等技術還需要進一步深入研究。

[1]鐵道部運輸局.運基信號［2010］709號.鐵路信號集中監測系統技術條件[S].

[2]鐵道部運輸局.運基信號［2011］377號.鐵路信號集中監測安全要求[S].

[3]廣州鐵路（集團）公司.廣鐵電發［2014］36號.鐵路信號集中監測系統智能分析與故障診斷功能技術規范[S].

[4]郭進，張亞東．中國高速鐵路信號系統分析與思考［J］．北京交通大學學報，2012，36(5)：90-94．

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