鐵路電務(wù)智能運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)淺談

蔣敏建 李國(guó)興

摘 要：伴隨著中國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路電務(wù)系統(tǒng)對(duì)于保證行車安全以及高效作業(yè)的作用日益重要。本文為適應(yīng)新的運(yùn)維方式的發(fā)展，對(duì)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展必要性以及鐵路電務(wù)智能運(yùn)維整體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。最后以1個(gè)例子說(shuō)明了智能運(yùn)維系統(tǒng)的作業(yè)過(guò)程。本文為鐵路電務(wù)智能運(yùn)維提供借鑒。

關(guān)鍵詞：中國(guó)鐵路;電務(wù)系統(tǒng);運(yùn)維管控;智能運(yùn)維

中國(guó)鐵路通過(guò)確定“引進(jìn)-消化-吸收-再創(chuàng)新”的技術(shù)路線，走出了一條通信信號(hào)技術(shù)快速發(fā)展的道路，取得了一系列技術(shù)創(chuàng)新成果。[1，2]伴隨著智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transportation System，ITS）以及鐵路電務(wù)系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，設(shè)備數(shù)量不斷增多、運(yùn)維工作量逐漸加大、運(yùn)維管控難度提高。[3]寧濱院士指出近年來(lái)ITS發(fā)展的若干科學(xué)和技術(shù)指出：目前，鐵路信號(hào)系統(tǒng)的檢修維護(hù)主要采用“定期修”、“故障修”的模式，無(wú)法滿足鐵路系統(tǒng)對(duì)于提高運(yùn)輸安全與降低運(yùn)營(yíng)成本的需求。[4，5]電務(wù)智能運(yùn)維是智能交通系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)。發(fā)展鐵路信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)具有重要意義。

1 電務(wù)維修的現(xiàn)狀

（1）各通信信號(hào)子系統(tǒng)間分散建設(shè)，缺乏系統(tǒng)方案。

（2）聯(lián)鎖、列控、CTC/TDCS等控制系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)的安全共享以及各接口的安全的存在風(fēng)險(xiǎn)。

（3）各系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型各自設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，數(shù)據(jù)一致性難以確保。

（4）沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。電務(wù)專業(yè)相關(guān)的檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、運(yùn)維、管理等數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)，無(wú)法支撐數(shù)據(jù)的挖掘分析。

（5）大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用水平不高，缺乏系統(tǒng)性分析。

（6）缺乏對(duì)電務(wù)設(shè)備的全生命周期管理。

2 智能運(yùn)維平臺(tái)的特點(diǎn)

（1）全面接入通信信號(hào)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)全項(xiàng)數(shù)據(jù)。

（2）綜合運(yùn)用GIS、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行分析處理。

（3）實(shí)現(xiàn)日常、應(yīng)急兩級(jí)智能化應(yīng)用。

（4）智能手段實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修及全壽命周期管理。

最終實(shí)現(xiàn)應(yīng)急指揮、全生命周期監(jiān)測(cè)、智能診斷及跨系統(tǒng)分析。

3 智能運(yùn)維技術(shù)介紹

結(jié)合鐵路總公司大數(shù)據(jù)總體方案和建設(shè)規(guī)劃，構(gòu)建電務(wù)大數(shù)據(jù)及智能運(yùn)維架構(gòu)。實(shí)現(xiàn)電務(wù)數(shù)據(jù)的集成整合、集中管理，遵循“平臺(tái)+應(yīng)用”的模式，。系統(tǒng)主要包括以下幾點(diǎn)：

（1）信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括信號(hào)集中監(jiān)測(cè)、列控地面設(shè)備監(jiān)測(cè)和安全數(shù)據(jù)網(wǎng)管、CCS、SAM/CIPS。

（2）車載設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括ATP動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（DMS）、LKJ設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（LMD）、機(jī)車信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、CIR設(shè)備監(jiān)測(cè)、GYK設(shè)備監(jiān)測(cè)（GMD）。

（3）軌旁設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括道岔缺口監(jiān)測(cè)（缺口、油壓、油位、溫度、濕度、震動(dòng)監(jiān)測(cè)）、ZPW-2000室外監(jiān)測(cè)、電纜監(jiān)測(cè)、室外設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)等。

（4）作業(yè)卡控系統(tǒng)。包括LKJ版本監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、LKJ檢測(cè)作業(yè)質(zhì)量卡控系統(tǒng)、信號(hào)檢修作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、工具清點(diǎn)系統(tǒng)、機(jī)械室門禁、視頻監(jiān)控（信號(hào)機(jī)械室、通信綜合、移動(dòng)單兵視頻監(jiān)測(cè)）等。

（5）通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。包括GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)管、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)管、傳輸系統(tǒng)網(wǎng)管、調(diào)度通信系統(tǒng)網(wǎng)管、數(shù)據(jù)網(wǎng)流量監(jiān)測(cè)等。

（6）通信設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。包括GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測(cè)、光纖監(jiān)測(cè)、動(dòng)環(huán)監(jiān)測(cè)、通信電源在線監(jiān)測(cè)、鐵塔監(jiān)測(cè)等。

（7）電務(wù)安全生產(chǎn)指揮系統(tǒng)。包括設(shè)備管理、施工盯控、生產(chǎn)調(diào)度、故障管理、問(wèn)題庫(kù)管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、應(yīng)急處置指揮等。

（8）CTC/TDCS的查詢維護(hù)系統(tǒng)。

4 電務(wù)智能運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)介紹

4.1 基于深度學(xué)習(xí)的故障診斷

（1）數(shù)據(jù)整合。將不同來(lái)源、不同特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化等處理。

（2）特征提取。采用稀疏編碼技術(shù)等自編碼器技術(shù)對(duì)調(diào)整后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。

（3）數(shù)據(jù)分布調(diào)整。因設(shè)備種類、型號(hào)等的差異，所采集到的故障數(shù)據(jù)的分布可能極為不均衡，為了更好地泛化系統(tǒng)的預(yù)測(cè)能力，要將不平衡的數(shù)據(jù)集平衡化。

（4）學(xué)習(xí)訓(xùn)練。采用scikit-learn等技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的隱馬爾可夫過(guò)程、條件隨機(jī)場(chǎng)等，以及基于Tensorflow實(shí)現(xiàn)的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等深度學(xué)習(xí)方法在數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，并用交叉驗(yàn)證調(diào)整模型的超參數(shù)。

4.2 基于大數(shù)據(jù)的設(shè)備壽命預(yù)測(cè)

（1）先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀８鶕?jù)設(shè)備的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，維護(hù)數(shù)據(jù)，以及設(shè)備運(yùn)行環(huán)境的變化規(guī)律，建立設(shè)備壽命預(yù)測(cè)的先驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

（2）預(yù)測(cè)模型。根據(jù)實(shí)時(shí)的設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，整合先驗(yàn)?zāi)Ｐ停⒉⒊掷m(xù)修正設(shè)備壽命預(yù)測(cè)模型。

（3）壽命預(yù)測(cè)。利用支持向量機(jī)、集成學(xué)習(xí)等方法對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，通過(guò)離線學(xué)習(xí)和在線學(xué)習(xí)相結(jié)合的方式，進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

4.3 基于大數(shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分析的維護(hù)策略

（1）將歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)等進(jìn)行集成、整理。對(duì)其中的缺失數(shù)據(jù)、異常數(shù)據(jù)、噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性分析。

（2）基于集成學(xué)習(xí)方法，利用大數(shù)據(jù)分析方法對(duì)不同設(shè)備的動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)，并提供對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)。

（3）在動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)測(cè)基礎(chǔ)之上，基于降低安全風(fēng)險(xiǎn)，以及合理降低運(yùn)維開銷等多目標(biāo)，進(jìn)行運(yùn)維策略的優(yōu)化。

5 總結(jié)

鐵路是中國(guó)的國(guó)家名片，大國(guó)重器，是中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)大動(dòng)脈和綜合交通運(yùn)輸體系的骨干，在支撐國(guó)家戰(zhàn)略、推動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和增進(jìn)人民群眾福祉中肩負(fù)著光榮使命和重大職責(zé)。為了適應(yīng)鐵路的高速發(fā)展，鐵路電務(wù)智能運(yùn)維技術(shù)的研發(fā)意義重大。本文對(duì)智能運(yùn)維平臺(tái)進(jìn)行了細(xì)致介紹，旨在提高運(yùn)維管理及工作效率，保障行車安全。

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