鐵路客站設備運用監控系統設計及實現

劉家濤

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

為提高旅客服務質量、推進鐵路智能化建設、滿足車站管理要求、降低車站運營維護成本，節約車站設備能耗，對客運設備的智能化運營維護和實時在線監控提出了更高的要求。國內外學者對設備監控與管理進行了不同維度的研究。孟金林[1]對鐵路集裝箱中心場站區的照明控制進行了設計及研究，變就地控制為遠程控制，降低了照明控制人員的勞動強度。王曉暉等人[2]應用LoRa 技術對照明控制系統進行設計和應用，但系統應用范圍較小，不適合照明設備分散的照明系統的控制。Guo.T[3]基于CIMS 設計了地鐵環境設備監測系統，并對地鐵環境設備的監測進行仿真測試，對機電設備的監測提供了有效支撐。蔡友宏[4]、孫錦全[5]、王冰[6]等人基于NB-IoT 云平臺對環境監測系統進行研究，提出了基于IoT 技術的物聯網設備監控方案，并在環境監測中進行應用，證明了基于IoT 技術的物聯網設備監測的可行性。魏鵬[7]、吳振華[8]對客運車站、地鐵BAS 系統的安全可靠性進行研究，并對BAS 設備的節能控制方案做了深入研究，對車站和地鐵的設備管理有較大改進，能夠減少車站能耗，但未結合應用業務進行精細化控制，未能最大限度降低設備的能耗。鄒慧麗[9]研究了基于CoAP 協議的物聯網服務平臺，并對監測平臺進行了詳細的設計，對于設備的集成監控提供了借鑒。LiDa Xu[10]在文章中講述了物聯網技術對于設備監控的重要性。上述學者從不同維度和應用場景對設備管理進行了研究，但僅對一類或幾類設備進行系統的設計和研究。本系統結合鐵路實際業務需求，應用智聯網/ 物聯網、大數據、云計算、人工智能、自動控制和數據挖掘等前沿技術，以鐵路客站設備的運用維修智能化為目標，建設一套全路統一、集約高效的鐵路客站設備運用監控系統，對客站設備進行全面管理與控制，實現設備實時監控和維護保養，延長設備使用壽命，提高客運設備的安全性、穩定性和可靠性，確保客運運營組織安全，提高旅客服務質量，實現節能降耗、減員增效，對鐵路的綠色、高效、安全發展有重大意義。

1 設計內容

1.1 搭建統一平臺

搭建統一的鐵路客站設備運用監控與管理平臺，滿足客站設備運用監控系統兩級部署三級應用的需要，為客站設備運用與維護管理提供支撐，同時為設備安全運行、信息共享和綜合管理提供運行環境。

1.2 制定標準規范

制定各類設備的數據采集方案及接口規范，并匯集到大數據標準規范中，通過網絡互聯實現鐵路綜合信息網與專網、車站自組局域網之間的互通，滿足客站設備的信息采集和傳輸，實現中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）、鐵路局集團有限公司（簡稱：鐵路局）、車站之間的信息交換，為鐵路大數據深度分析、挖掘和應用提供有力支撐。

1.3 設備運維保養和狀態監測

研究設備運行機理和機制，運用單因素法、交叉分析法研究影響設備運行的各個參數和影響程度，建立模型。研發設備狀態自感知、自診斷、自決策和協同互動的客站設備運用監控系統軟件，涵蓋設備運維保養、狀態監測、能效管控、統計分析和系統管理等功能，實現設備的全壽命周期管理，實現故障預測與狀態監控的智能化管理，逐步建立 “狀態修” 模式的客站設備維修保養體系，及時消除故障隱患，確保設備質量良好、安全可靠。

1.4 建立預測模型

利用信息融合、大數據、物聯網和數據挖掘等新興技術，采集并分析設備設施運行狀態，并以設備核心部件技術參數和故障歷史數據為基礎，建立相關模型進行分析，形成對設備成本、質量、故障率和能源能耗的統計分析及趨勢預測，讓設備管理人員準確掌握設備運行狀態。

1.5 完善管理辦法

研究制定配套的設備管理辦法和系統管理辦法，促進客站設備維護和管理的流程再造。

2 系統設計

2.1 總體架構

鐵路客站設備運用監控系統以各類設備監測為基礎，采用計算機網絡及信息集成技術，在國鐵集團和鐵路局搭建客站設備運用監控與管理平臺，通過系統設備接口，實現客票、旅服、機電等設備狀態信息的實時采集，實現國鐵集團- 鐵路局- 車站的三級聯網應用。鐵路客站設備運用監控系統體系結構圖，如圖1 所示。

2.2 物理結構

客站設備運用監控系統在國鐵集團和鐵路局設立服務器集群（包括數據庫服務器、應用服務器和接口服務器），借助鐵路信息網將車站獲取到的客站設備狀態信息與運用維護信息同步和上傳，同時通過網閘、防火墻或安全平臺等安全防護措施，實現與客票系統、旅服系統和視頻監控系統的數據交換。

2.3 邏輯架構

鐵路客站設備運用監控系統邏輯結構主要包括感知層、傳輸層、數據分析層和應用層4 部分，系統邏輯結構圖，如圖2 所示。

（1）感知層：通過增加狀態采集模塊對站段級的客票設備、旅服設備、機電設備、列車設備、環境參數、空間布局和服務需求等信息進行采集。

（2）傳輸層：通過傳感網、接入網實現對感知層數據的傳輸，最終連入骨干網形成一個整體。

（3）數據分析層：實現數據的接入、存儲、融合、處理和分析等，最終為應用層提供服務。

圖1 鐵路客站設備運用監控系統體系結構圖

圖2 系統邏輯結構圖

（4）應用層：為系統提供支撐，并為用戶提供業務功能。

2.4 功能設計

鐵路客站設備運用監控系統主要是通過對設備的狀態監測和維護管理實現設備的全壽命周期管理，體現在設備從開始投入使用，經過基礎數據管理階段、運行階段、檢定階段、 維修階段、 效益分析階段直至報廢處置的全壽命管理過程。系統業務功能設計，如圖3 所示。

圖3 系統業務功能設計圖

（1）基礎數據管理階段主要包含基礎履歷與備品備件，是其他階段的基礎數據來源。基礎履歷涉及設備的新增、移動、變更和移除等功能；備品備件是對客運設備關鍵部件流轉過程的管理，涉及計劃制定、入庫、盤點、出庫、調撥、配送和折舊等過程。

（2）運行階段是指設備使用的過程，狀態監測包含設備的在線監測、運行記錄、報警處置以及運行趨勢分析；能效管控包含制定設備控制策略、生成控制計劃、對設備進行智能控制及能效的采集。

（3）檢定階段主要執行設備的維護保養和日常巡檢。維護保養中需要結合車站設備管理的文件以及設備的使用情況制定保養標準，根據標準自動生成保養計劃，并為保養人員派發保養工單，最后形成可供查詢的保養記錄；日常巡檢與維護保養類似，主要涉及巡檢標準、巡檢計劃和巡檢記錄等內容。

（4）維修階段主要是指對設備的維修管理，按照目的不同分為計劃維修、狀態維修、日常維修。

（5）效益分析階段是對設備的質量與能耗進行分析。質量分析主要包括故障分析、廠商評估、成本分析、運維費用分析以及設備壽命預測等；能耗分析中包含能耗統計分析、能耗預測、能源計費、能耗質量評估等。

（6）報廢階段是指對不能使用的設備處理的過程。

3 系統實現

系統采用前后端分離技術，應用Spring Boot 框架，基于IntelliJ IDEA 2018 開發平臺開發。

3.1 系統平臺實現

3.1.1 前端技術實現

前端使用主流的漸進式框架VUE.JS。與其它大型框架不同的是，VUE 被設計為可以自底向上逐層應用。VUE 的核心庫只關注視圖層，應用簡單，便于與第三方庫或既有項目整合。另一方面，當與現代化的工具鏈以及各種支持類庫結合使用時，VUE也完全能夠為復雜的單頁應用提供驅動。

3.1.2 后端技術實現

后端采用Rest 服務提供靈活接口方式，設備狀態信息采集采用高吞吐量的分布式發布訂閱消息中間件kafka，滿足設備運行過程中產生的大量數據存儲和分發。任務調度采用開源作業調度框架Quartz，支持設備巡檢、保養、故障閉環處理等計劃任務的動態生成和靈活配置。持久層框架采用Mybatis，支持定制化SQL、存儲過程以及高級映射。避免了幾乎所有的JDBC 代碼和手動設置參數帶來的麻煩。項目中使用注解來配置和映射原生信息，將接口和Java的POJOs 映射成數據庫中的數據記錄，開發簡單，可讀性強。實現SQL 靈活，可以實現操作數據庫的所有需求，便于統一管理和優化。

3.1.3 業務流程實現

系統平臺業務貫穿客運設備全壽命周期全流程，涵蓋設備采購、動靜態履歷、狀態監測、智能控制、運維保養、報廢等多個業務流程，同時每個業務中包括計劃、工單生成、派發、執行、回填、統計分析等多項工作流的閉環管理。技術實現采用Activity 工作流的業務協同技術，協調各種組織、設備資源和信息系統進行有序工作，實現系統工作流閉環管理，以及設備運用計劃、巡檢維保、備品備件等各業務環節間的協同聯動，確保設備管理業務流程的協同高效。

3.1.4 數據處理

系統涉及設備數量多，數據量大，數據實時性要求高，在接口數據處理過程中利用模式識別、數據描述等數據挖掘形式處理數據。主要有如下環節：大數據采集，大數據預處理，大數據存儲及管理，大數據分析及挖掘，大數據展現和應用（大數據檢索、大數據可視化、大數據應用）。

數據采集過程采用分布式高速緩存技術，保證數據采集實時、穩定、完整。數據處理過程中對數據應用二級數據結構模型進行抽取，對冗余數據過濾 “去噪”，提取有效數據。數據存儲過程中，采用異構數據融合技術，數據索引技術對數據進行分布式存儲，并對數據進行分布式訪問控制、證書驗證等確保數據的安全[11]。

3.2 設備物聯接口實現

鐵路客站設備種類多、廠商多、技術異構、接口及通信協議不兼容等問題非常突出。系統與各類設備的接口邏輯關系，如圖4 所示。

總體上，設備監控系統接口存在如下問題：

（1）接口數量多，且分布不同的網絡；

（2）每種設備不同廠商的接口內容不一致；

（3）不同協議接口部署環境差異大，需要部署多臺服務器運行不同接口；

（4）接口內容五花八門，需要重復研發；

（5）接口協議各異。

針對鐵路客站設備運用監控系統接口存在的上述問題，設計基于物聯網架構的設備物聯網平臺，兼容各類設備接口協議，且對同一類接口協議的設備采用JSON 格式{key ：value} 規范其接口數據格式，接口擴展性增強。在接口技術的實現過程中，利用現代信息技術，物聯網感知技術，結合車站業務數據，設計物聯網設備接入平臺，實現車站各類設備的智能化監控。物聯網平臺采用模塊化接口協議簇，支持TCP/IP、OPC、Webservice、Modbus、XML 文件等標準協議的接入，平臺還可針對特殊設備進行自定義接口協議。

圖4 接口關系邏輯圖

對每一類設備來說，機電設備主要采用Modbus、TCP/IP、OPC 等協議，客票設備主要采用探針程序和TCP/IP 承載+XML 擴展協議接入物聯網平臺，對于其他平臺數據的接口采用WebService 和Http 協議接入物聯網平臺。物聯網平臺接口協議，如圖5 所示。

圖5 中，物聯網平臺通過自適應接口與終端設備或應用程序通信，獲取設備信息，并以數據包形式進入MQTT 消息隊列，互聯網網關IoTGW（Internet of Things Gate Way）對消息隊列中的數據信息進行拆包、解包和入庫。

圖5 物聯網平臺接口協議

4 系統應用及應用效果

4.1 系統應用

系統在中國鐵路廣州局集團有限公司（簡稱：廣鐵集團）- 長沙南站采用兩級部署方案，實現長沙南站設備的集中管控和能耗管理。

在廣鐵集團部署數據庫集群、Web、Web-APP、日志集中和物聯網采集平臺服務器，主要完成物聯網網關（IOT）數據交換匯聚、數據存儲、日志集中管理、物聯網平臺接口提供、Web-APP 服務發布等任務。

在長沙南站，分別在辦公網、客票網、旅服網和私有網（局域網）部署服務器，完成終端設備的狀態采集和IOT 網關部署。

各個網絡在車站與鐵路局間的通信均采用雙向過濾安全隔離設備，確保網絡安全。應用方案，如圖6 所示。

4.2 應用效果

系統使用后，有效降低了車站的人力成本。各區域的照明開關控制人員、電梯防護人員、檢票防護人員崗均可根據情況減少人員配置。設備常規巡檢次數可以適當減少，降低設備運維人員的勞動強度。

結合車站業務需求，綜合考慮其他影響因素，在保證正常作業運行基礎上，對車站照明、導向屏進行策略控制，減少設備運行時間，延長設備使用壽命，達到節能降耗效果。主要效果包含有以下幾個方面：

（1）延長設備壽命，系統使用后，夜間對站臺導向屏進行控制調節，減少亮屏時間6 h/ 天～7 h/ 天，降低能耗的同時，也延長了導向屏的使用壽命。智能照明控制策略應用后，照明回路平均約可關閉4 h/ 天～6 h/ 天，對于LED 照明來說，能延長其使用壽命約17% ～25%。

圖6 廣鐵-長沙南應用方案網絡拓撲

（2）節能降耗效果顯著，綜合考慮時控（季節性等）、環境亮度（傳感器等）因素，自動控制車站區域照明和導向屏。當車站某區域無作業時，適時的控制照明關閉，減少回路空運時間，節能效果顯著。

5 結束語

鐵路客站設備運用監控系統采用三級管理架構，對車站客票系統、旅客服務系統、機電設備進行全面監控，為每一臺設備建立檔案，實時在線采集設備運用過程的動靜態參數，做到了設備全壽命周期管理。接口技術實現中采用物聯網平臺技術縮短部署時間，支持不同物聯網感知設備的快速、安全、無縫接入，實現不同種類物聯網前端設備的統一管理，實現用 戶與設備、設備與設備之間的互聯互通互動，提高設備管理水平和管理質量，節約車站人力成本，降低車站能源消耗。