高鐵聯調聯試數據智能分析及管理總體設計研究

端嘉盈,王萬齊,沈海燕

(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)

隨著智能京張、智能京雄建設的全面啟動，以及云計算、物聯網、大數據、北斗定位、5G通信、人工智能等先進技術在高鐵各專業領域研發應用的廣度和深度持續擴大，標志著我國高速鐵路向智能化方向邁進。智能高鐵首創高速動車組自動駕駛系統、基于AI+的智能客運車站系統、北斗全域信號增強系統，首次全線全專業應用BIM技術，實施全面電子客票等一系列的技術創新，這些智能化新技術的全面應用對智能高鐵的聯調聯試技術提出了新的挑戰。結合高速鐵路建設實際，需進一步深化研究高鐵聯調聯試數據智能分析及管理總體架構及其關鍵技術， 研究聯調聯試數據智能化分析技術，提高多專業技術融合及大數據分析應用，不斷提升我國聯調聯試技術創新水平，持續保持聯調聯試技術領先地位[1-7]。

1 高鐵聯調聯試數據智能分析及管理的內涵及目標

1.1 內涵

目前，聯調聯試的數據在試驗結束后，依然采用誰采集誰管理的模式，由各單位拷貝，并存放在各自存儲介質。這種分散管理模式不可控因素很多，易造成數據丟失，缺乏統一的整合管理，同時也很難實現數據的共享、檢索和分析，缺乏有效的利用模式。高鐵聯調聯試數據智能分析及管理立足于聯調聯試、動態檢測及運行試驗為主要內容的高速鐵路動態驗收模式，以中國高速鐵路聯調聯試的測試技術和評價體系為基礎，引入大數據、物聯網、云計算以及人工智能等新技術，深化研究聯調聯試數據智能化分析技術，實現聯調聯試數據采集、傳輸、存儲、跨專業融合分析、管理、評價以及綜合展示，結合聯調聯試及日常巡檢數據分析軌道、接觸網、通信、信號等關鍵性能指標趨勢，實現高鐵聯調聯試跨專業數據融合、智能化分析、測試結果綜合評價、改進效果推演預測、一體化決策及可視化展示[8-10]。

1.2 目標

高鐵聯調聯試數據智能分析及管理應瞄準智能高鐵發展前沿，集成應用各專業領域的最新技術成果，以數據為主線，從數據采集到智能分析的發展離不開人工智能、大數據、云計算等信息技術的支撐，分階段實現高鐵聯調聯試智能分析及管理的建設目標[8]。

(1)高鐵聯調聯試數據智能分析及管理的創新示范階段：2018年～2020年。研究提出高鐵聯調聯試數據智能分析及管理的頂層設計、總體架構設計，圍繞智能采集、傳輸、存儲、分析融合、決策分析、可視化展示等開展示范應用，攻克數據采集、傳輸、融合分析、可視化展示的關鍵技術，重點研究軌道幾何與輪軌動力學數據融合技術、弓網幾何參數與弓網受流檢測數據的融合技術以及車載綜合展示平臺及數據管理系統，以京張高鐵聯調聯試為示范應用，形成高鐵聯調聯試數據智能分析及管理的初始版本。

(2)高鐵聯調聯試數據智能分析及管理的智能技術突破階段：2021年～2025年。深層次應用人工智能和大數據分析技術，進一步提升聯調聯試測試數據的智能分析技術和基礎設施狀態的測試數據融合技術，建成高鐵聯調聯試智能分析管理平臺，實現基礎數據全面自動感知、多專業數據融合分析、聯調聯試測試項目智能生成，測試結果智能決策，實現鐵路工程建設信息與聯調聯試數據協同應用、無縫集成，運用大數據分析技術實現對固定設施狀態的實施在線動態監測，全面提升高速鐵路聯調聯試智能化管理水平，全面形成高鐵聯調聯試智能分析及管理成套技術方案。

2 總體設計

2.1 高鐵聯調聯試數據智能分析及管理建設藍圖

圍繞聯調聯試相關車載數據、地面數據、基礎數據等數據資源，結合聯調聯試智能化需求，提出“1+2+3+4”的聯調聯試智能化建設藍圖，即1個平臺、2個體系、3個數據來源、4個能力。“1個平臺”是指聯調聯試數據智能分析管理平臺，“2個體系”是指信息安全保障體系和標準化評價體系；“3個數據來源”是指智能分析管理平臺的數據來源，包括車載數據(軌道狀態、動車組動力學響應、列車空氣動力學響應、接觸網、通信及軌旁信號設備狀態)、地面數據(工務、供變電系統、綜合接地、信息系統、振動噪聲)、基礎數據(線路的基礎數據、GIS數據、BIM數據、設備綜合圖、地面測點位置數據)；“4個能力”是指聯調聯試數據智能分析及管理可提升聯調聯試的開放共享能力、融合分析能力、協調指揮能力、科學決策能力。高鐵聯調聯試數據智能分析及管理建設藍圖如圖1所示[11-13]。

圖1 高鐵聯調聯試數據智能分析及管理建設藍圖

2.2 高鐵聯調聯試數據智能分析及管理邏輯架構

高鐵聯調聯試數據智能分析及管理涵蓋了從各專業的數據采集到智能分析管理平臺的全過程，分為信息采集層、網絡傳輸層、平臺接口層、數據處理層以及業務應用層。高鐵聯調聯試數據智能分析及管理邏輯架構如圖2所示。

圖2 高鐵聯調聯試數據智能分析及管理邏輯架構

信息采集層由聯調聯試各專業及其最底層的檢測監測設備組成，例如軌道狀態監測的傳感器，橋梁、隧道、線路等監測傳感器，以及各專業監測檢測的專用設備等。利用攝像頭、RFID標簽、傳感器等前端設備對監測檢測對象進行標識、狀態感知、故障監測、環境感知。

網絡傳輸層由感知網、有線網絡、無線網絡組成，負責各專業與平臺之間的信息傳輸。采用自組織網絡、無線傳感器網絡、智能視頻網等感知網對感知的數據進行傳輸并通過有線網絡、無線網絡或拷貝方式將數據傳輸至平臺層。

平臺接口層是各專業與智能分析管理平臺之間的接口，分為硬件接口、網絡接口、數據接口等。

數據處理層是高鐵聯調聯試數據智能分析的核心部分，通過大數據分析、智能視頻分析、深度學習、數據建模、文本分析、知識圖譜等數據處理技術，對各個專業數據信息進行數據存儲、處理、建模、分析、融合等。

業務應用層是高鐵聯調聯試數據智能化的應用成果集中體現，指基于智能分析管理平臺的應用，通過云服務、信息共享等技術，對數據處理結果進行資源協調和分析決策，實現平臺業務的測試計劃自動生成、測試報告自動生成、測試結果綜合評價、改進效果推演預測、跨專業數據融合分析、綜合集成展示以及聯調聯試總體指揮和科學決策。

2.3 高鐵聯調聯試數據智能分析管理平臺總體架構

高鐵聯調聯試數據智能化將按照“聯調聯試各專業+智能分析管理平臺”的模式規劃和建設，聯調聯試數據智能分析管理平臺即為聯調聯試統一的基礎平臺，相當于聯調聯試的大腦，為聯調聯試提供平臺、數據、計算、智能分析、綜合決策等能力。基于鐵路物聯網、互聯網、鐵路物理信息系統及新一代通信技術，通過提高智能聯調聯試各專業的檢測監測能力，將檢測監測數據傳輸至聯調聯試智能分析管理平臺進行統一存儲、清洗、加工、處理、計算、融合、分析，最終為聯調聯試測試計劃自動編制、測試報告自動生成、測試結果綜合分析、改進效果推演預測、跨專業數據融合分析以及聯調聯試總體指揮和科學決策等應用提供決策支持。聯調聯試數據智能分析管理平臺構成主要包括基礎服務子平臺、數據服務子平臺、智能分析子平臺和綜合展示子平臺4個部分。高鐵聯調聯試數據智能分析管理平臺總體架構如圖3所示。

圖3 高鐵聯調聯試數據智能分析管理平臺總體架構

(1)基礎服務子平臺，為聯調聯試提供平臺和技術支撐能力，主要包括大數據分析模塊、GIS模塊、BIM模塊、北斗模塊、基礎數據模塊及時空同步服務模塊等，為聯調聯試智能化提供基礎數據及服務，為聯調聯試各專業提供統一的基礎數據、地圖、時間、空間位置、測點等基礎數據信息，實現所有專業及平臺的時空統一、基礎數據統一、地圖信息統一。

(2)數據服務子平臺，是聯調聯試智能分析管理平臺的數據源，包括數據匯集模塊、數據共享模塊、數據管理模塊、數據處理模塊與協同聯動模塊，通過對聯調聯試采集的所有數據進行統一匯集、清洗、分析、加工和處理，分析、識別出隱含的有意義的信息，為聯調聯試智能化分析提供基礎數據支撐。

(3)智能分析子平臺，集成了智能聯調聯試所需的智能分析技術，包括單專業數據分析模塊和多專業融合分析模塊，將數據服務平臺的各類數據轉化為知識，對聯調聯試各專業測試結果進行歸納整理，對相關專業數據進行融合分析處理，提取更加有意義的數據信息，實現聯調聯試測試計劃自動編制、測試報告自動生成、測試結果綜合分析、改進效果推演預測、跨專業數據融合分析，為聯調聯試總體指揮和科學決策提供支持。

(4)綜合展示子平臺，包括車載綜合展示和地面綜合展示，基于圖形化的可視化技術，通過設備綜合圖、二維GIS、BIM+GIS、數據圖表等多樣化展示手段，將數據量大、維度復雜的數據用多種方式進行可視化展現，實現聯調聯試各專業分析數據及多專業融合數據聯動一體化綜合展示。以其直觀、生動、交互性強等特點，增強可視性，清晰有效地傳達與溝通信息，充分利用人的視覺感知能力對數據進行呈現，以放大對監測檢測數據的認知，并以此挖掘有價值的信息，洞察數據內部規律，提高數據使用效率，便于業務人員直觀地從數據發現問題和總結經驗，也便于領導輔助決策指揮。

2.4 高鐵聯調聯試數據智能分析技術

數據智能分析技術是聯調聯試可視化展示的基礎，是數據智能分析的核心，也是聯調聯試智能化的集中體現，根據數據來源可以將聯調聯試數據智能分析技術分為單專業數據分析技術和多專業數據融合分析技術。

單專業數據分析是指某個檢測專業內部數據的分析技術，例如軌道幾何檢測智能化數據分析、軌道動態參數測試數據分析、噪聲振動數據分析、信號系統應答器數據分析等。

多專業數據融合分析是指將不同專業之間的數據進行融合分析，提取出更加有價值的信息，例如軌道幾何與輪軌動力學數據融合分析和弓網幾何參數與弓網受流檢測數據的融合分析。

(1)軌道幾何與輪軌動力學數據融合分析

軌道的幾何狀態是車輛振動的主要根源，軌道良好的平順性是車輛安全平穩運行的前提。車輛動力學指標是車體振動劇烈程度的量度，研究軌道狀態與車輛動力學之間的關聯關系，融合分析軌道幾何平順、軌道結構、車輛狀態等實際因素，找出軌道狀態與車輛振動響應之間的傳遞規律，精準定位不利軌道狀態區段，科學指導線路養護維修[14]。

(2)弓網幾何參數與弓網受流檢測數據的融合分析

利用已有數據，研究適用于接觸網管理的數據處理及狀態評估方法，全面評價接觸網設備狀態，不僅能夠幫助運營維修單位準確掌握接觸網狀態及變化趨勢，還可以作為其維修決策、合理調配維修資源的依據，有助于有效形成檢測監測—狀態評估—輔助維修決策的管理體系[15-16]。

3 綜合展示子平臺的初步實現

長期以來聯調聯試各專業獨立顯示，缺少統一時空、多專業、多維度條件下線路設備狀態、列車運行狀態、車站及線路周邊環境結構物功能狀態的動態實時或準實時的一體化集成展示。綜合展示子平臺通過設備綜合圖、二維GIS、BIM+GIS、多專業聯動等多種展示手段，將聯調聯試基本信息、車載/地面聯調聯試監測檢測動靜態數據、融合分析數據、設備設施綜合監測、視頻等要素進行集中展示，為新建鐵路工程及設備設施綜合監控、狀態關聯分析等提供可視化及輔助決策支持，分為聯調聯試車載綜合展示和地面綜合展示。

聯調聯試車載綜合展示已取得初步成果，成功應用于智能京張高鐵的聯調聯試工作，區別于傳統“不同系統簡單集中”的展示方式，秉承“統一界面風格、統一色調、統一布局、統一規劃、統一時空”等設計原則，實現了從“集中”到“集成”的一體化綜合展示。車載綜合展示分為動態實景展示、多維度跨專業展示、多專業疊加展示、跨專業融合分析展示、檢測數據分析展示、基礎信息維護和系統管理7大功能模塊，如圖4所示。綜合考慮展示內容、展示效果及屏幕比例等因素，將屏幕分為9大展示區域，所有展示區域通過反射內存卡同步統一的時空信息，實現多圖聯動，如圖5所示[17-20]。

圖4 車載綜合展示功能結構

圖5 車載綜合展示區域劃分

(1)動態實景展示(對應展示區域1、2)，對車頭/車尾視頻、接觸網檢測的視頻進行實時展示。

(2)多維度跨專業展示(對應展示區域6、9，9為切換按鈕)，基于圖數協同技術，采用三維BIM+GIS，二維GIS兩種方式，對線路、環境、列車位置、重點構筑物等基礎信息進行圖形化展示，并在二維、三維圖形上動態疊加測點、大值報警、線路質量、通話事件、網絡質量等聯調聯試信息。

(3)多專業疊加展示(對應展示區域4)，在基本二維靜態設備綜合圖的集成上，動態疊加動力學、弓網受流性能、空氣動力學等報警標志及數值，以及應答器、風雨雪、異物侵限等點位信息。

(4)檢測數據分析展示(對應展示區域5)，通過波形方式展示軌道幾何與輪軌動力學、弓網幾何參數與弓網受流的融合分析結果，以及歷史數據的對比分析。

(5)檢測數據分析展示(對應展示區域7、8)，通過列表方式展示軌道狀態、動車組動力學響應、列車空氣動力學響應、接觸網、通信及軌旁信號設備狀態等車載專業，通過列表、柱狀圖、散點圖、折線圖等多種方式展示工務、供變電、綜合接地、信息系統以及振動噪聲等地面專業。

(6)基礎信息維護，對測點、線路、設施、設備、GIS國家基礎地理信息、線橋隧、構筑物三維模型信息等展示平臺使用的基礎信息進行維護。

(7)系統管理，包括用戶管理、權限管理、系統管理等。

綜合考慮屏幕尺寸和展示效果，通過切換按鈕靈活切換兩種界面形式，如圖6所示。

4 結語

聯調聯試是保障安全的前提，隨著智能京張、智能京雄等智能化高鐵的高標準建設，對聯調聯試也提出了更高的要求。本文提出通過高鐵聯調聯試數據智能分析及管理，對聯調聯試期間的大量數據進行統一匯總、集中分析、應用展示。提出了高鐵聯調聯試的數據智能分析及管理的內涵和建設目標，設計了高鐵聯調聯試數據智能分析及管理的建設藍圖、邏輯架構以及高鐵聯調聯試數據智能分析管理平臺的總體架構，提出了聯調聯試數據智能分析技術，詳細介紹了綜合展示子平臺的車載綜合展示的初步建設成果。通過高鐵聯調聯試數據智能分析及管理，實現聯調聯試測試結果綜合評價、改進效果推演預測、跨專業數據融合分析、綜合集成展示，為聯調聯試總體指揮和科學決策提供支撐。