神朔鐵路行車固定設備在線監(jiān)測與分析平臺設計

中國神華能源股份有限公司神朔鐵路分公司 王 毅

神朔鐵路是我國第二條西煤東運的大通道神黃線的重要部分，工作負荷高、運行條件復雜，在長期運營中軌道、路基、橋梁、隧道、邊坡、接觸網等行車固定設備的性能開始劣化，帶來了安全隱患。本文進行了神朔鐵路行車固定設備在線監(jiān)測與分析平臺的技術方案設計，主要包括平臺的總體技術架構設計、前端數(shù)據采集系統(tǒng)技術選型、數(shù)據分析系統(tǒng)功能設計等工作。最終形成神朔鐵路行車固定設備在線監(jiān)測與分析平臺技術方案，為平臺研制工作奠定了堅實基礎。

神朔鐵路1996年開通運營，2004年貫通復線，正線全長270km，最小曲線半徑為400m，最大限制坡度12%，全線共19個車站，249座橋梁，61座隧道，743座涵渠，橋隧涵占線路總長的22.28%。2009年成功開行萬t列，日最大編組萬噸數(shù)量由開行時的2列提升至現(xiàn)在的83列。截至2017年，運量達2.62億t，遠超設計運輸能力，預計未來運量將突破3億t，逼近現(xiàn)有線路與站場條件下的運能極限。在大運量、重載荷、長期服役的條件下，軌道、路基、橋梁、隧道、邊坡、接觸網等行車固定設備的性能會發(fā)生劣化，存在一定安全隱患，且現(xiàn)已出現(xiàn)了隧道拱面裂紋、橋墩橫向晃動、軌道位移、路基沉降等情況。

圖1 神朔鐵路行車固定設備立體化在線監(jiān)測示意圖

云計算、大數(shù)據、物聯(lián)網、人工智能等新一代信息技術，驅動全球鐵路行業(yè)進行智能化轉型。澳大利亞力拓公司于2018年實現(xiàn)了重載鐵路網GoA4等級貨運列車自動駕駛的正式運營。北美、巴西、俄羅斯等國家重點針對重載運輸裝備健康監(jiān)測技術進行研究，研制車輛、線路安全狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)重載鐵路的故障預報警和健康評估。神朔重載鐵路圍繞行車安全、組織調度、客戶服務構建了“5T”、列車動態(tài)監(jiān)控、電力遠動、ERP、生產指揮調度、可視化運輸、資產管理等大量信息系統(tǒng)，有力支撐了神朔鐵路系統(tǒng)安全高效運轉。但是針對接觸網、軌道、路基、橋梁、邊坡、隧道等行車固定設備的安全保障方面尚缺乏行之有效的綜合安全監(jiān)控平臺，本文設計的神朔鐵路行車固定設備在線監(jiān)測與分析平臺，實現(xiàn)行車固定設備的安全狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)行車固定設備狀態(tài)的定性、定位和定量分析，形成設備長期監(jiān)測數(shù)據庫，為后續(xù)大數(shù)據應用提供數(shù)據支撐。

1 總體要求

1.1 全方位/立體化監(jiān)測體系

利用北斗差分定位、物聯(lián)網、GIS、智能傳感器、大數(shù)據等先進技術，整合已有各類信息資源，構建空/天/地/車一體化行車固定設備立體在線監(jiān)測體系，做到重要位置實時防控、一般位置間斷防控，做到各類基礎設施狀態(tài)監(jiān)測聯(lián)動響應、智能決策，確保神朔重載鐵路安全運行，為智慧神朔、自動駕駛等提供基礎支撐。如圖1所示。

1.2 企業(yè)信息系統(tǒng)集成

（1）設備統(tǒng)一編碼標識

建立設備統(tǒng)一編碼標識是有效管理設備、充分發(fā)揮其價值的基礎條件。同時設備統(tǒng)一編碼標識也是實現(xiàn)行車固定設備群統(tǒng)一協(xié)同工作體系的基礎條件。因此必須建立包括行車固定設備在內的神朔鐵路設備統(tǒng)一編碼標識。

（2）行車固定設備在線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據的元數(shù)據標準

在神朔重載鐵路行車固定設備監(jiān)測業(yè)務調研、需求分析及現(xiàn)有業(yè)務信息系統(tǒng)調查基礎上，基于ISO23081標準，制定重載鐵路行車固定設備在線監(jiān)測數(shù)據及其共享元數(shù)據標準，為各種形式的數(shù)字化信息單元和資源集合提供規(guī)范、普遍的描述方法和檢索方法。確定數(shù)據集集合種類；確定數(shù)據項的數(shù)據類型、命名規(guī)則、約束條件；確定元數(shù)據信息公共接口，如元數(shù)據ID、分類標識、數(shù)據時效等。

（3）行車固定設備之間的數(shù)據集成

通過設備統(tǒng)一編碼、設備精確定位（北斗差分定位）這一紐帶，完成行車固定設備狀態(tài)數(shù)據集成，從而形成有效的、具有知識挖掘基礎的大數(shù)據集合。基于此，使用機器學習、數(shù)據挖掘等手段找出設備性能變化規(guī)律。

（4）神朔鐵路業(yè)務集成

通過EDA、SOA等技術手段，實現(xiàn)神朔鐵路個信息單元體的業(yè)務集成，實現(xiàn)網檢、軌檢、線路巡視、自動駕駛、行車固定設備在線監(jiān)測之間的業(yè)務協(xié)同，提高業(yè)務效率以及經濟性。

1.3 基于GIS的可視化分析平臺

使用GIS作為統(tǒng)一的用戶界面，在地圖相應位置上展示行車固定設備及其異常狀態(tài)，使用層級窗口進入設備詳細狀態(tài)及分析窗口。

2 總體設計

2.1 系統(tǒng)總體技術架構

系統(tǒng)主要分為傳感層、網絡層、數(shù)據層、平臺層、系統(tǒng)層和用戶層。傳感層主要包括前端監(jiān)控設備狀態(tài)的振動、位移、溫度、應力應變、風向等傳感器以及各類數(shù)據采集設備；網絡層是用于數(shù)據傳輸?shù)?G、光纖、無線等網絡基礎設施；數(shù)據層主要實現(xiàn)數(shù)據的集中存儲、運算與管理，形成大數(shù)據中心；平臺層由各類數(shù)據分析中間件、操作系統(tǒng)中間件等組成，實現(xiàn)快速數(shù)據分析及報表配置式生成；系統(tǒng)層由各類面向用戶的應用組成，實現(xiàn)神朔鐵路行車固定設備的狀態(tài)監(jiān)控及故障分析。如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體框架構成

圖3 系統(tǒng)邏輯結構圖

圖4 系統(tǒng)物理結構圖

2.2 系統(tǒng)邏輯架構

行車固定設備在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、數(shù)據采集與信號傳輸系統(tǒng)、數(shù)據分析處理與評定系統(tǒng)組成。如圖3所示。

圖5 接觸網監(jiān)測技術框架

圖6 激光三位測距系統(tǒng)框架

圖7 路基多斷面組網示意圖

系統(tǒng)在邏輯上分為前端采集器、數(shù)據路由與集中器、接口服務、數(shù)據中心、數(shù)據展示與分析系統(tǒng)、最終用戶6個層次。前端采集器由傳感器、數(shù)據采集單元、數(shù)據路由和集中單元組成，作用是將接觸網、路基、軌道、橋梁、隧道、邊坡、重點環(huán)境等設備的相應狀態(tài)采集并發(fā)送到數(shù)據集中器。數(shù)據路由和集中器的作用是集中多個數(shù)據采集器的數(shù)據，配置采集數(shù)據的設備標識信息，并將數(shù)據發(fā)送到數(shù)據中心。接口服務的作用是集中接收前端采集器發(fā)送過來的數(shù)據，將數(shù)據存儲中心和數(shù)據傳輸單元解耦，增加系統(tǒng)的健壯性和靈活性。數(shù)據中心的作用是分類存儲行車固定設備的運行狀態(tài)海量數(shù)據，為行車固定設備健康預測奠定基礎。分析系統(tǒng)實現(xiàn)行車固定設備的運行狀態(tài)實時顯示、分類分級異常預報警、故障診斷等功能，為管理者的管理和決策提供可視化展示和決策支持。

2.3 系統(tǒng)部署結構（圖4）

3 系統(tǒng)技術方案

3.1 行車固定設備運行狀態(tài)采集

（1）接觸網

對承力索張力、電連接溫度及絕緣子泄漏電流、B值、電纜外護套智能監(jiān)測、支柱斜率、橫跨變形量、線路分支電流、重點線路視頻監(jiān)控進行監(jiān)測。采集數(shù)據具有自定義間隔發(fā)送、超限參數(shù)立即發(fā)送等方式將監(jiān)測數(shù)據發(fā)送至數(shù)據中心并進行數(shù)據展示及分析。如圖5所示。

（2）軌道

軌道在線監(jiān)測的主要項目是軌溫、軌距、應力應變、軌道形變，根據所需的檢測項目進行傳感器選型，軌溫采用貼片式溫度傳感器、軌距采用激光測距傳感器、應力與應變采用表面式應變計進行測量。如圖6所示。

（3）路基

針對路基表面不均勻沉降、深部位移、深部地層含水率等項目進行監(jiān)測。4路基監(jiān)測傳感器布點及現(xiàn)場組網如圖7所示。

（4）橋梁

針對吊桿索力及振幅、主梁撓度變形及主梁縱向偏位、高墩主要結構斷面的結構溫度、環(huán)境、振動等進行監(jiān)控。如圖8所示。

（5）隧道

針對隧道沉降、隧道收斂、典型裂縫、結構應力、圍巖內部滲壓進行監(jiān)控。如圖9所示。

（6）邊坡

針對表面位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、邊坡土體內部滲壓監(jiān)測、宏觀視頻監(jiān)測。

邊坡表面位移監(jiān)測選用北斗差分定位技術。系統(tǒng)由監(jiān)測站、基站、解算服務器、網絡集中器、GPRS數(shù)據傳輸模塊及監(jiān)控中心顯示端組成如下圖示。各監(jiān)測站數(shù)據通過自組網絡傳輸?shù)浇馑惴照荆瑢⒏鱾€監(jiān)測站數(shù)據與基站進行RTK運算得到各個監(jiān)測站精確坐標，該設備特點如圖10所示。

3.2 數(shù)據分析

設備狀態(tài)被采集后，信息傳輸?shù)綌?shù)據中心，然后使用分析系統(tǒng)對數(shù)據進行分析，達到預警、輔助決策等功能。

圖8 橋梁采集器組網示意圖

圖9 隧道采集系統(tǒng)組網示意圖

圖10 邊坡采集系統(tǒng)架構

（1）首頁

系統(tǒng)首頁主要由用戶登錄顯示區(qū)、GIS地圖區(qū)、神朔鐵路站點名稱排列區(qū)、預警區(qū)四部分組成。用戶登錄進入主頁面后，用戶名在左上角歡迎區(qū)域進行頭像、名稱、工號顯示，可單擊頭像進行登錄人基本信息查詢和部分個人資料修改設置。其中用戶權限控制功能說明：根據用戶級別不同，分別設定不同權限，普通用戶登入后可查看賬號所屬區(qū)段在線監(jiān)控詳情，以管理員身份登入之后，則可查看神朔鐵路全部點位狀況與趨勢圖顯示。

居中部分按照神朔鐵路行車線路進行GIS地圖展示，地圖線路上在線行車固定設備在線監(jiān)測站點用帶色圖標進行實時狀態(tài)標識，各監(jiān)測站點圖標用紅、黃、綠三色三鐘顏色分別表示故障、警告、正常三種狀態(tài)。同時在行車線路上實時標識運行鐵路車輛的位置狀態(tài)信息，對行車狀態(tài)和行車固定設備狀態(tài)進行全面、充分、實時的綜合展示。在線監(jiān)測站點GIS地圖在線顯示：系統(tǒng)內所有在線監(jiān)測點位按所屬部門的區(qū)段進行歸類和展示，監(jiān)測點位圖標顏色按其當前監(jiān)控狀態(tài)顏色動態(tài)顯示，圖標上方注有具體站點的地理位置，鼠標左鍵點擊標記點，可進入站點管理頁面，并對特定監(jiān)控對象做詳細情況查看，方便用戶直觀、系統(tǒng)地掌握在線監(jiān)控實時數(shù)據。也可對地圖上在線實時移動的車輛進行點擊操作，可以實時查看車輛基本信息和運行狀態(tài)情況。

頁面左側豎直區(qū)域以神朔鐵路線路站點分布自上而下依次排列并顯示站點名稱，單擊改站點名稱列，GIS地圖頁面可縮放至該站點管轄區(qū)段，對該區(qū)段地圖進行放大，實時展現(xiàn)該區(qū)段實時監(jiān)測項目指標和車輛運行狀態(tài)數(shù)據信息。

右側頁面豎直區(qū)域顯示預警信息，提供預警、日報通知功能，預警，包括超標預警、斷線預警和異常值預警，在監(jiān)測數(shù)值超標、數(shù)據連接中斷和出現(xiàn)異常值時，自動給設定聯(lián)系人發(fā)送提醒信息，保證系統(tǒng)的正常、穩(wěn)定運行，日報通知將區(qū)段內異常情況以短信形式發(fā)送給站點負責人或主管領導，讓站點管理者及時掌握設備狀態(tài)變化情況，在設備出現(xiàn)異常狀況時第一時間知道詳細信息。

（2）接觸網

接觸網功能頁面由用戶點擊對應站點接觸網監(jiān)測詳情跳轉打開，頁面主要顯示當前查看站點的接觸網監(jiān)測狀態(tài)和數(shù)據信息。系統(tǒng)頁面展示對承力索張力、電連接溫度及絕緣子泄漏電流、B值、電纜外護套智能監(jiān)測、支柱斜率、橫跨變形量、線路分支電流、重點線路視頻監(jiān)控等項目的實時在線監(jiān)測數(shù)據。用戶點擊當前站點接觸網監(jiān)測項目圖標后，系統(tǒng)自動顯示當前站點的接觸網監(jiān)測項目的在線實時數(shù)據等信息，并以圖表形式顯示，直觀展示站點接觸網在線監(jiān)控情況。顯示時間段分為實時狀態(tài)值、歷史狀態(tài)值，默認情況下為實時在線狀態(tài)值數(shù)據。用戶可按照自定義選擇年月日對特定時間段歷史數(shù)據進行區(qū)間查詢，查詢數(shù)據的顯示方式也可按照用戶需求提供選擇，以折線圖、柱狀圖、表格等多種形式展示。方便用戶查看時間段內接觸網相關監(jiān)測項的狀態(tài)變化趨勢和實時狀態(tài)值變化情況，同時可以進行接觸網監(jiān)測點位之間的各項參數(shù)的對比分析；用戶也可根據需求進行查詢數(shù)據、圖表信息進行打印，導出打印時支持選用JPG圖片、PDF、EXCEL、WORD文檔多種格式。

（3）軌道

軌道在線監(jiān)測功能頁面由用戶點擊對應站點軌道監(jiān)測詳情跳轉打開，用戶點擊監(jiān)測項目圖標后，系統(tǒng)自動顯示當前站點的各項監(jiān)測因子實時數(shù)據等信息，并以圖表形式顯示，直觀展示站點當前設備監(jiān)控情況，軌道監(jiān)測系統(tǒng)主要對當前查看站點軌道的軌溫、軌距、應力應變、軌道形變等監(jiān)測數(shù)據和信息進行實時展示。頁面也提供用戶自定義時間段的歷史監(jiān)測數(shù)據查詢，查詢結果以折線圖、柱狀圖、表格等多種形式展示，方便用戶查看時間段內監(jiān)測對象狀態(tài)變化趨勢和實時狀態(tài)值變化情況，同時可以進行監(jiān)測點位之間的各項參數(shù)的對比分析，用戶可以自主設定展示的時間區(qū)間，導出打印時支持選用JPG圖片、PDF、EXCEL、WORD文檔多種格式。

（4）路基

路基在線監(jiān)測功能頁面由用戶點擊對應站點路基監(jiān)測詳情跳轉打開，用戶點擊監(jiān)測項目圖標后，系統(tǒng)自動顯示當前站點的路基各項監(jiān)測因子實時數(shù)據等信息，并以圖表形式結合顯示，直觀展示站點當前路基狀況的監(jiān)控情況，路基監(jiān)測系統(tǒng)主要對當前查看站點路基的表面不均勻沉降監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、深部地層含水率等監(jiān)測數(shù)據和信息進行實時展示。頁面也提供用戶自定義時間段對路基監(jiān)控項目數(shù)據的歷史監(jiān)測數(shù)據查詢，查詢結果可根據用戶選擇以折線圖、柱狀圖、表格等多種形式展示，方便用戶查看時間段內路基監(jiān)測項目的狀態(tài)變化趨勢和實時狀態(tài)值變化情況，同時可以進行路基監(jiān)測點位之間的各項參數(shù)的對比分析，用戶可以導出打印所需數(shù)據，打印支持選用JPG圖片、PDF、EXCEL、WORD文檔多種格式。

（5）橋梁

橋梁功能頁面由用戶點擊對應站點橋梁監(jiān)測詳情跳轉打開，頁面主要顯示當前查看站點的橋梁監(jiān)測狀態(tài)和數(shù)據信息。系統(tǒng)頁面展示對索力、位移變形、結構溫度、環(huán)境、動力、應變等項目的實時在線監(jiān)測數(shù)據。用戶點擊監(jiān)測項目圖標后，系統(tǒng)自動所選站點的橋梁在線監(jiān)測數(shù)據，并以圖表形式進行在線實時顯示，直觀展示當前站點的橋梁實時監(jiān)控情況。系統(tǒng)也提供歷史數(shù)據查詢功能，用戶可按照查詢需求，根據年月日對特定時間段歷史數(shù)據進行區(qū)間查詢，自定義選擇顯示時間段分為實時狀態(tài)值、歷史狀態(tài)值兩種方式，以往監(jiān)測的歷史數(shù)據、查詢數(shù)據展示形式也可按照用戶需要選擇，以折線圖、柱狀圖、表格等多種形式展示。方便用戶查看特定時間段內橋梁的狀態(tài)變化趨勢和實時狀態(tài)值變化情況，同時可以進行橋梁監(jiān)測項目之間的各項參數(shù)的對比分析，系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據也支持打印，導出打印時支持選用JPG圖片、PDF、EXCEL、WORD文檔多種格式。

（6）隧道

隧道功能頁面由用戶點擊對應站點隧道監(jiān)測詳情跳轉打開，頁面主要顯示當前查看站點的隧道監(jiān)測狀態(tài)和數(shù)據信息。系統(tǒng)頁面展示對隧道沉降、隧道收斂、典型裂縫、結構應力、圍巖內部滲壓等項目的實時在線監(jiān)測數(shù)據。用戶點擊監(jiān)測項目圖標后，系統(tǒng)自動顯示當前站點對隧道在線監(jiān)測的實時數(shù)據等信息，并以圖表形式輔助展現(xiàn)，直觀展示站點隧道在線監(jiān)控情況。顯示時間段分為實時狀態(tài)值、歷史狀態(tài)值，用戶可自定義選擇年月日對特定時間段隧道監(jiān)測的歷史數(shù)據進行區(qū)間查詢；查詢數(shù)據信息展示方式也可按照用戶選擇，以折線圖、柱狀圖、表格等多種形式展示。方便用戶查看特定時間段內隧道的狀態(tài)變化趨勢和實時狀態(tài)值變化情況，同時可以進行隧道監(jiān)測項目之間的各項參數(shù)的對比分析，用戶可以自主設定展示的時間區(qū)間，導出打印時支持選用JPG圖片、PDF、EXCEL、WORD文檔多種格式。

（7）邊坡

邊坡功能頁面由用戶點擊對應站點邊坡監(jiān)測詳情跳轉打開，頁面主要顯示當前查看站點的邊坡監(jiān)測狀態(tài)和數(shù)據信息。系統(tǒng)頁面展示對邊坡表面位移監(jiān)測、深部位移監(jiān)測、邊坡土體內部滲壓監(jiān)測、宏觀視頻監(jiān)測等項目的實時在線監(jiān)測數(shù)據。戶點擊監(jiān)測項目圖標后，系統(tǒng)自動顯示當前站點的各項監(jiān)測因子實時數(shù)據等信息，并以圖表形式顯示，直觀展示站點邊坡的監(jiān)控情況。用戶可按照自定義選擇年月日對特定時間段歷史數(shù)據進行區(qū)間查詢，并可查詢以往監(jiān)測的歷史數(shù)據，顯示時間段分為實時狀態(tài)值、歷史狀態(tài)值；查詢數(shù)據顯示形式也可按照用戶選擇，以折線圖、柱狀圖、表格等多種形式展示，方便用戶查看特定時間段內邊坡的狀態(tài)變化趨勢和實時狀態(tài)值變化情況，同時可以進行邊坡監(jiān)測因子之間的各項歷史參數(shù)的對比分析。監(jiān)測現(xiàn)場安裝的視頻監(jiān)控設備，通過窗口視圖直觀了解監(jiān)測站點的周邊情況和實時數(shù)據，同時可以了解監(jiān)測設備的實時狀況。當數(shù)據異常提醒之后，可以通過回傳影像資料判斷現(xiàn)場情況，當發(fā)生不可抗力因素時，同樣可以根據影像資料來判定事故詳情。用戶可以自主設定展示的時間區(qū)間，導出打印時支持選用JPG圖片、PDF、EXCEL、WORD文檔多種格式。

結論：行車固定設備是神朔鐵路大系統(tǒng)的主要組成要素，其健康狀態(tài)直接影響神朔鐵路行車安全，對其實行實時狀態(tài)監(jiān)測和分析是確保神朔鐵路安全生產的必要手段。本文進行了神朔鐵路行車固定設備在線監(jiān)測與分析平臺的技術方案設計，對平臺研制工作奠定了基礎。