復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)研究*

楊 凱

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

復(fù)興號CR200J型動車組[1]是我國新一代普速客運(yùn)列車主力產(chǎn)品，是復(fù)興號動車組系列的重要組成部分。自2019年1月CR200J型動車組上線運(yùn)營以來，鐵路運(yùn)用單位對其運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測需求十分迫切。按照《時速160公里動力集中動車組運(yùn)用維修管理暫行辦法》（鐵總機(jī)輛[2018]200號）有關(guān)要求[2]，CR200J型動車組的運(yùn)用維修管理方式有別于既有機(jī)車和客車，不再以單輛車體為對象，而是以列車做為管理主體實(shí)行一體化管理，由機(jī)務(wù)、車輛和電務(wù)等多專業(yè)聯(lián)合作業(yè)完成運(yùn)用工作。為此，整合機(jī)車CMD[3]和客車TCDS[4]等車載監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)有聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用基礎(chǔ)，結(jié)合TVDS[5]、TADS[6]和TPDS[7]等地面安全監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)，根據(jù)CR200J型動車組運(yùn)用管理需求，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)行安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有重要的研究意義與實(shí)際的應(yīng)用價值。

1 研究現(xiàn)狀

目前，復(fù)興號CR200J型動車組在動力車和控制車上均安裝有針對CR200J改造后的CMD車載子系統(tǒng)設(shè)備，在拖車和控制車上均安裝有針對CR200J改造后的TCDS車載檢測設(shè)備。上述改型設(shè)備的安裝能夠?qū)崿F(xiàn)對CR200J型動車組運(yùn)行過程中動力車、拖車和控制車車載信息的全面采集檢測，檢測數(shù)據(jù)能夠分別通過CMD和TCDS的傳輸通道，落地于各自系統(tǒng)既有的地面綜合應(yīng)用平臺，供地面安全監(jiān)測及運(yùn)用檢修應(yīng)用。同時，CR200J型動車組在開行通過TVDS、TPDS和TADS檢測設(shè)備時，各系統(tǒng)會分別采集到CR200J運(yùn)行狀態(tài)，并對實(shí)時列車運(yùn)行故障情況進(jìn)行診斷，診斷結(jié)果分別上傳于各自系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用平臺，便于運(yùn)用單位對列車開展相應(yīng)的故障實(shí)時處置及檢修復(fù)核。

現(xiàn)有技術(shù)手段雖已初步實(shí)現(xiàn)對復(fù)興號CR200J型動車組的覆蓋檢測，但也存在諸多改進(jìn)優(yōu)化空間。首先，按照CR200J型動車組現(xiàn)有運(yùn)用管理辦法規(guī)定，CR200J的運(yùn)用維修工作在客整所開展車輛、機(jī)務(wù)和電務(wù)等多專業(yè)一體化作業(yè)，然而，現(xiàn)有客整所沒有CMD非實(shí)時數(shù)據(jù)下載條件，無法有效下載CMD完整過程數(shù)據(jù)，給動力車和控制車運(yùn)行狀態(tài)的充分掌握帶來困難；同時，按照實(shí)施運(yùn)用維修生產(chǎn)組織管理的運(yùn)用管理要求，使得原本使用不同監(jiān)測系統(tǒng)的用戶需要一體化整合，而現(xiàn)有各自獨(dú)立運(yùn)行的監(jiān)測系統(tǒng)，其界面眾多分散，不利于現(xiàn)場用戶集中統(tǒng)一使用；此外，隨著運(yùn)用檢修經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，以列車為維度開展一體化作業(yè)的專業(yè)運(yùn)用團(tuán)隊(duì)對綜合各監(jiān)測系統(tǒng)多源檢測數(shù)據(jù)開展關(guān)聯(lián)診斷分析的需求變得日益強(qiáng)烈。為此，整合現(xiàn)有CR200J型動車組行車安全檢測數(shù)據(jù)，建立集中統(tǒng)一聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)及應(yīng)用平臺，實(shí)現(xiàn)多源檢測信息的綜合狀態(tài)診斷，就成為復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測亟待解決的問題。

2 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）總體架構(gòu)

復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)在國鐵集團(tuán)及機(jī)輛站段建立兩級部署，實(shí)現(xiàn)與CMD、TCDS、TVDS、TPDS和TADS各系統(tǒng)間的聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)和機(jī)輛站段三級應(yīng)用，系統(tǒng)總體架構(gòu)示意如圖1所示。

其中，在國鐵集團(tuán)級部署的系統(tǒng)，直接與CMD、TCDS、TPDS、TADS和TVDS等系統(tǒng)的國鐵集團(tuán)級平臺進(jìn)行連接，匯總上述系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，并與復(fù)興號CR200J型動車組管理信息系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

在機(jī)輛站段部署的系統(tǒng)，與TCMS、LKJ、6A和TCDS等系統(tǒng)的機(jī)輛站段級專家分析模塊系統(tǒng)建立連接，匯總上述系統(tǒng)的下載狀態(tài)、分析結(jié)果和檢修建議等數(shù)據(jù)，并上傳至國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)供應(yīng)用。

全部應(yīng)用的使用入口設(shè)置在國鐵集團(tuán)級部署的系統(tǒng)上，各級用戶均通過國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)按照用戶權(quán)限的約束使用各項(xiàng)應(yīng)用功能。

圖1 總體架構(gòu)圖

（2）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)利用鐵路綜合信息網(wǎng)建設(shè)，其總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意如圖2所示。

其中，位于車輛段的TCDS I類、II類服務(wù)器，部分WLAN設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備，為原車輛段TCDS系統(tǒng)既有設(shè)備；位于機(jī)務(wù)段的CMD數(shù)據(jù)交換中心服務(wù)器及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，為原機(jī)務(wù)段CMD系統(tǒng)既有設(shè)備；外部系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)接口，建立于既有各專項(xiàng)系統(tǒng)服務(wù)器上。

位于車輛段的應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、轉(zhuǎn)儲服務(wù)器和部分WLAN設(shè)備，需要新建，用于在車輛段下載CMD相關(guān)數(shù)據(jù)及部署復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用段級系統(tǒng)，開展各專項(xiàng)數(shù)據(jù)的專家分析；位于國鐵集團(tuán)的國鐵集團(tuán)級服務(wù)器，需要新建，用于復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)提供全路監(jiān)測應(yīng)用。

為滿足監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的傳輸效率及質(zhì)量，車輛段局域網(wǎng)內(nèi)傳輸帶寬應(yīng)不小于100 Mb/s，國鐵集團(tuán)、車輛段和機(jī)務(wù)段及各專項(xiàng)系統(tǒng)間傳輸帶寬應(yīng)不小于8 Mb/s。

圖2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖示意圖

（3）技術(shù)架構(gòu)

應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)分為6個基礎(chǔ)層級，示意如圖3所示。

其中，展示層整體應(yīng)用功能通過瀏覽器方式進(jìn)行展現(xiàn)，不同的業(yè)務(wù)人員通過相應(yīng)權(quán)限的登錄實(shí)現(xiàn)相關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用和資源的瀏覽查詢操作。

接口層主要分為兩類接口，一類為給系統(tǒng)頁面展示提供數(shù)據(jù)的應(yīng)用接口層，另一類為對外部系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)交互的服務(wù)接口層，系統(tǒng)接口按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

業(yè)務(wù)層是應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)層，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)時將應(yīng)用系統(tǒng)分成多個應(yīng)用體系，執(zhí)行應(yīng)用分類標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用系統(tǒng)的整合。

應(yīng)用組件層是應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)層，通過流程集成引擎實(shí)現(xiàn)工作流、表單、統(tǒng)一管理、數(shù)據(jù)交換、代碼及主數(shù)據(jù)等應(yīng)用組件的整合和管理。

數(shù)據(jù)層是整體項(xiàng)目的數(shù)據(jù)資源的保障，通過對資源庫的有效分類，建立元數(shù)據(jù)管理規(guī)范，從而有效實(shí)現(xiàn)資源的共享機(jī)制。

基礎(chǔ)層是系統(tǒng)部署的基礎(chǔ)，具體包含了網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器資源、數(shù)據(jù)存儲、安全和操作系統(tǒng)等資源建設(shè)，通過基礎(chǔ)配置為應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖3 技術(shù)框架示意圖

（4）部署平臺架構(gòu)

復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用的機(jī)輛站段級系統(tǒng)平臺設(shè)計(jì)配備超融合平臺（虛擬轉(zhuǎn)儲、應(yīng)用和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器），路由器、交換機(jī)、無線控制器和無線接入點(diǎn)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，監(jiān)控終端等監(jiān)測顯示設(shè)備，以及多計(jì)算機(jī)切換器（KVM）、機(jī)柜和不間斷電源（UPS）等配套設(shè)備。其核心設(shè)備連接如圖4所示。

其中，超融合平臺用于提供系統(tǒng)轉(zhuǎn)儲服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器資源虛擬化服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備用于與車載設(shè)備和超融合平臺通信，并提供監(jiān)控終端接入服務(wù)；監(jiān)控終端用于應(yīng)用系統(tǒng)訪問。

復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用的國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)平臺用于存儲較長時間全路范圍的實(shí)時監(jiān)測信息及故障報警信息，提供各級用戶應(yīng)用，設(shè)計(jì)配備應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、磁盤陣列、監(jiān)控終端和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等設(shè)備，主要硬件配置根據(jù)《鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及信息綜合應(yīng)用總體方案》[8]確定，結(jié)合國鐵集團(tuán)信息化總體建設(shè)工作綜合考慮。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸主要采用MQ和Webservice等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，基本上可劃分為幾個步驟：

（1）列車運(yùn)行過程中，TCDS、CMD、TPDS、TADS和TVDS國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口，將TCDS和CMD實(shí)時數(shù)據(jù)，以及TPDS、TADS和TVDS途中監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)；

（2）列車運(yùn)行入庫時，通過車輛段無線局域網(wǎng)將TCDS和CMD非實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸至CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)機(jī)輛站段級系統(tǒng)；

（3）機(jī)輛站段級系統(tǒng)可與各專項(xiàng)系統(tǒng)的專家分析模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)共享；

（4）CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)機(jī)輛站級系統(tǒng)與國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)間，相互傳輸監(jiān)控信息和專家分析結(jié)果等數(shù)據(jù)。

其數(shù)據(jù)傳輸流程如圖5所示。

圖4 機(jī)輛站段級平臺核心設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.3 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

（1）實(shí)時數(shù)據(jù)接口

各專項(xiàng)監(jiān)測系統(tǒng)的國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)向復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)開放實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)接口，在國鐵集團(tuán)級進(jìn)行接收匯總，接口方式為Web Service，數(shù)據(jù)內(nèi)容和傳輸方式如表1所示。

（2）非實(shí)時數(shù)據(jù)接口

各專項(xiàng)系統(tǒng)的專家分析模塊向復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)開放數(shù)據(jù)接口，在機(jī)輛站段級進(jìn)行接收匯總，接口方式為Web Service，數(shù)據(jù)內(nèi)容和傳輸方式如表2所示。

2.4 應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

（1）業(yè)務(wù)流程

復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用的主要業(yè)務(wù)流程如圖6所示。

表1 實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口內(nèi)容

系統(tǒng)匯總CMD、TCDS、TPDS、TADS和TVDS等安全監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)，向國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)及機(jī)輛站段的專業(yè)管理、技術(shù)、調(diào)度和監(jiān)控等人員提供實(shí)時監(jiān)測功能。

出現(xiàn)故障報警時，監(jiān)控人員通知隨車機(jī)械師進(jìn)行現(xiàn)場查看核實(shí)，確定故障報警的真實(shí)性和緊急程度。如果需要途中處置，則由隨車機(jī)械師進(jìn)行處置，并由監(jiān)控人員將處置情況回填到系統(tǒng)中。

列車回庫后，系統(tǒng)對TCMS、6A、LKJ和TCDS的非實(shí)時數(shù)據(jù)、實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)以及途中回填的內(nèi)容進(jìn)行專家分析，分析結(jié)果用于故障提票。故障檢修完畢后，檢修情況被錄入到系統(tǒng)中，并反饋到專家分析模塊。

表2 專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口內(nèi)容

（2）功能設(shè)計(jì)

依據(jù)業(yè)務(wù)需求及相應(yīng)流程設(shè)計(jì)的應(yīng)用功能如圖7所示。

系統(tǒng)功能主要包括實(shí)時監(jiān)測、專家分析、故障處置、統(tǒng)計(jì)分析及相關(guān)系統(tǒng)后臺支持等模塊。其中，實(shí)時監(jiān)測模塊主要包括車組狀態(tài)綜合監(jiān)控、報警綜合查詢、圖表關(guān)聯(lián)分析、列車追蹤和電子地圖監(jiān)控等功能，實(shí)現(xiàn)各專項(xiàng)系統(tǒng)實(shí)時安全監(jiān)測信息的綜合展示，以及多源監(jiān)測信息的關(guān)聯(lián)分析；專家分析模塊主要包括車組分析狀態(tài)和車組分析結(jié)果等功能，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行狀態(tài)的專項(xiàng)專家分析及診斷；故障處置模塊主要包括故障提票及回填和故障處置查詢等功能，主要實(shí)現(xiàn)綜合安全監(jiān)測故障的全流程處置；統(tǒng)計(jì)分析模塊主要包括故障統(tǒng)計(jì)、過車統(tǒng)計(jì)、專家分析統(tǒng)計(jì)、運(yùn)用情況統(tǒng)計(jì)和報警關(guān)聯(lián)分析等功能，便于管理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)的匯總分析和規(guī)律總結(jié)；后臺支持模塊主要包括數(shù)據(jù)接口處理、系統(tǒng)管理、用戶管理和數(shù)據(jù)管理等功能，便于對系統(tǒng)的使用進(jìn)行全面管理。

3 應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，研發(fā)了復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件主要包括國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)和機(jī)輛站段三級應(yīng)用，其基本應(yīng)用組成如圖8所示。

其中，國鐵集團(tuán)級應(yīng)用能夠提供全路監(jiān)測數(shù)據(jù)的匯總、查詢、統(tǒng)計(jì)分析和規(guī)律總結(jié)，提供全路故障車輛跟蹤提示，可與外部信息系統(tǒng)進(jìn)行信息共享。

鐵路局集團(tuán)級應(yīng)用能夠?qū)崟r接收轉(zhuǎn)發(fā)管內(nèi)故障報警信息，并可配合進(jìn)行現(xiàn)場處置，提供路局管內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢，提供過車情況、車輛故障以及故障處理信息等匯總和統(tǒng)計(jì)分析。

圖6 業(yè)務(wù)流程圖

圖7 功能架構(gòu)圖

圖8 應(yīng)用系統(tǒng)組成圖

機(jī)輛站段級應(yīng)用能夠接收處理管內(nèi)列車信息及故障報警信息，進(jìn)行復(fù)核、檢修及結(jié)果反饋，提供對列車運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)聯(lián)分析及展示，并開展專家分析診斷，能夠?qū)^車情況和故障處理信息等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖9～圖11分別為系統(tǒng)應(yīng)用中車組狀態(tài)綜合監(jiān)控、車組狀態(tài)明細(xì)和監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)分析界面。

圖9 車組狀態(tài)綜合監(jiān)控界面

圖10 車組狀態(tài)明細(xì)界面

4 結(jié)束語

圖11 監(jiān)控信息關(guān)聯(lián)分析界面

研究了復(fù)興號CR200J型動車組運(yùn)行安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)，設(shè)計(jì)了多源檢測信息的綜合聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測方案，實(shí)現(xiàn)了行車監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析及專家診斷，構(gòu)建了安全監(jiān)測一體化管理架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了歸一化的故障檢測、傳遞、處理及復(fù)核全流程閉環(huán)管理，為有效保障CR200J型動車組的運(yùn)行安全提供了有力的技術(shù)支持。后續(xù)的研究將集中于專家綜合故障診斷模型的建立與改進(jìn)。