鐵路車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究*

祁苗苗，蔣 薈，肖 齊，王華偉

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

目前車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備（以下簡稱5T 設(shè)備）全路聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用7 711 套，其中車輛軸溫智能探測系統(tǒng)［1］（Train Hotbox Detection System，以下簡稱THDS 系統(tǒng)）設(shè)備6 656 套、鐵道車輛運行品質(zhì)軌 旁 動 態(tài) 監(jiān) 測 系 統(tǒng)［1］（Train Performance Detection System，以下簡稱TPDS）設(shè)備140 套、鐵道車輛滾動軸承故障軌旁聲學診斷系統(tǒng)［1］（Train Acoustic Detection System，以下簡稱TADS）設(shè)備93 套、貨車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)［1］（Train of Freight Failures Detection System，以下簡稱TFDS）設(shè)備419 套、動車組運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)［1］（Trouble of Moving EMU Detection System，以下簡稱TEDS）設(shè)備154 套、客 車 故 障 軌 邊 圖 像 檢 測 系 統(tǒng)［1］（Train Coach Machine Vision Detection System，以下簡稱TVDS）設(shè)備249 套，為保障鐵路車輛運行安全發(fā)揮了重要作用。5T 設(shè)備的可靠、穩(wěn)定運行和及時維修與檢定是5T 系統(tǒng)發(fā)揮安全保障作用的基礎(chǔ)，當前且尚未建立統(tǒng)一的5T 設(shè)備監(jiān)控、評價、管理標準，缺乏運行狀態(tài)遠程監(jiān)控技術(shù)手段，無法實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)綜合評判，因此，迫切需要建設(shè)車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標準，接入各類5T 設(shè)備履歷信息、運行狀態(tài)信息等，實現(xiàn)全路5T 設(shè)備履歷集中管理、運行狀態(tài)遠程監(jiān)控、故障分析閉環(huán)管理，為各級設(shè)備管理及運維人員提供技術(shù)支持，及時發(fā)現(xiàn)并處置5T 設(shè)備故障，充分發(fā)揮車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)安全保障作用。

1 總體方案

1.1 總體架構(gòu)

車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)在國鐵集團、鐵路局集團公司兩級部署，實現(xiàn)國鐵集團、鐵路局集團公司、車輛（動車）段三級應(yīng)用如圖1所示，系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)、Webservice 服務(wù)、應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)融合、GIS 平臺、MQ 數(shù)據(jù)傳輸中間件等技術(shù)，利用5T 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實時接入各類5T設(shè)備自檢信息以及5T 系統(tǒng)服務(wù)器狀態(tài)信息進行統(tǒng)一管理、集中展示和綜合分析，實現(xiàn)全路5T 設(shè)備履歷集中管理、運行狀態(tài)遠程監(jiān)控、故障分析閉環(huán)管理，為5T 設(shè)備管理及運維人員提供專業(yè)的輔助決策支撐［2］。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能框架

根據(jù)應(yīng)用需求，車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)由國鐵集團、鐵路局集團公司、車輛（動車）段級三級構(gòu)成，系統(tǒng)總體功能架構(gòu)如圖2 所示。其中車輛（動車）段級系統(tǒng)主要負責實時監(jiān)控5T 設(shè)備運行狀態(tài)、故障預(yù)警處置反饋以及5T 設(shè)備履歷維護，鐵路局集團公司級系統(tǒng)主要負責局管內(nèi)5T 設(shè)備運用質(zhì)量管理評價、故障閉環(huán)處置管理、重點督辦工作檢查，國鐵集團級系統(tǒng)主要負責全路5T 設(shè)備運用質(zhì)量管理評價、故障閉環(huán)處置管理、重點工作督辦。

圖2 車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)功能框架

1.3 數(shù)據(jù)接口方案

車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)通過建立統(tǒng)一的接口標準規(guī)范，利用數(shù)據(jù)庫共享、Webservice 服 務(wù) 等 方 式 與THDS、TPDS、TADS、TFDS、TEDS、TVDS、TCDS 等系統(tǒng)進行信息共享與交換。交互信息類型包括設(shè)備實時狀態(tài)信息見表1、設(shè)備履歷信息見表2、日常統(tǒng)計信息見表3。

表1 實時狀態(tài)信息接口

表2 設(shè)備履歷信息接口

表3 日常統(tǒng)計信息接口

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)備狀態(tài)遠程監(jiān)控

5T 設(shè)備存在檢修維護工作量大、上道檢修困難等問題，為實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控，在5T 設(shè)備測點機部署自檢軟件，實時檢測設(shè)備部件狀態(tài)并定時向鐵路局5T 服務(wù)器發(fā)送自檢報文，鐵路局5T 服務(wù)器接收并解析各類軌邊設(shè)備發(fā)送的運行狀態(tài)自檢報文，得到設(shè)備當前的運行狀態(tài)并記錄自檢異常信息，建立設(shè)備故障診斷知識庫，自動識別設(shè)備故障，實現(xiàn)設(shè)備故障遠程診斷和精準定位，指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)備的維修與檢定；同時，5T 服務(wù)器向監(jiān)控終端復(fù)示最新的5T 設(shè)備運行狀態(tài)自檢異常信息，設(shè)備運維人員可通過監(jiān)控終端對設(shè)備的運行狀態(tài)進行遠程在線監(jiān)控；另外，設(shè)備管理人員可通過查詢、分析設(shè)備自檢異常歷史故障記錄及故障規(guī)律，指導(dǎo)設(shè)備檢修［3］。

2.1.1 設(shè)備自檢故障類型

5T 設(shè)備按照監(jiān)測原理不同分為圖像監(jiān)測設(shè)備、紅外線監(jiān)測設(shè)備、力學監(jiān)測設(shè)備、聲學監(jiān)測設(shè)備，其自檢故障類型各不相同，其中TEDS、TVDS、TFDS 圖像監(jiān)測設(shè)備主要檢測攝像頭、THDS 紅外線監(jiān)測設(shè)備主要檢測紅外線探頭、TPDS 力學監(jiān)測設(shè)備主要檢測力學傳感器、TADS 聲學監(jiān)測設(shè)備主要檢測麥克通道，詳細檢測故障類型見表4。

表4 5T 設(shè)備自檢故障類型

2.1.2 設(shè)備狀態(tài)類別編碼

5T 設(shè)備狀態(tài)類別編碼用來標識設(shè)備關(guān)鍵部件運行狀態(tài)，是2 位設(shè)備部件編碼與3 位設(shè)備運行狀態(tài)編碼的組合。例如，TFDS 設(shè)備的攝像頭部件碼為“01”，則可以用“01001”表示“1 號攝像頭狀態(tài)異常”，“01002”表示“2 號攝像頭狀態(tài)異常”。

2.1.3 設(shè)備狀態(tài)自檢報文

設(shè)備狀態(tài)自檢報文由報頭和狀態(tài)檢測信息2部分構(gòu)成，報文內(nèi)容主要為5T 探測站服務(wù)器及所有軌邊設(shè)備狀態(tài)檢測信息。報頭信息為5T 探測站編碼及自檢時間，狀態(tài)檢測信息包括多個設(shè)備狀態(tài)類別編碼［3］。設(shè)備狀態(tài)自檢報文的格式可定義為：

｛5T 探測站編碼@自檢時間：｛設(shè)備編碼｛［，設(shè)備狀態(tài)類別編碼］｝m；｝n｝

當設(shè)備自檢狀態(tài)無異常時，則設(shè)備狀態(tài)類別碼僅為設(shè)備部件編碼；設(shè)備部件狀態(tài)異常時，設(shè)備狀態(tài)類別碼為設(shè)備部件編碼與異常部件狀態(tài)編碼的組合。以TFDS 設(shè)備為例，若攝像頭（部件碼01）所有設(shè)備部件均正常，則僅生成一個表示攝像頭狀態(tài)正常的設(shè)備狀態(tài)類別編碼01 即可；若攝像頭某幾個部件均出現(xiàn)故障時，則生成這些部件所對應(yīng)的狀態(tài)分類編碼，例如001、002、003 號攝像頭均發(fā)生故障，對應(yīng)的狀態(tài)自檢信息為：01001，01002，01003。

各測點設(shè)備將運行狀態(tài)自檢報文發(fā)送至探測站服器匯總，并定時向鐵路局集團公司中心服務(wù)器傳輸，參照大多數(shù)5T 探測站的接車頻率，定義每10 min 傳輸1 次。

2.1.4 探測站設(shè)備故障判別處理

在鐵路局集團公司5T 服務(wù)器部署探測站自檢解析程序，每10 min 讀取1 次5T 探測站自檢報文，通過解析自檢報文判定5T 探測站是否發(fā)生故障。若鐵路局5T 服務(wù)器超過15 min 未成功讀取探測站自檢報文，則鐵路局5T 服務(wù)器PING 探測站服務(wù)器，若能夠PING 通，則將故障定義為“測點軟件異常”；若不能PING 通，則將故障定義為“網(wǎng)絡(luò)通道異常”。

2.2 運行狀態(tài)綜合評判

利用模糊綜合評價算法，綜合做出5T 設(shè)備運用狀態(tài)綜合報警的評判模型，根據(jù)綜合評價結(jié)果更加有針對性地指導(dǎo)設(shè)備檢修，為5T 設(shè)備修程修制改革提供技術(shù)支持。通過研究發(fā)現(xiàn)，5T 設(shè)備運行狀態(tài)與自檢故障、故障停時、車號識別率、設(shè)備使用年限有較強的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可作為5T 設(shè)備運用狀態(tài)一級評價指標，自檢故障指標下又可根據(jù)不同故障類型定義多個二級指標。

模糊評價算法可以按以下3 個步驟進行：

（1）對5T 設(shè)備運用狀態(tài)評價指標進行分層處理，并且基于AHP 層次分析法得到在評價指標各層級別的權(quán)重向量，進而確定5T 設(shè)備運用狀態(tài)是否超限的影響因素等級集合。

（2）利用正態(tài)分布函數(shù)分析5T 設(shè)備運用狀態(tài)評價指標與影響因素等級關(guān)系，建立5T 設(shè)備運用狀態(tài)影響因素的評價指標對于不同等級的影響力的隸屬度函數(shù)，得到評價指標與影響因素等級的模糊關(guān)系矩陣［4］。

（3）利用模糊算子處理每個層級評價指標的權(quán)重與模糊關(guān)系矩陣，生成綜合評價矩陣，得到5T設(shè)備運用狀態(tài)的最終評判結(jié)果。

模型—符號：

U：為5T 設(shè)備運用狀態(tài)評價指標集；

ui：為5T 設(shè)備運用狀態(tài)評價指標集內(nèi)的一級指標子集i；

uij：為一級評價指標子集ui集內(nèi)的二級指標子集j；

A：為5T 設(shè)備運用狀態(tài)一級評價指標的判斷矩陣；

Bi：為二級因素評價指標的判斷矩陣；

X：為5T 設(shè)備運用狀態(tài)一級評價指標下的權(quán)重向量；

xi：為二級因素評價指標的權(quán)重向量；

rij：為第i個影響因素對第j個等級的隸屬度；

V：為5T 設(shè)備運用狀態(tài)評價的評價等級集合；

Vi：為等級因素子集i；

λmax：為綜合評價矩陣的最大特征值；

CI：為綜合評價矩陣的一致性指標；

RI：為綜合評價矩陣的平均隨機一致指標；

CR：為綜合評價矩陣的一致性比率；

R：準則層的模糊評價等級矩陣；

Ri：為子準則層的模糊評價矩陣；

Wi：為5T 設(shè)備運用狀態(tài)過限單評價元素矩陣；

根據(jù)對5T 設(shè)備運用狀態(tài)過限影響因素的分析，設(shè)所要構(gòu)造的判斷矩陣為A=(aij)，（aij元素的設(shè)定可參考9 標度法），構(gòu)造判斷矩陣為式（1）：

同樣方法求得4 個二級指標的最大特征值和權(quán) 重 向 量 分 別 為λ1max，x1，λ2max，x2，λ3max，x3，λ4max，x4。

當a＞0.5 時，表示評價指標的影響力偏小，所以隸屬度函數(shù)為式（3）：

利用上述隸屬函數(shù)求出模糊關(guān)系矩陣，即單個評價元素的矩陣為式（4）：

帶入4 個權(quán)重向量，算得自檢故障、故障停時、車號識別率、設(shè)備使用年限4 個指標權(quán)重矩陣分別為w1，w2，w3，w4。

將模糊綜合評價矩陣R與準則層評價指標權(quán)重矩陣W相乘，得式（6）：

取最大值為綜合評判結(jié)果，G最大即為狀態(tài)正常，T最大則為狀態(tài)預(yù)警。

2.3 設(shè)備故障分級閉環(huán)管理

車輛（動車）段值班員可以通過鐵路車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)提示得到5T 設(shè)備的自檢異常和故障停機信息，并及時通知維修人員對故障5T 設(shè)備進行核實處理；維修人員核實完畢后，向車輛（動車）段值班員反饋處理結(jié)果，值班員確認處理結(jié)果后在系統(tǒng)中回填。由此在車輛（動車）段形成了對5T 設(shè)備的“預(yù)警→核實→處理”的閉環(huán)控制機制。車輛（動車）段對5T 設(shè)備自檢異常和故障停時的處置信息逐級上傳至鐵路局集團公司和國鐵集團級鐵路車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，鐵路局、國鐵集團5T 設(shè)備主管人員通過系統(tǒng)監(jiān)控終端監(jiān)控和考核5T 設(shè)備核實處置情況。

此外，國鐵集團5T 設(shè)備主管人員可對長時間未處理的自檢異常、故障停機5T 設(shè)備進行逐級重點督辦，通過建立上級對下級5T 設(shè)備故障處置逐級檢查、逐級監(jiān)督和逐級考核的把控機制，形成了上下互控、分級管理、重點監(jiān)督、分級把控的國鐵集團、鐵路局集團公司和車輛（動車）段分級閉環(huán)管理模式，如圖3 所示。

圖3 設(shè)備故障分級閉環(huán)處置圖示

3 結(jié)束語

當前鐵路車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)已在全路18 個鐵路局集團公司、23 個動車段、26 個客車段、40 個車輛段推廣應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。系統(tǒng)的應(yīng)用實現(xiàn)了車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備履歷集中統(tǒng)一管理、設(shè)備故障遠程監(jiān)控以及設(shè)備運行狀態(tài)智能評判，為各級設(shè)備管理及運維人員提供技術(shù)支持，及時發(fā)現(xiàn)并處置5T 設(shè)備故障，充分發(fā)揮車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)安全保障作用。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成為車輛運行安全監(jiān)測設(shè)備監(jiān)控及管理的主要技術(shù)手段，在保證鐵路車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備運行安全和提高設(shè)備運維質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用。