鐵路機務運用安全管理系統的信息化研究

慕治勇

(國能新朔鐵路有限責任公司機務分公司，內蒙古 準格爾旗 010300)

運安系統功能設計以總公司文件為基礎，運安系統(以下簡稱“系統”)按照“乘務管理”“在途機車運行安全管理”“機車質量健康管理”“培訓管理”“整備管理”“綜合管理”等功能進行設計，綜合實現智慧門戶，并盡快進行現場使用試驗。結合在用的車載無線傳輸裝置(MT50型)、智能能耗監測裝置(EPM09型)、統計/計件系統，通過數據采集、分析技術，采用軟硬件結合的方式，具備在途機車運行狀態實時監測、出退勤流程自動化、乘務員作業質量自動分析評價、自動生成電子司機報單并進行統計、計件、分析等機務運用安全管理作業功能，可實現運用安全管理作業的信息化和智能化。

通過系統的部署及應用，可實現如下主要目標：①實現在途機車運行狀態實時監測、出退勤流程信息化、乘務員作業質量分析評價、生成電子司機報單并進行統計、計件、分析等機務運用安全管理作業，實現運用安全管理作業的信息化和智能化。②實現與既有機務信息系統(機車無線傳輸系統、統計計件系統)的互聯互通，充分利用既有軟硬件資源，實現信息共享。③提高機務安全管理水平，改變傳統機務運用安全管理系統無法有效監測在途機車狀態及乘務員值乘作業質量的問題，實現對在途機車及乘務員的監測。④通過對SS4B機車既有硬件設備進行軟件升級，實現乘務員直接退勤(不通過派班室，直接在機車上完成退勤作業流程)、揭示及LKJ版本自動校核。系統可在智慧機務系統主界面下建立機務運安系統登錄界面。預留后續系統登錄窗口，可使用職工工號統一進行登錄權限管理，并符合未來個性化權限管理要求。

1 乘務管理

1.1 機車運用管理

通過與在用調度綜合信息系統，完成機調日(班)計劃、實際機車周轉圖數據的接收和人員計劃上傳，可實現機車周轉圖運用指標統計。

1.1.1 基本機車周轉圖。①采用規定的顏色、線形和方法繪制列車運行線和機車交路線。②按區段自動計算出基本機車周轉圖所含的技術指標。③保存多套基本機車周轉圖，可選定其中任意一套作為當前的工作圖。④按照用戶對基本機車周轉圖的編輯、修改權限進行控制。

1.1.2 計劃機車周轉圖。①實現機車計劃接收功能：從在用調度綜合信息系統接收機車計劃數據，生成計劃機車周轉圖。②提供機車計劃編制功能：根據昨日實際機車周轉圖上的過表機車情況、區段機型要求、各站技術作業時間、機車修程狀態等條件自動勾畫機車交路；支持手工編輯勾畫機車交路；列車計劃調整后，進行機車交路重排。

1.1.3 機車計劃管理。①具備人員計劃接收功能，接收各機務派班室人員計劃數據，轉換為計劃機車周轉圖人員信息，并上報給機調系統。②實現機車計劃及變動軌跡的查詢與打印功能。③實現機車計劃集中式管理，并能將機車計劃下達給機車調度員、外勤值班員等相關工作崗位。④實現機車計劃的審核、發布、導出功能。

1.1.4 實際機車周轉圖。可根據既有車載無線傳輸裝置實時采集的數據自動實時生成實際機車周轉圖，并可按區段、時間段從機調系統讀取的實際機車數據進行比對，匹配校準實際機車周轉圖。實現與既有系統數據互聯互通，為運安系統完善功能提供數據支持。

1.1.5運轉日志電子化。運轉日志獲取機車狀態轉變信息，實現機車狀態轉變信息的查詢、顯示及使用。運轉日志狀態轉化設置成選擇項。

1.1.6 司機電子報單。入庫電子司機報單自動生成、人工核準和打印。通過既有機車無線傳輸系統自動識別機車入庫并自動生成司機電子報單，報單包括既有電力機車能耗監測裝置自動采集的本次值乘用電數據，乘務員可通過乘務一體機對電子司機報單進行人工核準和打印(記錄出退勤和出入庫的時間，超勞費的計算和統計)，能夠與既有車載無線傳輸裝置、電力機車能耗監測裝置進行數據交互。

1.1.7 LKJ全程記錄文件遠程自動下載分析。可通過既有機車無線傳輸系統自動識別機車入庫并遠程自動下載LKJ全程記錄文件，乘務員可通過乘務一體機進行車載設備文件下載確認。

具備實時采集、遠程傳輸機車LKJ設備運行數據及全程記錄文件能力。

1.1.8 自助退勤。機車乘務員可通過乘務一體機自助辦理退勤作業，實現機車乘務員身份識別、測酒(含拍照)(電子司機報單核準及確認LKJ全程記錄文件下載情況)等退勤作業手續并進行全過程記錄；派班室能夠對機車乘務員自助退勤情況進行實時監測。針對具備乘務員行為分析功能的機車，實現乘務員異常行為實時傳輸并接入系統。

1.1.9 出勤管理。①出勤提醒。根據計劃開車時間及設定的出勤提醒時間，對未及時到達派班室辦理出勤業務的機車乘務員，自動向出勤值班員進行語音等方式提醒。②出勤作業。機車乘務員按以下流程辦理出勤作業：到達機務派班室后，首先進行出勤簽到(身份識別)、測酒(含拍照)，然后進行出勤相關作業，最后辦理出勤確認(身份識別)。應具有以下功能：出勤登記：通過身份識別裝置對機車乘務員進行身份識別登記(出勤簽到、出勤確認)，支持手工出勤方式。

待乘卡控：對于休息時間不足、出寓時未登記等情況進行卡控。

酒精檢測：對機車乘務員進行酒精檢測并拍照。

揭示核對：記錄機車乘務員核對揭示情況。

驗卡：在驗卡機或乘務一體機上自動核對寫入乘務員IC卡的LKJ臨時數據文件，并記錄核對情況。

出勤答題：機車乘務員出勤自助答題并記錄答題結果。

1.2 在途機車運行安全管理

1.2.1 在途機車實時監測。通過既有車載無線傳輸裝置及電力機車能耗監測裝置實時監測在途機車所在位置、車載設備實時運行數據(如車型/車號/車次、速度、前方信號機狀態、所在位置、GIS電子地圖查詢、所處公里標、所在區間、管壓等)、車載設備報警信息(如走行部監測裝置等)等，了解在途機車運行狀態、機車能耗信息(如網壓、用電量等)。

1.2.2 行車安全風險項點預警、報警。通過既有車載無線傳輸裝置實時采集的乘務員的操縱信息及車載設備(如盹睡裝置、走行部監測裝置)的預警、報警數據，與地面預設的影響行車安全的風險項點進行比對，達到閾值的進行預警或報警，提醒地面管理人員對乘務員進行干預。未來還可通過平穩操縱系統車載顯示終端對乘務員進行預警提醒。

1.2.3 LKJ監控版本卡控。能夠對出庫機車LKJ版本自動校核卡控：可將LKJ版本信息自動與地面標準源進行比對，一旦不一致可進行報警，防止問題機車出庫。可通過指定的車載顯示終端向乘務員展現報警具體情況。

1.2.4 揭示卡控。可實現運行揭示的自動多層校核：①乘務員IC卡運行揭示導入LKJ后可自動與地面標準揭示源進行比對，一旦不一致可進行報警，防止問題機車出庫。②機車運行到臨近限速起控區段前對乘務員進行控速提醒。③可通過指定的車載顯示終端向乘務員展現報警具體情況。

1.3 機車質量健康管理

1.3.1 車載設備狀態實時監測。通過既有車載無線傳輸裝置實現對車載設備狀態實時監測，地面應用系統對設備運行狀態質量信息的統計分析。

1948年，佛州議會成立了中南佛州洪水管理局，作為美國國會對口陸軍工程兵團的州級機構，負責配合陸軍工程兵團修建各種水利工程以及項目完工之后的運行、維修和管理工作。同時，州原有的沼澤地排水局與湖區防洪局及其職能一并劃歸新成立的中南佛州防洪管理局，這也是佛州南方水資源管理局的前身。

LKJ系統設備運行狀態實時監測。通過既有車載無線傳輸裝置實現對LKJ系統設備運行狀態實時監測，依據可設置參數的判斷邏輯研判設備異常情況，及時提供預警、報警信息。具體內容如下：實時顯示LKJ設備運行狀態；實時監測LKJ速度傳感器、壓力傳感器等設備狀態及機車工況信息、機車信號信息等，對監測到的設備故障、非正常狀態按設定的等級范圍實時預警、報警；監測LKJ狀態；監測數據版本運行及參數設置正確性，包括：LKJ軟件和數據版本正確性分析、LKJ數據調用異常檢測、LKJ數據運行狀態分析。

1.3.2 數據統計分析。具備質量數據庫，分析故障、設備、環境關系，對故障進行統計。

1.3.3 機車運行狀態監測。通過既有車載無線傳輸裝置實時追蹤機車位置，提供機車位置信息，為車載設備管理、作業人員快速處置設備故障提供確定搶修地點等信息支持。

1.3.4 列車運行曲線復示。根據從既有車載無線傳輸裝置接收到的LKJ運行狀態信息，在地面軟件系統中復示LKJ顯示器的列車運行曲線，使用戶實時跟蹤查看列車運行狀況和司機操作狀況。

列車運行曲線跟蹤：列車運行曲線圖內容包括列車運行日期、時間、速度、限速、距離、里程、機車信號等狀態信息。系統支持同時跟蹤查看多個列車的運行曲線圖。

歷史曲線回放：可以對列車在指定時間段內的運行曲線進行回放顯示。

1.3.5 LKJ軟件和數據版本監測。通過既有車載無線傳輸裝置對LKJ軟件和數據版本信息進行監測和預警，包括：機車LKJ軟件和數據版本信息實時監測查詢：根據版本換裝計劃對版本換裝情況實時監測。實時獲取LKJ數據版本信息和所屬機車/動車組車型車號信息，并與換裝計劃進行比對，比對一致，確認該機車已完成換裝，通過向換裝計劃管理系統發送版本比對結果信息，實現版本換裝情況的實時監測。

1.3.6 LKJ全程記錄文件遠程下載分析。通過既有車載無線傳輸裝置遠程下載LKJ全程記錄文件。采用自動緩存、閑時下載等多種方式保證記錄文件下載速度和即時性。

1.3.7 入庫機車作業提醒功能。版本異常提醒，LKJ時鐘超限，異常項點未銷記，周期檢測超期。

2 技術難點

2.1 通過車載無線傳輸裝置實現電力機車能耗監測裝置等車載設備數據接入

機車既有無線傳輸系統由車載無線傳輸裝置、電力機車能耗監測裝置及地面應用系統組成，車載設備(LKJ/電力機車能耗監測裝置/走行部監測裝置)運行數據、全程記錄文件及報警數據可直接通過通信服務器直接傳入運安軟件系統，實現數據接入及相關應用，其結構如圖1所示。

圖1 車載無線傳輸裝置結構圖

2.2 與既有統計計件系統的數據交互方案、通信接口及協議

表1 數據交互和通信接口協議

2.3 LKJ文件的采集及傳輸

圖2 系統設備連接方案

車載無線傳輸裝置通過CAN數據線連接LKJ設備擴展通信板，連接方式及說明。

圖3 CAN數據線樣式示意圖

車載無線傳輸設備適應3G、4G、WLAN等多種傳輸協議，通過無線傳輸網絡將文件遠程傳輸到地面服務器，支持2G/3G/4G/WLAN 等多種無線傳輸方式，采用動態自適應技術，選擇信號覆蓋較好網絡進行數據傳輸，采用MDS數字簽名和雙向認證DES加密等技術手段，支持斷點續傳，保證數據傳輸的穩定性、準確性、完整性和安全性。

采用自動緩存、閑時下載等多種機制保證記錄文件下載速度和即時性。地面系統可對下載的記錄文件進行實時分析處理，并提取關鍵項點。

2.4 機車直接退勤的技術

系統以車載乘務一體機為核心，通過機車既有無線傳輸設備與地面運安系統的實時數據交互，結合乘務員專用健康監測手環，實現機車乘務員在機車上進行身份識別、測酒、文件轉儲等退勤作業，實現乘務員機車退勤功能。

圖4 機車車載乘務一體機

2.5 接入機車走行部車載監測裝置

表2 車載無線傳輸裝置連接走行部監測裝置線纜各管腳說明

關鍵技術：①接口技術：車載無線傳輸裝置采用最新的基于arm cortex內核工業級處理平臺技術，可連接JK00430型機車走行部車載監測裝置，實現軸報實時數據、軸報數據文件、裝置異常報警信息的實時采集及遠程傳輸；②自動判斷數據傳輸時機并觸發傳輸機制：動態監測機車運行情況，實時判別機車是否到達折返點或整備點，自動觸發軸報數據文件采集及傳輸機制；③數據傳輸技術：采用可靠傳輸協議，支持斷點續傳，實現數字加密，保證數據通信的完整性、安全性。

3 技術關鍵

MVC詳細的解釋依照Model等確定的形式運作區分運用流程的鍵入、處理還有輸出程序。因此這種運用包含模型、界面及管理3部分。

3.1 MVC設計模式

MVC是一個框架模式，全名是Model View Controller，是模型(model)-視圖(view)-控制器(controller)的縮寫，一種軟件設計典范。它強制性地使應用程序的輸入、處理和輸出分開。使用MVC應用程序被分成3個核心部件：模型、視圖、控制器。它們各自處理自己的任務。最典型的MVC就是JSP+servlet + javabean的模式。該設計模式具有耦合性低、重用性高、生命周期成本低、部署快、可維護性高、有利軟件工程化管理等優點。MVC構架結構，如圖5所示。

圖5 MVC設計模式圖

3.2 Three-tier architecture設計方法

3層架構(3-tier architecture) 通常意義上的3層架構就是將整個業務應用劃分為：界面層(User Interface layer)、業務邏輯層(Business Logic Layer)、數據訪問層(Data access layer)。區分層次的目的即為了“高內聚低耦合”的思想。在軟件體系架構設計中，分層式結構是最常見，也是最重要的一種結構。分層式結構一般分為3層，從下至上分別為：數據訪問層、業務邏輯層(又或稱為領域層)、表示層。3個層次中，系統主要功能和業務邏輯都在業務邏輯層進行處理。

3.3 SSM開發框架

SSM(Spring+SpringMVC+MyBatis)框架集由Spring、SpringMVC、MyBatis 3個開源框架整合而成，常作為數據源較簡單的Web項目的框架。

3.3.1 Spring。Spring是一個開源框架，2003年興起的一個輕量級的Java開發框架。Spring框架是一個分層架構，由7個定義良好的模塊組成。Spring模塊構建在核心容器之上，核心容器定義了創建、配置和管理Bean的方式。使用Spring框架具有方便解耦，簡化開發；支持AOP編程，支持聲明式事務；方便測試；方便集成各種優秀框架；降低Java EE API等多種優勢。

3.3.2 Spring MVC。Spring Web MVC是一種基于Java的Web框架，使用了MVC架構模式的思想，將Web層進行職責解耦。Spring Web MVC前端控制器是Dispatcher Servlet；應用控制器其實拆為處理器映射器(Handler Mapping)進行處理器管理和視圖解析器(View Resolver)進行視圖管理；頁面控制器/動作/處理器為Controller接口(僅包含Model And View Handle Request(request,response) 方法)的實現(也可以是任何的POJO類)；支持本地化(Locale)解析、主題(Theme)解析及文件上傳等；提供了非常靈活的數據驗證、格式化和數據綁定機制；提供了強大的約定大于配置(慣例優先原則)的契約式編程支持。

3.3.3 MyBatis。MyBatis是一個支持普通SQL查詢，存儲過程和高級映射的優秀持久層框架。MyBatis消除了幾乎所有的JDBC代碼和參數的手工設置以及對結果集的檢索封裝。MyBatis可以使用簡單的XML或注解用于配置和原始映射，將接口和Java的POJO映射成數據庫中的記錄。

3.3.4 Web技術簡介。Web Service是一種以Web為基礎的服務。該服務以Web為連接方式，對來自外部的請求作出響應，同時將一些相關的信息傳送給外部系統，進而完成相關的遠程調用任務的。站在它的工作模式的角度來看的話，實際上這種程序和其他普通的程序在本質上是一樣的，其程序基礎都是HTTP傳輸協議程。該程序對數據的使用要求非常高，大部分數據都是XML格式。

圖6 Web Service結構圖

3.4 B/S模式

B/S為Browser/Server的縮寫，即瀏覽器和服務器結構。伴隨Internet技術的日益普及，B/S作為軟件框架體系中的一種也越來越受歡迎。在HTTP協議、互聯網的幫助下，萬維網可以進行強大的數據傳遞和數據搜集，這要歸功要一個簡單的接口即瀏覽器的功勞。B/S與早期的C/S結構相比，B/S最大的特點就是，響應用戶的操作可通過WWW瀏覽器，同時Web服務器，可完成用戶請求、數據加工、數據庫訪問、結果返回、頁面生成等大部分的工作，用戶瀏覽器只需要承擔較少的事物邏輯計算。