基于智能感知技術(shù)的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)研究

高春雷 徐濟(jì)松 張銳 王鵬 劉尚昆

中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

據(jù)調(diào)研，目前國(guó)能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司設(shè)備臺(tái)賬履歷、維修保養(yǎng)、施工日志等依靠人工記錄和統(tǒng)計(jì)，存在信息錄入重復(fù)、設(shè)備過(guò)修或漏修等問(wèn)題，不利于數(shù)字化管理。既有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)均不具備自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備臺(tái)賬履歷等的信息化管理功能，無(wú)法為設(shè)備運(yùn)用和維修保養(yǎng)決策的制定提供依據(jù)。

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等關(guān)鍵部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警信息獨(dú)立管理，無(wú)法為車(chē)輛設(shè)備大數(shù)據(jù)故障預(yù)測(cè)提供數(shù)據(jù)支持，且難以實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)警。鑒于此，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)［1］和鐵路地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）［2］研發(fā)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備智能管理系統(tǒng)，對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的臺(tái)賬履歷、作業(yè)調(diào)度、關(guān)鍵部件維修保養(yǎng)、運(yùn)用信息等進(jìn)行智能管理。本文介紹該系統(tǒng)的組成、功能及應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成及功能

該系統(tǒng)主要由地面管理平臺(tái)、車(chē)載中央處理裝置和手持終端組成，如圖1所示。

圖1 自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備智能管理系統(tǒng)框架

該管理系統(tǒng)的功能主要包括：

1）設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)字化。采用動(dòng)態(tài)履歷和靜態(tài)履歷相結(jié)合的全生命周期電子履歷，一車(chē)一檔，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛主要技術(shù)參數(shù)、主要部件、檢修信息數(shù)字化和基礎(chǔ)臺(tái)賬管理信息化。

2）基于移動(dòng)終端的出乘作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。依據(jù)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)有關(guān)要求，基于移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)施工日志和巡檢過(guò)程的電子化、標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范車(chē)輛作業(yè)前后各檢測(cè)點(diǎn)的檢查流程。

3）設(shè)備行駛軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用GPS+北斗相結(jié)合的定位技術(shù)，基于鐵路GIS實(shí)現(xiàn)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備行駛軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

4）車(chē)輛關(guān)鍵部件的故障分析與維修保養(yǎng)預(yù)警。統(tǒng)計(jì)車(chē)輛故障信息，建立專(zhuān)家?guī)臁８鶕?jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合車(chē)輛的歷史作業(yè)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、運(yùn)行日志等進(jìn)行分析，診斷故障的原因，評(píng)估車(chē)輛運(yùn)維狀態(tài)。根據(jù)設(shè)備臺(tái)賬、履歷及運(yùn)用信息，對(duì)車(chē)輛部件檢修進(jìn)行管理，到期提示、預(yù)警。

2 系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的四大功能，對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行精細(xì)化管理。具體內(nèi)容包含設(shè)備管理、檢修管理、生產(chǎn)管理等。設(shè)備管理又分為設(shè)備履歷、設(shè)備臺(tái)賬和設(shè)備主要數(shù)據(jù)管理。

2.1 設(shè)備管理

2.1.1 設(shè)備履歷管理

設(shè)備履歷管理內(nèi)容主要包括技術(shù)參數(shù)、主要部件、年檢鑒定記錄、運(yùn)用記錄、維修記錄等信息的管理與更新。設(shè)備履歷的部分管理內(nèi)容見(jiàn)表1。

表1 設(shè)備履歷部分管理內(nèi)容

2.1.2 設(shè)備臺(tái)賬管理

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備臺(tái)賬包括：走行設(shè)備的基本信息（運(yùn)用單位、管理編號(hào)、車(chē)型編號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)廠家、制造許可證號(hào)、出廠編號(hào)、出廠日期）；運(yùn)行控制設(shè)備的基本信息（規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)廠家、出廠日期）；列車(chē)無(wú)線調(diào)度通信設(shè)備的基本信息（規(guī)格型號(hào)、生產(chǎn)廠家、出廠日期）；自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備修理信息（上次年修日期、上次年修單位、上次大修日期、上次大修單位）等。

2.2 檢修管理

檢修管理主要包括按運(yùn)用時(shí)間或里程執(zhí)行的例行保養(yǎng)管理與提醒、臨時(shí)維修過(guò)程的管理與數(shù)據(jù)更新、修程管理以及設(shè)備檢修的統(tǒng)計(jì)分析。

檢修管理主要針對(duì)大修、年修和報(bào)廢，提醒相關(guān)管理人員在線下處理，無(wú)需系統(tǒng)管控大修、年修流程。當(dāng)線下處理完成后，由生產(chǎn)部主管在系統(tǒng)中輸入完成時(shí)間、承修單位、本年度走行里程、累計(jì)走行里程、本年度工時(shí)、累計(jì)工時(shí)、檢修記錄編號(hào)和驗(yàn)收人。檢修結(jié)束后提醒任務(wù)結(jié)束，將相關(guān)信息存儲(chǔ)。

2.3 生產(chǎn)管理

根據(jù)既有自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備生產(chǎn)管理流程，業(yè)務(wù)人員從施工管理系統(tǒng)提取與本業(yè)務(wù)部門(mén)有關(guān)的施工計(jì)劃，并將相應(yīng)的施工計(jì)劃導(dǎo)入智能管理系統(tǒng)。施工計(jì)劃包括施工日期、地點(diǎn)、施工內(nèi)容及影響范圍、施工單位負(fù)責(zé)人、配合單位、作業(yè)人員、操作方法等。作業(yè)主管通過(guò)智能管理系統(tǒng)進(jìn)入施工計(jì)劃下發(fā)界面填寫(xiě)信息，下發(fā)計(jì)劃，發(fā)起施工計(jì)劃流程。

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備生產(chǎn)檢修流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)檢修流程示意

3 管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)量系統(tǒng)使用Java、C++語(yǔ)言混合編程，可以在Windows平臺(tái)上運(yùn)行。

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備智能管理系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)、智能化處理和可視化應(yīng)用，解決數(shù)據(jù)的共享壁壘、質(zhì)量不佳、應(yīng)用深度不足、管理粗放等問(wèn)題，形成對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備全生命周期管理。

軟件架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)平臺(tái)和業(yè)務(wù)應(yīng)用三層。數(shù)據(jù)采集層采用Socket/NettyClient/MqttClient+datax/flume［3-5］實(shí)時(shí)和離線采集數(shù)據(jù)，完成對(duì)車(chē)輛在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)平臺(tái)層采用典型的Lambda架構(gòu)［6-7］，通過(guò)Hadoop相關(guān)技術(shù)［8-9］，接收采集層的數(shù)據(jù)并在集群中完成數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)和離線處理，將結(jié)果實(shí)時(shí)推送給前端應(yīng)用系統(tǒng)，同時(shí)把數(shù)據(jù)分析結(jié)果寫(xiě)入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。業(yè)務(wù)應(yīng)用層中Web后端采用基于穩(wěn)定性與持續(xù)性均較好的SpringCloud的微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)［10］進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析。

4 管理系統(tǒng)的應(yīng)用

管理系統(tǒng)目前已經(jīng)在朔黃鐵路自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備管理中應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和設(shè)備管理、關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)、作業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)等功能。

4.1 數(shù)據(jù)和設(shè)備管理

首先，采用車(chē)載中央處理裝置對(duì)車(chē)載各子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和實(shí)時(shí)處理。車(chē)載中央處理裝置數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)如圖3所示。然后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸單元，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸給管理系統(tǒng)，由管理系統(tǒng)存儲(chǔ)和展示。最后，由管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備履歷、設(shè)備臺(tái)賬、設(shè)備主數(shù)據(jù)和車(chē)載各子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析與更新，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件運(yùn)維信息的智能化管理。

圖3 車(chē)載中央處理裝置數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備履歷管理界面見(jiàn)圖4。建立各設(shè)備的信息化履歷簿，動(dòng)態(tài)管理設(shè)備技術(shù)參數(shù)、主要部件、年修大修等運(yùn)維信息，為自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備智能化管理提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備履歷管理界面

4.2 關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測(cè)

通過(guò)溫度、加速度等多種傳感器，對(duì)設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備故障及時(shí)發(fā)出警報(bào)，對(duì)歷史故障信息進(jìn)行存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析，輔助實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估。

對(duì)列車(chē)管的風(fēng)壓進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，結(jié)合制動(dòng)異常判斷邏輯，監(jiān)控制動(dòng)機(jī)性能，判定制動(dòng)機(jī)異常，并進(jìn)行預(yù)警。

4.3 作業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)

管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備作業(yè)過(guò)程的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)和評(píng)估的主要內(nèi)容：①對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)間、司機(jī)室等進(jìn)行火災(zāi)監(jiān)測(cè)與預(yù)警；②進(jìn)行司機(jī)身份識(shí)別、司機(jī)精神狀態(tài)識(shí)別和司機(jī)異常行為識(shí)別；③通過(guò)無(wú)線測(cè)距、衛(wèi)星定位、毫米波雷達(dá)等多種測(cè)距技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備車(chē)間距的數(shù)字化監(jiān)控；④通過(guò)無(wú)線測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的定位和距離判斷；⑤采用加速度傳感器，結(jié)合自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備運(yùn)用管理辦法，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性進(jìn)行評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)

朔黃鐵路管內(nèi)近150臺(tái)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，僅有施工管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)施工、維修計(jì)劃的流程審批。針對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備在運(yùn)用和檢修中存在的不足與安全隱患，開(kāi)發(fā)了基于智能感知技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合大數(shù)據(jù)、GIS等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的智能化管理。

該管理系統(tǒng)已在朔黃鐵路應(yīng)用。管理系統(tǒng)在提高自輪運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備智能化運(yùn)用及管理水平的同時(shí)，有效降低了設(shè)備運(yùn)維成本。