鐵路給排水設施信息化管理系統構建

裴露

中國鐵路設計集團有限公司，中國·天津 300000

關鍵字 智慧水務；鐵路；設施

1 鐵路給排水設施運營維護現狀

鐵路給排水設施的管理、使用和檢修，是由鐵路給排水設施的運營部門根據相關規定，對其負責管轄范圍內的給排水設施運行情況進行合理的使用、維護和監管工作。當前，負責與鐵路運輸設備維護工作的部門主要有水電、房建部門及使用單位等，其主要管理職能一般為：水電部門負責給水的有關設備；房建部門負責排水的有關設備；使用單位負責日常使用的附屬設備因此，就其鐵路給排水設備而言多為水電和房建部門為設備維護管理的主體。

隨著鐵路行業快速發展，自動化、機械化、智能化程度越來越高，對鐵路給排水設施的日常維護、管理提出了更高的要求[1]。與此相反的是，鐵路設備越來越老化，設備的更新速度跟不上鐵路日益增長的各種繁重的生產任務。諸多因素制約和影響著設備維護工作的根本改進，主要包括：①人工化管理、檢修效率較低；②數據量大，難以有效管理保存；③數據分析困難；④監督、管理難度大。面對新的鐵路運輸設備現狀條件，按照高效率、低成本、少用人、充分滿足客運專線運營要求等原則，建立起一個滿足鐵路給排水維護管理設施設備智能化、信息化的綜合維修體系迫在眉睫。

2 智慧水務系統簡介

智慧水務作為智慧城市的組成部分，又稱智慧管網、智慧水務管理系統等。有的強調智能化、信息化工具的應用，也有的從運行實踐的角度開展資源整合和業務協同。例如美國的IBM 公司為哈德遜河構建了實時監測、遠程監控系統，澳大利亞的SEQ 智慧水務系統及新加坡的循環水智慧水務系統也是典型的樣例。在我國的上海、深圳等地，也在逐步開始利用智慧水務系統提高效率、完善基礎設施的建設。同樣，通過采用新一代信息技術和通信技術，智慧水務應用在鐵路行業，可以提高管理效率、水資源利用率，從而以鐵路水利信息化推進鐵路水利現代化。

3 鐵路智慧水務系統架構搭建

3.1 總體架構

針對目前鐵路房建設備運營管理中存在的人工化管理效率低、文件資料數據量大難于保存和管理、監督管理難度大、管理層缺乏及時有效的信息進行決策等問題，基于建筑全生命周期理念研發鐵路給排水設施信息化管理系統，建立一個集成建筑信息、設備信息和運營維護信息，對設備進行標準化綜合管理的三維信息化管理平臺。

3.2 技術架構

根據鐵路給排水設施信息化管理的特點，基于“物聯網+云計算”的智慧水務總體框架，技術架構從下至上可分為5 層：感知層、傳輸層、處理層、應用層和統一門戶層。鐵路智慧水務建設是一項系統工程，需要路局等管理部門制定的規范和信息安全保障。同時，該系統是一個開放的平臺，需在不同部門間、或者與其他單位間進行數據互聯和業務轉移。

3.2.1 感知層

通過在監測區域內布置大量傳感器，利用無線網、衛星、物聯網技術構建智能感知系統。從而可以全面、實時地對水源設備、供水設備、排水設備、給排水管網、客車上水及真空卸污設備、以及給排水構筑物液位信息等進行傳感和數據采集。

在感知層，其目的是全面徹底的數據采集。如果將綜合感知技術和數據融合技術應用到感知模型上，就可以從時間和空間兩個維度優化網絡的感知，從而達到節約節點存儲空間，減少數據傳輸量，進而達到節約建設成本、延長網絡壽命、增加網絡覆蓋范圍的目的。

3.2.2 傳輸層

在傳輸層，為了實現快速、穩定、安全的傳輸，首先應對數據進行壓縮、加密等預處理，之后通過公共網絡或者虛擬的專網將監測到的數據傳輸到數據中心

3.2.3 處理層

本層是整個鐵路智慧水務系統的核心層。主要目的是實現資源共享、數據分析。通過充分的數據共享、利用和挖掘，實現科學決策、準確預測和報警。參考云計算的架構，處理層可以進一步細分為3 層：虛擬資源管理、數據中心和服務組件庫。云計算相關技術和方法完全適用于區域智慧水務云平臺的建設。考慮鐵路信息安全，核心數據不應該對外公開。如果使用公有云，系統必須有自己嚴格的信息安全措施。另一種方法是使用具有虛擬技術的公共云架構來建立虛擬云。如果條件允許，可以利用各路局現有的硬件、軟件、數據、網絡等資源，構建智慧水務專用私有云。

①虛擬資源管理層。

在本層，使用分布式技術和虛擬化技術對服務器、存儲設備和網絡設備等硬件資源進行虛擬化。如果是虛擬私有云或公有云，虛擬資源管理可以由云服務商提供。在構建私有云時，虛擬資源管理層負責屏蔽異構硬件、軟件、數據和網絡源的業務單元。智慧水務形成了統一的資源庫，包括計算、存儲、網絡、安全管理等各類信息基礎設施。

②數據中心層。

數據中心層是水資源整合的核心部分，而智慧決策是建立在數據共享、數據整合、數據分析的基礎上。

系統采集的源數據分為三類：空間數據、屬性數據和多媒體數據。數據在本層首先經過融合數據整合、數據重組和糾錯，建立統一的數據模型，然后通過數據挖掘和分析建立統一的數據庫，從而實現了數據共享的分類。

基礎數據庫是根據監控設備模型構建的，它主要涵蓋用于識別單個對象之間關系的數據。之后結合數據模型，逐步提取基礎數據庫，形成源數據庫。與其他部門共享的業務數據將通過數據服務的方式放入應用共享庫中。此外，從智慧水務的角度，對水務基礎數據庫、源數據庫和共享數據庫中的數據進行重組。利用數據倉庫技術和多維分類模型，形成多維主題應用數據庫[2]。

③服務組件庫層。

服務組件庫層從數據中心獲取各種處理數據，然后從應用的角度通過數據挖掘或數據分析，準確判斷水務的現狀和趨勢。同時，它還可以提供如數據集成和數據分析、輔助決策等服務。通過使用這些服務，我們可以獲得各種應用服務的函數庫，進而實現應用層面的共享。

為了優化系統，我們通過云計算技術擴展區域智慧水的存儲資源、計算資源和軟件資源，從而使其計算速度更快，反應更及時。為了保持數據只有一個源提供的原則，我們將數據資源結合起來，建立統一的數據模型，然后建立統一的數據庫，從而提高數據共享程度。服務組件庫將用于從應用程序中提取共享模塊，使業務流程標準化，可以確保不同部門、站段之間的業務轉移更加順暢。

3.2.4 應用層

應用層主要是面向用戶，強調了服務對象。給排水設施相關業務部門和站段利用智慧業務支撐平臺提供的決策支持系統，負責水資源管理、供水設施、排水設施管理工作，這些管理措施將直接或間接影響鐵路運行的質量安全和部門決策。管理人員可以通過網絡、手機等終端從智能服務平臺接收定制化信息，并完成與給排水設施相關的控制等服務。

3.2.5 信息安全系統

標準規范是指為區域智慧水務提供技術、管理和服務標準和規范。對于云計算和物聯網的安全，密碼學的方法和解決方案有很多。許多可以應用于鐵路智能水務管理系統。現有的感知網絡、傳輸網絡、云計算、安全多方安全解決方案，智能水環境中的計算可能不再適用。我們需要從系統的頂層開始構建安全架構，并在這個架構中提供各個邏輯層的信息安全。

4 結論

針對鐵路運維目前存在的問題，論文提出了“物聯網+云計算”的智慧水務總體架構，分析了應解決的問題，為推進鐵路給排水信息化建設提供了幫助[3]。