基于信號集中監(jiān)測數(shù)據(jù)的電務作業(yè)智能盯控系統(tǒng)研究

石 成， 岳 雷

鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)（Centralized Signal Monitoring，CSM）是監(jiān)測信號設備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)信號設備隱患，分析診斷信號設備故障，實現(xiàn)信號子系統(tǒng)接口信息安全監(jiān)督，輔助和指導現(xiàn)場維修及故障處理，提高電務系統(tǒng)設備運用質量和維護水平的重要信號設備［1］。CSM 經過近30 年的發(fā)展，已經成為鐵路電務專業(yè)不可或缺的設備，CSM 所采集的設備數(shù)據(jù)也是最重要的數(shù)據(jù)資產之一。如何更好、高效地利用監(jiān)測數(shù)據(jù)，已經成為近幾年來各方研究的重點。如楊向波等［2］提出了利用檢修盯控子系統(tǒng)來代替人工調閱和盯控，即在CSM 基礎上，結合檢修作業(yè)管理方法，實現(xiàn)對關鍵作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)進行自動盯控。

本文基于CSM 數(shù)據(jù)，從日常作業(yè)盯控的角度，進一步研究電務作業(yè)盯控的自動化和智能化，提出基于信號集中監(jiān)測數(shù)據(jù)的作業(yè)智能盯控系統(tǒng)［3］（以下簡稱“智能盯控系統(tǒng)”），以實現(xiàn)作業(yè)盯控的全覆蓋。在提升盯控效率的同時，降低盯控人員勞動強度。該系統(tǒng)是對既有CSM 數(shù)據(jù)、作業(yè)卡控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、生產調度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行綜合分析的一種嘗試和研究，不僅要考慮其功能的實現(xiàn)，更要考慮網絡安全［4-6］等問題。

1 既有電務維修作業(yè)流程

要實現(xiàn)對電務維修作業(yè)的盯控，首先要梳理目前電務維修作業(yè)的整個流程［7］，然后才能有針對性地對某些環(huán)節(jié)進行盯控。既有電務維修作業(yè)流程見圖1。

圖1 既有電務維修作業(yè)流程

在電務維修作業(yè)過程中，有的路局使用釘釘群或微信群來傳遞各環(huán)節(jié)的相應照片，輔助進行作業(yè)環(huán)節(jié)的卡控，使卡控動作有據(jù)可查；也有的路局使用“電務作業(yè)卡控系統(tǒng)”卡控作業(yè)環(huán)節(jié)，雖取得了一定的成效，但由于該系統(tǒng)存在一些局限性，如不能自動獲取作業(yè)前后設備的電氣特性，只能依靠人工查看CSM 數(shù)據(jù)，確認存在問題是否得到整治，導致現(xiàn)場作業(yè)量大。尤其是高鐵線路往往是夜間維修，若存在多處同時作業(yè)的情況，則給盯控人員增加了極大的勞動量。所以通常站段把維修作業(yè)劃分為不同等級，日常只盯控重點作業(yè)，無法做到現(xiàn)場作業(yè)盯控的全覆蓋。

為此，本文提出智能盯控系統(tǒng)：基于既有的CSM系統(tǒng)、作業(yè)卡控系統(tǒng)和生產指揮系統(tǒng)，打通這三者的網絡安全壁壘，把三者數(shù)據(jù)進行融合，利用計算機算力，在作業(yè)盯控環(huán)節(jié)對各類數(shù)據(jù)進行自動、智能比對，實現(xiàn)對所有作業(yè)盯控全覆蓋，自動判斷作業(yè)過程是否合規(guī)、設備電氣特性是否正常等，把作業(yè)過程中未發(fā)現(xiàn)或引入的設備安全隱患消除在萌芽狀態(tài)。

2 智能盯控系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)結構

智能盯控系統(tǒng)結構見圖2，劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)應用、用戶展示等共4層。

圖2 智能盯控系統(tǒng)結構

1）數(shù)據(jù)采集層，分別從CSM 采集報（預）警、電氣特性日曲線、道岔動作電流/功率曲線、道岔扳動、信號開放、軌道占用、分路不良測試等數(shù)據(jù)信息［8］，從作業(yè)卡控系統(tǒng)采集作業(yè)單數(shù)據(jù)，從生產指揮系統(tǒng)采集施工/維修計劃、組織機構、人員、車站等數(shù)據(jù)信息。

2）數(shù)據(jù)存儲層，把采集的各類信息進行清洗、轉換、關聯(lián)、合并、標記、添加索引后，存儲在數(shù)據(jù)庫的各類庫表中，供數(shù)據(jù)應用層綜合分析使用。

3）數(shù)據(jù)應用層，根據(jù)不同場景，針對不同的施工/維修作業(yè)，按設備類型進行不同種類的分析，如作業(yè)期間對報警的分析、設備試驗分析、電氣特性分析、道岔動作電流/功率曲線分析等，并采用不同的算法進行綜合判斷。

4）用戶展示層，展示作業(yè)過程中發(fā)現(xiàn)的問題，如設備是否有作業(yè)痕跡，作業(yè)完成后電氣特性是否恢復正常，是否有超范圍的設備被維修等。

2.2 網絡結構

智能盯控系統(tǒng)的網絡結構見圖3。在采集CSM、作業(yè)卡控系統(tǒng)、生產指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時，采用“接口防火墻+接口服務器”［9-10］網絡隔離技術，保證數(shù)據(jù)采集的網絡安全。面向辦公網時，通過核心防火墻提供統(tǒng)一的對外服務。在不同的網絡邊界增加網絡隔離設備，通過隔離不同的網絡區(qū)域，保證系統(tǒng)安全。同時增加設置入侵檢測、入侵防御、日志審計、運維審計等安全模塊，形成安全管理中心，保證通信網絡、計算環(huán)境的安全。如有路局已經配有安全管理中心，并且通過了公安部的認證，則可利用該中心進一步節(jié)省投資。

圖3 智能盯控系統(tǒng)網絡結構

3 作業(yè)盯控內容及展示

3.1 道岔（轉轍機）類

1）分析作業(yè)期間道岔（轉轍機）動作次數(shù)、每次動作的時間和動作方向，以及道岔表示是否正常等。

2）分析作業(yè)結束前是否有連續(xù)2 次及以上的定位到反位、反位到定位的動作曲線，并對比道岔動作電流/功率曲線是否恢復正常。

3）對比作業(yè)開始前一段時間、作業(yè)結束前、結束30 min 后、結束3 h 后的道岔表示電壓差異，分析并記錄變化趨勢。

4） 統(tǒng)計作業(yè)期間道岔（轉轍機） 相關報（預）警。

3.2 軌道電路類

1）分析作業(yè)期間區(qū)段占用變化情況，占用/空閑時長等。

2） 作業(yè)結束后，分析區(qū)段是否存在異常占用。

3）分析作業(yè)開始前一段時間、作業(yè)結束前、結束30 min 后、結束3 h 后的軌道電壓差異，并記錄變化趨勢。

4）統(tǒng)計作業(yè)期間軌道電路相關報（預）警。

3.3 信號機類

1）分析作業(yè)期間信號機各燈位開放情況、開放時長。

2）分析信號機是否存在異常滅燈情況。

3）分析作業(yè)期間信號機是否有正常的排列進路、開放信號等。

4）對比作業(yè)開始前一段時間、作業(yè)結束前、結束30 min 后、結束3 h 后的1DJ、2DJ 電流，分析并記錄變化趨勢。

5）統(tǒng)計作業(yè)期間信號機相關報（預）警。

3.4 界面展示

智能盯控系統(tǒng)應實時盯控所有施工/維修作業(yè)，實時統(tǒng)計所有的已/未兌現(xiàn)作業(yè)單，以及展示作業(yè)單的分析結果，實時作業(yè)盯控示意見圖4。

圖4 實時作業(yè)盯控示意

點擊圖4 中“發(fā)現(xiàn)異常”的紅色圓圈，可展示分析出有異常的作業(yè)；點擊作業(yè)中涉及的設備，可展示該設備在作業(yè)過程中相關的盯控項；點擊設備關聯(lián)的日曲線信息，可查看作業(yè)過程中設備相關的電氣特性曲線。

針對每項作業(yè)，既可展示作業(yè)過程中所有的盯控內容，如鏈接展示工器具材料上/下道清點的照片，人員上/下道清點的照片，作業(yè)結束后電氣特性、作業(yè)過程留痕的分析結果等；又可關聯(lián)展示相關制度要求的盯控一覽表，包括計劃部分的作業(yè)開始、結束時間，影響范圍，作業(yè)內容，作業(yè)過程卡控的工器具材料清點、人員清點、地點確認，以及事后分析的會議記錄、聯(lián)絡記錄、標準化作業(yè)過程驗證等內容。

4 關鍵技術

4.1 網絡安全技術

智能盯控系統(tǒng)一方面根據(jù)網絡安全等級保護2.0 的技術規(guī)范，進行網絡安全建設；另一方面根據(jù)“基本要求”的第二級防護［11］，對安全計算環(huán)境、安全區(qū)域邊界、安全通信網絡、安全管理中心等進行安全加固，實施多層隔離、重點保護策略，構建網絡安全縱深防御體系。等級保護安全技術設計框架見圖5。

圖5 等級保護安全技術設計框架

1）安全計算環(huán)境。包含網絡設備、安全設備、數(shù)據(jù)庫、服務器、終端、應用系統(tǒng)等一系列操作系統(tǒng)、應用軟件的環(huán)境，通過對計算環(huán)境實施相應的安全策略和配置，保護系統(tǒng)安全。

2）安全區(qū)域邊界。在不同系統(tǒng)之間的邊界處進行安全控制，通過設置邊界設備并配置防護策略，實現(xiàn)邊界處安全。

3）安全通信網絡。通過對系統(tǒng)內網絡架構以及網絡傳輸進行相應策略配置，實現(xiàn)系統(tǒng)內網絡安全，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運行。

4）安全管理中心。統(tǒng)一對安全計算環(huán)境、安全通信網絡、安全區(qū)域邊界等進行管理，形成綜合體系。

4.2 曲線匹配算法

曲線匹配是一種用于計算機視覺和圖像處理的算法，可以用來比較2 條曲線的相似度。曲線匹配算法的基本思路是將2 條曲線通過平移、旋轉、縮放等方式對齊后，計算二者之間的距離。計算距離的方法有很多種，如歐式距離、曼哈頓距離、動態(tài)時間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW）等。本文選用DTW，即按照距離最近原則，構建2 個長度不同的序列元素對應關系，并評估2 個序列的相似性。

DTW 的計算過程分為構建累積距離矩陣和尋找最短路徑2 部分，類似于動態(tài)規(guī)劃的過程。假設X序列為｛3，4，5｝，Y序列為｛1，4，2，6｝，相似度計算采用兩點間的絕對值來表示，計算過程如下。

Step 1 構建累積距離矩陣。首先形成一個3×4 的網格，其中行對應X序列，列對應Y序列，每個網格內元素代表對應點的累積距離。如圖6 所示，從左下角開始計算，左下角取值直接套用距離計算公式3-1=2；然后網格第1列從下往上開始，除了要計算對應點的距離外，還需加上下方相鄰網格的距離，進而實現(xiàn)距離的累積。同理，網格第1行從左至右，除了計算對應點距離之外，還需加上左方相鄰網格的距離。其余的網格除要計算對應點的距離外，還需找到左下方3 個點的最小值進行相加，以此類推，得到最終的累積距離矩陣。

圖6 積累距離矩陣

Step 2 尋找最短路徑。從圖6 最右側網格右上角開始，尋找左下方3 個點中距離最小的點。以此類推，通過回溯的方式找到最短路徑，得到最短距離。

在尋找最短路徑時，有3 個限制條件：①邊界條件，起點和終點分別為左下角和右上角；②連續(xù)性，只能和相鄰的點匹配，不能跨過某個點進行匹配；③單調性，路徑上的點隨著時間單調進行，不能往左回退。因此每個點的下一步路徑，只有可能存在于右上方的3個點當中。

正常情況下，道岔動作電流/功率曲線的波形基本保持不變，在維修作業(yè)完成后，如果道岔工況沒有恢復正常，則曲線的差異比較大。把正常情況下道岔動作電流/功率曲線和維修作業(yè)后的曲線，根據(jù)上述步驟計算得到最短路徑后，計算最短路徑之和，該值越小，說明曲線匹配度越好。

以某電務段為例，每天安排的作業(yè)計劃大概100 條。智能盯控系統(tǒng)上道后，可自動實時盯控所有作業(yè)，盯控人員只需關注異常情況即可，使作業(yè)任務從重點盯控到各層級的盯控全覆蓋，大大提高了現(xiàn)場的工作效率。

5 結束語

基于鐵路信號集中監(jiān)測數(shù)據(jù)的作業(yè)智能盯控系統(tǒng)避免了人工盯控失誤、盯控不及時、勞動強度大等問題，不但大大提高了盯控的效率和準確度，還減輕了現(xiàn)場的勞動量，切實解決了現(xiàn)場問題。在試運行期間，經過多輪現(xiàn)場反饋和系統(tǒng)優(yōu)化，有效避免了現(xiàn)場漏檢、漏修和假維修等行為，使自動盯控的項點更完備、更貼近現(xiàn)場，提升了設備維護的質量，值得推廣應用。