基于工程設計的鐵路信號三維智能運維方案探討

武長海，肖錦繡

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

1 概述

目前的鐵路信號工程設計以基于CAD 的輔助設計軟件為主，二維設計成果主要用于工程施工，與運維相關的應用甚少；面向三維的正向設計也在部分設計院進行開發，具備了進一步應用的條件。

同時，信號智能運維系統的發展尚未成熟，面向具體功能的智能運維產品相對獨立，系統級信號智能運維平臺也有個別鐵路局應用，但智能運維平臺包含的功能、結構不盡相同；除了智能運維平臺之外，還有各種面向具體應用的智能運維產品，比如：機器人智能巡檢、電纜監測、電池均衡監測和防雷接地綜合監測系統等；在運維管理方面，有作業管理、工器具管理等系統，存在標準不一、數據共享不足、智能化水平不足等問題。

工程設計是工程的源頭之一，設計成果涵蓋了信號各子系統，成果包含豐富的數據、電路和接口等，三維設計中還包含豐富的設備三維數字模型。這些電路、數據、模型等可以通過系統級的接口直接轉化為運營單位維護所需，通過面向運維功能的開發，實現從設計成果到施工、運維的信號系統全周期應用；在這個意義上說，基于工程設計的智能運維系統具有先天的電路、數據源頭優勢，同步結合三維數字模型實現可視化應用，開發一套基于工程設計的智能運維平臺是有現實意義和需求的，符合新時代交通強國鐵路先行規劃綱要及信號系統的發展要求。

2 需求分析

信號系統運維主要包括系統設備運維（分室內、室外）和運維管理兩方面：室內運維方面已有的技術包括室內防雷接地綜合監測、機器人巡檢、室內設備標識、電源智能監控、環境監控和視頻監控等；室外運維方面已有的技術包括信號電纜智能監測、箱盒智能監測等，在研的技術包括室外設備接地監測、不平衡牽引電流監測等；運維管理方面包括智能作業管理、工器具管理、備品/備件智能管理、技術資料管理、系統履歷管理等。這些運維技術存在系統功能單一、缺乏數據共享、信息來源不同、展示形式不統一、標準不統一等諸多問題，不利于信號運維的智能化、數字化升級。

1）集中配置維護終端需求

目前運維產品單獨配置數據、系統孤立、終端分散，在電務段調度指揮中心、車間級電務監測分析室等均配置了數量眾多的監測終端，相應也需較多的監測維護人員，有必要減少維護終端的設置，集中化配置維護終端和人員，實現減員增效的目標。

2）架構統一互通的需求

部分智能監測系統與信號集中監測系統進行了系統接口，但多數智能監測系統仍獨立終端、獨立應用。一方面信號集中監測系統以信號運營設備的監測和報警為主，相關各類智能監測系統的監測對象、范圍各異，在信號集中監測系統中僅以簡單的報警、預警展示為主，信號集中監測系統不宜開發為包羅萬象的“巨無霸”，系統本身沒有深入開發相關應用的內生動力；各類智能監測設備有必要建立統一的運維平臺，與信號集中監測系統互聯互動，在數據、模型互聯互動的基礎上，圍繞各類數據資源深入開發相關運維功能；以工程設計為源頭開發智能運維平臺還具有數據資源來源統一、信息全面等優勢。

3）平臺化可視化需求

無論是信號集中監測還是其他各智能監測系統，均以系統的報警、預警等功能為主，一般在二維界面展示，展示形式以曲線、文字、數字等為主，不直觀；出現故障后的設備定位不直接，不利于快速識別故障點，不利于故障快速定位、處置；采取三維可視化的方式，在報警、預警等發生時，可在三維的系統結構圖中直接定位具體設備。

本文研究基于信號設計的三維智能運維平臺集成方案，平臺具有數字化、平臺化的特征，平臺包括工程設計數據和可配置的各類運維數據，具備與相關運維應用系統接口實現信息化、數字化、智能化乃至聯動控制的基礎；提出基于工程設計的三維智能運維平臺總體技術方案，為形成數據共享、系統互聯、接口標準、界面友好的智能運維平臺提供技術支撐，包括系統架構、主要功能、系統接口原則、主要設備配置原則和系統性能要求等。

3 技術方案

3.1 系統總體架構

系統架構為“三級三層”結構，“三級”為國鐵集團級、局集團公司級、站段級，“三層”為國鐵集團層子平臺、局集團公司/電務段層子平臺、車站層子平臺。國鐵集團層子平臺為遠期預留，局集團公司/電務段層子平臺包含運維平臺和中心設備（存儲、計算、網絡設備），車站層子平臺包含運維子平臺和車站設備。系統通過統一接口與室內、室外、管理相關智能運維子系統建立關聯。系統架構如圖1 所示。

圖1 系統總體架構Fig.1 Overall system architecture

3.2 系統主要功能

目前階段運維平臺主要由成果查看、信息查詢、資產管理、臨修報警、運維擴展、應急輔助和終端管理幾大部分組成；隨著信號集中監測、智能監測類其他系統的接口，有待開發新的功能，例如系統數字孿生類應用、故障三維回放和故障注入類仿真等功能。平臺功能框架如圖2 所示。

圖2 系統功能架構Fig.2 System function architecture

3.3 智能運維平臺與工程設計的關系

基于三維的可視化工程設計可以與智能運維平臺集成為統一平臺，實現全產業鏈的數據共享，設計平臺為運維平臺提供設計模型、數據，向其傳遞設計源頭數據；運維平臺在使用過程中能進一步檢驗設計成果的準確性，同時在站場改造、大修更新時為工程設計提供準確的現場數據，如圖3 所示。

圖3 設計平臺和運維平臺關系Fig.3 Relationship between design platform and O&M platform

3.4 系統接口原則

1）接口形式

智能運維平臺與信號集中監測系統、相關智能監測系統間接口宜使用串口通信，在保證網絡安全的前提下也可以采用網口通信；各類監測系統的相關設備報警、預警信息可以傳遞至運維平臺集中統一顯示，并在三維系統中高亮顯示。

2）接口地點和主要內容

為保證信息的實時性，智能運維平臺與信號集中監測、室內監測、室外監測等監測類設備在車站級實現接口，保證各類采集信息第一時間同步至運維平臺；運維平臺電務段中心與車站子系統間實時傳遞相關的室內外各類設備報警、預警、狀態等信息；電務段中心級智能運維平臺與相關管理類維護子系統間在中心接口，實現中心統一的數據分析、資產管理、人員管理等綜合管理功能。

3.5 主要設備配置原則

段中心系統：主要配置數據庫服務器、應用服務器、通信接口服務器、局域網和網絡安全設備等。

車站子系統：主要配置車站工作站和終端、網絡安全設備等，車站子系統需要配置帶三維引擎的硬件。

網絡子系統:中心系統與車站子系統間通過提供的專用數字網實現通信，實現流暢調閱車站三維模型等，系統通道帶寬宜100 M 級。

段調度指揮中心、車間、工區等地點配置系統應用終端；同時，結合情況在滿足網絡安全的前提下也可以配置手持終端（APP），手持端以離線或在線方式更新數據。

系統物理結構示意如圖4 所示。

圖4 系統物理架構示意Fig.4 Schematic diagram of system physical architecture

3.6 系統集成應用舉例

目前，系統已經完成初步的開發，并在個別項目進行試點應用，系統界面如圖5 所示。

圖5 系統界面Fig.5 System interface

1）設備信息查詢

點擊場景中的三維模型，可以查看設備模型的屬性信息，包含設備名稱、型號、尺寸信息、設備信息和生產廠家等，如圖6 所示。

圖6 設備信息查詢Fig.6 Equipment information query

2）電纜信息查詢

側面配線查詢：輸入電纜其中一端的端子名稱，能夠查詢到電纜另一端的端子名稱。與此同時，電纜路徑和兩端的機柜高亮顯示，如圖7 所示。

圖7 電纜信息查詢Fig.7 Cable information query

內部配線查詢：用戶直接點擊內部配線端子，能夠顯示另一端的端子名稱、電纜類型等信息。

3）電路應急輔助

用戶直接點擊相應設備或者查詢相應設備，設備高亮顯示，同時右側列表顯示設備的相關電路圖紙和使用說明書，如圖8 所示。

圖8 電路應急輔助Fig.8 Circuit emergency assistance

4）圖紙信息查詢

用戶直接點擊相應設備或者查詢相應設備，設備高亮顯示，同時右側列表顯示設備的相關電路圖紙。

5）設備臨修報警

針對快到臨修期的設備自動進行報警提示。

根據臨修期的不同，將信號設備分類顯示，用戶能夠根據需要查看相應設備的臨修期、上一次巡檢時間和下一次巡檢時間，如圖9 所示。

圖9 設備臨修報警Fig.9 Equipment provisional repair alarm

6）資產管理

通過列表形式展示信號設備臺賬，同時提供設備信息查詢、導出和更新等功能，如圖10 所示。

圖10 資產管理Fig.10 Asset management

7）運維擴展

與其他智能監測系統接口實現與其他系統的互聯互通，如圖11 所示。

圖11 運維擴展Fig.11 Operation and maintenance expansion

4 小結

工程設計是整個鐵路信號工程的源頭，以此為基礎以三維模型為手段開展智能運維平臺的研究，具有數據來源唯一、設備可視化的特點，可實現工程設計、施工、運維全生命周期的應用；目前已研究完成運維平臺的初步架構和開發工作，隨著試點應用經驗的積累，不斷固化應用需求，后續將不斷開發完善與信號集中監測系統、室內外各監測系統的接口，開發完善系統的運維功能，真正為信號系統運維提供方便、直觀的運維手段，解決系統運維存在的問題和難點，實現信號運維智能化、數字化，達到信號系統維修由計劃修、狀態修向預防性維修邁進的目標。