李 斌，陳 姝

(佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院有限公司，北京 100044)

1 概述

1.1 信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)背景

鐵路信號(hào)設(shè)備是指揮列車運(yùn)行、保證行車安全、提高運(yùn)輸效率、改善行車組織方式、實(shí)現(xiàn)行車指揮現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)施，在鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用。

為提高信號(hào)設(shè)備維修管理水平，進(jìn)一步深化信號(hào)設(shè)備維修智能化應(yīng)用，亟需建設(shè)信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備全壽命周期狀態(tài)管理，建立科學(xué)的分析評(píng)價(jià)體系，全面掌握信號(hào)設(shè)備工作狀態(tài)及運(yùn)用情況，提高設(shè)備維修維護(hù)質(zhì)量，降低鐵路信號(hào)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，提升信號(hào)設(shè)備的運(yùn)輸安全保障能力。

1.2 鐵路信號(hào)設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)現(xiàn)狀分析

伴隨鐵路線網(wǎng)的建設(shè)和逐步完善，鐵路電務(wù)信號(hào)系統(tǒng)已經(jīng)逐步建成信號(hào)設(shè)備屬性信息、生產(chǎn)管理信息、監(jiān)測(cè)檢測(cè)信息、故障統(tǒng)計(jì)信息等多個(gè)信號(hào)領(lǐng)域的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。各系統(tǒng)生成并積累了海量的數(shù)據(jù)信息，包括：信號(hào)設(shè)備設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)信息、設(shè)備故障報(bào)警信息以及維修施工作業(yè)記錄等。由于各系統(tǒng)間接口相對(duì)獨(dú)立，呈“煙囪”式分布，存在設(shè)備間、系統(tǒng)間接口和編碼的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，專業(yè)間、工種間數(shù)據(jù)利用和共享不充分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不集中等問題，導(dǎo)致無法建立電務(wù)信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)設(shè)備設(shè)施進(jìn)行全方位的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、分析、評(píng)價(jià)等，迫切需要對(duì)現(xiàn)有信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源進(jìn)行統(tǒng)一的融合管理，深入挖潛數(shù)據(jù)的價(jià)值，建設(shè)統(tǒng)一的信號(hào)設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，為信號(hào)設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理提供多維分析、輔助決策等智能服務(wù)。

1.3 信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)的必要性及建設(shè)目標(biāo)

2017 年中國(guó)鐵路總公司（簡(jiǎn)稱“鐵總”）頒布的《鐵路信息化總體規(guī)劃》和《鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用實(shí)施方案》均明確提出，鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用是實(shí)施國(guó)家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的重要組成部分，是大數(shù)據(jù)理念、方法和技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的重要實(shí)踐。對(duì)于鐵路電務(wù)專業(yè)來說，構(gòu)建信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)電務(wù)專業(yè)數(shù)據(jù)資源的開放共享和開發(fā)利用，運(yùn)用大數(shù)據(jù)高效處理大體量數(shù)據(jù)及發(fā)揮數(shù)據(jù)挖掘分析的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，充分發(fā)掘和釋放數(shù)據(jù)資源的潛在價(jià)值。對(duì)提升鐵路信號(hào)專業(yè)管理水平、提高電務(wù)專業(yè)運(yùn)營(yíng)維護(hù)效率、保障鐵路運(yùn)輸安全等各方面均具有重要意義。

以信號(hào)設(shè)備設(shè)施履歷信息為基礎(chǔ)，通過接入CSM、DMS、列車運(yùn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、信號(hào)動(dòng)態(tài)檢測(cè)、ATP 車載設(shè)備信息管理、器材檢修管理、信號(hào)安全生產(chǎn)管理等系統(tǒng)，并綜合采集信號(hào)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)及施工作業(yè)記錄數(shù)據(jù)，充分利用大數(shù)據(jù)挖掘等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建全路統(tǒng)一的信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)融合、開放共享，深化信號(hào)設(shè)備設(shè)施運(yùn)維的智能化，滿足鐵路電務(wù)專業(yè)各級(jí)用戶掌握信號(hào)設(shè)備全壽命周期狀態(tài)、建立信號(hào)設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè)和分析預(yù)警分析評(píng)價(jià)體系的需求，提升信號(hào)設(shè)備科學(xué)化管理水平、安全風(fēng)險(xiǎn)防控能力和運(yùn)輸安全保障能力。

2 大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體架構(gòu)

結(jié)合鐵總?cè)沸盘?hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)思路，按照“兩級(jí)部署，五級(jí)應(yīng)用”架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)?！皟杉?jí)部署”即鐵總大數(shù)據(jù)平臺(tái)和鐵路局大數(shù)據(jù)平臺(tái)兩級(jí)部署，“五層應(yīng)用”即鐵總、鐵路局、電務(wù)段、車間、班組五級(jí)應(yīng)用。

信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)采用統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、分析與計(jì)算框架。按照電務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用特點(diǎn)，將信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)分為3 層，即底層的大數(shù)據(jù)采集層、中間的大數(shù)據(jù)服務(wù)層和頂層的大數(shù)據(jù)應(yīng)用層。信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)總體技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

2.1 信號(hào)大數(shù)據(jù)采集

鐵總及鐵路局級(jí)大數(shù)據(jù)平臺(tái)均依托鐵路一體化信息集成平臺(tái)部署信號(hào)大數(shù)據(jù)應(yīng)用；從電務(wù)段級(jí)獲取信號(hào)設(shè)備技術(shù)履歷信息、集中監(jiān)測(cè)信息、器材入所檢修信息、生產(chǎn)調(diào)度作業(yè)信息、維修維護(hù)記錄、檢修作業(yè)記錄、故障信息記錄及其他日志/文檔/圖片/視頻類數(shù)據(jù)；從鐵路局獲取列控動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息、列車實(shí)時(shí)檢測(cè)信息、軌道車動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息、列控車載設(shè)備管理信息及其他日志/文檔/圖片類數(shù)據(jù)，以及與信號(hào)專業(yè)相關(guān)的其他信息；從鐵總獲取信號(hào)動(dòng)態(tài)檢測(cè)、監(jiān)測(cè)信息，以及與信號(hào)專業(yè)相關(guān)的其他信息。

2.2 信號(hào)大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

鐵總級(jí)大數(shù)據(jù)平臺(tái)：負(fù)責(zé)與鐵總級(jí)各系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，接收鐵路局上傳的格式化數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析并形成能夠輔助決策的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，同步將該分析結(jié)果下發(fā)至鐵路局大數(shù)據(jù)應(yīng)用；為鐵總級(jí)用戶查詢分析終端提供數(shù)據(jù)查詢、下載、統(tǒng)計(jì)、分析、預(yù)測(cè)、輔助決策等應(yīng)用服務(wù)。

鐵路局級(jí)信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)：負(fù)責(zé)與鐵路局級(jí)及電務(wù)段各系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，并實(shí)時(shí)接收鐵總級(jí)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的分析結(jié)果，為鐵路局級(jí)及下屬各電務(wù)段用戶查詢分析終端提供數(shù)據(jù)查詢、下載、統(tǒng)計(jì)、分析等應(yīng)用服務(wù)。

3 信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)信號(hào)設(shè)備大數(shù)據(jù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求分析，系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)包括信號(hào)設(shè)備全壽命周期信息管理、技術(shù)狀態(tài)關(guān)聯(lián)分析、報(bào)警信息管理統(tǒng)計(jì)、故障信息管理統(tǒng)計(jì)、設(shè)備信息綜合查詢、信號(hào)專業(yè)知識(shí)管理、運(yùn)用質(zhì)量分析評(píng)價(jià)等主要功能。信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3.2 安全方案

為滿足鐵路信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)安全需求，安全方案體系參照《計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)安全保護(hù)等級(jí)劃分準(zhǔn)則》和《信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)等級(jí)保護(hù)安全設(shè)計(jì)技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)計(jì)。

1) 安全防護(hù)等級(jí)

綜合考慮信號(hào)系統(tǒng)在鐵路運(yùn)輸體系中的作用及信號(hào)設(shè)備設(shè)施運(yùn)維管理的具體要求，根據(jù)《中國(guó)鐵路總公司網(wǎng)絡(luò)安全管理辦法》，采用符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)訪問控制技術(shù)、用戶身份認(rèn)證/授權(quán)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)，抵御網(wǎng)絡(luò)病毒和攻擊，提升系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。

2) 平臺(tái)安全設(shè)計(jì)

在鐵路一體化信息集成平臺(tái)安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)操作系統(tǒng)方面的安全設(shè)計(jì)需進(jìn)行安全加固，包括但不限于限制存儲(chǔ)和運(yùn)算服務(wù)器不必要的訪問端口、加強(qiáng)用戶層級(jí)和用戶權(quán)限的管理、采用必要的實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)和管理手段，并定期對(duì)操作系統(tǒng)、軟件、應(yīng)用軟件進(jìn)行安全性檢查和安全加固，關(guān)閉不需要的服務(wù)和端口，杜絕已知的安全漏洞。

圖2 信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Signal big data platform functional structure diagram

3) 應(yīng)用數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)

鐵路信號(hào)設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)應(yīng)用在一體化集成平臺(tái)安全設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，依托系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全機(jī)制的保障，對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)業(yè)務(wù)用戶也進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計(jì)，包括但不限于用戶認(rèn)證管理、層級(jí)認(rèn)證管理，數(shù)據(jù)審查等方面的安全設(shè)計(jì)。應(yīng)用數(shù)據(jù)安全設(shè)計(jì)涵蓋數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^程監(jiān)控和管理。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 大數(shù)據(jù)安全防護(hù)技術(shù)

1) 數(shù)據(jù)完整性防護(hù)

所有數(shù)據(jù)在接口端首先進(jìn)行存儲(chǔ)和備份，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸處理，一旦數(shù)據(jù)傳輸失敗，數(shù)據(jù)可被重新獲取進(jìn)行傳輸。采用通用的數(shù)據(jù)包完整性校驗(yàn)手段，確保數(shù)據(jù)被完整傳輸。

2) 通信應(yīng)答機(jī)制

數(shù)據(jù)傳輸過程中建立通信確認(rèn)機(jī)制，并對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行編號(hào)，根據(jù)數(shù)據(jù)包編號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)應(yīng)答交互，一旦數(shù)據(jù)包未得到確認(rèn)，則該包數(shù)據(jù)將被重新發(fā)送，直到收到確認(rèn)信息。該通信安全設(shè)計(jì)保證了數(shù)據(jù)包的安全傳輸。

3) 數(shù)據(jù)包加密設(shè)計(jì)

信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)必須保證信息的安全，防止系統(tǒng)信息被截取和解析。系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸前，首先對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行加密操作，接收方收到數(shù)據(jù)后必須利用經(jīng)過授權(quán)的解密算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，方能得到完整的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，該安全設(shè)計(jì)能夠保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性。

4) 數(shù)據(jù)備份策略

信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)必須建立數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)機(jī)制，對(duì)重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、數(shù)倉文件、系統(tǒng)日志文件進(jìn)行備份，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通過可靠的數(shù)據(jù)恢復(fù)機(jī)制，利用備份數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

4.2 大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘一般是指從大量的信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)中，利用提前設(shè)置的各種綜合指標(biāo)特征，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)生成的特定數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等手段，通過定制化的機(jī)器算法，能夠深層次的挖掘信號(hào)系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)作業(yè)過程記錄等數(shù)據(jù)的特征信息，能夠輔助決策，并能圖形化顯示預(yù)警，報(bào)警等應(yīng)用信息。其中使用最多的兩種技術(shù)分別是分類法和關(guān)聯(lián)分析法。

1) 利用分類方法對(duì)設(shè)備健康狀況進(jìn)行多方面評(píng)估

分類又稱為細(xì)分，是將大量的信號(hào)設(shè)備設(shè)施分成不同的類型，同一類型的設(shè)備擁有某些相似的屬性，如基礎(chǔ)屬性資料、檢修維修周期、設(shè)備安全運(yùn)行時(shí)間等。通過信號(hào)設(shè)備細(xì)分，能夠準(zhǔn)確及時(shí)的把握現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施的工作和運(yùn)行狀況，針對(duì)不同信號(hào)設(shè)備設(shè)施，采用不同的檢修維修方式，保安全，提質(zhì)增效。

2) 利用關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行設(shè)備設(shè)施的交叉維修檢測(cè)，提高運(yùn)維安全系數(shù)

利用關(guān)聯(lián)分析方法分析、評(píng)估、預(yù)警、預(yù)告信號(hào)設(shè)備設(shè)施故障相互的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即通過尋找獨(dú)立系統(tǒng)或設(shè)備的故障因素，并建立故障預(yù)警、報(bào)警模型，對(duì)設(shè)備間或者系統(tǒng)級(jí)故障做出預(yù)測(cè)性分析告警，并對(duì)既往故障因素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而有效提高運(yùn)維效率和安全系數(shù)。

4.3 多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

多維數(shù)據(jù)可視化是指通過一些手段將高維的數(shù)據(jù)展示在二維的平面中。在進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析及對(duì)聚類或分類問題的驗(yàn)證中有著重要的應(yīng)用。目前主流可視化技術(shù)包括以下內(nèi)容。

1) 多維直方圖：又稱多維質(zhì)量分布圖，是一種統(tǒng)計(jì)報(bào)告圖，由一系列高度不等的縱向條紋或線段表示數(shù)據(jù)分布的情況。

2) 盒狀圖：通常顯示數(shù)據(jù)內(nèi)部的變化。

3) 散布圖矩陣：在多變量概率統(tǒng)計(jì)中，散布矩陣是用來估計(jì)多維正態(tài)分布協(xié)方差的統(tǒng)計(jì)量。

4) 等高線圖：適用于連續(xù)屬性是且空間網(wǎng)格測(cè)量時(shí)。

5) 平行坐標(biāo)：用來繪制高維數(shù)據(jù)的屬性值，采用同一平行軸與垂直軸。

5 結(jié)束語

信號(hào)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，在整合信號(hào)系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)鐵路信號(hào)設(shè)備設(shè)施的全生命周期電子履歷管理，提高信號(hào)設(shè)備設(shè)施檢修和維護(hù)質(zhì)量，推動(dòng)電務(wù)運(yùn)維工作模式從“計(jì)劃修”向“狀態(tài)修”過渡。后續(xù)工作繼續(xù)深化信號(hào)大數(shù)據(jù)分析挖掘與智能化的應(yīng)用，進(jìn)一步研究電務(wù)專業(yè)需求，并挖掘信號(hào)設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)中海量數(shù)據(jù)的潛在價(jià)值，完善信號(hào)設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)的科學(xué)評(píng)價(jià)，保障鐵路運(yùn)輸持續(xù)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。