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 信號大數據平臺建設背景

鐵路信號設備是指揮列車運行、保證行車安全、提高運輸效率、改善行車組織方式、實現行車指揮現代化的關鍵設施，在鐵路運輸生產過程中發(fā)揮著重要的作用。

為提高信號設備維修管理水平，進一步深化信號設備維修智能化應用，亟需建設信號大數據平臺，實現信號設備全壽命周期狀態(tài)管理，建立科學的分析評價體系，全面掌握信號設備工作狀態(tài)及運用情況，提高設備維修維護質量，降低鐵路信號運營維護成本，提升信號設備的運輸安全保障能力。

1.2 鐵路信號設備設施技術狀態(tài)現狀分析

伴隨鐵路線網的建設和逐步完善，鐵路電務信號系統(tǒng)已經逐步建成信號設備屬性信息、生產管理信息、監(jiān)測檢測信息、故障統(tǒng)計信息等多個信號領域的業(yè)務系統(tǒng)。各系統(tǒng)生成并積累了海量的數據信息，包括：信號設備設施運行狀態(tài)信息、設備故障報警信息以及維修施工作業(yè)記錄等。由于各系統(tǒng)間接口相對獨立，呈“煙囪”式分布，存在設備間、系統(tǒng)間接口和編碼的標準不統(tǒng)一，專業(yè)間、工種間數據利用和共享不充分、數據存儲不集中等問題，導致無法建立電務信號系統(tǒng)數據之間的關聯關系，難以實現對信號設備設施進行全方位的狀態(tài)監(jiān)測、數據采集、分析、評價等，迫切需要對現有信號系統(tǒng)數據資源進行統(tǒng)一的融合管理，深入挖潛數據的價值，建設統(tǒng)一的信號設備設施技術狀態(tài)大數據平臺，為信號設備設施運維管理提供多維分析、輔助決策等智能服務。

1.3 信號大數據平臺建設的必要性及建設目標

2017 年中國鐵路總公司（簡稱“鐵總”）頒布的《鐵路信息化總體規(guī)劃》和《鐵路大數據應用實施方案》均明確提出，鐵路大數據應用是實施國家大數據戰(zhàn)略的重要組成部分，是大數據理念、方法和技術在鐵路領域的重要實踐。對于鐵路電務專業(yè)來說，構建信號大數據平臺，實現電務專業(yè)數據資源的開放共享和開發(fā)利用，運用大數據高效處理大體量數據及發(fā)揮數據挖掘分析的技術優(yōu)勢，充分發(fā)掘和釋放數據資源的潛在價值。對提升鐵路信號專業(yè)管理水平、提高電務專業(yè)運營維護效率、保障鐵路運輸安全等各方面均具有重要意義。

以信號設備設施履歷信息為基礎，通過接入CSM、DMS、列車運行實時檢測、信號動態(tài)檢測、ATP 車載設備信息管理、器材檢修管理、信號安全生產管理等系統(tǒng)，并綜合采集信號各系統(tǒng)數據及施工作業(yè)記錄數據，充分利用大數據挖掘等關鍵技術，構建全路統(tǒng)一的信號大數據平臺，實現數據的關聯融合、開放共享，深化信號設備設施運維的智能化，滿足鐵路電務專業(yè)各級用戶掌握信號設備全壽命周期狀態(tài)、建立信號設備狀態(tài)趨勢預測和分析預警分析評價體系的需求，提升信號設備科學化管理水平、安全風險防控能力和運輸安全保障能力。

2 大數據平臺總體架構

結合鐵總全路信號大數據平臺建設思路，按照“兩級部署，五級應用”架構進行設計。“兩級部署”即鐵總大數據平臺和鐵路局大數據平臺兩級部署，“五層應用”即鐵總、鐵路局、電務段、車間、班組五級應用。

信號大數據平臺采用統(tǒng)一的技術架構、技術標準、分析與計算框架。按照電務業(yè)務應用特點，將信號大數據平臺分為3 層，即底層的大數據采集層、中間的大數據服務層和頂層的大數據應用層。信號大數據平臺總體技術架構如圖1 所示。

2.1 信號大數據采集

鐵總及鐵路局級大數據平臺均依托鐵路一體化信息集成平臺部署信號大數據應用；從電務段級獲取信號設備技術履歷信息、集中監(jiān)測信息、器材入所檢修信息、生產調度作業(yè)信息、維修維護記錄、檢修作業(yè)記錄、故障信息記錄及其他日志/文檔/圖片/視頻類數據；從鐵路局獲取列控動態(tài)監(jiān)測信息、列車實時檢測信息、軌道車動態(tài)監(jiān)測信息、列控車載設備管理信息及其他日志/文檔/圖片類數據，以及與信號專業(yè)相關的其他信息；從鐵總獲取信號動態(tài)檢測、監(jiān)測信息，以及與信號專業(yè)相關的其他信息。

2.2 信號大數據分析與應用

鐵總級大數據平臺：負責與鐵總級各系統(tǒng)進行信息交互，接收鐵路局上傳的格式化數據，進行分析并形成能夠輔助決策的關鍵數據信息，同步將該分析結果下發(fā)至鐵路局大數據應用；為鐵總級用戶查詢分析終端提供數據查詢、下載、統(tǒng)計、分析、預測、輔助決策等應用服務。

鐵路局級信號大數據平臺：負責與鐵路局級及電務段各系統(tǒng)進行信息交互，并實時接收鐵總級大數據應用的分析結果，為鐵路局級及下屬各電務段用戶查詢分析終端提供數據查詢、下載、統(tǒng)計、分析等應用服務。

3 信號大數據平臺功能設計

3.1 平臺功能結構

根據信號設備大數據應用的業(yè)務需求分析，系統(tǒng)功能設計包括信號設備全壽命周期信息管理、技術狀態(tài)關聯分析、報警信息管理統(tǒng)計、故障信息管理統(tǒng)計、設備信息綜合查詢、信號專業(yè)知識管理、運用質量分析評價等主要功能。信號大數據平臺功能結構如圖2 所示。

3.2 安全方案

為滿足鐵路信號大數據平臺安全需求，安全方案體系參照《計算機信息系統(tǒng)安全保護等級劃分準則》和《信息安全技術信息系統(tǒng)等級保護安全設計技術要求》的標準和規(guī)范設計。

1) 安全防護等級

綜合考慮信號系統(tǒng)在鐵路運輸體系中的作用及信號設備設施運維管理的具體要求，根據《中國鐵路總公司網絡安全管理辦法》，采用符合國家標準或業(yè)界標準的網絡訪問控制技術、用戶身份認證/授權技術、數據加密技術，抵御網絡病毒和攻擊，提升系統(tǒng)和網絡的安全可靠性。

2) 平臺安全設計

在鐵路一體化信息集成平臺安全設計的基礎上，信號大數據平臺操作系統(tǒng)方面的安全設計需進行安全加固，包括但不限于限制存儲和運算服務器不必要的訪問端口、加強用戶層級和用戶權限的管理、采用必要的實時監(jiān)控技術和管理手段，并定期對操作系統(tǒng)、軟件、應用軟件進行安全性檢查和安全加固，關閉不需要的服務和端口，杜絕已知的安全漏洞。

圖2 信號大數據平臺功能結構圖Fig.2 Signal big data platform functional structure diagram

3) 應用數據安全設計

鐵路信號設備設施技術狀態(tài)大數據應用在一體化集成平臺安全設計的基礎上，依托系統(tǒng)安全、數據安全機制的保障，對大數據平臺業(yè)務用戶也進行安全防護設計，包括但不限于用戶認證管理、層級認證管理，數據審查等方面的安全設計。應用數據安全設計涵蓋數據采集層、數據服務層、數據應用層及數據傳輸的全過程監(jiān)控和管理。

4 關鍵技術

4.1 大數據安全防護技術

1) 數據完整性防護

所有數據在接口端首先進行存儲和備份，然后進行數據傳輸處理，一旦數據傳輸失敗，數據可被重新獲取進行傳輸。采用通用的數據包完整性校驗手段，確保數據被完整傳輸。

2) 通信應答機制

數據傳輸過程中建立通信確認機制，并對數據包進行編號，根據數據包編號進行數據應答交互，一旦數據包未得到確認，則該包數據將被重新發(fā)送，直到收到確認信息。該通信安全設計保證了數據包的安全傳輸。

3) 數據包加密設計

信號大數據平臺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)在進行數據傳輸前，首先對數據包進行加密操作，接收方收到數據后必須利用經過授權的解密算法對數據進行解析，方能得到完整的業(yè)務數據，該安全設計能夠保證業(yè)務數據的安全性。

4) 數據備份策略

信號大數據平臺必須建立數據備份與恢復機制，對重要業(yè)務數據、數倉文件、系統(tǒng)日志文件進行備份，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過可靠的數據恢復機制，利用備份數據進行數據恢復。

4.2 大數據挖掘技術

信號系統(tǒng)數據挖掘一般是指從大量的信號系統(tǒng)數據中，利用提前設置的各種綜合指標特征，對信號系統(tǒng)生成的特定數據，采用大數據分析技術等手段，通過定制化的機器算法，能夠深層次的挖掘信號系統(tǒng)生成的數據以及生產作業(yè)過程記錄等數據的特征信息，能夠輔助決策，并能圖形化顯示預警，報警等應用信息。其中使用最多的兩種技術分別是分類法和關聯分析法。

1) 利用分類方法對設備健康狀況進行多方面評估

分類又稱為細分，是將大量的信號設備設施分成不同的類型，同一類型的設備擁有某些相似的屬性，如基礎屬性資料、檢修維修周期、設備安全運行時間等。通過信號設備細分，能夠準確及時的把握現有設備設施的工作和運行狀況，針對不同信號設備設施，采用不同的檢修維修方式，保安全，提質增效。

2) 利用關聯分析方法進行設備設施的交叉維修檢測，提高運維安全系數

利用關聯分析方法分析、評估、預警、預告信號設備設施故障相互的關聯關系，即通過尋找獨立系統(tǒng)或設備的故障因素，并建立故障預警、報警模型，對設備間或者系統(tǒng)級故障做出預測性分析告警，并對既往故障因素進行關聯，從而有效提高運維效率和安全系數。

4.3 多維數據可視化技術

多維數據可視化是指通過一些手段將高維的數據展示在二維的平面中。在進行探索性數據分析及對聚類或分類問題的驗證中有著重要的應用。目前主流可視化技術包括以下內容。

1) 多維直方圖：又稱多維質量分布圖，是一種統(tǒng)計報告圖，由一系列高度不等的縱向條紋或線段表示數據分布的情況。

2) 盒狀圖：通常顯示數據內部的變化。

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

4) 等高線圖：適用于連續(xù)屬性是且空間網格測量時。

5) 平行坐標：用來繪制高維數據的屬性值，采用同一平行軸與垂直軸。

5 結束語

信號大數據平臺的設計與實現，在整合信號系統(tǒng)數據資源的基礎上，實現鐵路信號設備設施的全生命周期電子履歷管理，提高信號設備設施檢修和維護質量，推動電務運維工作模式從“計劃修”向“狀態(tài)修”過渡。后續(xù)工作繼續(xù)深化信號大數據分析挖掘與智能化的應用，進一步研究電務專業(yè)需求，并挖掘信號設備設施技術狀態(tài)中海量數據的潛在價值，完善信號設備設施技術狀態(tài)綜合評價模型，實現對信號設備設施技術狀態(tài)的科學評價，保障鐵路運輸持續(xù)、安全、穩(wěn)定運行。