摘? 要：隨著我國高鐵運營里程不斷增加，各地高鐵車站中的客運設備規(guī)模、數(shù)量也呈現(xiàn)出了爆炸性的增加趨勢，各種智能客運設備的使用在提升旅客出行幸福感的同時，也給車站客運設備的運維工作帶來了極大的壓力。目前，客運設備運維仍停留在傳統(tǒng)的人工階段。表現(xiàn)為業(yè)務流程信息化程度不高、現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控手段匱乏、整體運維效率低下。面對鐵路企業(yè)智能化運維手段缺失的問題。本文淺析了在運維工作中使用信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）技術(shù)的可能性，通過建立具有CPS技術(shù)特征的智能運維平臺，實現(xiàn)設備的統(tǒng)一認證管理、運維人員的動態(tài)分配、設備狀態(tài)的智能感知、備用資源的調(diào)撥共享、維修決策的大數(shù)據(jù)支撐等功能，助力客運設備運維工作的效率提升與資源優(yōu)化。

關鍵詞：信息物理系統(tǒng)（CPS）;客運設備;智能運維

中圖分類號：TP274? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0186-03

Abstract：With the continuous increase of high-speed railway operation mileage in China，the scale and quantity of passenger transport equipment in high-speed railway stations around the country are also increasing explosively. The use of various intelligent passenger transport equipment not only improves the happiness of passengers，but also brings great pressure to the operation and maintenance of station passenger transport equipment. At present，the operation and maintenance of passenger transport equipment is still in the traditional manual stage. It is manifested in low level of business process informatization，lack of on-site operation monitoring means and low efficiency of overall operation and maintenance. In the face of the lack of intelligent operation and maintenance means of railway enterprises，this paper analyzes the possibility of using the technology of CPS （Cyber-Physical Systems） in operation and maintenance work. By establishing an intelligent operation and maintenance platform with the technical characteristics of CPS，the unified certification management of equipment，dynamic allocation of operation and maintenance personnel，intelligent perception of equipment status，allocation and sharing of spare resources，and maintenance are realized The big data support and other functions of repair decision-making help to improve the efficiency and optimize resources of operation and maintenance of passenger transport equipment.

Keywords：Cyber-Physical Systems（CPS）;passenger transport equipment;intelligent operation and maintenance

0? 引? 言

新時代，高速鐵路已經(jīng)發(fā)展成了集高新技術(shù)應用、跨專業(yè)合作、系統(tǒng)龐大的復雜體系，是中國現(xiàn)代化建設史上的重要里程碑。而高鐵車站的客運設備又是保障客運生產(chǎn)運輸組織順利運轉(zhuǎn)的基礎設備，其重要性不言而喻，這就需要鐵路設備運維企業(yè)以智能的設備感知、監(jiān)控等技術(shù)手段去適應鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的要求，為實現(xiàn)“交通強國”打牢技術(shù)基礎。

智能CPS運維平臺的研究從車站客運設備的使用狀況和設備運維業(yè)務流程等方面進行分析，從實現(xiàn)保證客運生產(chǎn)組織與旅客服務的閉環(huán)管理的角度出發(fā)，探討了運用CPS技術(shù)使客運設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)生價值的過程。

1? CPS技術(shù)的理論體系

與以往的數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)不同，CPS對網(wǎng)絡空間與實體空間的相互依賴關系更加看重，具體體現(xiàn)在CPS的智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)與設備的連通，即在實體空間與網(wǎng)絡空間之間保證數(shù)據(jù)實時地流動和網(wǎng)絡空間的構(gòu)筑。根據(jù)CPS的技術(shù)特點，其體系架構(gòu)可分為智能感知層（Smart Connection Level）、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換層（Data-to-information Conversion Level）、網(wǎng)絡層（Cyber Level）、認知層（Cognition Level）、配置層（Configuration Level）共五層，即CPS的“5C”技術(shù)架構(gòu)。

2? 智能CPS運維平臺的架構(gòu)設計

智能CPS運維平臺主要由三部分構(gòu)建組成：數(shù)據(jù)展示平臺、底層數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)和健康診斷系統(tǒng)，平臺架構(gòu)如圖1所示。

集成展示平臺：使用多維的可視化圖形技術(shù)，展示設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、應用接口層流動數(shù)據(jù)。

底層數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)：建立智能高效的數(shù)據(jù)采集平臺，通過系統(tǒng)接收傳感器上的狀態(tài)信息，將信息傳送到數(shù)據(jù)采集服務器上，可實現(xiàn)對車站各類客運設備運行情況的實時監(jiān)控。

健康診斷系統(tǒng)：全過程監(jiān)測和分析設備的健康狀態(tài)，通過在系統(tǒng)中集成專業(yè)分析模塊實現(xiàn)設備診斷功能，同時，專家系統(tǒng)實現(xiàn)輔助決策，評價系統(tǒng)實現(xiàn)自學習改善。

3? 搭建智能CPS運維平臺的關鍵技術(shù)

智能CPS運維平臺采用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘、機器學習等技術(shù)手段。通過分組、存儲、檢索、加工、變換、仿真實驗等方法，對各類特征故障信號深入挖掘分析，完成對故障信號的智能數(shù)據(jù)建模，實現(xiàn)對監(jiān)測數(shù)據(jù)的實時分析與決策。

3.1? 基于CPS技術(shù)的設備狀態(tài)監(jiān)控原理

基于CPS技術(shù)的設備狀態(tài)監(jiān)控原理是通過前端傳感器收集各種客運設備的狀態(tài)信息進行類比分析的過程。其中狀態(tài)信息是指從各種監(jiān)測信號（如振動、聲學、溫度）當中采集到的可被量化的、可用于判斷設備屬性或狀態(tài)的指標。比如：可收集檢票閘機中疊票機構(gòu)的異常故障機械振動信號，其中不同的異常震動信號頻率可與數(shù)據(jù)庫中不同故障的包絡譜頻率幅值進行對比。

3.2? 基于CPS技術(shù)的設備健康診斷算法

基于CPS技術(shù)的設備健康狀態(tài)診斷算法是實現(xiàn)設備智能運維中最為關鍵的核心技術(shù)。算法利用機器健康分析與設備的機器網(wǎng)絡接口（CPI）進行聯(lián)絡，建立如社交網(wǎng)絡般的優(yōu)勢溝通網(wǎng)絡，一旦基礎設施在網(wǎng)絡層建立，機器就可以使用網(wǎng)絡接口登陸整個網(wǎng)絡實現(xiàn)信息的傳播和交流。同時，還必須構(gòu)建一個算法對機器的狀態(tài)變化進行跟蹤，在海量信息中挖掘可用的增值信息，進行對等比較，并在下一層級中使用上層輸出的信息進行大數(shù)據(jù)的降噪、增強、組合、分析、歸類等處理手段來生成健康狀態(tài)模型，從而提高健康診斷與異常檢測的成功率，對設備實施更成功的健康管理，實現(xiàn)設備安全服役期限內(nèi)的最大壽命使用。

基于CPS技術(shù)的設備健康診斷算法具體表現(xiàn)為兩個維度：數(shù)據(jù)的完整性和對象數(shù)量。兩個維度中又包含四類不同的算法實現(xiàn)，如圖2所示。

3.3? 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的分析與預測方法

首先，對數(shù)據(jù)進行可用性處理，主要包括六種大數(shù)據(jù)處理方式：工況分割、數(shù)據(jù)清洗與平滑、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測、數(shù)據(jù)歸一化、數(shù)據(jù)樣本平衡、數(shù)據(jù)分割。

其次，對六種大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理方式產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)進行設備的衰退性特征提取，將提取的數(shù)據(jù)通過基于CPS的故障診斷算法進行大數(shù)據(jù)的定性和定量分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值，并將其進行存儲。

最后，利用存儲的歷史數(shù)據(jù)對設備將來的特征值進行估算，實現(xiàn)預測故障發(fā)生時間和分析性能衰退趨勢的功能，從而查找到產(chǎn)生故障的根本原因。

4? 智能CPS運維平臺的遠程實現(xiàn)方案

實現(xiàn)旅服設備、客票設備、暖通設備、照明設備等客運設備的遠程監(jiān)控是在本地智能CPS運維平臺的基礎上，結(jié)合新一代網(wǎng)絡傳輸技術(shù)，將運維平臺的數(shù)據(jù)實時傳遞至監(jiān)控調(diào)度中心，通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析匯總，形成設備運行狀態(tài)報告，并將報告信息實時展現(xiàn)給系統(tǒng)管理人員;當設備存在故障，檢測數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)自動報警，并將報警信息通過APP、短信等渠道推送到不同的業(yè)務人員。遠程實現(xiàn)方案如圖3所示。

5? 結(jié)? 論

目前鐵路CPS的技術(shù)應用仍處于起步階段，但不可否認的是，CPS技術(shù)在未來擁有廣闊的發(fā)展前景。使用傳統(tǒng)的單元控制方式實現(xiàn)的鐵路信息系統(tǒng)（硬件加軟件）將逐漸被由使用CPS技術(shù)（在硬件加軟件的基礎上附帶高速的物聯(lián)網(wǎng)）的系統(tǒng)控制方式所代替。CPS的工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘和分析的結(jié)果，除了如本文中所述用于建設智能CPS運維平臺外，還可以廣泛應用于鐵路智能車站的系統(tǒng)研發(fā)設計、生產(chǎn)高效組織、設備節(jié)能環(huán)保等方面，以實現(xiàn)鐵路智能車站的智能設計、智能生產(chǎn)組織、智能綠色節(jié)能等智能化應用。更為鐵路企業(yè)降低運營成本，實施定量風險分析與控制，實現(xiàn)“交通強國”的偉大構(gòu)想鋪平了道路。

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作者簡介：劉自飛（1991-），男，漢族，重慶人，分中心主任，工程師，學士學位，本科，研究方向：鐵路信息化。