田德柱，盧世團(tuán)

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2. 中鐵科學(xué)技術(shù)開發(fā)有限公司，北京 100081）

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，鐵路營業(yè)里程屢創(chuàng)新高，截至2019 年底，鐵路營業(yè)總里程已達(dá)到13.9萬公里以上。同時，鐵路機(jī)車車輛保有量也有較大幅度的增長，截至2018 年底，全國鐵路機(jī)車保有量為2.1 萬臺，客車保有量為7.2 萬輛，貨車保有量83萬輛。如此大量的機(jī)車車輛運(yùn)行在軌道上，構(gòu)成了鐵路運(yùn)輸安全的重要一環(huán)。貨車的裝載工況和機(jī)車車輛自身的技術(shù)狀態(tài)對列車運(yùn)行安全至關(guān)重要，不良的裝載工況（超載、前后偏載、重心左右偏移）、車輛車輪踏面損傷、車輛運(yùn)行狀態(tài)不良（蛇形失穩(wěn)）等直接影響鐵路運(yùn)輸安全[1]。

近年來，國內(nèi)研制開發(fā)的輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)如鐵道貨車超偏載檢測裝置、車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（TPDS）等實現(xiàn)了對全路貨車裝載狀態(tài)、機(jī)車車輪多邊形、車輛車輪踏面損傷和運(yùn)行狀態(tài)的實時在線監(jiān)測，為保障貨物運(yùn)輸安全、車輛運(yùn)行安全和指導(dǎo)車輛造修等提供了重要的數(shù)據(jù)支撐[2]。目前，全路已有千余套各類輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備投入使用，如此大量的設(shè)備實時在線運(yùn)行，其自身的工作狀態(tài)直接關(guān)系到檢測數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響鐵路的運(yùn)輸安全。在當(dāng)前上道作業(yè)必須采取“天窗修”的大背景下，由于無法提前預(yù)知設(shè)備異常狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備故障時間較長，制約了系統(tǒng)作用的充分發(fā)揮。因此，建立一種輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警平臺十分必要。

1 平臺方案設(shè)計

1.1 平臺總體架構(gòu)

輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警平臺通過對設(shè)備狀態(tài)自檢信息、軟件運(yùn)行及檢測數(shù)據(jù)、日報表等日志文件進(jìn)行歸集、轉(zhuǎn)換、分析，提取關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，從狀態(tài)自檢信息、異常檢測數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)精度等幾方面對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合分析和評判，實現(xiàn)對設(shè)備異常狀態(tài)的報警和智能預(yù)警功能。通過構(gòu)建該平臺，可以讓設(shè)備維護(hù)人員及時了解設(shè)備工作狀態(tài)，及早掌握設(shè)備發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生問題的具體部位，高效且有針對性的指導(dǎo)設(shè)備現(xiàn)場維修，保障設(shè)備的不間斷、正常運(yùn)行，為設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修提供有力的技術(shù)支撐。

平臺總體架構(gòu)從系統(tǒng)業(yè)務(wù)和代碼設(shè)計2 個維度進(jìn)行分析設(shè)計，分為平臺體系架構(gòu)和平臺邏輯架構(gòu)[3]。

平臺體系架構(gòu)如圖1 所示，從平臺業(yè)務(wù)的角度進(jìn)行橫向分析。平臺通過主干網(wǎng)絡(luò)獲取各類日志信息，對各類信息進(jìn)行計算、分析、入庫，并通過智能預(yù)警平臺對各設(shè)備狀態(tài)、相關(guān)軟件運(yùn)行及檢測數(shù)據(jù)狀態(tài)等進(jìn)行智能監(jiān)控和預(yù)警。

平臺邏輯架構(gòu)如圖2 所示，從代碼設(shè)計的角度進(jìn)行縱向分析。平臺的邏輯架構(gòu)分為4 個層次。業(yè)務(wù)應(yīng)用層，負(fù)責(zé)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、結(jié)果展示、評估與診斷、預(yù)報警等；業(yè)務(wù)處理層，負(fù)責(zé)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、集成、變換、關(guān)聯(lián)性分析、分類分析、聚類分析等；數(shù)據(jù)存儲層，負(fù)責(zé)把分析的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行入庫處理；數(shù)據(jù)采集層，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)加密格式，實現(xiàn)對各類狀態(tài)信息的安全、有效采集。

1.2 平臺功能架構(gòu)

根據(jù)應(yīng)用需求，輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警平臺主要面向設(shè)備相關(guān)維護(hù)單位，側(cè)重于對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行可視化展示、綜合分析及預(yù)報警。主要功能模塊包括設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及報警、異常狀態(tài)預(yù)警、狀態(tài)趨勢信息統(tǒng)計、檢測精度分析和系統(tǒng)運(yùn)用管理等，平臺功能框架如圖3 所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 MVC框架結(jié)構(gòu)

平臺總體技術(shù)架構(gòu)遵循基于3 層架構(gòu)的MVC（Model-View-Controller）開發(fā)模式，形成靈活和易于擴(kuò)展的應(yīng)用架構(gòu)，如圖4 所示。表示層用于向客戶端用戶提供圖形用戶界面交互，它允許用戶在顯示系統(tǒng)中輸入和編輯數(shù)據(jù)，同時提供數(shù)據(jù)驗證功能；業(yè)務(wù)邏輯層用于執(zhí)行業(yè)務(wù)流程和制訂數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)規(guī)則，為表示層提供業(yè)務(wù)服務(wù)；數(shù)據(jù)訪問層主要進(jìn)行數(shù)據(jù)存取服務(wù)，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之間的通信[4]。3 個層次的每一層在處理程序上都有各自明確的分工和任務(wù)，在功能實現(xiàn)上有清晰的區(qū)分，各層與其余層彼此分離，但各層之間存有通信接口。采用MVC架構(gòu)，平臺在可擴(kuò)展性和可復(fù)用性方面得到了顯著提高。在資源分配策略設(shè)計合理運(yùn)用的同時，平臺的性能指標(biāo)、安全性和易管理性也得到改善。

2.2 預(yù)報警策略研究

（1）設(shè)備故障部位的及時報警。定時上報的設(shè)備狀態(tài)自檢信息包含每個部件的狀態(tài)信息值。針對每個部件設(shè)定一個經(jīng)驗閾值，當(dāng)某個部件的狀態(tài)信息值達(dá)到設(shè)定閾值時，則認(rèn)為該部件處于失效狀態(tài)，及時進(jìn)行預(yù)報警。

（2）傳感器實際使用情況統(tǒng)計。傳感器是設(shè)備的核心部件，也是相對容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，因此需要對其實際工作狀態(tài)進(jìn)行重點關(guān)注。每臺設(shè)備安裝在不同的線路，不同線路的列車開行數(shù)量不同，也就造成設(shè)備傳感器受沖擊次數(shù)的不同，所以傳感器的實際使用壽命也不盡相同[5]。通過統(tǒng)計每臺設(shè)備傳感器的實際受沖擊次數(shù)，可以準(zhǔn)確了解每只傳感器的實際使用情況，從而做到有針對性的進(jìn)行更換，節(jié)約設(shè)備維修成本。

（3）設(shè)備狀態(tài)發(fā)展趨勢統(tǒng)計。抓住設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢，就可以有效做到設(shè)備狀態(tài)的智能預(yù)警。傳感器的零點值可以直接反映傳感器的工作狀態(tài)，供電橋壓直接反映傳感器輸出信號的大小，車號識別率可以反映出車號匹配或識別問題，AEI、UPS 自檢信息的走勢也可以直接反映各自的工作狀態(tài)[6]。平臺針對每一類統(tǒng)計信息，均設(shè)定一個經(jīng)驗閾值，滿足設(shè)定條件時，給予預(yù)警提示。

（4）異常檢測數(shù)據(jù)分析。通過對檢測數(shù)據(jù)日志文件的分析，對比經(jīng)驗值，可以初步判斷該列車檢測數(shù)據(jù)的有效性，再結(jié)合設(shè)備狀態(tài)自檢信息，可綜合研判設(shè)備的具體異常情況，給予預(yù)警提示，及時避免誤報數(shù)據(jù)的上傳。

（5）檢測精度統(tǒng)計分析。通過采集檢衡車檢測數(shù)據(jù)，與其對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，可計算出相對準(zhǔn)確的系統(tǒng)檢測精度。

2.3 平臺安全管理

平臺部署在鐵路專用辦公網(wǎng)內(nèi)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5 所示，所涉及的安全問題主要包括數(shù)據(jù)源安全和平臺訪問安全2 部分。

數(shù)據(jù)源主要是前端探測站各類日志文件的生成和傳輸。為保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全，平臺在日志文件生成時通過內(nèi)部的加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)加密，在數(shù)據(jù)提取時，通過內(nèi)部解密算法進(jìn)行解密，再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、歸集、計算、入庫等操作。用戶訪問平臺需要通過2 次驗證。（1）用戶名和密碼的驗證，確保用戶名和密碼的合法性；（2）數(shù)據(jù)簽名驗證，確保訪問過程中的數(shù)據(jù)安全性及訪問的合法性[7]。

3 主要功能展示

該平臺是面向設(shè)備維護(hù)單位的設(shè)備狀態(tài)發(fā)布和預(yù)警系統(tǒng)，為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控和現(xiàn)場檢修提供了必要的基礎(chǔ)支撐。預(yù)警平臺服務(wù)器部署在鐵路專用網(wǎng)內(nèi)，側(cè)重于對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的可視化展示、綜合分析及預(yù)報警功能。下面對設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及報警、傳感器零點趨勢和車號識別率統(tǒng)計3 個主要功能進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控及報警

對傳感器、A/D 模塊、車號設(shè)備、UPS 等主要部件的工作狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常時進(jìn)行預(yù)警（橙色）和報警（紅色），如圖6 所示。

3.2 傳感器零點趨勢

傳感器作為輪軌作用力的感應(yīng)元器件，是監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的核心部件。由于現(xiàn)場使用環(huán)境惡劣、情況復(fù)雜，使其成為相對容易出問題的環(huán)節(jié)，而且直接影響檢測結(jié)果，所以需要對傳感器工作狀態(tài)進(jìn)行重點監(jiān)控和分析。功能界面如圖7 所示。

3.3 車號識別率統(tǒng)計

車號識別設(shè)備能夠自動識別機(jī)車車輛的車次、車號、車型、自重、標(biāo)重等標(biāo)簽信息，與輪軌力監(jiān)測數(shù)據(jù)相匹配，可以準(zhǔn)確定位問題車輛。因此，需要對其工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。識別率統(tǒng)計界面如圖8 所示。

4 結(jié)束語

輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)智能預(yù)警平臺的設(shè)計充分考慮了影響設(shè)備狀態(tài)的各方面因素，分析了設(shè)備異常狀態(tài)的各種情況。其應(yīng)用將大幅降低輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)人員的勞動強(qiáng)度，提高工作效率，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的預(yù)判，有效縮短設(shè)備故障時間，為設(shè)備維護(hù)單位提供有力的技術(shù)支撐。但其良好的預(yù)判效果必須建立在對大量日志文件（自檢信息）統(tǒng)計分析和驗證的基礎(chǔ)上，同時還需要對預(yù)警的評估方法和機(jī)制策略進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，最終才能實現(xiàn)對輪軌力在線監(jiān)測類系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的智能、高效預(yù)警[8-9]。