劉 軍，朱繼強，閆占強，蔚 嘉，邢曉東

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵路大數(shù)據(jù)研究與應(yīng)用創(chuàng)新中心，北京 100081；2. 中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司，太原 030013）

安全是鐵路運輸管理永恒的主題，也是當(dāng)前鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用的研究熱點之一[1-3]。供電設(shè)備對保障鐵路運輸安全具有重要作用，接觸網(wǎng)、變電所、作業(yè)車等重點設(shè)備的預(yù)警分析和風(fēng)險研判一直是供電部門日常安全管理的重點工作，不少學(xué)者也對鐵路供電設(shè)備的風(fēng)險分析、評估及狀態(tài)監(jiān)測展開研究。程學(xué)慶等人[4]提出結(jié)合定性與定量分析的供電系統(tǒng)風(fēng)險評估方法，王開銘[5]進(jìn)行牽引變電所可靠性分析和風(fēng)險評估，張克永[6]提出建立供電安全檢測監(jiān)測體系，李耀云等人[7]對供電設(shè)備質(zhì)量狀態(tài)進(jìn)行分析。

本文結(jié)合中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司（簡稱：太原局集團(tuán)公司）所屬供電部、供電段、各車間的安全管理需求，開展鐵路局集團(tuán)公司供電設(shè)備安全綜合分析系統(tǒng)（簡稱：系統(tǒng)）的研究與開發(fā)，以支持對供電設(shè)備實施精準(zhǔn)的安全管控，提高安全管理效能，保障鐵路供電設(shè)備的運營安全。

1 總體框架

1.1 系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)

依托鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，在實現(xiàn)供電設(shè)備安全管理相關(guān)數(shù)據(jù)的匯集與共享的基礎(chǔ)上，開發(fā)鐵路局集團(tuán)公司供電設(shè)備安全綜合分析系統(tǒng)，以接觸網(wǎng)設(shè)備、變電所設(shè)備、作業(yè)車設(shè)備為重點，運用數(shù)據(jù)分析技術(shù)，提供便捷、高效的供電設(shè)備安全綜合分析信息化手段，指導(dǎo)供電部門實施精準(zhǔn)的供電設(shè)備安全管控，提升供電設(shè)備安全管理效率和水平，促進(jìn)供電設(shè)備安全管理的標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化。

1.2 總體框架

鐵路局集團(tuán)公司供電設(shè)備安全綜合分析系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)源、平臺層、應(yīng)用層、用戶層，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系和保障體系，系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架示意

（1）數(shù)據(jù)源為鐵路局集團(tuán)公司既有系統(tǒng)可提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，主要包括供電設(shè)備基本臺賬、檢測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、隱患數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等。

（2）平臺層依托太原局集團(tuán)公司的鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，實現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)清洗、大數(shù)據(jù)存儲與分析。

（3）應(yīng)用層主要包括供電設(shè)備管理綜合分析、接觸網(wǎng)設(shè)備安全分析、變電所設(shè)備安全分析、作業(yè)車設(shè)備安全分析等應(yīng)用功能。

（4）用戶層主要包括鐵路局集團(tuán)公司領(lǐng)導(dǎo)決策層、安全監(jiān)察室、供電部和各供電段。

（5）標(biāo)準(zhǔn)體系包括信息采集與分類規(guī)范和服務(wù)提供規(guī)范，規(guī)定數(shù)據(jù)采集與共享的接口內(nèi)容與實現(xiàn)方式，描述系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)服務(wù)與應(yīng)用服務(wù)接口，以及系統(tǒng)安全等級防護(hù)要求，提供信息集成和綜合應(yīng)用的基礎(chǔ)技術(shù)條件。

（6）保障體系包括系統(tǒng)管理、運用和維護(hù)的相關(guān)管理制度與人員組織保證，明確數(shù)據(jù)分析、運用與考核流程及崗位職責(zé)，確保系統(tǒng)建成后能夠正常運用和發(fā)揮實效。

2 主要數(shù)據(jù)源

系統(tǒng)目前的數(shù)據(jù)源主要來自太原局集團(tuán)有限公司所屬的太原供電段生產(chǎn)綜合信息管理系統(tǒng)、侯馬北供電段生產(chǎn)綜合信息管理系統(tǒng)、大同西供電段生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)、鐵路供電安全檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)處理中心、牽引供電智能化管理系統(tǒng)、供電安全檢測監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱：6C）數(shù)據(jù)處理中心、接觸網(wǎng)作業(yè)車運用安全管理系統(tǒng)。

2.1 接觸網(wǎng)基本臺賬與安全數(shù)據(jù)

接觸網(wǎng)基本臺賬數(shù)據(jù)主要包括：支柱號、鐵路局集團(tuán)公司名稱、站段名稱、車間名稱、運行工區(qū)、維修工區(qū)、線名、行別、公里標(biāo)、股道、錨段號、導(dǎo)高、拉出值、接觸線高度、隔離開關(guān)、關(guān)節(jié)式分段/分相、器件式分段/分相、接觸網(wǎng)懸掛錨段、避雷器、絕緣子、27.4 kv 電纜、補償裝置等；

接觸網(wǎng)設(shè)備安全數(shù)據(jù)主要包括：動態(tài)檢測設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)、6C 檢測設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)、靜態(tài)巡檢數(shù)據(jù)、檢查維修數(shù)據(jù)、安全隱患數(shù)據(jù)、事故故障數(shù)據(jù)和壽命管理數(shù)據(jù)。

2.2 變電所基本臺賬與安全數(shù)據(jù)

變電所基本臺賬數(shù)據(jù)主要包括：所亭編號、鐵路局集團(tuán)公司名稱、站段名稱、車間名稱、班組名稱、所亭名稱、供電范圍、供電方式、線名、線路類型、占地總面積、所亭公里標(biāo)、電化開通日期、進(jìn)線電壓等級、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、綜自保護(hù)裝置、避雷器等。

變電所設(shè)備安全數(shù)據(jù)主要包括：實時報警數(shù)據(jù)、日常巡視數(shù)據(jù)、年度檢修數(shù)據(jù)、年度試驗數(shù)據(jù)、安全隱患數(shù)據(jù)、安全考核數(shù)據(jù)和事故故障數(shù)據(jù)。

2.3 作業(yè)車基本臺賬與安全數(shù)據(jù)

作業(yè)車基本臺賬數(shù)據(jù)主要包括：車輛編號、鐵路局集團(tuán)公司名稱、配屬段、車輛名稱、規(guī)格型號、車輛狀態(tài)、車輛照片、有無動力、出廠日期、出廠序號、外形尺寸、固定資產(chǎn)號、生產(chǎn)廠家、投運日期、接觸網(wǎng)作業(yè)車類型等。

作業(yè)車設(shè)備安全數(shù)據(jù)主要包括：使用效率數(shù)據(jù)、維修保養(yǎng)數(shù)據(jù)、運用質(zhì)量數(shù)據(jù)、出勤退勤數(shù)據(jù)、安全隱患數(shù)據(jù)、安全發(fā)牌數(shù)據(jù)和事故故障數(shù)據(jù)。

2.4 綜合數(shù)據(jù)

主要包括基礎(chǔ)字典信息，如鐵路線名、行別、安全隱患類型、安全隱患等級、安全考核類型、安全考核等級、事故故障類型、事故故障等級、設(shè)備缺陷類型、設(shè)備缺陷等級、作業(yè)車車型、GIS 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及單位名稱字典、站段名稱、車間名稱、工區(qū)名稱等。

3 主要功能

3.1 供電設(shè)備安全管理綜合分析

分析供電專業(yè)重點設(shè)備的安全管理狀況，對所屬站段和線路的安全指標(biāo)進(jìn)行排名，以便指導(dǎo)制定及時有效的安全防控措施。

（1）接觸網(wǎng)設(shè)備安全管理分析：從動態(tài)檢測、6C 檢測、靜態(tài)巡檢、檢查維修、安全隱患、事故故障、壽命管理等方面，對各站段、線路的安全管理狀況進(jìn)行分析和排名。

（2）變電所設(shè)備安全管理分析：根據(jù)變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、綜自保護(hù)裝置、避雷器等變電所設(shè)備關(guān)鍵部件的監(jiān)測報警和缺陷，對各站段的安全管理狀況進(jìn)行分析和排名。

（3）作業(yè)車設(shè)備安全管理分析：從作業(yè)車設(shè)備的使用效率、維修保養(yǎng)、運用質(zhì)量、安全隱患、事故故障、出勤退勤等方面，對各站段的安全管理狀況進(jìn)行分析和排名。

3.2 接觸網(wǎng)設(shè)備安全分析

以接觸網(wǎng)單支柱為設(shè)備單元，建立接觸網(wǎng)設(shè)備安全評價指標(biāo)體系，對各站段、線路的接觸網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行安全評價，確定實施精準(zhǔn)盯控的問題。

（1）接觸網(wǎng)安全電子地圖：可在GIS 地圖上查詢各線路上不合格支柱分布情況，以及單個支柱設(shè)備安全狀態(tài)評價結(jié)果。

（2）接觸網(wǎng)安全綜合分析：分析接觸網(wǎng)單個支柱的基本信息、主要部件、各維度評分結(jié)果、歷史缺陷占比等，自動統(tǒng)計動態(tài)檢測、6C 檢測、靜態(tài)檢測、檢查維修、安全隱患、事故故障、壽命管理等多方面的安全評價指標(biāo)，記錄安全評分。

3.3 變電所設(shè)備安全分析

以單個變電所作為安全評估單元，建立基于變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、綜自保護(hù)裝置、避雷器等主要部件的安全評估，從日常巡檢、年度檢修、年度試驗、安全隱患、事故故障、壽命管理等多個方面進(jìn)行安全分析。

（1）變電所安全電子地圖：在GIS 電子地圖上分段別、分線別綜合查詢變電所的各類相關(guān)信息，標(biāo)注出存在缺陷問題的變電所。

（2）變電所安全綜合分析：從日常巡檢、年度檢修、年度試驗、安全隱患、事故故障、壽命管理等方面對變電所開展安全評估，分析不同類型缺陷和報警占比，給出管轄范圍內(nèi)重點盯控的變電所。

3.4 作業(yè)車設(shè)備安全分析

以單個作業(yè)車作為安全評估單元，建立作業(yè)車安全評價指標(biāo)體系，對作業(yè)車設(shè)備管理、運用、維護(hù)進(jìn)行安全評價，幫助安全管理部門確定應(yīng)重點盯控的問題。

（1）作業(yè)車安全電子地圖：利用采集的作業(yè)車位置信息，可在GIS 電子地圖上實時顯示在線作業(yè)車的作業(yè)位置，追蹤作業(yè)車運行軌跡，方便供電部、各供電段掌握作業(yè)車的作業(yè)動態(tài)。

（2）作業(yè)車安全綜合分析：建立基于作業(yè)車基本信息、使用記錄、維修保養(yǎng)、安全隱患、事故故障、壽命質(zhì)量等多方面的作業(yè)車安全評價指標(biāo)，提供分供電段、分車間的作業(yè)車信息綜合查詢，給出安全管理不合格、應(yīng)重點盯控的作業(yè)車。

4 關(guān)鍵技術(shù)

通過匯集接觸網(wǎng)、變電所、作業(yè)車等設(shè)備單元的基本臺賬、6C 檢測數(shù)據(jù)、設(shè)備缺陷數(shù)據(jù)、安全隱患數(shù)據(jù)、安全發(fā)牌數(shù)據(jù)、事故故障數(shù)據(jù)等，建立接觸網(wǎng)支柱、變電所、作業(yè)車的安全管理畫像分析模型。該模型結(jié)合直接獲取、按規(guī)則計算、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類器，可自動生成供電設(shè)備的單項和復(fù)合型安全標(biāo)簽，全面刻畫供電關(guān)鍵設(shè)備的安全管理狀況，如圖2 所示。

圖2 供電設(shè)備安全管理畫像分析技術(shù)

4.1 單項安全標(biāo)簽

供電設(shè)備的單項安全標(biāo)簽通過直接取值，或按規(guī)則計算確定。對于文字型、非數(shù)字型數(shù)據(jù)，通過直接獲取方式生成設(shè)備安全標(biāo)簽；對于單項數(shù)字型的安全標(biāo)簽，定義單項標(biāo)簽生成規(guī)則：

其中，x為安全數(shù)據(jù)，a1、a2、an為不同設(shè)備標(biāo)簽分類， ξ1、 ξ2、 ξn為不同標(biāo)簽分類的閾值。

例如，接觸網(wǎng)檢測缺陷類型是字符型數(shù)據(jù)，對應(yīng)的缺陷類型標(biāo)簽定義為“一級缺陷”和“二級缺陷”；接觸網(wǎng)安全隱患數(shù)量類型為“數(shù)字型”，其標(biāo)簽規(guī)則為：設(shè)備安全隱患數(shù)量不大于3個，標(biāo)簽定義為“隱患少”，大于3個，標(biāo)簽定義為“隱患多”。

4.2 復(fù)合型安全標(biāo)簽

復(fù)合型安全標(biāo)簽是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分類器生成的標(biāo)簽，標(biāo)簽分類器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱藏層、輸出層構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)合型安全標(biāo)簽分類器

作為分類器訓(xùn)練集的輸入數(shù)據(jù)包括供電設(shè)備單元的一級缺陷數(shù)量、二級缺陷數(shù)量、設(shè)備故障數(shù)量、設(shè)備隱患數(shù)量、超周期時間等；輸出數(shù)據(jù)是由業(yè)務(wù)專家共同確定的標(biāo)簽分類結(jié)果；隱藏層的節(jié)點數(shù)量可根據(jù)訓(xùn)練精度進(jìn)行調(diào)整，傳遞函數(shù)為Logsig；輸出層的節(jié)點數(shù)量為2，傳遞函數(shù)為Hardlim。標(biāo)簽分類器的目標(biāo)函數(shù)為網(wǎng)絡(luò)輸出值和目標(biāo)值的平方差之和，采用差分進(jìn)化優(yōu)化算法調(diào)整標(biāo)簽分類器中權(quán)值和閾值。通過對供電設(shè)備畫像標(biāo)簽分類器的訓(xùn)練，對于測試樣本給出標(biāo)簽分類器的分類結(jié)果。

供電設(shè)備安全管理畫像分析模型在數(shù)據(jù)層面全面刻畫供電設(shè)備的綜合安全狀況，是實現(xiàn)快捷、高效的供電設(shè)備安全綜合分析的基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合太原局集團(tuán)公司供電專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備安全管理需求，開展鐵路局集團(tuán)公司供電安全綜合分析系統(tǒng)的研究，明確系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)和總體架構(gòu)，全面調(diào)查太原局集團(tuán)公司既有信息系統(tǒng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)源，分析設(shè)計系統(tǒng)主要功能，并對供電設(shè)備安全管理畫像分析模型等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究，下一步將完成系統(tǒng)開發(fā)。

系統(tǒng)通過供電設(shè)備安全管理數(shù)據(jù)匯集和共享，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)供電安全綜合分析，支持對供電設(shè)備實施精準(zhǔn)的安全管控，有助于提升供電設(shè)備安全管理效能。