周利萍，郭立網(wǎng)，于世武，趙 飛，王建坤

（1. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸調(diào)度指揮中心，北京 100844；3. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

鐵路客車(chē)輪對(duì)踏面硌傷是旅客列車(chē)運(yùn)行途中壓過(guò)軌面異物導(dǎo)致輪對(duì)踏面異常的一類(lèi)鐵路客車(chē)運(yùn)用故障[1]。由于輪對(duì)踏面發(fā)生硌傷后會(huì)影響旅客列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)和旅客乘坐舒適性，超限的踏面硌傷更是影響列車(chē)運(yùn)行安全、平穩(wěn)和輪對(duì)使用壽命的重要因素[2-3]。如何及時(shí)高效的排查、找到并處理鋼軌異常點(diǎn)，減少對(duì)后續(xù)運(yùn)行列車(chē)的影響，是當(dāng)前鐵路調(diào)度部門(mén)亟待解決的問(wèn)題。

目前，鐵路部門(mén)對(duì)于車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的踏面硌傷分析仍采用傳統(tǒng)人工方式，分析結(jié)果取決于調(diào)度人員工作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)資料的準(zhǔn)確性，分析過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)且分析結(jié)果質(zhì)量不高，導(dǎo)致在故障處理時(shí)造成了機(jī)輛設(shè)備和人力資源的浪費(fèi)。因此，研究利用信息技術(shù)手段構(gòu)建客車(chē)輪對(duì)踏面硌傷自動(dòng)分析系統(tǒng)，精準(zhǔn)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員排查處理鋼軌故障點(diǎn)，最大程度減少對(duì)后續(xù)運(yùn)行列車(chē)的影響，提高旅客列車(chē)的運(yùn)行品質(zhì)和旅客乘坐舒適性，就成為了現(xiàn)階段的迫切需要。

本文研究的鐵路客車(chē)輪對(duì)踏面硌傷自動(dòng)分析系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)：系統(tǒng)）利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)硌傷列車(chē)的運(yùn)行軌跡進(jìn)行串接和分析比較，計(jì)算硌傷列車(chē)運(yùn)行徑路的最小重合區(qū)段，分析故障影響范圍，為調(diào)度部門(mén)排查出鋼軌的故障點(diǎn)提供決策輔助，最大程度減少對(duì)后續(xù)列車(chē)的影響。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層，其架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

1.2.1 硌傷排查

實(shí)現(xiàn)硌傷基礎(chǔ)信息的快速采集、匯總與展示。中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)：國(guó)鐵集團(tuán)）調(diào)度員向各鐵路局集團(tuán)公司發(fā)起硌傷排查的指示，完成管內(nèi)硌傷車(chē)次基本信息的填報(bào)、上傳。需要采集的基礎(chǔ)信息包括：硌傷發(fā)現(xiàn)日期、輪對(duì)數(shù)量、列車(chē)型/車(chē)組號(hào)、車(chē)次交路等，這些信息將作為硌傷自動(dòng)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源輸入。

1.2.2 自動(dòng)分析

（1）數(shù)據(jù)處理

根據(jù)各鐵路局集團(tuán)公司硌傷排查的結(jié)果，系統(tǒng)對(duì)其數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理和計(jì)算，完成所需數(shù)據(jù)源的加載、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、基礎(chǔ)字典統(tǒng)一、錯(cuò)誤數(shù)據(jù)清洗等多種數(shù)據(jù)融合計(jì)算。根據(jù)業(yè)務(wù)特征對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和匹配，包括：對(duì)硌傷基礎(chǔ)信息與列車(chē)、運(yùn)行線(xiàn)、編組之間的關(guān)聯(lián)，列車(chē)全息數(shù)據(jù)的生成，故障列車(chē)運(yùn)行重合區(qū)間的計(jì)算。

（2）影響范圍分析

結(jié)合客車(chē)開(kāi)行日班計(jì)劃和列車(chē)實(shí)際運(yùn)行圖數(shù)據(jù)，對(duì)將要經(jīng)過(guò)發(fā)生硌傷區(qū)間的客運(yùn)列車(chē)進(jìn)行影響范圍分析，提供受影響列車(chē)的車(chē)次、到發(fā)時(shí)間、當(dāng)前到發(fā)站、編組信息，便于調(diào)度部門(mén)根據(jù)掌握的故障信息和將要產(chǎn)生的影響程度，對(duì)后續(xù)列車(chē)進(jìn)行有目的的限速控制或扣停。

1.2.3 故障定位

結(jié)合硌傷發(fā)生時(shí)的所在線(xiàn)路、上下行方向、公里標(biāo)及鐵路運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)圖等基礎(chǔ)信息，利用GIS 技術(shù)將硌傷列車(chē)運(yùn)行的重合區(qū)段在鐵路網(wǎng)地圖或列車(chē)運(yùn)行圖上進(jìn)行標(biāo)記和定位，提供車(chē)站的詳細(xì)位置及列車(chē)的全程運(yùn)行軌跡。

1.2.4 統(tǒng)計(jì)分析

提供硌傷信息的階段統(tǒng)計(jì)，分時(shí)段從局別、線(xiàn)別、車(chē)型車(chē)組、設(shè)備設(shè)施生產(chǎn)、管理單位等各個(gè)方面深入分析，集中展示，方便調(diào)度員根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)重點(diǎn)運(yùn)行線(xiàn)路和區(qū)段進(jìn)行分析、監(jiān)控，對(duì)多次發(fā)生硌傷的線(xiàn)路或區(qū)段預(yù)警提示，便于調(diào)度部門(mén)提前發(fā)現(xiàn)影響安全環(huán)境的潛在因素和薄弱環(huán)節(jié)，從而提高客運(yùn)列車(chē)運(yùn)營(yíng)安全管理水平。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)處理

由于系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)來(lái)源眾多，除通過(guò)本系統(tǒng)進(jìn)行硌傷排查所得的硌傷基本信息外，其他數(shù)據(jù)均來(lái)自各個(gè)外部系統(tǒng)，如行車(chē)調(diào)度實(shí)際運(yùn)行圖來(lái)自TDCS/CTC，客運(yùn)編組信息來(lái)自客車(chē)管理信息系統(tǒng)，客運(yùn)日班計(jì)劃來(lái)自綜合調(diào)度系統(tǒng)等。

數(shù)據(jù)處理從既有的生產(chǎn)系統(tǒng)中抽取硌傷自動(dòng)分析所需的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)其相關(guān)的業(yè)務(wù)特性分析、匯集形成支撐本系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)環(huán)境。具體包括以下幾方面內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)采集

通過(guò)與各外部系統(tǒng)定義的Web Service 接口，采用定時(shí)和實(shí)時(shí)相結(jié)合的方式，從相關(guān)信息系統(tǒng)采集列車(chē)工作日計(jì)劃、實(shí)際運(yùn)行圖及列車(chē)編組等數(shù)據(jù)。

（2）硌傷車(chē)次與列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)信息關(guān)聯(lián)

以硌傷車(chē)次為對(duì)象，通過(guò)車(chē)次與時(shí)間識(shí)別列車(chē)在運(yùn)行圖上的實(shí)際運(yùn)行徑路信息，建立硌傷車(chē)次與實(shí)際列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)之間的聯(lián)系。

（3）客運(yùn)日計(jì)劃與運(yùn)行圖實(shí)際信息關(guān)聯(lián)

客運(yùn)日計(jì)劃中有車(chē)次和列車(chē)時(shí)刻信息，但只有大的客運(yùn)站信息。列車(chē)實(shí)際運(yùn)行圖有詳細(xì)的車(chē)站信息，但列車(chē)運(yùn)行信息通常是由多個(gè)調(diào)度臺(tái)的調(diào)度信息組合而成，一列列車(chē)有多條運(yùn)行線(xiàn)信息[4]。在本文中，以客運(yùn)日計(jì)劃為基準(zhǔn)，通過(guò)車(chē)次和車(chē)站，將實(shí)際運(yùn)行圖的詳細(xì)徑路與時(shí)間信息補(bǔ)充客運(yùn)日計(jì)劃中各節(jié)點(diǎn)，通過(guò)計(jì)劃與實(shí)際的關(guān)聯(lián)，生成客運(yùn)列車(chē)的完整運(yùn)行軌跡。

（4）客車(chē)對(duì)象信息的全息集成

從多個(gè)角度對(duì)比合成一個(gè)完整的實(shí)際開(kāi)行的客運(yùn)列車(chē)對(duì)象信息，針對(duì)硌傷車(chē)次，能夠展示每一列客車(chē)的車(chē)次、全程時(shí)刻、車(chē)底交路、編組信息、旅客乘降信息、機(jī)車(chē)信息、乘務(wù)信息等相關(guān)信息。

（5）重合區(qū)段的分析

根據(jù)已生成的所有硌傷車(chē)次的完整運(yùn)行軌跡和列車(chē)全息信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)徑路集合中的所有車(chē)站進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，找出其頻繁項(xiàng)集，結(jié)合線(xiàn)路、車(chē)站基礎(chǔ)字典及車(chē)次交路運(yùn)行規(guī)則，剔除頻繁項(xiàng)集中的冗余干擾信息，從而找到硌傷車(chē)次的共同運(yùn)行最短徑路，為調(diào)度部門(mén)排查找到運(yùn)行線(xiàn)路異常點(diǎn)，為及時(shí)處理提供指導(dǎo)性方案。

2.2 故障影響范圍分析

故障影響范圍分析可以輔助調(diào)度部門(mén)掌握軌道故障產(chǎn)生的影響程度，以便進(jìn)一步制定有效的預(yù)案措施。根據(jù)系統(tǒng)的自動(dòng)分析功能模塊計(jì)算出列車(chē)發(fā)生硌傷的故障區(qū)段后，從客運(yùn)日計(jì)劃和列車(chē)實(shí)際運(yùn)行圖的關(guān)聯(lián)信息中搜索所有未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)將經(jīng)過(guò)故障區(qū)段的客運(yùn)列車(chē)運(yùn)行全息信息，包括列車(chē)的車(chē)次、始發(fā)站、終到站、當(dāng)前所在車(chē)站，以及計(jì)劃到達(dá)所查詢(xún)站的時(shí)間、列車(chē)司機(jī)和旅客乘降信息，實(shí)時(shí)估計(jì)出列車(chē)晚點(diǎn)時(shí)間，以便調(diào)度人員根據(jù)實(shí)際情況和調(diào)度規(guī)則對(duì)后續(xù)列車(chē)進(jìn)行有目的的限速控制或扣停。

2.3 形成指導(dǎo)性方案

通過(guò)前面的研究，系統(tǒng)根據(jù)各鐵路局集團(tuán)公司要求完成的硌傷排查結(jié)果，利用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析方法計(jì)算出發(fā)生硌傷的列車(chē)實(shí)際運(yùn)行軌跡及最小運(yùn)行重合區(qū)段，對(duì)故障線(xiàn)路影響的列車(chē)范圍進(jìn)行分析，形成一個(gè)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)排查方案，以電文或調(diào)度命令的形式下發(fā)相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)進(jìn)行處置。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析處理

由于系統(tǒng)中需要處理的主要數(shù)據(jù)來(lái)源TDCS/CTC 系統(tǒng)的列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)信息，而TDCS/CTC 系統(tǒng)中的列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)是按照調(diào)度臺(tái)指揮列車(chē)運(yùn)行的[4]，不同調(diào)度區(qū)段存在跨調(diào)度臺(tái)運(yùn)行列車(chē)的運(yùn)行信息無(wú)法自動(dòng)連續(xù)記錄和存儲(chǔ)的問(wèn)題[5]。所以，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)處理要解決客運(yùn)列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)串接問(wèn)題，只有將多條跨調(diào)度臺(tái)或跨鐵路局集團(tuán)公司的列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)拼接后，才能為故障車(chē)次生成完整連續(xù)的列車(chē)運(yùn)行軌跡，而完整的列車(chē)運(yùn)行軌跡對(duì)排查故障車(chē)次最短共同運(yùn)行徑路，以及分析故障影響范圍提供直接的決策依據(jù)。

為有效地將同屬一列列車(chē)的運(yùn)行線(xiàn)信息串接起來(lái)，需要判定在不同列車(chē)調(diào)度臺(tái)的多條運(yùn)行線(xiàn)信息是否歸屬于同一列列車(chē)[6]。本文采用的判定方法如下：

（1）將客運(yùn)日計(jì)劃數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，并定期更新同步客運(yùn)日計(jì)劃的數(shù)據(jù)；

（2）以客運(yùn)日計(jì)劃為依據(jù)，用新進(jìn)入的運(yùn)行圖數(shù)據(jù)的車(chē)次（可變）、車(chē)站分別與日計(jì)劃中的車(chē)次、車(chē)站進(jìn)行匹配；

（3）如果匹配成功，再匹配列車(chē)到達(dá)（出發(fā)）車(chē)站的時(shí)間，如果時(shí)間在一定的誤差范圍內(nèi)，就認(rèn)為是同一列列車(chē)。

在處理過(guò)程中也遇到一些問(wèn)題，如：車(chē)次命名不規(guī)范的問(wèn)題；行調(diào)數(shù)據(jù)缺失；客運(yùn)日計(jì)劃中的開(kāi)行數(shù)據(jù)粒度較粗，客運(yùn)站與行調(diào)站不一致等問(wèn)題。系統(tǒng)在處理這些問(wèn)題時(shí)會(huì)根據(jù)調(diào)度規(guī)則創(chuàng)建相關(guān)映射字典，對(duì)于字典無(wú)法解決的問(wèn)題，則通過(guò)業(yè)務(wù)功能界面進(jìn)行問(wèn)題車(chē)次的提示，由用戶(hù)人工確認(rèn)后形成經(jīng)驗(yàn)字典庫(kù)，為大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 大數(shù)據(jù)解決方案

考慮到系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)源如行車(chē)調(diào)度運(yùn)行線(xiàn)數(shù)據(jù)、客運(yùn)日計(jì)劃、鐵路線(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量日益攀升，對(duì)于海量數(shù)據(jù)引發(fā)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢(xún)等問(wèn)題，本系統(tǒng)中引入了海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，如圖2 所示。

Hadoop 是一個(gè)基于Java 的分布式密集數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的軟件框架，如今已在各個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算分析[7]。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理是從既有的外部系統(tǒng)中抽取硌傷自動(dòng)分析相關(guān)的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)于列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)歷史信息、基本圖信息、線(xiàn)路、車(chē)站等基礎(chǔ)信息利用大數(shù)據(jù)采集工具導(dǎo)入Hadoop 平臺(tái)，按照列車(chē)運(yùn)行車(chē)次、行車(chē)區(qū)間等不同的組織方式，存放在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，便于歷史分析。對(duì)于列車(chē)運(yùn)行的實(shí)時(shí)軌跡信息、客車(chē)開(kāi)行日計(jì)劃、編組等信息直接存入關(guān)鍵值數(shù)據(jù)庫(kù)，便于實(shí)時(shí)處理和查詢(xún)。

圖2 大數(shù)據(jù)解決方案

Spark 提供了一整套閉環(huán)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析解決方案，基于內(nèi)存的迭代計(jì)算框架，適用于需要多次操作特定數(shù)據(jù)集的應(yīng)用場(chǎng)合[8]。對(duì)于硌傷數(shù)據(jù)分析，使用Spark 分布式計(jì)算技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)運(yùn)行軌跡最短共同運(yùn)行徑路的計(jì)算與故障影響范圍分析。最短共同運(yùn)行徑路的計(jì)算涉及上百條列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)，成千上萬(wàn)個(gè)行調(diào)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)，需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行反復(fù)的迭代分析、比對(duì)，并利用調(diào)度規(guī)則將數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤信息進(jìn)行剔除，最后確定這些列車(chē)的最短重合運(yùn)行區(qū)段。故障影響范圍分析則利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析將經(jīng)過(guò)最短重合區(qū)段的所有列車(chē)及關(guān)聯(lián)信息快速提取出來(lái)，為調(diào)度指揮決策評(píng)估提供最直接的行車(chē)方案調(diào)整依據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及應(yīng)用效果

系統(tǒng)已經(jīng)在國(guó)鐵集團(tuán)和鐵路局集團(tuán)公司動(dòng)車(chē)和車(chē)輛調(diào)度崗位得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)自動(dòng)分析和計(jì)算故障列車(chē)的重合運(yùn)行軌跡和影響范圍，對(duì)故障區(qū)間進(jìn)行自動(dòng)定位，形成一個(gè)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)排查的方案，及時(shí)通知相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司調(diào)度所，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行故障排查處置。

根據(jù)鐵路部門(mén)2019 年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，普速旅客列車(chē)發(fā)生10 次輪對(duì)踏面硌傷，涉及上百組客車(chē)車(chē)體，動(dòng)車(chē)組發(fā)生13 次，涉及更多的動(dòng)車(chē)組車(chē)底。通過(guò)本系統(tǒng)的自動(dòng)分析功能，不僅縮短了調(diào)度員進(jìn)行硌傷分析的時(shí)間，降低了調(diào)度人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了定位和排查故障的效率，也減少了機(jī)輛設(shè)備和人力資源的浪費(fèi)。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著客運(yùn)列車(chē)的提速、客車(chē)開(kāi)行數(shù)量的急速增加，客車(chē)輪對(duì)踏面硌傷問(wèn)題也日益突出，傳統(tǒng)的人工分析方法效率低下且運(yùn)營(yíng)成本高，基于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的自動(dòng)分析系統(tǒng)的建設(shè)正好解決鐵路部門(mén)的這個(gè)問(wèn)題，未來(lái)隨著列車(chē)運(yùn)行圖、客運(yùn)日班計(jì)劃等數(shù)據(jù)源質(zhì)量的提高和線(xiàn)路設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范，結(jié)合歷史事件記錄庫(kù)的積累和修正，將逐步提升故障分析結(jié)果的精準(zhǔn)性，推動(dòng)運(yùn)輸調(diào)度工作向高質(zhì)量高效率發(fā)展，提高運(yùn)輸調(diào)度指揮的自動(dòng)化、智能化水平。