龔和宏

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，武漢 430071）

1 問(wèn)題的提出

軌道車(chē)（含接觸網(wǎng)作業(yè)車(chē)、大型養(yǎng)路機(jī)械等自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備）的信息監(jiān)測(cè)目前由GMS地面維護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)、軌道車(chē)作業(yè)視頻監(jiān)控平臺(tái)、自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備運(yùn)用安全管理系統(tǒng)及其他監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行多平臺(tái)管理，各種信息依賴人工進(jìn)行跨平臺(tái)采集、記錄、統(tǒng)計(jì)、分析、核對(duì)及管理的狀態(tài)，耗費(fèi)了大量的人力和物力成本，運(yùn)用管理效率較低，誤差較大，實(shí)時(shí)性較差，存在漏查和混淆的風(fēng)險(xiǎn)。由此引起維修維護(hù)滯后，給管理部門(mén)的軌道車(chē)管理工作帶來(lái)極大的困擾，甚至影響軌道車(chē)的安全運(yùn)行，造成安全隱患。鐵路各級(jí)、各部門(mén)對(duì)于軌道車(chē)的運(yùn)用管理維護(hù)上不透明、不及時(shí)、關(guān)注內(nèi)容有交叉但不一致、綜合度差、共享性差、利用率低下，不能為科學(xué)化配置和管理軌道車(chē)提供依據(jù)，對(duì)各部門(mén)的管理工作效率造成了較大制約，極大的降低鐵路運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)效益，不能形成良性的、可循環(huán)的軌道車(chē)運(yùn)用管理周期環(huán)。

為解決上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)作業(yè)系統(tǒng)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析和總結(jié)，創(chuàng)建軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軌道車(chē)精準(zhǔn)、有效、合理的維護(hù)管理，利于企業(yè)運(yùn)用維護(hù)效率的提升及管理成本的節(jié)約。

2 軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理的實(shí)現(xiàn)

2.1 解決方案綜述

軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理系統(tǒng)，分兩級(jí)部署，其中二級(jí)部署在國(guó)鐵集團(tuán)，用于數(shù)據(jù)的集中綜合分析、挖掘，為軌道車(chē)的綜合運(yùn)用、配屬、車(chē)輛使用預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐；一級(jí)部署在各路局集團(tuán)公司，用于綜合收集路局集團(tuán)公司軌道車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息。兩級(jí)之間采用安全性高的多協(xié)議標(biāo)簽交換虛擬專用網(wǎng)（MPLS VPN）技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息的上傳和預(yù)警信息的下達(dá)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該系統(tǒng)由5部分組成，信息采集節(jié)點(diǎn)、軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)、專用傳輸通道、軌道車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心、用戶終端，如圖1所示。

2.2.1 信息采集節(jié)點(diǎn)

利用既有路局集團(tuán)公司軌道車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為信息采集點(diǎn)，通過(guò)共享接口將獲取的軌道車(chē)信息發(fā)送至路局集團(tuán)公司級(jí)軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of system architecture

2.2.2 軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)

該平臺(tái)由共享信息收集服務(wù)器和分類數(shù)據(jù)處理服務(wù)器組成，從已有的軌道車(chē)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將軌道車(chē)GYK、GMS設(shè)備狀態(tài)及換裝信息統(tǒng)計(jì)、工作狀態(tài)、軸溫監(jiān)控狀態(tài)、視頻監(jiān)控狀態(tài)、空氣制動(dòng)狀態(tài)、供電狀態(tài)、走行部狀態(tài)、高壓絕緣檢測(cè)狀態(tài)、CIR機(jī)車(chē)電臺(tái)狀態(tài)、防火報(bào)警狀態(tài)等信息進(jìn)行分類處理，路局集團(tuán)公司用戶終端實(shí)時(shí)掌握本局車(chē)輛在線情況，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)軌道車(chē)的管理，提升綜合管理能力。

2.2.3 專用傳輸通道

在從路局集團(tuán)公司傳輸至國(guó)鐵集團(tuán)時(shí)，由于原有路局集團(tuán)公司內(nèi)網(wǎng)帶寬不足，在使用已有的帶寬和設(shè)備的前提下，應(yīng)另辟蹊徑，需要既保障信息傳輸?shù)陌踩?，又要保障足夠的帶寬，較低的成本。采用主流、成熟、可跨區(qū)域的安全通信MPLS VPN 技術(shù)，在路局集團(tuán)公司和國(guó)鐵集團(tuán)之間建立獨(dú)立的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)，為軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息的傳輸提供穩(wěn)定、可靠、安全、成本較低的數(shù)據(jù)傳輸通道。

2.2.4 軌道車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心部署在國(guó)鐵集團(tuán)，由接口通信服務(wù)器和數(shù)據(jù)分析服務(wù)器組成。接口通信服務(wù)器用于對(duì)接18個(gè)路局集團(tuán)公司的軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)分類處理后的數(shù)據(jù)，之后轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)分析服務(wù)器；數(shù)據(jù)分析服務(wù)器進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)綜合處理、數(shù)據(jù)分析挖掘和狀態(tài)評(píng)價(jià)預(yù)警，并可以與鐵路防災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等結(jié)合聯(lián)動(dòng)，向國(guó)鐵集團(tuán)和路局集團(tuán)公司終端用戶提供綜合應(yīng)用服務(wù)，以及提供相關(guān)車(chē)輛、設(shè)備、環(huán)境等方面的預(yù)警，全面提升設(shè)備管理水平，降低設(shè)備使用風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)災(zāi)害發(fā)生前的預(yù)警，減少人員安全隱患。

2.2.5 用戶終端

用戶終端分為兩級(jí)，路局集團(tuán)公司級(jí)和國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)。

路局集團(tuán)公司級(jí)用戶終端可以查看本局所有軌道車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，詳細(xì)了解本局軌道車(chē)運(yùn)用現(xiàn)狀，為軌道車(chē)的運(yùn)用、管理等提供決策性依據(jù)。

國(guó)鐵集團(tuán)級(jí)用戶終端可以查看經(jīng)過(guò)軌道車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心綜合分析挖掘之后的匯總數(shù)據(jù)、預(yù)警信息等，以及和其他鐵路防災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合聯(lián)動(dòng)得到的分析數(shù)據(jù)，為國(guó)鐵集團(tuán)在軌道車(chē)配屬、管理、在途運(yùn)行安全預(yù)警等方面提供有效、準(zhǔn)確的依據(jù)。

2.3 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述

2.3.1 軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)

軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)的功能組成如圖2所示。邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 功能組成示意Fig.2 Schematic diagram of functional composition

2.3.2 軌道車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心主要處理來(lái)自于各路局集團(tuán)公司上傳的軌道車(chē)各種監(jiān)測(cè)信息，包含信息統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)分類分析、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、預(yù)警下達(dá)5個(gè)主要功能。

1）信息統(tǒng)計(jì)

主要針對(duì)各路局集團(tuán)公司軌道車(chē)上線數(shù)量、各類車(chē)載設(shè)備安裝數(shù)量、下達(dá)的揭示數(shù)據(jù)、基本數(shù)據(jù)、程序更換次數(shù)和車(chē)載設(shè)備故障數(shù)量進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)。

2）數(shù)據(jù)分類分析

通過(guò)對(duì)軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息統(tǒng)計(jì)后，針對(duì)不同路局集團(tuán)公司的同類數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，綜合分析獲得軌道車(chē)運(yùn)用現(xiàn)狀，包含車(chē)輛利用率及故障率、作業(yè)規(guī)范率，車(chē)載設(shè)備故障率、配屬是否合理等。

3）數(shù)據(jù)挖掘

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分類分析，聯(lián)合多種不同分類數(shù)據(jù)，進(jìn)一步挖掘數(shù)據(jù)信息，為軌道車(chē)的運(yùn)用管理方面提供決策性依據(jù)，增強(qiáng)軌道車(chē)管理維護(hù)，減少軌道車(chē)管理維護(hù)成本，提高軌道車(chē)運(yùn)行安全，避免事故的發(fā)生。

圖3 軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息綜合管理平臺(tái)邏輯結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the logical structure of the integrated management platform for railway trolley monitoring information

4）數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)

結(jié)合鐵路已有的防災(zāi)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、異物侵限監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等，形成橫向聯(lián)動(dòng)，分析在途軌道車(chē)是否處于災(zāi)害發(fā)生區(qū)段，為災(zāi)害預(yù)警信息的準(zhǔn)確性提供前提條件。

根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)數(shù)據(jù)的橫向聯(lián)動(dòng)，可預(yù)判軌道車(chē)自身狀態(tài)是否存在安全隱患，提前提出警示信息。

5）預(yù)警下達(dá)

在通過(guò)一系列功能的實(shí)現(xiàn)后，及時(shí)下達(dá)預(yù)警和警示信息給對(duì)應(yīng)的路局集團(tuán)公司相關(guān)運(yùn)用單位，以期減少車(chē)輛和人員安全事故的發(fā)生，避免因此帶來(lái)的損失。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.4.1 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

采用Python語(yǔ)言對(duì)軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、集中、精簡(jiǎn)，通過(guò)分類、聚類、關(guān)聯(lián)、預(yù)測(cè)算法建立挖掘模型，對(duì)各路局集團(tuán)公司軌道車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和深度挖掘之后，利用數(shù)據(jù)可視化手段，運(yùn)用圖形、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)以及用戶界面，通過(guò)表達(dá)、建模以及動(dòng)畫(huà)顯示，展現(xiàn)軌道車(chē)運(yùn)用管理維護(hù)現(xiàn)狀，以及聯(lián)動(dòng)預(yù)警信息。

2.4.2 MPLS VPN安全傳輸技術(shù)

MPLS VPN主要由P網(wǎng)絡(luò)和C網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)部分組成。P網(wǎng)絡(luò)是運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)建立好的，之內(nèi)的設(shè)備為PE設(shè)備。C網(wǎng)絡(luò)為用戶自建的網(wǎng)絡(luò)，之內(nèi)的設(shè)備為CE設(shè)備。用戶通過(guò)租用運(yùn)營(yíng)商MPLS VPN線路實(shí)現(xiàn)多用戶節(jié)點(diǎn)之間快速、安全、可靠的通信，用戶僅需要維護(hù)本地網(wǎng)絡(luò)邊緣的CE客戶端網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

在本系統(tǒng)中，將會(huì)使用軸輻狀結(jié)構(gòu)（Huband-Spoke），Hub-CE節(jié)點(diǎn)為國(guó)鐵集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，Spoke-CE節(jié)點(diǎn)為路局集團(tuán)公司本地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；該結(jié)構(gòu)下，可以實(shí)現(xiàn)路局集團(tuán)公司與國(guó)鐵集團(tuán)的安全通信，也可以實(shí)現(xiàn)路局集團(tuán)公司之間的互相通信。如圖4所示，假設(shè)AS65430為國(guó)鐵集團(tuán)網(wǎng)絡(luò)，是作為Hub-and-Spoke的核心；中間部分的AS100為某運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)（該部分是可以跨運(yùn)營(yíng)商部分）；AS65410和AS64520均為路局集團(tuán)公司網(wǎng)絡(luò)，虛線對(duì)應(yīng)的是MPLS VPN通道。

如圖4所示，可以實(shí)現(xiàn)路局集團(tuán)公司和國(guó)鐵集團(tuán)之間的安全通信，也可實(shí)現(xiàn)路局集團(tuán)公司之間的安全通信。在實(shí)現(xiàn)路局集團(tuán)公司之間的安全通信時(shí)，可以直接通信，也可以通過(guò)國(guó)鐵集團(tuán)間接通信，建議通過(guò)國(guó)鐵集團(tuán)Hub節(jié)點(diǎn)來(lái)通信。

圖4 數(shù)據(jù)傳輸通道架構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of architecture of data transmission channels

國(guó)鐵集團(tuán)和路局集團(tuán)公司之間的MPLS VPN 使用VRF虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)單獨(dú)形成一個(gè)屬于鐵路自身的虛擬局域網(wǎng)，與運(yùn)營(yíng)商其他網(wǎng)絡(luò)是完全獨(dú)立的，因此完全可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。其次，傳輸帶寬是取決于接入運(yùn)營(yíng)商專線的帶寬大小，按照目前數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)的情況，專線接入帶寬保證100 Mbit/s線路就可以滿足軌道車(chē)監(jiān)測(cè)信息的傳輸，同時(shí)還可為其他業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求預(yù)留帶寬。

CE用戶端與PE運(yùn)營(yíng)商端設(shè)備之間可以使用各種路由協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，比如靜態(tài)路由、RIP路由信息協(xié)議、OSPF開(kāi)放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議、ISIS中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)協(xié)議以及BGP邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議，推薦使用BGP協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。

2.4.3 應(yīng)用系統(tǒng)基礎(chǔ)平臺(tái)技術(shù)

采用目前較為流行的IT技術(shù)來(lái)提供高可靠性、高穩(wěn)定性、高可用性的應(yīng)用服務(wù)。如圖5所示。

1）硬件基礎(chǔ)：由物理硬件服務(wù)器和存儲(chǔ)設(shè)備組成，提供資源虛擬化的基礎(chǔ)。

2）資 源 池：通 過(guò)Vmware、Linux KVM、Windows Hyper-V的虛擬化技術(shù)，將物理CPU、內(nèi)存、硬盤(pán)、網(wǎng)絡(luò)等資源進(jìn)行虛擬化，并通過(guò)使用對(duì)應(yīng)的Cluster集群技術(shù)提供高可用性的應(yīng)用基礎(chǔ)。

圖5 軌道車(chē)數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)架構(gòu)示意Fig.5 Schematic diagram of architecture of infrastructure of railway trolley data center

3）虛擬應(yīng)用：使用Docker容器技術(shù)和其他虛擬化技術(shù)，將不同應(yīng)用打包到輕量級(jí)、可移植的獨(dú)立容器中，便于快速部署，提供高可用性，更好的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用服務(wù)的快速無(wú)縫切換。

3 應(yīng)用展望

3.1 綜合監(jiān)測(cè)的發(fā)展

軌道車(chē)監(jiān)測(cè)越來(lái)越全面，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)越來(lái)越多的情況下，建設(shè)綜合監(jiān)測(cè)，有利于鐵路各相關(guān)部門(mén)對(duì)軌道車(chē)的運(yùn)用、管理、維護(hù)、作業(yè)監(jiān)控、狀態(tài)監(jiān)控等有更詳細(xì)的、綜合的掌握，未來(lái)終會(huì)走向各種應(yīng)用的融合，才能增加效益，降低成本，為鐵路的飛速發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。

3.2 MPLS VPN 線路為其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸帶來(lái)的益處

鐵路大多數(shù)較為重要的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)幾乎都是通過(guò)早期建設(shè)的鐵路內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行傳輸，而早期的鐵路內(nèi)網(wǎng)帶寬較低，不能滿足現(xiàn)在需要高帶寬、低延遲、安全性高、綜合傳輸?shù)囊螅虼艘矊?dǎo)致了很多應(yīng)該部署的業(yè)務(wù)系統(tǒng)沒(méi)有上線，而本文設(shè)想建設(shè)的MPLS VPN鐵路專用網(wǎng)絡(luò)，在很大程度上是可以滿足這些需求的，能為鐵路的豐富業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸和更好的業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供可能性，為提升鐵路的安全保障提供技術(shù)性支持。