史曉磊，馮麗敏，蔣 薈，王華偉，李 源

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（以下簡稱TPDS 系統(tǒng)）［1］，利用設(shè)在軌道上的測試平臺，動態(tài)監(jiān)測運行中車輛輪軌間的動力學(xué)參數(shù)，在聯(lián)網(wǎng)評判的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對車輛運行狀態(tài)的識別。系統(tǒng)產(chǎn)生了海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)。如：TPDS 系統(tǒng)每日新增列車檢測數(shù)據(jù)約2 萬條，每年新增約720 萬；每日新增車輛檢測約40 萬條，每年新增約1.5 億條；每日新增輪軸檢測數(shù)據(jù)200 萬條等?；赥PDS 系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)，借助基于Hadoop 平臺的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析車輛故障規(guī)律，研制TPDS 車輛故障大數(shù)據(jù)應(yīng)用，提高貨車安全保障能力。

針對各級車輛管理部門提出的TPDS 系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)深入挖掘要求，借助基于Hadoop 平臺的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，分析車輛故障規(guī)律，研制TPDS 車輛故障大數(shù)據(jù)應(yīng)用，為各級車輛管理部門提供輔助和預(yù)測信息服務(wù)，不斷深化TPDS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用和提高貨車安全保障能力。

1 業(yè)務(wù)流程

通過對TPDS 設(shè)備探測貨車踏面損傷數(shù)據(jù)進(jìn)行車輛踏面服役性能、踏面損傷報警等級演變等規(guī)律分析，并將分析結(jié)論實時推送至列檢值班員。當(dāng)發(fā)現(xiàn)預(yù)警車輛信息時，在列車到達(dá)或者中轉(zhuǎn)列檢作業(yè)場后，通過手持終端或者對講機(jī)通知檢車員重點檢查，如果車輛踏面損傷較為嚴(yán)重，列檢值班員及時通知車站調(diào)度值班員進(jìn)行扣車作業(yè)，視情況分別送至站修作業(yè)場或者檢修車間進(jìn)行檢修作業(yè)，列檢值班員對踏面損傷實際測量及現(xiàn)場處置信息進(jìn)行反饋，同時清零相關(guān)預(yù)警信息。

2 總體架構(gòu)

TPDS 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)在國鐵集團(tuán)鐵路綜合信息網(wǎng)內(nèi)部服務(wù)網(wǎng)上進(jìn)行一級集中部署，采用B/S模式為國鐵集團(tuán)、鐵路局、車輛段提供三級聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用服務(wù)。通過與既有TPDS 系統(tǒng)據(jù)的共享與集成，構(gòu)成系統(tǒng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用基于Hadoop 平臺的大數(shù)據(jù)計算集群定時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并將數(shù)據(jù)分析結(jié)果提供給各級車輛管路部門。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 TPDS 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)總體架構(gòu)

3 功能設(shè)計

TPDS 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的功能模塊組成如圖2所示。

圖2 TPDS 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)功能設(shè)計

（1）故障預(yù)測

研究踏面沖擊當(dāng)量由二級到一級預(yù)警周期規(guī)律，預(yù)測故障發(fā)展走勢，研究故障發(fā)生與運用時間的規(guī)律關(guān)系，在愈演愈烈前進(jìn)行故障預(yù)測，以便攔停檢修，保障車輛運行安全，防患于未然。

利用Hadoop 集群計算資源，按路局維度，分別以月、年為時間單位統(tǒng)計分析TPDS 監(jiān)測和預(yù)警數(shù)量，預(yù)測預(yù)警趨勢，掌握故障變化趨勢，用以指導(dǎo)檢修。

（2）質(zhì)量分析改進(jìn)

研究基于Hadoop 集群實現(xiàn)TPDS 歷史踏面損傷和運行不良預(yù)警數(shù)據(jù)按車種車型、生產(chǎn)廠家、輪軸型號的統(tǒng)計分析，為質(zhì)量分析改進(jìn)提供依據(jù)。

對于鐵路局管轄范圍內(nèi)修過的貨車，在運用一段時候之后的報警率以及運行狀態(tài)不良情況進(jìn)行統(tǒng)計分析，評價鐵路局的檢修質(zhì)量。

（3）車輛運行狀態(tài)評估

根據(jù)段修月份選擇一批段修修竣車，統(tǒng)計分析這批段修修竣車在一個段修周期內(nèi)平均聯(lián)網(wǎng)積分均值的變化情況，整車服役性能規(guī)律分析，反映不同車型的整車服役性能變化規(guī)律，對車輛運行狀態(tài)進(jìn)行評估，掌握整車的健康狀態(tài)，實現(xiàn)整車及關(guān)鍵配件視情維修。

（4）故障規(guī)律分析

根據(jù)探測站線路關(guān)系，預(yù)測特定線路上TPDS預(yù)警數(shù)據(jù)走勢，形成不同線路之間預(yù)警對比分析，分析不同線路對車輛運行狀態(tài)的影響。在選定的時間范圍內(nèi)，分析該線路上所有探測站的報警率與處理率，以便針對經(jīng)常發(fā)生報警的線路，對運用檢修的故障規(guī)律掌握提供決策支持。

（5）車輛設(shè)計、工藝改進(jìn)輔助支持

研究基于Hadoop 集群實現(xiàn)TPDS 踏面損傷一、二、三級以及運行狀態(tài)不良預(yù)警按路局、車型進(jìn)行趨勢預(yù)測。研究報警類型、嚴(yán)重程度與車型的規(guī)律，以便對車型的設(shè)計提供輔助決策依據(jù)。

按車型統(tǒng)計長時間范圍內(nèi)的TPDS 報警情況，如5 年內(nèi)，10 年內(nèi)，目的是掌握車型在較長時間范圍內(nèi)的報警類型分布，為該車型車輛參數(shù)的設(shè)計、工藝的改進(jìn)提供輔助決策支持。

（6）綜合概況

各路局每日監(jiān)測輛數(shù)、報警率、處理率的對比，以便管理層從整體把握各局TPDS 報警與處理情況。

4 關(guān)鍵算法研究

4.1 主要探測站報警率與月份變化規(guī)律分析

通過對探測貨車輛次較大的TPDS 探測站，分析其檢測報警故障率在1 年中12 個月的變化規(guī)律，指導(dǎo)車輛運用部門在報警率較高的月份重點防范車輪踏面損傷故障。

以2018 年全路TPDS 設(shè)備檢測的數(shù)據(jù)為樣本，選取檢測貨車輛數(shù)超過500 萬輛且檢測報警率相對較高的前4 位探測站，作為分析對象，滿足條件且位列前4 的探測站分別是圃田（隴海線）、漢溝（京滬線）、靈山（沈大線）、興隆場（襄渝線），分別計算4 個探測站在全年12 個月份的報警率，其中報警率=報警輛數(shù)/檢測輛數(shù)×1000‰。通過對4臺TPDS 設(shè)備報警率變化曲線的對比分析，得出車輛踏面報警率較高的月份，如圖3 所示。

圖3 報警率與月份變化規(guī)律分析

由圖3 數(shù)據(jù)曲線可得出，1、2 月份報警率相對其他月份較高，11、12 月份報警率較前幾個月有攀升趨勢，建議車輛運用部門在每年1、2、11、12 月份加強(qiáng)對貨車車輪踏面檢查力度。

4.2 車輛服役性能變化規(guī)律分析

TPDS 聯(lián)網(wǎng)積分是對貨車技術(shù)狀態(tài)的重要評價指標(biāo)［2］。以典型車種車型為對象，以段修周期為單位，分析典型車型對應(yīng)批次車輛的平均聯(lián)網(wǎng)積分在不同運用時長下的變化趨勢，以估算貨車服役性能的變化規(guī)律。

以最近3 年TPDS 檢測數(shù)據(jù)為樣本，選取典型車型C64K、P64K，統(tǒng)計分析所選車型對應(yīng)貨車車輛聯(lián)網(wǎng)積分平均值。C64K、P64K貨車段修周期為18 個月，取所選車型對應(yīng)車輛在最近一次段修前推一個段修周期聯(lián)網(wǎng)積分?jǐn)?shù)據(jù)，計算所有車輛在段修期18個月內(nèi)的平均聯(lián)網(wǎng)積分值，以平均聯(lián)網(wǎng)值為縱坐標(biāo)，段修期18 個月為橫坐標(biāo)，繪制段期內(nèi)聯(lián)網(wǎng)積分變化曲線，通過聯(lián)網(wǎng)積分曲線反應(yīng)貨車服役性能變化趨勢，如圖4 所示。

圖4 車輛運行狀態(tài)評估

依據(jù)上圖曲線可得出結(jié)論，C64K、P64K型貨車在一個段修周期內(nèi)，伴隨著運用時長的增加，貨車聯(lián)網(wǎng)積分平均值在逐漸升高。

4.3 踏面損傷報警演變規(guī)律分析

TPDS 系統(tǒng)對車輪踏面損傷的評價是根據(jù)沖擊當(dāng)量大小來度量的。沖擊當(dāng)量是根據(jù)輪對對軌道結(jié)構(gòu)的沖擊作用大小、速度、輪重等因素?fù)Q算的度量值。TPDS 踏面損傷報警級別分3 類，與沖擊當(dāng)量的對應(yīng)關(guān)系如下表：

表1 TPDS 報警等級與踏面沖擊當(dāng)量關(guān)系表

通過研究典型車種車型的車輪踏面損傷報警由三級發(fā)展為二級，再由二級發(fā)展到一級時，相應(yīng)貨車走行里程的變化，分析踏面損傷報警級別演變與貨車走行里程關(guān)系規(guī)律，以預(yù)測車輪踏面損傷報警發(fā)展趨勢，為提前防范行車安全事故提供輔助決策支撐。

以近10 年TPDS 探測數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源，選取典型車種車型C64K、C70、P70，分別選取上述車型由踏面報警三級發(fā)展到二級和由報警二級發(fā)展到一級的有效檢測數(shù)據(jù)，去除進(jìn)行旋輪作業(yè)的車輪，通過車號、踏面報警三級發(fā)展到報警二級時間差、報警二級發(fā)展到報警一級時間差等數(shù)據(jù)項關(guān)聯(lián)貨車走行里程數(shù)據(jù)，計算出單車單輪走行里程增量，然后以車輛為單位，分組計算貨車走行里程增量，再以C64K、C70、P70車型為單位，分組計算平均走行里程，得到所選車型踏面報警等級演變和實際走行里程關(guān)系。借助演變數(shù)據(jù)規(guī)律，為貨車運用技術(shù)管理人員提供車輪踏面報警信息支撐，有效防范行車故障。

5 結(jié)束語

TPDS 大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)利用基于Hadoop 平臺的大數(shù)據(jù)集群技術(shù)對蘊藏在車輛運行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)（TPDS 系統(tǒng)）監(jiān)測數(shù)據(jù)開展深入挖掘和規(guī)律分析，研究車輪踏面損傷故障報警等級演變、多發(fā)線路故障、車輛服役性能等發(fā)生發(fā)展規(guī)律，為貨車故障診斷與預(yù)測、貨車運用檢修提供輔助決策支持；通過對輪對不同型號故障數(shù)據(jù)的分析，為貨車輪對設(shè)計、工藝改進(jìn)等提供重要數(shù)據(jù)支撐。本系統(tǒng)是對TPDS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)的深化應(yīng)用，能夠進(jìn)一步提高貨車安全保障能力，有效預(yù)防車輛踏面故障，具有顯著的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。