楊建偉，陳中雷，馬 禎，沈敬偉，包 云

（1.中國鐵路北京局集團有限公司 工務部，北京 100860；2.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

為保障列車運行安全，我國已建高速鐵路均建設了自然災害及異物侵限監(jiān)測系統(tǒng)（簡稱：災害監(jiān)測系統(tǒng)），對沿線風、雨、雪等氣象災害及上跨高速鐵路的道路橋梁異物侵限進行監(jiān)測，為調度指揮提供列車運行管理建議，在發(fā)生異物侵限時聯(lián)動信號系統(tǒng)進行處置。災害監(jiān)測系統(tǒng)于2008年在京津（北京—天津）城際鐵路投入運用，為列車安全運行發(fā)揮了重要的技術保障作用。

災害監(jiān)測系統(tǒng)的運行與維護（簡稱：運維）工作是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎。針對該系統(tǒng)運維管理的研究主要集中在異物侵限監(jiān)測功能[1-3]和系統(tǒng)可靠性等方面[4-6]。多年來，災害監(jiān)測系統(tǒng)積累了線路災害報警數據，風、雨、雪及異物侵限監(jiān)測數據，以及設備運行狀態(tài)監(jiān)測等數據，亟需對其挖掘、分析和應用，發(fā)揮數據對系統(tǒng)運維管理的支撐作用。

1 災害監(jiān)測系統(tǒng)運維管理概述

災害監(jiān)測系統(tǒng)由現(xiàn)場監(jiān)測設備和鐵路局集團公司中心系統(tǒng)組成，現(xiàn)場監(jiān)測設備包括風、雨、雪及異物侵限前端采集設備和監(jiān)控單元，鐵路局集團公司中心設備包括服務器、網絡和安全設備、監(jiān)測終端等。災害監(jiān)測系統(tǒng)是一個多專業(yè)融合的系統(tǒng)，其運維工作由工務、電務（通信、信號）、信息等專業(yè)人員共同完成[7]。

災害監(jiān)測系統(tǒng)的運維采用計劃修和故障修相結合的維修模式，除按計劃定期開展維修外，當出現(xiàn)故障時，需開展臨時處置和維護。系統(tǒng)故障包括風雨雪監(jiān)測數據異常、系統(tǒng)脫離監(jiān)控、通訊異常等。

2 災害監(jiān)測異常數據分析

災害監(jiān)測異常數據分析是識別系統(tǒng)運行狀態(tài)的有效手段之一，通過對風雨雪監(jiān)測異常數據的分析，可識別系統(tǒng)或設備的異常情況，本文以風監(jiān)測異常數據為例進行分析。

2.1 風監(jiān)測異常數據概述

我國高速鐵路通過在沿線大風重點發(fā)生區(qū)段（如山區(qū)埡口、峽谷、河谷、橋梁及高路堤等區(qū)段）設置風監(jiān)測設備，采集監(jiān)測點處的瞬時風速和風向信息。當風速超過報警閾值時，系統(tǒng)發(fā)出大風報警，列車調度員發(fā)出行車限速或停車指令。為保證監(jiān)測數據的穩(wěn)定和連續(xù)性，一般在同一監(jiān)測點設置兩臺風速風向計。由于設備自身原因或受外界環(huán)境影響，風監(jiān)測過程中產生的異常數據通常表現(xiàn)為跳變、長時間不變、無效字符等，如圖1所示。

圖1 高鐵風速監(jiān)測數據

2.2 風監(jiān)測異常數據判識方法研究

通過對兩臺風速風向計的風速監(jiān)測數據基于皮爾遜相關系數進行相關性分析，可判識監(jiān)測數據是否一致，如圖2所示，兩組數據的相關系數為25.54%，相關性較小，需要分別對兩臺風速風向計監(jiān)測數據進行異常判識。單臺風速風向計的異常數據判識可采用長短期記憶（LSTM，Long Short-Term Memory）神經網絡方法對未來風速進行預測[8-9]，當監(jiān)測值與預測值出現(xiàn)較大差異時，進行人工復核，如圖3所示，可認定是否為異常數據。

圖2 同一監(jiān)測點兩臺風速風向計風速監(jiān)測數據相關性分析

圖3 基于 LSTM 的風速異常數據判識

2.3 風監(jiān)測異常數據原因分析

風監(jiān)測異常數據主要由2種原因導致：（1）由于傳感器故障導致的風監(jiān)測數據異常，如圖4所示，風速風向計2監(jiān)測值出現(xiàn)階躍式跳變，數據不可采用，經分析，該跳變是由于傳感器被積雪凍住而導致；（2）由于現(xiàn)場環(huán)境原因導致風監(jiān)測數據異常，如圖5所示，可以看出兩臺風速風向計監(jiān)測的風速與風向有關，當風向在225°～270°之間時，風速風向計2的監(jiān)測值較大，當風向在270°～315°之間時，風速風向計1的監(jiān)測值較大，由于風速異常與風向有關，該異?？煽紤]是由接觸網支柱遮擋而導致。

圖4 傳感器故障導致的監(jiān)測異常數據

圖5 風向導致的風速異常分布情況

3 災害報警數據挖掘分析及應用

3.1 災害數據分析

通過對災害監(jiān)測系統(tǒng)的災害報警數據進行分析，可發(fā)現(xiàn)災害的危險區(qū)段。圖6為某線路風雨監(jiān)測報警數據分析圖，從圖6（a）中可以看出大風的重點發(fā)生區(qū)段（紅色區(qū)段為災害報警高發(fā)區(qū)），圖6（b）為基于累計降雨量分析的降雨高發(fā)區(qū)段，結合地形地貌情況，可進行降雨及次生（滑坡、泥石流等）災害的重點防治。雨季中，工務、電務等部門可對降雨重點發(fā)生區(qū)域進行有針對性的巡查。

圖6 某線路大風、降雨空間風險區(qū)劃示意

3.2 鐵路基礎設施運維建議研究

以大風分析為例，風季大風具有一定的規(guī)律，通過對某路段一日內大風發(fā)生頻率的分析，可得出大風頻發(fā)的時段和區(qū)段。在可選擇的情況下，維修天窗的設置可避開大風易發(fā)生的時段和區(qū)段。圖7為某線路風季（3～5月）時1日內大風發(fā)生的頻次圖，可以看出，在凌晨4：00～6：00時發(fā)生6級以上大風的概率小于其他時段，建議在此時段開展維修工作。

圖7 某線路風季1日內6級以上大風發(fā)生時段分布

4 基于故障數據的系統(tǒng)運維研究

4.1 系統(tǒng)故障數據分析

故障數據分析是進行故障診斷的基礎，通過對各線路災害監(jiān)測系統(tǒng)運行數據的分析，可把握相關技術和系統(tǒng)的可靠性。

（1）按線路分析

圖8是中國鐵路北京局集團有限公司管內8條線路的災害監(jiān)測系統(tǒng)每年每公里的系統(tǒng)故障情況，從圖8中可以看出，線路2故障率相對較高。由于線路2與其他線路相比開通運營時間較早（2010年），隨著災害監(jiān)測系統(tǒng)技術不斷優(yōu)化升級，系統(tǒng)可靠性不斷提高，其他線路故障次數明顯降低。

圖8 各線路故障情況

（2）按建設單位分析

圖9是按建設單位每年每公里分析的系統(tǒng)故障情況，從圖9中可以看出，建設單位2建設的系統(tǒng)故障相對較高，進一步分析發(fā)現(xiàn)，建設單位2承擔了較早開通運營線路的系統(tǒng)建設任務。建設單位3系統(tǒng)故障相對較低，與其他建設單位同期建設的系統(tǒng)故障情況相比，該單位建設的系統(tǒng)穩(wěn)定性較高。

圖9 各建設單位承建線路故障情況

（3）通過設備狀態(tài)分析

通過分析設備狀態(tài)數據，可挖掘設備故障規(guī)律，進行有針對性的運維。圖10是對某線路現(xiàn)場監(jiān)測設備故障的分析，可看出監(jiān)控單元故障是該線路檢測設備的主要故障，而監(jiān)控單元故障原因主要是網絡故障。

圖10 某線路現(xiàn)場監(jiān)測設備故障分析

4.2 系統(tǒng)故障診斷

災害監(jiān)測系統(tǒng)故障數據為0-1開關量，本文借鑒文獻[10]，采用失效模式與影響分析（FMEA ，F(xiàn)ailure Mode and Effects Analysis）和隨機森林算法相結合的方法對系統(tǒng)故障進行診斷。以故障較多的監(jiān)控單元故障診斷為例，建立故障診斷FMEA表，如表1所示。

表1 監(jiān)控單元故障診斷 FMEA 表

決策樹算法是故障診斷中常用的方法，但單一的決策樹容易導致模型過擬合的問題[11-12]。隨機森林算法集成多棵決策樹組成一個集成模型，通過設置樹的深度減少方差，有效解決單一決策樹模型過擬合的問題?；贔MEA和隨機森林算法的監(jiān)控單元故障診斷流程為：如圖11所示，（1）對故障數據進行預處理，形成FMEA表，并將數據分為訓練數據和測試數據；（2）針對訓練數據集，利用Bootstrap重抽樣方法[13]從原始樣本中抽取多個樣本，對每個樣本建立決策樹；（3）將這些決策樹組合在一起，通過投票得出最后的分類結果。

圖11 基于FMEA和隨機森林算法的監(jiān)控單元故障診斷流程

本文對上述8條線路的監(jiān)控單元故障進行診斷，共收集到監(jiān)控單元故障樣本116條，基于該方法的監(jiān)控單元故障診斷準確率可達77%，如圖12所示。

圖12 故障診斷準確率與隨機森林棵樹的關系

5 結束語

本文通過對高速鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)的檢測數據、報警數據及系統(tǒng)運行狀態(tài)數據的分析，提高災害報警的可靠性；識別高速鐵路沿線災害風險，為災害防御提供支持；開展設備質量評價和故障診斷技術研究，為故障處置提供依據。相關研究已在京張高鐵（北京—張家口高速鐵路）開展應用，為高速鐵路災害監(jiān)測系統(tǒng)的運維工作提供支撐。