姚偉強

（中國鐵路烏魯木齊局集團(tuán)有限公司 阿勒泰基礎(chǔ)設(shè)施段，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

隨著我國鐵路的高速建設(shè)與發(fā)展，大量線路的新建與運營使得鐵路相關(guān)專業(yè)設(shè)備數(shù)量急劇增加，而信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備種類多而分布廣，需要大量運維人員確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。由于運維管理難度的不斷加大，信號系統(tǒng)運維的智能化、集成化與信息化等問題亟待解決，建設(shè)基于大數(shù)據(jù)的信號智能運維系統(tǒng)已成為信號維護(hù)系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢。為了預(yù)測和規(guī)避設(shè)備故障導(dǎo)致的惡劣影響，提高信號維護(hù)人員的工作效率，保障鐵路運輸?shù)陌踩€(wěn)定運營，以綜和智能采集、信息化管理為核心的智能監(jiān)測技術(shù)被應(yīng)用于信號運維系統(tǒng)中。目前信號設(shè)備按照布置地點主要分為車載設(shè)備和軌旁設(shè)備，其監(jiān)測手段分為列車監(jiān)測和軌旁集中監(jiān)測兩種。列車監(jiān)測是在列車運行過程中對車載設(shè)備動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行抓包獲取，將獲取的數(shù)據(jù)通過車地通信技術(shù)與基站聯(lián)系，從而保障列車的安全行使；軌旁設(shè)備的監(jiān)測主要是通過在車站采集電源、道岔、軌道電路等基礎(chǔ)信號設(shè)備的模擬量、開關(guān)量信息，而對于聯(lián)鎖、電源屏、智能燈絲等本身具備監(jiān)測功能的設(shè)備，通過接口獲取其相關(guān)狀態(tài)信息，有故障時及時報警。雖然智能監(jiān)測技術(shù)在信號運維系統(tǒng)中已取得了一定程度的應(yīng)用，但仍存在一些問題需要解決。文獻(xiàn)[3]基于圖論模型的方法對計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)進(jìn)行可視化模型的研究，并使用時序和模糊推理的方法對系統(tǒng)的復(fù)雜故障進(jìn)行智能診斷；文獻(xiàn)[4]分析了川藏鐵路線的現(xiàn)場環(huán)境與勘測資料，結(jié)合用戶需求對信號智能運維系統(tǒng)的功能與技術(shù)條件進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[5]從信號運維的系統(tǒng)層面出發(fā)，定義了關(guān)聯(lián)信號系統(tǒng)并構(gòu)建了分層架構(gòu)模型，提出了動態(tài)定量評估和風(fēng)險預(yù)警方案，實現(xiàn)了信號系統(tǒng)的運行狀態(tài)評估、風(fēng)險預(yù)警和故障診斷。

首先由于鐵路日常運營中產(chǎn)生的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)、圖像信息及操作日志等大量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)不利于數(shù)據(jù)分析與系統(tǒng)決策；其次信號系統(tǒng)運維數(shù)據(jù)類型多樣且不斷積累，傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已很難處理這些多源異構(gòu)的海量數(shù)據(jù)。為了最大化發(fā)揮運維大數(shù)據(jù)價值，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化處理，使其用于智能運維數(shù)據(jù)分析，為系統(tǒng)決策提供數(shù)據(jù)支持。本文介紹了鐵路信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了運維大數(shù)據(jù)的來源，提出現(xiàn)階段數(shù)據(jù)處理過程中存在的問題，設(shè)計出鐵路信號智能運維系統(tǒng)架構(gòu)并在關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)功能等方面進(jìn)行研究。

1 鐵路信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

鐵路信號系統(tǒng)主要有列控系統(tǒng)、聯(lián)鎖系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、信號集中監(jiān)測系統(tǒng)及通信設(shè)備組成，其按照設(shè)備布置地點主要分為：調(diào)度中心、車站設(shè)備、軌旁區(qū)間設(shè)備、車載設(shè)備、車輛段及維修中心，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。目前信號監(jiān)測系統(tǒng)是在車站完成外電網(wǎng)監(jiān)測、電纜對地絕緣測試、電源對地漏泄電流測試、道岔監(jiān)測、軌道電路監(jiān)測、熔絲報警監(jiān)測、溫濕度采集等功能；在維修中心與列控系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)接口，獲取這些設(shè)備的狀態(tài)信息，有故障時及時發(fā)出報警；監(jiān)測主機對采集的信號設(shè)備參數(shù)進(jìn)行故障診斷，提供維修建議，指導(dǎo)用戶進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。

圖1 信號系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

目前鐵路信號監(jiān)測系統(tǒng)依舊存在以下幾個方面的不足：

（1）監(jiān)測系統(tǒng)僅通過傳感器等設(shè)備獲取線路電流電壓信息，通過設(shè)備間的接口采集通信數(shù)據(jù)信息，而對于監(jiān)測到的數(shù)據(jù)化信息無法進(jìn)行智能分析與處理，無法準(zhǔn)確判斷設(shè)備處于正?；蚬收蠣顟B(tài)，現(xiàn)階段主要依靠維護(hù)人員依據(jù)自身專業(yè)知識及經(jīng)驗分析判斷設(shè)備狀態(tài)。

（2）對于獲得的大量數(shù)據(jù)無法做到被監(jiān)測設(shè)備、監(jiān)測基站及監(jiān)測系統(tǒng)之間的綜合處理，監(jiān)測列車獲得的數(shù)據(jù)與監(jiān)測車站獲得的數(shù)據(jù)只能分別分析處理，車地數(shù)據(jù)無法實時共享，未能綜合考慮人員操作、設(shè)備狀態(tài)、運行環(huán)境的關(guān)系，未能從整體角度智能分析整個系統(tǒng)。

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)來源較多結(jié)構(gòu)各異，如系統(tǒng)信息采集數(shù)據(jù)、調(diào)度人員及司機操作指令、維護(hù)人員記錄日志等，對于獲得的這些多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，存在術(shù)語、格式、內(nèi)容等不統(tǒng)一不規(guī)范的問題，維護(hù)系統(tǒng)無法直接使用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析與決策支持。

對于目前信號監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足，設(shè)計出新型的信號智能運維系統(tǒng)，結(jié)合大數(shù)據(jù)特點及其相關(guān)處理技術(shù)，實現(xiàn)故障定位、智能監(jiān)測與分析，從而解決電務(wù)人員維護(hù)工作強度高、故障排查難度大等問題，能有效提高鐵路信號系統(tǒng)的維護(hù)效率。

2 信號智能運維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能運維系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)匯集及儲存、數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用、數(shù)據(jù)顯示幾個方面，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 信號智能運維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）數(shù)據(jù)來源主要有監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)、維護(hù)檢修數(shù)據(jù)、運營生產(chǎn)數(shù)據(jù)及其他公共數(shù)據(jù)。其中監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括電源設(shè)備、道岔、軌道電路等基礎(chǔ)信號設(shè)備的模擬量、開關(guān)量信息，對于聯(lián)鎖、電源屏、智能燈絲本身具備監(jiān)測功能的設(shè)備，通過接口獲取其相關(guān)狀態(tài)信息；維護(hù)檢修數(shù)據(jù)主要有檢修日志、設(shè)備履歷、日常巡檢記錄等數(shù)據(jù)；運營生產(chǎn)數(shù)據(jù)主要有行車計劃、運營時刻表、調(diào)度人員指揮記錄等。

（2）數(shù)據(jù)匯集是指對各類數(shù)據(jù)歸并整合，如速度、距離、加速度、設(shè)備狀態(tài)、行車狀態(tài)、線路狀態(tài)等格式化數(shù)據(jù)以及視頻、圖像、聲音、維修記錄、系統(tǒng)日志等非格式化數(shù)據(jù)。對獲得的數(shù)據(jù)屬性抽取、轉(zhuǎn)化和融合的方式進(jìn)行規(guī)范化處理，通過匹配時間地點等信息進(jìn)行實現(xiàn)，避免數(shù)據(jù)錯亂或產(chǎn)生歧義。

（3）數(shù)據(jù)存儲是將規(guī)范化后的數(shù)據(jù)根據(jù)日期、地點、關(guān)系型、非關(guān)系型等特點進(jìn)行分類存儲。隨著運營生產(chǎn)數(shù)據(jù)不斷累加，需要的存儲空間較大，可通過周期性清理的方式定期清理數(shù)據(jù)，可根據(jù)需求一個月、三個月、半年或一年進(jìn)行數(shù)據(jù)清理。

（4）數(shù)據(jù)分析及計算是數(shù)據(jù)處理的核心，可根據(jù)需求抽取相關(guān)數(shù)據(jù)或關(guān)鍵數(shù)據(jù)，對抽取的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以避免數(shù)據(jù)噪聲導(dǎo)致的較大計算誤差，通過邏輯分析、回歸分析和云計算等方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，最后還需衡量計算結(jié)果的準(zhǔn)確及好壞，使其更精準(zhǔn)地體現(xiàn)出大數(shù)據(jù)的價值。

（5）數(shù)據(jù)應(yīng)用是以數(shù)據(jù)分析及計算結(jié)果為依托，實現(xiàn)故障定位、故障診斷及處置、應(yīng)急處理指揮與流程、日常檢修維護(hù)重點目標(biāo)、故障預(yù)測、設(shè)備健康及全壽命周期管理等功能。

（6）數(shù)據(jù)展示是通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)和人機交互技術(shù)，將數(shù)據(jù)分析計算的結(jié)果在平臺進(jìn)行展示，可通過圖形、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D、設(shè)備模型等方式更直觀地向用戶呈現(xiàn)智能監(jiān)測結(jié)果，滿足電務(wù)人員的各項展示需求。

3 大數(shù)據(jù)智能運維系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

目前大數(shù)據(jù)主要使用的技術(shù)有數(shù)據(jù)采集與集成、數(shù)據(jù)的分析與挖掘（如谷歌公司推出的Map Reduce技術(shù)、開發(fā)分布式文件系統(tǒng)GFS、Big Table分布式并行數(shù)據(jù)庫技術(shù)）、數(shù)據(jù)可視化與人機交互技術(shù)（如標(biāo)簽云、歷史流技術(shù)等）。下面將針對信號智能運維系統(tǒng)中所使用到的數(shù)據(jù)接入技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)與故障預(yù)測健康管理技術(shù)進(jìn)行介紹：

3.1 數(shù)據(jù)接入技術(shù)

鐵路信號專業(yè)數(shù)據(jù)按照特點可分為靜態(tài)數(shù)據(jù)與動態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)有設(shè)備名稱及屬性等穩(wěn)定不變的數(shù)據(jù)，動態(tài)數(shù)據(jù)包括檢修巡檢記錄、告警信息、操作命令、調(diào)度命令、設(shè)備動作記錄、列車運行記錄等實時更新且不斷增長的數(shù)據(jù)；按照類型可分為實時數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)、圖片視頻數(shù)據(jù)、消息記錄等數(shù)據(jù)。目前的數(shù)據(jù)接入技術(shù)中通過面向資源的REST標(biāo)準(zhǔn)，利用HTTP動詞、狀態(tài)碼、報頭等實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接口，RESTFUL風(fēng)格的接口前后端分離，能減少通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，同時以JSON作為數(shù)據(jù)交換格式，可避免數(shù)據(jù)注入等安全問題，適于接入靜態(tài)數(shù)據(jù)。Kafka是一種高吞吐量的發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，具有高吞吐量、低耦合、擴(kuò)展性強等特點，可用于傳輸動態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

信號智能運維系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)多種多樣，將這些結(jié)構(gòu)各異的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化。首先需要形式化定義數(shù)據(jù)庫到RDF的轉(zhuǎn)換，從局部數(shù)據(jù)到整體數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換要求嚴(yán)格推理、邏輯驗證，是保證數(shù)據(jù)合并、語義一致、轉(zhuǎn)換完備的重要步驟；其次利用基于RDF（S）的閉包算法，通過對RDF（S）本體的每個節(jié)點進(jìn)行推理計算，將RDF（S）本體圖中的知識表達(dá)出來，可考慮數(shù)據(jù)中的日期、時間、地點等信息完成數(shù)據(jù)的匹配；最后對比RDF（S）本體與數(shù)據(jù)融合后的相似程度，以驗證融合數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.3 故障預(yù)測與健康管理

設(shè)備故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)可根據(jù)數(shù)據(jù)判定設(shè)備性能，監(jiān)測和診斷設(shè)備故障，提前預(yù)測故障的發(fā)生，電務(wù)維修人員可根據(jù)預(yù)測提前采取維護(hù)手段或容錯措施保障運營。PHM通過平臺大數(shù)據(jù)挖掘關(guān)鍵參數(shù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)對比分析實現(xiàn)故障識別與診斷，根據(jù)故障處理流程及設(shè)備維護(hù)規(guī)程提出維修策略，PHM還具有設(shè)備健康狀態(tài)評估和壽命追蹤功能。能夠?qū)崿F(xiàn)從板卡、模塊到部件到設(shè)備再到系統(tǒng)的不同層級、不同級別的綜合診斷、預(yù)測和健康管理。

4 結(jié) 論

智能運維系統(tǒng)已成為鐵路運維發(fā)展的主要方向，以信號系統(tǒng)大數(shù)據(jù)為驅(qū)動，通過數(shù)據(jù)處理技術(shù)將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，綜合運用數(shù)據(jù)接入技術(shù)、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)據(jù)智能分析、故障診斷及設(shè)備健康狀態(tài)評估技術(shù)，實現(xiàn)信號設(shè)備的集成監(jiān)督、故障預(yù)測綜合管控。隨著我國科技技術(shù)的不斷發(fā)展，實現(xiàn)信號監(jiān)測系統(tǒng)的集成化與智能化，為電務(wù)人員提供數(shù)據(jù)分析與智能診斷，通過數(shù)據(jù)可視化技術(shù)建設(shè)友好人機界面，促進(jìn)了設(shè)備由計劃修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變，提升故障處置效率，減少信號系統(tǒng)維護(hù)成本，為實現(xiàn)鐵路系統(tǒng)智慧運營提供技術(shù)支撐。