楊凱

（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）

1 概述

保障動車組列車運行安全是鐵路運輸安全的工作重點。動車組運行故障圖像監(jiān)測系統(tǒng)(Train of EMU failures Detection System，TEDS)作為動車組地對車運行狀態(tài)的重要監(jiān)測工具[1]，實現(xiàn)了對開行動車組側部、底部關鍵運行部件的實時圖像檢測及故障識別，并通過全路綜合聯(lián)網(wǎng)的集中分析作業(yè)及各級應用管理，在保障動車組運行安全方面發(fā)揮了重要作用[2]。

當前，受限于圖像識別技術發(fā)展能力，TEDS系統(tǒng)在實際應用時仍主要以人工監(jiān)測分析過車圖像為主的方式開展。隨著聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測范圍的持續(xù)擴大，人工監(jiān)測作業(yè)強度隨之增大，人力成本不斷增高。為此，中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)修訂了TEDS 運用管理辦法[3]，提出對不同開行狀況的動車組列車開展不同類型的精細化分類監(jiān)測作業(yè)，以期在保障監(jiān)測效果的同時有效降低總體分析作業(yè)量。

然而，目前現(xiàn)有TEDS 系統(tǒng)并不具備分類監(jiān)測作業(yè)的功能。因此，研究TEDS 自動分類監(jiān)測作業(yè)技術，提出全路范圍內跨監(jiān)控中心的分類監(jiān)測作業(yè)技術方案，實現(xiàn)自動分類監(jiān)測作業(yè)的系統(tǒng)功能，有效降低監(jiān)測分析作業(yè)及相應技術管理的強度和難度，具有重要的研究價值與實際意義。

2 研究現(xiàn)狀

TEDS系統(tǒng)是對動車組運行狀態(tài)實時監(jiān)測的聯(lián)網(wǎng)應用系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)將設置于鐵路正線關鍵節(jié)點的動車組運行故障圖像檢測設備(以下簡稱“探測站”)進行集中聯(lián)網(wǎng)[5]，構建了國鐵集團、動車(車輛)段監(jiān)控中心二級聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構，研發(fā)了國鐵集團、鐵路局集團公司、動車(車輛)段、動車所四級應用的系統(tǒng)功能，實現(xiàn)了對動車組側部、底部關鍵運行部件的實時圖像采集、故障自動識別、集中分析作業(yè)、聯(lián)網(wǎng)應用與綜合管理，在保障動車組運行安全方面發(fā)揮了重要的技術作用，TEDS系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

圖1 TEDS系統(tǒng)總體架構Fig.1 Overall architecture of TEDS system

其中，探測站在動車組運行通過時，采集過車信息、車體圖像，并進行異常算法分析生成自動報警信息，上傳至動車(車輛)段監(jiān)控中心。動車(車輛)段監(jiān)控中心接入管轄范圍內各探測站信息與圖像，研發(fā)部署了分析作業(yè)系統(tǒng)功能，供現(xiàn)場作業(yè)人員分析查看過車信息、圖像及報警信息[6]。國鐵集團接入全路各動車(車輛)段監(jiān)控中心上傳數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全路范圍的監(jiān)測信息管理、數(shù)據(jù)共享轉發(fā)及業(yè)務應用管理。

當前，受限于TEDS 圖像識別技術發(fā)展[7-8]，TEDS 異常識別算法的總體性能仍無法滿足應用需求，自動報警準確率較低、誤報率較高[9]。因此，在實際應用中，現(xiàn)場作業(yè)人員仍需對過車圖像進行整車圖像查看，以發(fā)現(xiàn)其中可能存在的異常情況。隨著監(jiān)測范圍的不斷擴大，TEDS 系統(tǒng)日監(jiān)測動車組已突破1 萬列次，人工監(jiān)測作業(yè)強度不斷增大，人力成本隨之增高。為適應當前技術瓶頸，在保障動車組運行狀態(tài)有效監(jiān)測的基礎上，實現(xiàn)國鐵集團降本增效的總體戰(zhàn)略，業(yè)務管理單位修訂了TEDS運用管理辦法[3]，優(yōu)化TEDS系統(tǒng)運用管理模式，對精細化分類監(jiān)測作業(yè)提出了明確需求。要求跨局動車組列車TEDS 監(jiān)測作業(yè)遵循動車組運行1 000 km內、一級修后500 km 內、當日不進行一級修的終到前500 km 內和次日上線后500 km 內各作業(yè)1 次，其余情況可不作業(yè)的原則；局管內動車組列車TEDS 監(jiān)測作業(yè)頻次與作業(yè)內容由鐵路局集團公司自定。

3 方法設計

3.1 總體設計

設計實現(xiàn)了一種TEDS 自動分類監(jiān)測作業(yè)方法，在國鐵集團級設計建立了全路動車組開行列車TEDS 分類作業(yè)的關聯(lián)作業(yè)圖表，提出了利用多源基礎數(shù)據(jù)自動計算作業(yè)圖表的算法，在動車(車輛)段監(jiān)控中心設計了本地作業(yè)圖表的生成方案，研發(fā)了自動派工的系統(tǒng)應用功能，實現(xiàn)了依據(jù)作業(yè)圖表分類監(jiān)測的作業(yè)能力。方法流程示意圖如圖2所示。

圖2 方法流程示意圖Fig.2 Method flow diagram

其中，在國鐵集團級系統(tǒng)中，首先通過網(wǎng)絡獲取鐵路工務、調度、車輛專業(yè)相關信息化系統(tǒng)多源基礎數(shù)據(jù)并進行處理，然后通過算法設計求取全路范圍的跨局開行列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表，經(jīng)相應的系統(tǒng)功能實現(xiàn)作業(yè)圖表的應用管理后，通過兩級聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構，將作業(yè)圖表信息分類發(fā)至各動車(車輛)段監(jiān)控中心；在動車(車輛)段監(jiān)控中心系統(tǒng)中，首先利用局管內的多源基礎信息計算生成局管內列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表，再結合國鐵集團下發(fā)的跨局作業(yè)信息，實現(xiàn)各動車(車輛)段監(jiān)控中心分類監(jiān)測作業(yè)信息的應用及管理，并通過系統(tǒng)功能的設計與研發(fā)，自動對所轄探測站檢測的列車進行按類型派工作業(yè)。

3.2 國鐵集團級

3.2.1 數(shù)據(jù)獲取與處理

TEDS 系統(tǒng)在其國鐵集團級系統(tǒng)中，可通過鐵路內部服務網(wǎng)，按照鐵路信息化總體規(guī)劃設計方案[10]，與鐵路工務、調度、車輛專業(yè)相關信息化系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，獲得鐵路線路信息、交路開行信息、單位字典信息、系統(tǒng)臺賬信息、探測站基礎信息等數(shù)據(jù)，并進行相應的數(shù)據(jù)處理。

其中，通過鐵路工務相關信息系統(tǒng)獲取鐵路線路信息，經(jīng)處理存儲為數(shù)據(jù)表T1，主要包括線路、沿線車站、車站公里標等數(shù)據(jù)，線路與沿線車站為一對多、沿線車站與車站公里標為一對一關系；通過調度指揮相關信息系統(tǒng)獲取交路開行信息，經(jīng)處理存儲為數(shù)據(jù)表T2，主要包括交路、車組號、車次、途經(jīng)車站、到站時間、出站時間、到站屬性等數(shù)據(jù)，交路與車次、車次與途經(jīng)車站均為一對多關系，途經(jīng)車站與出站時間、到站時間、到站屬性為一對一關系；通過鐵路車輛相關信息系統(tǒng)獲取單位字典信息，經(jīng)處理存儲為數(shù)據(jù)表T3，主要包括鐵路局集團公司、動車(車輛)段、監(jiān)控中心等數(shù)據(jù)，鐵路局集團公司與動車(車輛)段、動車(車輛)段與監(jiān)控中心均為一對多關系；由TEDS 系統(tǒng)自建生成系統(tǒng)臺賬信息和探測站基礎信息，經(jīng)處理分別存儲為數(shù)據(jù)表T4 和T5。其中，T4 主要包括監(jiān)控中心、探測站等數(shù)據(jù)，監(jiān)控中心與探測站可為多對多關系，T5 主要包括探測站、所在線路、所在公里標等數(shù)據(jù)，探測站、所在線路、所在公里標均為一對一關系。

在數(shù)據(jù)處理過程中，對各數(shù)據(jù)表相同類型項點的數(shù)據(jù)，設計自動的歸一化處理流程，避免不同數(shù)據(jù)源同類型數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)內容差異。

3.2.2 跨局作業(yè)圖表生成

基于整理后的多源基礎數(shù)據(jù)，設計實現(xiàn)了全路范圍的跨局開行列車分類作業(yè)圖表自動生成方法，具體步驟如下。

（1）計算各線路站間間隔里程。具體方法是依次讀取T1 各條線路各個車站與前一車站公里標，并求差得到站間間隔里程，補充至T1 該車站信息項后，記為數(shù)據(jù)表T1-1，站間間隔里程計算示意圖如圖3所示。

圖3 站間間隔里程計算示意圖Fig.3 Schematic diagram of interstation mileage calculation

（2）T1-1 與T5 做關聯(lián)計算，得到線路、車站、探測站、公里標、站間間隔里程關聯(lián)數(shù)據(jù)，記為數(shù)據(jù)表T6。具體計算時，T1-1 的車站公里標與T5 的探測站公里標采用近似相等的方式，即兩值差小于10 km 的認定為同一公里標值，以探測站公里標作為T6中對應項最終記錄值，T1-1與T5關聯(lián)計算示意圖如圖4所示。

圖4 T1-1與T5關聯(lián)計算示意圖Fig.4 Schematic diagram of T1-1 and T5 correlation calculation

（3）計算各交路途經(jīng)各探測站的運行里程。具體方法是依次讀取T2各交路途經(jīng)線路各車站名稱，并從T6中確認該車站是否有對應線路上的探測站，如果有對應探測站，則計算該車站與本交路中上一個有探測站的車站間的運行里程，計算結果補充至T2 該途經(jīng)車站信息項后，記為數(shù)據(jù)表T2-1，如兩站間跨多條線路(含同條線路)的多個車站則進行間隔里程加總，交路途經(jīng)探測站里程計算示意圖如圖5所示。

圖5 交路途經(jīng)探測站里程計算示意圖Fig.5 Schematic diagram of route detection station mileage calculation

（4）計算交路途經(jīng)各探測站分類作業(yè)類型。具體方法是按照國鐵集團制定的跨局動車組列車分類作業(yè)規(guī)則，依據(jù)T2-1 中各交路運行至各探測站時的運行里程、站停時間、到站屬性等數(shù)據(jù)，判定交路途經(jīng)各探測站的分類作業(yè)類型，生成跨局開行列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表，記為數(shù)據(jù)表T7，跨局列車作業(yè)圖表計算示意圖如圖6所示。

圖6 跨局列車作業(yè)圖表計算示意圖Fig.6 Schematic diagram for calculation of cross-bureau train operation diagram

3.2.3 圖表管理與分發(fā)

設計研發(fā)了TEDS 系統(tǒng)跨局開行列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表應用管理功能，可在國鐵集團級應用界面下，對自動生成的跨局開行列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表進行數(shù)據(jù)的增、刪、改、查。同時，為應對多源基礎數(shù)據(jù)無法獲取的情況，TEDS 系統(tǒng)同時研發(fā)相應功能，可直接在系統(tǒng)中通過人工錄入的方式，編輯生成跨局開行列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表。

跨局開行列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表最終確認后，利用T3 與T4 做關聯(lián)計算，得到鐵路局集團公司、動車(車輛)段、監(jiān)控中心、探測站關聯(lián)數(shù)據(jù)，記為數(shù)據(jù)表T8，T3與T4關聯(lián)計算示意圖如圖7所示。

圖7 T3與T4關聯(lián)計算示意圖Fig.7 Schematic diagram of T3 and T4 correlation calculation

在此基礎上，即可計算各動車(車輛)段監(jiān)控中心各探測站通過車次的作業(yè)類型。具體方法是逐個按照T5 的探測站檢索T7 并分類，形成各個探測站通過車次的作業(yè)類型，再依據(jù)T8 監(jiān)控中心與探測站關系進行分類匯總，最終形成各監(jiān)控中心跨局分類作業(yè)圖表，記為數(shù)據(jù)表T9，監(jiān)控中心作業(yè)圖表計算示意圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)控中心作業(yè)圖表計算示意圖Fig.8 Calculation diagram of operation chart of section monitoring center

最終，通過TEDS 系統(tǒng)2 級部署的系統(tǒng)架構，將各監(jiān)控中心跨局分類作業(yè)圖表分別發(fā)送至各動車(車輛)段監(jiān)控中心系統(tǒng)。

3.3 動車（車輛）段監(jiān)控中心級

3.3.1 局管作業(yè)圖表生成

按照運用管理要求，局管內開行動車組列車作業(yè)頻次與作業(yè)內容由各鐵路局集團公司自定。為此，對于局管內分類監(jiān)測作業(yè)圖表，設計了2 種生成方式。

第一種與跨局列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表類似，利用多源基礎數(shù)據(jù)與局管內動車組開行信息自動生成，不再贅述。

第二種，則是直接研發(fā)作業(yè)圖表導入與處理功能，可將鐵路局集團公司自定的動車組作業(yè)頻次與內容信息，按約定規(guī)范導入至系統(tǒng)，生成局管內分類監(jiān)測作業(yè)圖表，再利用T5 與T8 中本鐵路局集團公司相關信息，關聯(lián)計算得到各監(jiān)控中心的局管內分類作業(yè)圖表，并發(fā)至局管內各動車(車輛)段監(jiān)控中心系統(tǒng)，局管自定分類監(jiān)測作業(yè)數(shù)據(jù)規(guī)范如表1所示。

表1 局管自定分類監(jiān)測作業(yè)數(shù)據(jù)規(guī)范Tab.1 Self-defined classification monitoring operation data specification

3.3.2 圖表管理與分類監(jiān)測作業(yè)

設計研發(fā)了TEDS 系統(tǒng)分類監(jiān)測作業(yè)圖表應用管理功能，可在動車(車輛)段監(jiān)控中心系統(tǒng)應用界面下，對跨局、局管內分類監(jiān)測作業(yè)圖表進行數(shù)據(jù)的增、刪、改、查，便于對臨時開行列車分類監(jiān)測作業(yè)進行項點增加、對停開列車分類監(jiān)測作業(yè)進行項點刪除，以及對分類監(jiān)測作業(yè)的其他屬性進行修改、查詢等。

當列車實際開行通過某一探測站，并將過車信息、檢測圖像等數(shù)據(jù)上傳至相應動車(車輛)段監(jiān)控中心時，TEDS 系統(tǒng)依據(jù)過車信息中的車組號及通過時間檢索T2得到車次，結合列車通過的探測站，從跨局及局管內分類監(jiān)測作業(yè)圖表中確定分類監(jiān)測作業(yè)類型，并按照作業(yè)類型派工，最終實現(xiàn)自動分類監(jiān)測作業(yè)。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

設計的分類監(jiān)測作業(yè)方法，現(xiàn)已在全路聯(lián)網(wǎng)應用的TEDS 系統(tǒng)中部分應用。其中，國鐵集團級部署跨局作業(yè)圖表生成及管理功能，動車(車輛)段監(jiān)控中心部署跨局作業(yè)圖表查詢、局管內作業(yè)圖表生成及管理、本地作業(yè)列表查詢、分類派工監(jiān)測等功能，實現(xiàn)了全路動車組TEDS 分類監(jiān)測作業(yè)能力，滿足了國鐵集團運用管理辦法相關需求。受限于多源基礎數(shù)據(jù)的準確性和實時性問題，目前跨局開行列車分類監(jiān)測作業(yè)圖表的生成仍需依靠人工操作的干預。跨局作業(yè)圖表查詢功能界面如圖9 所示，本地作業(yè)列表查詢功能界面如圖10 所示，分類派工監(jiān)測功能界面如圖11所示。

圖9 跨局作業(yè)圖表查詢功能界面Fig.9 Cross-bureau operation chart query function interface

圖10 本地作業(yè)列表查詢功能界面Fig.10 Local job list query function interface

圖11 分類派工監(jiān)測功能界面Fig.11 Interface diagram of classified dispatching monitoring function

部分鐵路局集團公司TEDS 應用情況統(tǒng)計表如表2 所示。其中，“探測列次”為鐵路局集團公司所轄所有探測站檢測到的過車次數(shù)；“監(jiān)測作業(yè)列次”為鐵路局集團公司各監(jiān)控中心實際進行分析作業(yè)的列車次數(shù)；“異物發(fā)現(xiàn)數(shù)”是指在監(jiān)測作業(yè)中人工發(fā)現(xiàn)的車體底部、側部掛有異物(如樹枝、紙屑、塑料袋等)的情況次數(shù)；“千列均異物發(fā)現(xiàn)數(shù)”是指平均每監(jiān)測作業(yè)1 000 列車中能夠發(fā)現(xiàn)的掛有異物的次數(shù)。

表2 部分鐵路局集團公司TEDS應用情況統(tǒng)計表Tab.2 Statistics of TEDS application in some railway bureaus

根據(jù)2019 年和2021 年第三季度4 個鐵路局集團公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計情況可見，在探測列車次數(shù)基本持平或略有降低(受疫情影響)的情況下，各鐵路局集團公司的作業(yè)列車次數(shù)均明顯下降，降幅最高可達52.05%，整體工作量明顯減少。同時，在作業(yè)相同數(shù)量的列車時，千列均異物發(fā)現(xiàn)數(shù)明顯增多，

增幅最高可達493.89%，在監(jiān)測作業(yè)量降低的同時明顯提升了工作效率。由此可見，方法的實現(xiàn)有效減少了現(xiàn)場作業(yè)工作量，增強了異常發(fā)現(xiàn)能力，降低了人力成本壓力。

5 結束語

通過研究TEDS 自動分類監(jiān)測作業(yè)技術，設計實現(xiàn)了一種TEDS 自動分類監(jiān)測作業(yè)方法，在國鐵集團級設計建立了全路動車組開行列車TEDS 分類作業(yè)的關聯(lián)作業(yè)圖表，提出了利用多源基礎數(shù)據(jù)自動計算作業(yè)圖表的算法，在動車(車輛)段監(jiān)控中心設計了本地作業(yè)圖表的生成方案，研發(fā)了自動派工的系統(tǒng)應用功能，實現(xiàn)了依據(jù)作業(yè)圖表分類監(jiān)測的作業(yè)能力。實際應用表明，提出的方法能夠有效減少人工作業(yè)工作量、增強異常發(fā)現(xiàn)能力、降低人力成本壓力，為動車組運行狀態(tài)的有效監(jiān)測奠定了良好的技術基礎。后續(xù)的研究將集中于人機分工作業(yè)、故障全自動識別等方向。