信號(hào)集中監(jiān)測(cè)智能分析技術(shù)的應(yīng)用

張鳳啟

（上海鐵路局 電務(wù)處， 上海 200071 ）

信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CSM，Centralized Signalling monitoring System）是面向高速鐵路及普速鐵路信號(hào)領(lǐng)域的綜合性維護(hù)支持和信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。其監(jiān)測(cè)范圍包括聯(lián)鎖、閉塞、列控、TDCS/CTC、駝峰、電源屏、計(jì)軸等信號(hào)系統(tǒng)和設(shè)備；集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、數(shù)字通信、數(shù)據(jù)處理、自動(dòng)控制、多任務(wù)協(xié)調(diào)、圖文顯示為一體，通過(guò)智能化的預(yù)警分析技術(shù)和故障診斷技術(shù)，輔助完成信號(hào)設(shè)備的日常維護(hù)及故障處理。CSM的推廣使用，對(duì)于提高信號(hào)設(shè)備的安全運(yùn)用、強(qiáng)化結(jié)合部管理、改善和指導(dǎo)電務(wù)現(xiàn)場(chǎng)維修具有重要意義。CSM是電務(wù)安全的“黑匣子”，是信號(hào)維修技術(shù)的重要突破，是實(shí)施信號(hào)維修體制改革的重要技術(shù)支撐，也是信號(hào)技術(shù)向高安全、高可靠和網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化方向發(fā)展的重要標(biāo)志之一。

2006版信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以設(shè)備監(jiān)測(cè)為導(dǎo)向，輔助一些簡(jiǎn)單的報(bào)警，為信號(hào)維護(hù)人員提供在線(xiàn)儀器儀表功能，代替維修人員的體力勞動(dòng)。而目前的集中監(jiān)測(cè)智能分析系統(tǒng)以設(shè)備維護(hù)為導(dǎo)向，以一位“有經(jīng)驗(yàn)信號(hào)工”的視角，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障和異常問(wèn)題，極大地減輕維護(hù)人員的工作量，符合鐵路信號(hào)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品的智能化發(fā)展方向。

1 系統(tǒng)智能分析技術(shù)概述

人工智能（A I，A rtificial Intelligence）是指由人工制造出來(lái)的系統(tǒng)所表現(xiàn)出來(lái)的智能。專(zhuān)家系統(tǒng)是早期人工智能的一個(gè)重要分支，它可以看作是一類(lèi)具有專(zhuān)門(mén)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，一般采用人工智能中的知識(shí)表示和知識(shí)推理技術(shù)來(lái)模擬通常由領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的復(fù)雜問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，智能分析系統(tǒng)=知識(shí)庫(kù)+推理機(jī)，因此智能分析系統(tǒng)也被稱(chēng)為基于知識(shí)的系統(tǒng)。

信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為3層，如圖1所示。最低層為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層，通過(guò)車(chē)站實(shí)時(shí)采集的曲線(xiàn)數(shù)據(jù)、開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)、模擬量以及接口上傳的數(shù)據(jù)，提供最基礎(chǔ)的信號(hào)設(shè)備數(shù)據(jù)。中間層為數(shù)據(jù)分析層，利用基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層提供的數(shù)據(jù)，通過(guò)一系列模型計(jì)算和算法，結(jié)合知識(shí)庫(kù)中的“知識(shí)”，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。最上層為結(jié)果展示層，主要是從信號(hào)維護(hù)角度對(duì)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行人性化展示，包括設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)展示、分析報(bào)告、告警等方式。

圖 1 信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架圖

智能分析通過(guò)建立支持向量機(jī)模型，經(jīng)過(guò)對(duì)典型數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，得到故障診斷模型，然后通過(guò)故障診斷模型對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行診斷分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，信號(hào)設(shè)備在出現(xiàn)故障前特性會(huì)有明顯下降或上升趨勢(shì)。假設(shè)設(shè)備狀態(tài)不良到出現(xiàn)故障是一個(gè)漸進(jìn)的過(guò)程，根據(jù)這種假設(shè)對(duì)信號(hào)設(shè)備特性進(jìn)行建模，通過(guò)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)推算出模型函數(shù)，通過(guò)函數(shù)預(yù)測(cè)近期內(nèi)信號(hào)設(shè)備電氣特性趨勢(shì)，在積累、分析信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)與故障分析經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，形成信號(hào)設(shè)備故障判斷邏輯與維修指導(dǎo)專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)。專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)是一個(gè)開(kāi)放平臺(tái)，用戶(hù)可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)故障分析和處理經(jīng)驗(yàn)的積累，自主向該系統(tǒng)內(nèi)注入新的故障判斷和分析邏輯。經(jīng)過(guò)磨合，各個(gè)車(chē)站的專(zhuān)家?guī)熳罱K會(huì)成為該站獨(dú)有的并且最適宜該站使用的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)包含以下內(nèi)容。

1.1 經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

根據(jù)信號(hào)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)整理出來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)這些經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算機(jī)就能在某方面像專(zhuān)家一樣來(lái)分析設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，找出異?；蛘吖收希ü收戏秶蛘吖收宵c(diǎn)），比如在道岔無(wú)表示時(shí)，根據(jù)表示電壓的范圍，大致能判斷出故障的位置。

1.2 設(shè)備特性

現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備多種多樣，雖然在最上層表現(xiàn)出來(lái)的都是開(kāi)關(guān)量和模擬量，但不同的設(shè)備在不同的狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的特性，通過(guò)建立不同設(shè)備特性的模型來(lái)處理不同設(shè)備，使對(duì)故障的分析更具智能化。例如，軌道電路在過(guò)車(chē)時(shí)具有分路和調(diào)整特性，站聯(lián)電壓的正負(fù)代表方向特性等。

1.3 訓(xùn)練模型

根據(jù)車(chē)站典型的數(shù)據(jù)，通過(guò)一定的算法進(jìn)行訓(xùn)練，得到一組規(guī)則數(shù)據(jù)，可用來(lái)對(duì)后續(xù)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行分析。

1.4 診斷模型

根據(jù)訓(xùn)練的結(jié)果，對(duì)后續(xù)設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行診斷分析，與訓(xùn)練模型共同構(gòu)成完整的自學(xué)習(xí)功能。

1.5 趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型

對(duì)設(shè)備電氣特性漸變趨勢(shì)進(jìn)行建模并計(jì)算出模型函數(shù)，利用模型函數(shù)預(yù)測(cè)近期內(nèi)設(shè)備電氣特性趨勢(shì)。

2 智能分析技術(shù)應(yīng)用

系統(tǒng)在進(jìn)行智能分析時(shí)會(huì)用到不同的算法，多數(shù)情況下需用多種算法綜合分析才能得到滿(mǎn)意結(jié)果。其原理是：基于專(zhuān)家故障模型，結(jié)合動(dòng)態(tài)行車(chē)關(guān)聯(lián)分析，利用故障樹(shù)推理演繹技術(shù)完成對(duì)故障點(diǎn)的定位。對(duì)各類(lèi)ZPW 2000軌道電路故障分析及故障點(diǎn)定位如圖2所示。

2.1 信息捕獲及歸類(lèi)

智能分析功能可以代替人工進(jìn)行故障捕獲，并縮小或定位故障點(diǎn)，對(duì)捕獲的結(jié)果（形成報(bào)警）進(jìn)行分類(lèi)匯總并形成報(bào)告。管理上要求現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員不放過(guò)報(bào)告中的每一個(gè)報(bào)警，以便對(duì)報(bào)警進(jìn)行確認(rèn)和設(shè)備的檢查，以達(dá)到縮短故障延時(shí)的目的。

系統(tǒng)通過(guò)分析歸類(lèi)，將車(chē)站一段時(shí)間內(nèi)所有報(bào)警信息按設(shè)備分類(lèi)，并以設(shè)備報(bào)警情況報(bào)告和詳細(xì)報(bào)警匯總表的形式進(jìn)行展現(xiàn)。用戶(hù)可根據(jù)需要調(diào)整所分析的時(shí)間段。通過(guò)設(shè)備報(bào)警情況報(bào)告，維護(hù)人員可清楚直觀地了解到車(chē)站信號(hào)設(shè)備的總體運(yùn)用情況，可從宏觀的角度審視設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)。通過(guò)詳細(xì)報(bào)警匯總表，維護(hù)人員可對(duì)一段時(shí)間內(nèi)所發(fā)生報(bào)警的類(lèi)型分布和報(bào)警設(shè)備有個(gè)直觀的了解。

對(duì)于已經(jīng)發(fā)生的故障，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)通過(guò)聲光等多種方式予以提示，并可以自動(dòng)提取故障發(fā)生前后一段時(shí)間內(nèi)的相關(guān)歷史數(shù)據(jù)，供用戶(hù)瀏覽回放，支持同一時(shí)間軸下多組相關(guān)模擬量、開(kāi)關(guān)量信息的關(guān)聯(lián)回放，且能在原理圖中提示相應(yīng)的故障位置或范圍。

2.2 智能分析與診斷

智能分析與故障診斷功能的主要目的就是實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的預(yù)防修和在信號(hào)設(shè)備故障情況下壓縮故障延時(shí)。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)車(chē)站信號(hào)設(shè)備中日常故障發(fā)生頻率較高的道岔、軌道電路、信號(hào)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、趨勢(shì)預(yù)警及故障診斷，幫助電務(wù)維護(hù)人員迅速實(shí)時(shí)掌握管內(nèi)信號(hào)設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)。在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能迅速定位故障、分析故障原因和排除故障。系統(tǒng)以報(bào)警分析為中心，通過(guò)監(jiān)測(cè)信息的邏輯處理與模型比對(duì)，將車(chē)站層的報(bào)警信息、預(yù)警信息2個(gè)層面的內(nèi)容分類(lèi)匯總形成分析報(bào)告。報(bào)警信息對(duì)應(yīng)于影響進(jìn)路排列、信號(hào)開(kāi)放的故障，預(yù)警對(duì)應(yīng)于設(shè)備異常，預(yù)警按照一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)進(jìn)行分類(lèi)匯總呈現(xiàn)。信號(hào)維護(hù)人員只需對(duì)分析報(bào)告進(jìn)行瀏覽和處理，即可完成日常的設(shè)備維護(hù)工作。

在報(bào)警分析過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)設(shè)備異常事件的處理過(guò)程記錄，車(chē)站設(shè)備維護(hù)人員在系統(tǒng)提供的報(bào)警處理界面上，可進(jìn)行故障原因和處理方法等相關(guān)信息的錄入，同時(shí)該結(jié)論會(huì)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中作為現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的保留。報(bào)警信息的確認(rèn)也可通過(guò)典型故障的形式錄入系統(tǒng)的專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，可被系統(tǒng)做延伸性、復(fù)制性應(yīng)用，從而為設(shè)備同類(lèi)故障的后續(xù)處理提供逐步豐富和準(zhǔn)確的參考信息。

在預(yù)警分析過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)設(shè)備的異?，F(xiàn)象進(jìn)行持續(xù)跟蹤和分析，在其變化超過(guò)預(yù)設(shè)指標(biāo)時(shí)發(fā)出預(yù)警。設(shè)備維護(hù)人員在系統(tǒng)提供的預(yù)警處理界面上，應(yīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警的實(shí)際情況以及分析處理過(guò)程的相關(guān)信息進(jìn)行錄入，該結(jié)論會(huì)自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中作為現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的一部分保留。預(yù)警信息的確認(rèn)也可以典型預(yù)警的形式錄入專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)，可被系統(tǒng)做延伸性、復(fù)制性應(yīng)用，從而為設(shè)備預(yù)警的處理過(guò)程監(jiān)控和以后相類(lèi)似預(yù)警的處理提供逐步豐富和準(zhǔn)確的參考信息。

在診斷分析時(shí)，集中監(jiān)測(cè)的智能分析功能對(duì)捕捉到的異常信息采用靈活的推理控制策略，應(yīng)用專(zhuān)家分析的手段，從信號(hào)維護(hù)專(zhuān)家的角度進(jìn)行進(jìn)一步的故障診斷，以實(shí)時(shí)報(bào)警的形式為現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)維護(hù)人員提供及時(shí)有效的診斷信息和解決問(wèn)題的大致方向，能夠簡(jiǎn)化維修流程或直接定位故障處所，幫助維護(hù)人員迅速發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)并及時(shí)進(jìn)行處理，進(jìn)而縮短維修時(shí)間，提高維修效率和維修水平。

同時(shí)，系統(tǒng)針對(duì)歷史數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和智能分析，結(jié)合系統(tǒng)中各類(lèi)實(shí)時(shí)信息和歷史信息，進(jìn)行設(shè)備趨勢(shì)預(yù)警和預(yù)防性維修警示，為維護(hù)人員提供科學(xué)的養(yǎng)護(hù)依據(jù)。

3 智能分析功能界面展示

在實(shí)時(shí)反映被監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量的同時(shí)，為了更直觀更形象的表現(xiàn)設(shè)備的質(zhì)量，集中監(jiān)測(cè)通過(guò)系統(tǒng)狀態(tài)界面圖來(lái)實(shí)時(shí)展現(xiàn)站上所有被監(jiān)測(cè)設(shè)備的狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，設(shè)備狀態(tài)圖上相應(yīng)設(shè)備的顏色會(huì)變成黃色并進(jìn)行閃動(dòng)提醒。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備狀態(tài)圖上相應(yīng)設(shè)備的顏色會(huì)變成紅色并進(jìn)行閃動(dòng)提醒。被監(jiān)測(cè)設(shè)備的接口狀態(tài)（包括通信的狀態(tài)）也統(tǒng)一在設(shè)備狀態(tài)圖上進(jìn)行直觀反映。

為便于信號(hào)設(shè)備的管理維護(hù)，智能分析功能對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，把若干日（可設(shè)置）內(nèi)發(fā)生的報(bào)警進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，形成分析報(bào)告。使維護(hù)人員和管理人員全面把握站上設(shè)備的使用情況，掌握維修工作的重點(diǎn)。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析報(bào)告部分界面如圖3所示。

圖 3 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)分析報(bào)告界面圖

在分析報(bào)告中能對(duì)報(bào)警進(jìn)行分析總結(jié)，提醒維護(hù)人員哪些報(bào)警沒(méi)有進(jìn)行處理；還可以對(duì)當(dāng)天應(yīng)該瀏覽但未瀏覽的報(bào)表進(jìn)行匯總等。界面中藍(lán)色的字體都是超鏈接，點(diǎn)擊后會(huì)彈出相應(yīng)的界面對(duì)超鏈接的內(nèi)容進(jìn)行處理。報(bào)警處理界面如圖4所示。

圖4 報(bào)警處理界面

對(duì)智能分析診斷的結(jié)果，維護(hù)人員可借助故障分析功能，在同一界面中查看故障時(shí)刻、設(shè)備所有采集項(xiàng)和相關(guān)設(shè)備的采集項(xiàng)。把這些和故障有關(guān)的采集項(xiàng)放在同一界面中進(jìn)行展現(xiàn)，使維護(hù)人員對(duì)故障的原因一目了然，提高故障分析的效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹智能分析技術(shù)在信號(hào)集中監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的日漸成熟和知識(shí)庫(kù)的積累，專(zhuān)家知識(shí)庫(kù)以及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)將逐步得到強(qiáng)化和完善，這將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備維修管理提供更好的保障。在電務(wù)技術(shù)裝備向高精尖發(fā)展的進(jìn)程中，監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)的運(yùn)用將更加廣泛，其在鐵路電務(wù)安全生產(chǎn)中的作用也必將更加突出。

[1] 鐵道部.鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件[Z].運(yùn)基信號(hào)[2010] 709 號(hào)文.