鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)研究

高 媛，王 巍

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司通信信號(hào)研究所，北京100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵路智能運(yùn)輸系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京100081)

1 鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)現(xiàn)狀分析

鐵路通信設(shè)備是重要的鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，其設(shè)備狀態(tài)與鐵路運(yùn)輸安全和效率有直接關(guān)系。機(jī)車綜合無線通信設(shè)備(CIR)作為我國(guó)通信系統(tǒng)重要的車載通信設(shè)備，已在機(jī)車、動(dòng)車組上大規(guī)模安裝運(yùn)用，主要用于司機(jī)與列車調(diào)度員、車站值班員、乘務(wù)員等作業(yè)人員進(jìn)行調(diào)度指揮通信，向CTC/TDCS系統(tǒng)傳送車次號(hào)校核信息，接收CTC/TDCS系統(tǒng)的調(diào)度命令信息，發(fā)送和接受列車防護(hù)報(bào)警信息，與旅客列車尾部安全防護(hù)裝置進(jìn)行通信，是提高運(yùn)輸效率、保障行車安全的重要設(shè)備[1-2]。

車載無線通信設(shè)備的良好運(yùn)用是確保鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)安全的重要基礎(chǔ)和保證。但是，目前車載無線通信設(shè)備的運(yùn)用和維護(hù)還存在管理水平不高、缺乏統(tǒng)計(jì)分析手段等問題。例如，車載無線通信設(shè)備板件較多、設(shè)備分散、調(diào)撥頻繁，設(shè)備臺(tái)賬多采用傳統(tǒng)紙質(zhì)文件形式，依靠人工辦理，隨著設(shè)備履歷信息迅速增長(zhǎng)，相應(yīng)設(shè)備資料管理和報(bào)表統(tǒng)計(jì)難度越來越大，大量的備品備件無法統(tǒng)一管理，易耗損板件缺少合理的分配。此外，車載無線通信設(shè)備缺少設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控的手段，地面維護(hù)人員無法動(dòng)態(tài)掌握設(shè)備自身工作狀態(tài)、運(yùn)行位置、重要操作等信息，當(dāng)設(shè)備在運(yùn)用過程中發(fā)生故障時(shí)，維護(hù)人員不能第一時(shí)間掌握故障信息，無法及時(shí)處理。

按照鐵路通信維護(hù)規(guī)則規(guī)定，車載通信設(shè)備的維修分為日常檢修和集中檢修[3]。日常檢修結(jié)合機(jī)車、動(dòng)車組出入庫(kù)檢修進(jìn)行，出入庫(kù)檢修利用出入庫(kù)檢測(cè)臺(tái)完成，傳統(tǒng)庫(kù)檢是對(duì)設(shè)備運(yùn)用后的定性檢測(cè)，僅為功能性試驗(yàn)，往往是對(duì)已發(fā)生的故障進(jìn)行處置，測(cè)試缺乏針對(duì)性，對(duì)設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量提高作用有限，且?guī)鞕z臺(tái)分散，檢測(cè)結(jié)果不便于分析統(tǒng)計(jì)。集中檢修作業(yè)分為機(jī)車集中檢修和動(dòng)車組集中檢修，機(jī)車集中檢修每2年1次或結(jié)合機(jī)車檢修修程同步進(jìn)行，動(dòng)車組集中檢修按照運(yùn)行公里結(jié)合動(dòng)車組高級(jí)修程同步實(shí)施[4]。目前集中檢修流程依靠人工卡控，缺乏約束和提醒。無線通信設(shè)備綜合測(cè)試臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)集中修自動(dòng)測(cè)試，但測(cè)試結(jié)果無法共享。

目前鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量已達(dá)到一定水平，但存在數(shù)據(jù)共享率低、利用率低等問題。為提高全路車載無線通信設(shè)備的運(yùn)用維護(hù)管理水平，充分利用分散在各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)化管理，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳遞，高效管理生產(chǎn)、運(yùn)用、維修作業(yè)流程，對(duì)于提高車載無線通信設(shè)備檢修質(zhì)量，保障列車運(yùn)行安全具有重要意義。

2 鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體流程設(shè)計(jì)

在鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)中，以車載無線通信設(shè)備履歷信息為基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)和收集設(shè)備運(yùn)用和維護(hù)過程中的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理和精準(zhǔn)檢修。在列車運(yùn)用時(shí)，將司機(jī)的操作、設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成對(duì)設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)分析和狀態(tài)評(píng)估；在日常檢修和維修作業(yè)時(shí)，監(jiān)測(cè)作業(yè)狀態(tài)，制定合理的檢維修流程，對(duì)運(yùn)用或者檢維修過程中發(fā)生告警/故障的設(shè)備進(jìn)行綜合診斷和評(píng)價(jià)。鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)總體流程示意圖如圖1所示。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)總體流程示意圖Fig.1 Overall process of the system

鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)連接中國(guó)鐵路總公司、鐵路局集團(tuán)公司、通信/電務(wù)段、車間和工區(qū)，以中國(guó)鐵路總公司、鐵路局集團(tuán)公司2級(jí)數(shù)據(jù)處理平臺(tái)為主體，實(shí)現(xiàn)2級(jí)部署5級(jí)應(yīng)用。將全路鐵路無線通信設(shè)備的動(dòng)、靜態(tài)技術(shù)狀態(tài)信息(履歷信息、檢修維修信息、監(jiān)測(cè)信息等)，經(jīng)過采集、加工和處理后，為各級(jí)管理相關(guān)用戶提供鐵路無線通信設(shè)備運(yùn)維服務(wù)。鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

（1）數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括庫(kù)檢臺(tái)、綜合測(cè)試臺(tái)等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)以及臺(tái)賬、維修記錄等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和設(shè)備在途監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。對(duì)底層兩大設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)(出入庫(kù)檢測(cè)臺(tái)和綜合測(cè)試臺(tái))的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和臺(tái)賬、維修記錄等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一抽取、轉(zhuǎn)化，形成統(tǒng)一建模的新結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)載入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。設(shè)備在途監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過G網(wǎng)或公網(wǎng)實(shí)時(shí)向系統(tǒng)發(fā)送。

（2）數(shù)據(jù)處理存儲(chǔ)。系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、雙活容災(zāi)等技術(shù)使履歷數(shù)據(jù)適應(yīng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用和雙活高可靠容災(zāi)，基于開放的Hadoop分布式平臺(tái)，運(yùn)用通用服務(wù)器集群，構(gòu)建強(qiáng)勁的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，提供結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)快速提取和分析的能力[5]。

（3）數(shù)據(jù)分析。在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)基礎(chǔ)上采用可視化分析、數(shù)據(jù)挖掘算法、預(yù)測(cè)分析等大數(shù)據(jù)分析方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并綜合運(yùn)用基于物理失效、基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)及基于2者融合的故障預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行故障預(yù)測(cè)[6]。

（4）應(yīng)用層。結(jié)合實(shí)際需求設(shè)計(jì)在途監(jiān)測(cè)、庫(kù)檢作業(yè)管理、設(shè)備及履歷管理、檢修管理、報(bào)表管理、用戶管理及輔助管理等多個(gè)功能模塊，可根據(jù)用戶需求靈活配置。同時(shí)結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，提供統(tǒng)計(jì)分析、決策等功能。

（5）安全保障。建立功能完善、高可靠的信息安全防護(hù)手段，實(shí)現(xiàn)信息安全傳輸。系統(tǒng)采用專用網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，與鐵路內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時(shí)采用防火墻進(jìn)行訪問控制。同時(shí)通過身份認(rèn)證、訪問控制、數(shù)據(jù)加密等方式確保信息安全。

圖2 鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Diagram of system structure

2.3 功能設(shè)計(jì)

構(gòu)建車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)，應(yīng)整合既有的出入庫(kù)檢測(cè)系統(tǒng)，增設(shè)必要的管理設(shè)備，建立底層數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載無線通信設(shè)備的監(jiān)測(cè)和管理。系統(tǒng)可根據(jù)需要靈活配置軟件功能模塊，實(shí)現(xiàn)在途監(jiān)測(cè)、履歷管理、作業(yè)及檢修管理、報(bào)表管理等應(yīng)用功能。

2.3.1 在途監(jiān)測(cè)

車載無線通信設(shè)備實(shí)時(shí)發(fā)送工作狀態(tài)信息(包括司機(jī)操作、線路基礎(chǔ)、運(yùn)用業(yè)務(wù)、設(shè)備狀態(tài)等信息)至系統(tǒng)，由GIS系統(tǒng)提供電子地圖，顯示全路范圍在用的車載無線通信設(shè)備位置信息及詳細(xì)的運(yùn)行狀態(tài)信息(包括機(jī)車號(hào)、車次號(hào)、線路名、公里標(biāo)、列車位置、廠家、場(chǎng)強(qiáng)值等信息)，以實(shí)現(xiàn)查詢?nèi)我鈺r(shí)間點(diǎn)的運(yùn)用數(shù)據(jù)，并以回訪的方式還原司機(jī)操作CIR的全過程，為分析司機(jī)操作過程提供必要的技術(shù)手段。

設(shè)備在途運(yùn)用過程中，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備所在的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境或自身工作狀態(tài)發(fā)生變化可能導(dǎo)致故障或者設(shè)備已經(jīng)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)即向司機(jī)和地面維護(hù)人員發(fā)送故障告警提示，使之及時(shí)采取措施，盡可能減少故障造成的影響。當(dāng)設(shè)備途中發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠按設(shè)備告警、業(yè)務(wù)告警、重要提示向用戶提供實(shí)時(shí)告警、重要操作及GSM-R運(yùn)用質(zhì)量等信息，并通過不同顏色區(qū)分告警級(jí)別。當(dāng)設(shè)備恢復(fù)正常時(shí)，系統(tǒng)停止告警。同時(shí)可根據(jù)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)變化趨勢(shì)、異常次數(shù)分步統(tǒng)計(jì)、調(diào)度命令發(fā)送成功率等智能關(guān)聯(lián)分析。還可查看設(shè)備歷史的維檢修記錄，為故障處理提供參考。

2.3.2 履歷管理

按照“一單元一檔案”的管理原則為全路車載無線通信設(shè)備建立完整的電子檔案，對(duì)車載無線通信設(shè)備及板件的履歷信息、使用情況、歸屬情況、故障情況等信息的進(jìn)行全路統(tǒng)一的精細(xì)化、信息化和板件化級(jí)管理。按照系統(tǒng)提出的設(shè)備及履歷信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編號(hào)方案，采用條形碼技術(shù)對(duì)設(shè)備及其運(yùn)用場(chǎng)所(機(jī)車)、存放位置(庫(kù)房等)統(tǒng)一編號(hào)，其中設(shè)備(模塊)標(biāo)簽采用一維碼，設(shè)備整機(jī)、設(shè)備運(yùn)用場(chǎng)所標(biāo)簽和設(shè)備存放地點(diǎn)標(biāo)簽采用二維碼。

設(shè)備從出廠到報(bào)廢的所有信息采集、加工后形成貫穿設(shè)備全生命周期的電子履歷信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息可查詢、可追溯、可分析，為各級(jí)部門提供設(shè)備單元化履歷查詢、統(tǒng)計(jì)及分析等功能，為運(yùn)用檢修管理提供輔助決策信息，對(duì)設(shè)備壽命期內(nèi)各項(xiàng)運(yùn)用技術(shù)性能的進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析。設(shè)備全生命周期履歷管理流程圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備全生命周期履歷管理流程圖Fig.3 Life-cycle management of CIR

2.3.3 作業(yè)及檢修管理

作業(yè)及檢修管理包括日常出入庫(kù)檢測(cè)和集中檢修的管理。對(duì)于出入庫(kù)檢測(cè)，當(dāng)作業(yè)人員完成車載無線通信設(shè)備的全部出入庫(kù)檢測(cè)項(xiàng)目后，檢測(cè)結(jié)果發(fā)送至系統(tǒng)，同時(shí)系統(tǒng)可遠(yuǎn)程管理庫(kù)檢臺(tái)，對(duì)庫(kù)檢臺(tái)進(jìn)行配置和維護(hù)。所有出入庫(kù)檢測(cè)結(jié)果可查詢統(tǒng)計(jì)并生成質(zhì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表。集中檢修管理功能實(shí)現(xiàn)車載無線通信設(shè)備檢修計(jì)劃、檢修內(nèi)容和檢修完成情況的閉環(huán)管理。工區(qū)完成計(jì)劃表的編制并通過系統(tǒng)逐級(jí)進(jìn)行審核，按照檢修計(jì)劃完成檢修任務(wù)后，錄入并上報(bào)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修從計(jì)劃到完成全程跟蹤。根據(jù)檢修計(jì)劃安排實(shí)現(xiàn)設(shè)備檢修預(yù)告和失修漏檢警告。無線通信設(shè)備綜合測(cè)試臺(tái)接入系統(tǒng)后可系統(tǒng)導(dǎo)入集中檢修結(jié)果，并由系統(tǒng)完成檢修結(jié)果判定。實(shí)現(xiàn)作業(yè)計(jì)劃生產(chǎn)、工單派發(fā)、任務(wù)管理、結(jié)果評(píng)估的作業(yè)流程智能化卡控。集中檢修作業(yè)管理流程圖如圖4所示。

圖4 集中檢修作業(yè)管理流程圖Fig.4 Process of centralized repair operation

鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)將設(shè)備在途運(yùn)行中發(fā)生的故障及故障發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、故障現(xiàn)象和描述、設(shè)備出入庫(kù)檢測(cè)結(jié)果及集中檢修結(jié)果“串聯(lián)”在一起，跟蹤各類故障發(fā)現(xiàn)、檢修、分析、整改等業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)，建立全路統(tǒng)一的車載無線通信設(shè)備故障數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，支持設(shè)備故障的查詢和統(tǒng)計(jì)，陸續(xù)建立設(shè)備的健康日志。結(jié)合設(shè)備的上次維修時(shí)間和運(yùn)用狀態(tài)，給出下一次檢修及維修的合理時(shí)間點(diǎn)，壓縮故障時(shí)延，前移故障信息，超前預(yù)判故障，推送提醒信息，節(jié)省人力成本，通過積累故障數(shù)據(jù)的智能化原因分析，實(shí)現(xiàn)故障的跟蹤和閉環(huán)處理，高效分析設(shè)備故障參數(shù)，實(shí)現(xiàn)裝備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。改變傳統(tǒng)維修只依賴單一特征指標(biāo)，只能做“正?！被颉肮收稀钡亩袛嗟姆绞?，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)備維修從故障修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)告警/故障閉環(huán)管理流程圖如圖5所示。

下一步將對(duì)設(shè)備運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，包括對(duì)設(shè)備的報(bào)警數(shù)據(jù)、歷史記錄曲線，建立大數(shù)據(jù)批處理計(jì)算框架模型，從隨機(jī)過程的角度對(duì)設(shè)備的可靠性和可用性進(jìn)行分析，對(duì)設(shè)備可靠性指標(biāo)的時(shí)間序列進(jìn)行建模并預(yù)測(cè)該序列的發(fā)展趨勢(shì)，準(zhǔn)確追蹤到安全風(fēng)險(xiǎn)增大的區(qū)間，并在轉(zhuǎn)折期安排避險(xiǎn)措施以抑制故障率的上升，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備壽命評(píng)估以及趨勢(shì)預(yù)測(cè)，提供故障分析報(bào)告，為檢修提供指導(dǎo)建議[7]。

2.3.4 報(bào)表管理

根據(jù)在途監(jiān)測(cè)、履歷管理、作業(yè)及檢修管理等相關(guān)數(shù)據(jù)提供統(tǒng)計(jì)報(bào)表功能，可按管轄區(qū)域、時(shí)間、類別等多維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)提供餅圖、柱狀圖、趨勢(shì)圖等多種可視化方式進(jìn)行呈現(xiàn)。報(bào)表格式按照維規(guī)及相關(guān)技術(shù)規(guī)章制定，報(bào)表導(dǎo)出后可直接上報(bào)，大大提高了作業(yè)管理人員的勞動(dòng)效率。系統(tǒng)報(bào)表管理功能示意圖如圖6所示。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖5 系統(tǒng)告警/故障閉環(huán)管理流程圖Fig.5 Close loop management of system alarm/failure

圖6 系統(tǒng)報(bào)表管理功能示意圖Fig.6 Diagram of report function

鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)基于B/S架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車載無線通信設(shè)備以設(shè)備履歷為核心的在途監(jiān)測(cè)、設(shè)備維修檢修的全生命周期管理，將歷史運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)等進(jìn)行集成、整理，為作業(yè)管理人員提供運(yùn)維數(shù)據(jù)支持[8]。鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)全量進(jìn)行采集融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并進(jìn)行深度挖掘，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析和趨勢(shì)分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車載無線通信設(shè)備“用、管、修”的結(jié)合，預(yù)防和減少設(shè)備故障發(fā)生，確保設(shè)備安全良好運(yùn)用，促進(jìn)車載無線通信設(shè)備管理方式向智能化、精細(xì)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，對(duì)于推動(dòng)設(shè)備管理發(fā)展方式轉(zhuǎn)變具有重要意義，為保障運(yùn)輸安全、提高運(yùn)輸效率、改善服務(wù)質(zhì)量打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。鐵路車載無線通信設(shè)備運(yùn)用維護(hù)管理系統(tǒng)積累的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為鐵路大數(shù)據(jù)的平臺(tái)建設(shè)、設(shè)備智能運(yùn)維提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為電務(wù)修程修制改革提供支持。