鐵路電務(wù)運(yùn)維系統(tǒng)及應(yīng)用

尹春雷 燕 翔 閆友為

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

伴隨著高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，高鐵信號(hào)技術(shù)發(fā)展迅猛。高鐵信號(hào)系統(tǒng)的快速發(fā)展，帶來的是其數(shù)字化、精密化、集成化程度的大幅提高，其專業(yè)維護(hù)難度自然也是同步加大，維護(hù)人員短期內(nèi)積累的維護(hù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)相對(duì)不足，在較為復(fù)雜的故障發(fā)生時(shí)，往往是依靠鐵路電務(wù)人員層層上報(bào)，最后由產(chǎn)品研發(fā)企業(yè)派專人至現(xiàn)場(chǎng)解決，這樣故障不僅無法及時(shí)得到修復(fù)，而且運(yùn)維成本居高不下，故障影響時(shí)間和范圍也難以控制，運(yùn)輸效率將受到嚴(yán)重影響。

2 傳統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展和不足

回顧運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展，其裝備水平是隨著鐵路提速而不斷前進(jìn)的，從1997年到2007年，中國鐵路經(jīng)過了6次大提速，使中國跨入了高鐵時(shí)代，信號(hào)運(yùn)維裝備也從單一的子系統(tǒng)維護(hù)機(jī)、信號(hào)微機(jī)監(jiān)測(cè)進(jìn)入了信號(hào)集中監(jiān)測(cè)時(shí)代。

目前，電務(wù)部門傳統(tǒng)的運(yùn)維裝備主要是信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、各信號(hào)子系統(tǒng)的維護(hù)機(jī)等，信號(hào)集中監(jiān)測(cè)裝備在監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)、加強(qiáng)信號(hào)設(shè)備結(jié)合部管理、輔助故障處理、指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修等方面發(fā)揮了重要作用，但其側(cè)重于信號(hào)的集中監(jiān)測(cè)，在信號(hào)設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)的智能分析、設(shè)備故障隱患的綜合診斷和超前預(yù)防等方面還存在不足，尤其是在高鐵線路，其與RBC、TSRS等設(shè)備的接口預(yù)留未接入，使得信號(hào)的閉環(huán)分析難以形成。盡管RBC、TSRS等信號(hào)子系統(tǒng)自身配備維護(hù)機(jī)，但其仍相對(duì)孤立，無法有效與所轄站點(diǎn)的其他信號(hào)子系統(tǒng)進(jìn)行信息的融合。

此外，傳統(tǒng)運(yùn)維技術(shù)所采用的硬件裝備規(guī)模大、數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以信號(hào)集中監(jiān)測(cè)為例，其中心設(shè)備硬件有數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、通信服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、時(shí)鐘服務(wù)器、防病毒服務(wù)器等數(shù)十臺(tái)服務(wù)器，設(shè)備間物理連接和邏輯連接復(fù)雜異構(gòu)且硬件成本居高不下。

3 鐵路電務(wù)運(yùn)維需求分析

對(duì)于電務(wù)部門而言，目前亟需一套具備較高信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平的運(yùn)維平臺(tái)，為鐵路信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)營維護(hù)提供完整的解決方案，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、健康程度進(jìn)行監(jiān)控、評(píng)估；對(duì)設(shè)備的維修、更換、升級(jí)等給出合理的建議，降低在軌產(chǎn)品的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，減少傳統(tǒng)維護(hù)方式帶來的人力、物力、財(cái)力方面的開銷，提高運(yùn)輸效率，提升管理水平。

電務(wù)運(yùn)維系統(tǒng)需要具備的功能應(yīng)包括地面及車載信號(hào)設(shè)備綜合監(jiān)督、信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備通信狀態(tài)監(jiān)督、在線式動(dòng)態(tài)電子圖紙、地面信號(hào)綜合分析、車地一體化分析、關(guān)鍵信號(hào)信息一致性校核、安全調(diào)度、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、應(yīng)急指揮等。

4 電務(wù)敏捷運(yùn)維技術(shù)的研究

電務(wù)敏捷運(yùn)維技術(shù)，就是針對(duì)高鐵快速發(fā)展帶來的信號(hào)設(shè)備運(yùn)營維護(hù)需求，在信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，融合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、GIS、光通信、云計(jì)算等成熟技術(shù)，構(gòu)建信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、敏捷化的電務(wù)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理平臺(tái)，用于高鐵電務(wù)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)督預(yù)警以及電務(wù)維修應(yīng)急指揮管理，確保電務(wù)設(shè)備高效運(yùn)行，縮短故障停車時(shí)間，提高電務(wù)維修效率，實(shí)現(xiàn)電務(wù)生產(chǎn)工作管控一體化。

5 電務(wù)敏捷運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

5.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

電務(wù)敏捷運(yùn)維系統(tǒng)由中心機(jī)、車站站機(jī)、中繼站站機(jī)、通信前置機(jī)、綜合分析臺(tái)等部分組成。中心機(jī)用于匯集各車站的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)中心級(jí)別的大數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)監(jiān)督、故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、智能預(yù)警、安全調(diào)度、生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、應(yīng)急指揮等功能；車站/中繼站站機(jī)負(fù)責(zé)車站、線路所、中繼站信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、解析和集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)本站及管轄的中繼站所有信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷；通信前置機(jī)設(shè)置于RBC中心和調(diào)度中心，用于接入RBC、TSRS、CTC中心機(jī)和DMS的監(jiān)測(cè)維護(hù)數(shù)據(jù)；綜合分析臺(tái)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置于車站、工區(qū)、車間、路局中心，作為電務(wù)人員的工作界面。

系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

中心機(jī)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、綜合分析服務(wù)器、集群管理服務(wù)器、時(shí)鐘同步和防病毒服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成高性能服務(wù)器，通過虛擬化技術(shù)組成服務(wù)器集群；車站/中繼站站機(jī)由工控機(jī)、一體化顯示器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)等組成；通信前置機(jī)由工控機(jī)、網(wǎng)絡(luò)安全隔離設(shè)備、交換機(jī)等組成；綜合分析臺(tái)由工作站、顯示器、打印機(jī)等組成。

5.2 系統(tǒng)功能

電務(wù)敏捷運(yùn)維系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)在用設(shè)備狀態(tài)綜合監(jiān)督、在用設(shè)備故障智能診斷、在用設(shè)備運(yùn)用故障預(yù)警、電務(wù)安全生產(chǎn)過程管理四大功能。

5.2.1 在用設(shè)備狀態(tài)綜合監(jiān)督

系統(tǒng)的監(jiān)督范圍覆蓋高速鐵路車載和地面室內(nèi)、外所有電務(wù)設(shè)備，監(jiān)督深度達(dá)到板卡級(jí)，能全面細(xì)致、快速準(zhǔn)確地向維護(hù)人員推送包括故障信息在內(nèi)的設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)信息，包括設(shè)備板卡狀態(tài)、設(shè)備通信狀態(tài)、設(shè)備輸入輸出狀態(tài)、站場(chǎng)狀態(tài)、線路狀態(tài)等。通過三維場(chǎng)景重建技術(shù)和集成GIS系統(tǒng)直觀展示設(shè)備的分布情況，綜合展示區(qū)域、線路、車站、設(shè)備等各個(gè)層次的狀態(tài)。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system architecture

部分設(shè)備狀態(tài)綜合監(jiān)督功能運(yùn)行界面如圖2所示。

圖2 設(shè)備狀態(tài)綜合監(jiān)督運(yùn)行界面Fig.2 Operation interface of equipment state monitoring

5.2.2 在用設(shè)備故障智能診斷

依托積累的豐富故障案例庫和專家知識(shí)庫，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)板卡級(jí)、部件級(jí)、設(shè)備級(jí)和列控系統(tǒng)級(jí)不同層面故障的準(zhǔn)確定位、自動(dòng)分析和輔助診斷，實(shí)現(xiàn)故障診斷“傻瓜化”，解決高鐵系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜性和人員專業(yè)技術(shù)能力相對(duì)不足的矛盾問題，同時(shí)針對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)級(jí)故障，有效提高故障排除效率，主要診斷原理如下：

1）檢驗(yàn)信號(hào)數(shù)據(jù)的發(fā)生邏輯，識(shí)別故障情況；

2）校驗(yàn)信號(hào)關(guān)鍵數(shù)據(jù)在設(shè)備間傳遞的正確性，確定故障設(shè)備；

3）依據(jù)設(shè)備深層次工作機(jī)理，分析故障原因；

4）通過在線式電路原理仿真分析，定位故障部件。

以室外區(qū)間移頻軌道電路的故障診斷定位為例，可以判別出17類故障類型，如表1所示。

部分故障定位運(yùn)行界面如圖3所示。

5.2.3 在用設(shè)備運(yùn)用故障預(yù)警

通過系統(tǒng)內(nèi)建的各類設(shè)備性能衰退模型，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控設(shè)備在運(yùn)用過程中的不良趨勢(shì)，并提前向維護(hù)人員推送故障預(yù)警，提前安排巡檢和維修計(jì)劃，解決傳統(tǒng)“故障修”模式下，設(shè)備故障后總是會(huì)影響正常行車秩序的問題，實(shí)現(xiàn)從“故障修”到“狀態(tài)修”的轉(zhuǎn)變，變被動(dòng)為主動(dòng)，大幅降低因設(shè)備故障對(duì)運(yùn)輸秩序的影響。主要預(yù)警原理如下：

表1 室外軌道電路智能診斷故障類型表Table1 Fault type table of outdoor track circuit intelligent diagnosis

1）根據(jù)設(shè)備電氣特性變化特征，對(duì)電氣變化曲線有異常的情況進(jìn)行預(yù)警；

2）根據(jù)設(shè)備性能衰退模型，對(duì)性能下降超過容忍范圍的設(shè)備進(jìn)行預(yù)警；

3）對(duì)于沒有直接監(jiān)測(cè)采集點(diǎn)的設(shè)備，通過間接信息的綜合分析對(duì)設(shè)備可能發(fā)生的故障進(jìn)行預(yù)警。

5.2.4 電務(wù)安全生產(chǎn)過程管理

系統(tǒng)采用衛(wèi)星定位、遠(yuǎn)程可視化通信等技術(shù)手段，為電務(wù)維護(hù)人員的現(xiàn)場(chǎng)安全、高效作業(yè)提供了有力支撐，解決生產(chǎn)過程中對(duì)人員的計(jì)劃調(diào)度、監(jiān)督管理和現(xiàn)場(chǎng)安全防護(hù)等問題，同時(shí)通過系統(tǒng)也可以實(shí)現(xiàn)維護(hù)中心甚至是廠商對(duì)現(xiàn)場(chǎng)人員的遠(yuǎn)程在線技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)保障人身安全和提高作業(yè)效率的目標(biāo)。

圖3 室內(nèi)外軌道電路故障定位運(yùn)行界面Fig.3 Operation interface of indoor and outdoor track circuit fault location

1）生產(chǎn)管理

系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電務(wù)生產(chǎn)工作中的年月表、集中檢修、日常巡檢等工單管理、文件圖紙資料管理、年月表及維修計(jì)劃管理、問題庫及督辦事項(xiàng)管理、備品備件管理、設(shè)備臺(tái)帳管理、設(shè)備履歷簿管理等功能。

2）應(yīng)急指揮

采用內(nèi)置流程引擎技術(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)急信息的入庫、統(tǒng)計(jì)、分析，自動(dòng)制定應(yīng)急計(jì)劃，優(yōu)化應(yīng)急工作流程，采用多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，通過GIS系統(tǒng)，自動(dòng)生成維修任務(wù)及維修路徑，采用綜合定位技術(shù)，通過集成即時(shí)通信系統(tǒng)，實(shí)時(shí)追蹤維修人員的位置，通過維修人員的手持終端及時(shí)獲知現(xiàn)場(chǎng)情況，完成應(yīng)急指揮的智能化、自動(dòng)化管理，提供及時(shí)準(zhǔn)確的維修調(diào)度信息，實(shí)現(xiàn)智能敏捷的應(yīng)急指揮功能。

5.3 技術(shù)創(chuàng)新

系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、GIS系統(tǒng)、綜合定位和運(yùn)營場(chǎng)景三維重建等先進(jìn)技術(shù)為支撐，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鐵路信號(hào)新技術(shù)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)，并且深度兼容傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)集成、信息集成。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘功能，系統(tǒng)的故障診斷層次深，跨設(shè)備的綜合診斷能力強(qiáng)，對(duì)行車風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別及時(shí)、設(shè)備隱患的預(yù)警功能豐富。

系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)上電務(wù)信息分散、電務(wù)各子系統(tǒng)各自為陣的問題，實(shí)現(xiàn)了列控系統(tǒng)運(yùn)維流程中數(shù)據(jù)采集、故障分析、措施制定、現(xiàn)場(chǎng)維修等環(huán)節(jié)信息的閉環(huán)，可以有效降低人員工作強(qiáng)度、提高故障發(fā)現(xiàn)率、提高維修效率、縮短故障停車時(shí)間、提升鐵路運(yùn)輸質(zhì)量和效率。

系統(tǒng)主要技術(shù)創(chuàng)新如下。

1) 構(gòu)建了電務(wù)設(shè)備狀態(tài)綜合監(jiān)督平臺(tái)，系統(tǒng)監(jiān)督范圍全面覆蓋高速鐵路車載和地面室內(nèi)、外所有電務(wù)設(shè)備，系統(tǒng)監(jiān)督方式全面深入設(shè)備、人員和維修流程等各個(gè)環(huán)節(jié)。

2) 基于大數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)與健康管理（PHM）技術(shù)，系統(tǒng)采用分布式、負(fù)載均衡和冗余熱備的開放式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算架構(gòu)，通過建立信號(hào)顯示關(guān)系模型、設(shè)備故障關(guān)系模型、關(guān)鍵接口數(shù)據(jù)交互模型、當(dāng)前-歷史數(shù)據(jù)分析模型、設(shè)備性能衰退模型實(shí)現(xiàn)了基于經(jīng)驗(yàn)、基于趨勢(shì)、基于模型的診斷預(yù)測(cè)方法。診斷預(yù)測(cè)流程如圖4所示。

圖4 診斷預(yù)測(cè)流程示意圖Fig.4 Schematic diagram of diagnosis and prediction flow

3) 電務(wù)監(jiān)督與生產(chǎn)維修輔助無縫銜接，系統(tǒng)將設(shè)備健康狀態(tài)與設(shè)備維修維護(hù)策略深度融合，通過內(nèi)置運(yùn)維流程的緊密嵌套，實(shí)現(xiàn)了電務(wù)資產(chǎn)的全生命周期閉環(huán)管理，實(shí)現(xiàn)了電務(wù)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)督、故障診斷、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、智能預(yù)警與設(shè)備管理、應(yīng)急指揮、生產(chǎn)調(diào)度協(xié)同運(yùn)作，如圖5所示。

6 電務(wù)敏捷運(yùn)維系統(tǒng)推廣應(yīng)用價(jià)值

電務(wù)敏捷運(yùn)維系統(tǒng)的研發(fā)符合鐵路規(guī)劃和發(fā)展需求，系統(tǒng)能夠快速發(fā)現(xiàn)故障，對(duì)故障進(jìn)行精確定位，輔助電務(wù)人員對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)處理，進(jìn)而壓縮故障停車時(shí)間。本系統(tǒng)的裝備，還能促進(jìn)電務(wù)維修模式由“計(jì)劃修”、“故障修”向“預(yù)防修”方式轉(zhuǎn)變，顯著減少現(xiàn)場(chǎng)值守人員的數(shù)量，減少現(xiàn)場(chǎng)巡視、測(cè)試的工作量，節(jié)省運(yùn)維成本。另外，當(dāng)有危害行車安全的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)識(shí)別并預(yù)警，避免重大經(jīng)濟(jì)損失，具有非常重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

圖5 生產(chǎn)維修輔助示意圖Fig.5 Schematic diagram of production maintenance assistance

7 結(jié)束語

隨著電務(wù)敏捷運(yùn)維系統(tǒng)的深度應(yīng)用，以科技創(chuàng)新引領(lǐng)、以用戶需求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用需要為導(dǎo)向，系統(tǒng)也在不斷地優(yōu)化、升級(jí)和自我完善，其功能、性能和用戶體驗(yàn)也將不斷增強(qiáng)，電務(wù)敏捷運(yùn)維系統(tǒng)將努力實(shí)現(xiàn)為鐵路電務(wù)系統(tǒng)綜合運(yùn)維及生產(chǎn)調(diào)度提供一體化解決方案和一站式專業(yè)服務(wù)的目標(biāo)。