基于智能感知技術(shù)的自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)研究

高春雷 徐濟松 張銳 王鵬 劉尚昆

中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081

據(jù)調(diào)研，目前國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司設(shè)備臺賬履歷、維修保養(yǎng)、施工日志等依靠人工記錄和統(tǒng)計，存在信息錄入重復(fù)、設(shè)備過修或漏修等問題，不利于數(shù)字化管理。既有的生產(chǎn)管理系統(tǒng)均不具備自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備臺賬履歷等的信息化管理功能，無法為設(shè)備運用和維修保養(yǎng)決策的制定提供依據(jù)。

自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的發(fā)動機、變速箱等關(guān)鍵部件的實時狀態(tài)監(jiān)測與故障報警信息獨立管理，無法為車輛設(shè)備大數(shù)據(jù)故障預(yù)測提供數(shù)據(jù)支持，且難以實現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)警。鑒于此，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)［1］和鐵路地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）［2］研發(fā)自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備智能管理系統(tǒng)，對自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的臺賬履歷、作業(yè)調(diào)度、關(guān)鍵部件維修保養(yǎng)、運用信息等進行智能管理。本文介紹該系統(tǒng)的組成、功能及應(yīng)用。

1 系統(tǒng)組成及功能

該系統(tǒng)主要由地面管理平臺、車載中央處理裝置和手持終端組成，如圖1所示。

圖1 自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備智能管理系統(tǒng)框架

該管理系統(tǒng)的功能主要包括：

1）設(shè)備基礎(chǔ)信息數(shù)字化。采用動態(tài)履歷和靜態(tài)履歷相結(jié)合的全生命周期電子履歷，一車一檔，實現(xiàn)車輛主要技術(shù)參數(shù)、主要部件、檢修信息數(shù)字化和基礎(chǔ)臺賬管理信息化。

2）基于移動終端的出乘作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化。依據(jù)自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)有關(guān)要求，基于移動終端實現(xiàn)施工日志和巡檢過程的電子化、標(biāo)準(zhǔn)化，規(guī)范車輛作業(yè)前后各檢測點的檢查流程。

3）設(shè)備行駛軌跡的實時監(jiān)測。采用GPS+北斗相結(jié)合的定位技術(shù)，基于鐵路GIS實現(xiàn)自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備行駛軌跡的實時監(jiān)測。

4）車輛關(guān)鍵部件的故障分析與維修保養(yǎng)預(yù)警。統(tǒng)計車輛故障信息，建立專家?guī)臁８鶕?jù)專家經(jīng)驗結(jié)合車輛的歷史作業(yè)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、運行日志等進行分析，診斷故障的原因，評估車輛運維狀態(tài)。根據(jù)設(shè)備臺賬、履歷及運用信息，對車輛部件檢修進行管理，到期提示、預(yù)警。

2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

為實現(xiàn)系統(tǒng)的四大功能，對自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備進行精細化管理。具體內(nèi)容包含設(shè)備管理、檢修管理、生產(chǎn)管理等。設(shè)備管理又分為設(shè)備履歷、設(shè)備臺賬和設(shè)備主要數(shù)據(jù)管理。

2.1 設(shè)備管理

2.1.1 設(shè)備履歷管理

設(shè)備履歷管理內(nèi)容主要包括技術(shù)參數(shù)、主要部件、年檢鑒定記錄、運用記錄、維修記錄等信息的管理與更新。設(shè)備履歷的部分管理內(nèi)容見表1。

表1 設(shè)備履歷部分管理內(nèi)容

2.1.2 設(shè)備臺賬管理

自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備臺賬包括：走行設(shè)備的基本信息（運用單位、管理編號、車型編號、設(shè)備名稱、規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家、制造許可證號、出廠編號、出廠日期）；運行控制設(shè)備的基本信息（規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家、出廠日期）；列車無線調(diào)度通信設(shè)備的基本信息（規(guī)格型號、生產(chǎn)廠家、出廠日期）；自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備修理信息（上次年修日期、上次年修單位、上次大修日期、上次大修單位）等。

2.2 檢修管理

檢修管理主要包括按運用時間或里程執(zhí)行的例行保養(yǎng)管理與提醒、臨時維修過程的管理與數(shù)據(jù)更新、修程管理以及設(shè)備檢修的統(tǒng)計分析。

檢修管理主要針對大修、年修和報廢，提醒相關(guān)管理人員在線下處理，無需系統(tǒng)管控大修、年修流程。當(dāng)線下處理完成后，由生產(chǎn)部主管在系統(tǒng)中輸入完成時間、承修單位、本年度走行里程、累計走行里程、本年度工時、累計工時、檢修記錄編號和驗收人。檢修結(jié)束后提醒任務(wù)結(jié)束，將相關(guān)信息存儲。

2.3 生產(chǎn)管理

根據(jù)既有自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備生產(chǎn)管理流程，業(yè)務(wù)人員從施工管理系統(tǒng)提取與本業(yè)務(wù)部門有關(guān)的施工計劃，并將相應(yīng)的施工計劃導(dǎo)入智能管理系統(tǒng)。施工計劃包括施工日期、地點、施工內(nèi)容及影響范圍、施工單位負責(zé)人、配合單位、作業(yè)人員、操作方法等。作業(yè)主管通過智能管理系統(tǒng)進入施工計劃下發(fā)界面填寫信息，下發(fā)計劃，發(fā)起施工計劃流程。

自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備生產(chǎn)檢修流程如圖2所示。

圖2 生產(chǎn)檢修流程示意

3 管理系統(tǒng)軟件設(shè)計

測量系統(tǒng)使用Java、C++語言混合編程，可以在Windows平臺上運行。

自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備智能管理系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)的采集存儲、智能化處理和可視化應(yīng)用，解決數(shù)據(jù)的共享壁壘、質(zhì)量不佳、應(yīng)用深度不足、管理粗放等問題，形成對自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備全生命周期管理。

軟件架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)平臺和業(yè)務(wù)應(yīng)用三層。數(shù)據(jù)采集層采用Socket/NettyClient/MqttClient+datax/flume［3-5］實時和離線采集數(shù)據(jù)，完成對車輛在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)平臺層采用典型的Lambda架構(gòu)［6-7］，通過Hadoop相關(guān)技術(shù)［8-9］，接收采集層的數(shù)據(jù)并在集群中完成數(shù)據(jù)的實時和離線處理，將結(jié)果實時推送給前端應(yīng)用系統(tǒng)，同時把數(shù)據(jù)分析結(jié)果寫入到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)應(yīng)用層中Web后端采用基于穩(wěn)定性與持續(xù)性均較好的SpringCloud的微服務(wù)技術(shù)架構(gòu)［10］進行數(shù)據(jù)處理與分析。

4 管理系統(tǒng)的應(yīng)用

管理系統(tǒng)目前已經(jīng)在朔黃鐵路自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備管理中應(yīng)用，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)和設(shè)備管理、關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測、作業(yè)過程監(jiān)測等功能。

4.1 數(shù)據(jù)和設(shè)備管理

首先，采用車載中央處理裝置對車載各子系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行收集和實時處理。車載中央處理裝置數(shù)據(jù)接口設(shè)計如圖3所示。然后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸單元，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸給管理系統(tǒng)，由管理系統(tǒng)存儲和展示。最后，由管理系統(tǒng)對設(shè)備履歷、設(shè)備臺賬、設(shè)備主數(shù)據(jù)和車載各子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合分析與更新，實現(xiàn)關(guān)鍵部件運維信息的智能化管理。

圖3 車載中央處理裝置數(shù)據(jù)接口設(shè)計

自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備履歷管理界面見圖4。建立各設(shè)備的信息化履歷簿，動態(tài)管理設(shè)備技術(shù)參數(shù)、主要部件、年修大修等運維信息，為自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備智能化管理提供數(shù)據(jù)支撐。

圖4 自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備履歷管理界面

4.2 關(guān)鍵部件狀態(tài)監(jiān)測

通過溫度、加速度等多種傳感器，對設(shè)備發(fā)動機、變速箱等關(guān)鍵部件進行實時監(jiān)測，對設(shè)備故障及時發(fā)出警報，對歷史故障信息進行存儲和統(tǒng)計分析，輔助實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)評估。

對列車管的風(fēng)壓進行集中監(jiān)測，結(jié)合制動異常判斷邏輯，監(jiān)控制動機性能，判定制動機異常，并進行預(yù)警。

4.3 作業(yè)過程監(jiān)測

管理系統(tǒng)可實現(xiàn)自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備作業(yè)過程的監(jiān)測。監(jiān)測和評估的主要內(nèi)容：①對發(fā)動機間、司機室等進行火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)警；②進行司機身份識別、司機精神狀態(tài)識別和司機異常行為識別；③通過無線測距、衛(wèi)星定位、毫米波雷達等多種測距技術(shù)，實現(xiàn)自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備車間距的數(shù)字化監(jiān)控；④通過無線測距技術(shù)實現(xiàn)對人員的定位和距離判斷；⑤采用加速度傳感器，結(jié)合自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備運用管理辦法，對車輛運行平穩(wěn)性進行評估。

5 結(jié)語

朔黃鐵路管內(nèi)近150臺自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備，僅有施工管理系統(tǒng)，負責(zé)施工、維修計劃的流程審批。針對自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備在運用和檢修中存在的不足與安全隱患，開發(fā)了基于智能感知技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合大數(shù)據(jù)、GIS等技術(shù)實現(xiàn)了對自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備的智能化管理。

該管理系統(tǒng)已在朔黃鐵路應(yīng)用。管理系統(tǒng)在提高自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備智能化運用及管理水平的同時，有效降低了設(shè)備運維成本。