THDS檢測車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

董卓皇， 蔣 薈

(1 中國鐵道科學(xué)研究院研究生部， 北京 100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所， 北京 100081)

車輛軸溫智能探測系統(tǒng)(以下簡稱THDS)利用軌邊紅外高速探頭和智能追蹤裝置，實(shí)時(shí)探測運(yùn)行車輛的軸承溫度，進(jìn)行跟蹤報(bào)警，是發(fā)現(xiàn)車輛熱軸故障、防止熱切軸、保證鐵路運(yùn)輸安全的重要設(shè)施之一，是提高運(yùn)輸效率的重要保障。目前全路安裝THDS設(shè)備6 400余套，為保障THDS設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，提高THDS設(shè)備的檢修維護(hù)質(zhì)量和效率，鐵路車輛部門開展了THDS檢測車的建設(shè)，利用車載檢測裝置對地面THDS設(shè)備的測溫精度、探頭角度和軸距等進(jìn)行自動檢測和綜合評價(jià)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的問題并及時(shí)處置，是提高THDS設(shè)備檢修維護(hù)質(zhì)量的重要手段，對確保鐵路車輛運(yùn)行安全具有十分重大的意義。

隨著THDS檢測車系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，其功能不足的問題也逐漸顯現(xiàn)，在一定程度上影響了系統(tǒng)應(yīng)用功能的發(fā)揮。例如，在既有的檢測車系統(tǒng)中，由于沒有車地之間數(shù)據(jù)傳輸通道，隨車工作人員需在檢測車甩掛車站后，采用手工拷貝方式將檢測車預(yù)設(shè)溫度數(shù)據(jù)上傳到全路聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器，數(shù)據(jù)傳輸缺乏實(shí)時(shí)性。此外，原有系統(tǒng)的綜合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是依據(jù)專家的經(jīng)驗(yàn)制定的，缺乏科學(xué)性和準(zhǔn)確性，因此對檢測結(jié)果的綜合評判是準(zhǔn)實(shí)時(shí)性和缺乏科學(xué)性的。為了提高THDS檢測車系統(tǒng)的應(yīng)用需求，保證THDS設(shè)備的正常使用，亟待對原有THDS檢測車系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新。

1 系統(tǒng)需求分析

1.1 總體需求

通過調(diào)研分析，結(jié)合已發(fā)現(xiàn)的問題，制定出THDS檢測車優(yōu)化系統(tǒng)的總體目標(biāo)為：

(1)能夠?qū)z測車檢測項(xiàng)目進(jìn)行管理，修改或刪除將要檢測的THDS設(shè)備信息；

(2)能夠按需求設(shè)置車上THDS檢測單元的預(yù)設(shè)參數(shù)；

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)THDS檢測車車載系統(tǒng)與地面綜合評判系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)和設(shè)備評判結(jié)果的互傳；

(4)能夠準(zhǔn)確評價(jià)軌邊THDS設(shè)備的探測精度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置設(shè)備異常。

1.2 用戶需求

根據(jù)檢測車動態(tài)檢查組織單位的類別，可以將檢測項(xiàng)目劃分為國鐵集團(tuán)和路局兩類。國鐵集團(tuán)項(xiàng)目是由國家鐵路集團(tuán)公司每半年組織的、對重要干線軌邊THDS設(shè)備進(jìn)行集中動態(tài)聯(lián)檢的項(xiàng)目，路局項(xiàng)目是指由鐵路局根據(jù)實(shí)際情況組織開展的、每月或不定期對局管內(nèi)THDS設(shè)備進(jìn)行動態(tài)聯(lián)檢的項(xiàng)目。

本系統(tǒng)的使用用戶包括國鐵集團(tuán)級用戶和鐵路局級用戶。

國鐵集團(tuán)用戶：指國家鐵路集團(tuán)公司機(jī)輛部設(shè)備管理人員，THDS檢測車系統(tǒng)為國鐵集團(tuán)用戶提供國鐵集團(tuán)項(xiàng)目的管理、異常站點(diǎn)審核、檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析等功能。

鐵路局用戶：指路局設(shè)備科和檢測所人員，THDS檢測車系統(tǒng)為設(shè)備科用戶提供路局項(xiàng)目的管理、異常站點(diǎn)審核、檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析等功能。檢測所人員負(fù)責(zé)具體檢測項(xiàng)目的執(zhí)行，THDS檢測車系統(tǒng)為檢測所用戶提供異常站點(diǎn)上報(bào)，檢測誤差分析，值機(jī)記錄填寫等功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

在對既有THDS檢測車系統(tǒng)運(yùn)用現(xiàn)狀和存在問題分析的基礎(chǔ)上，針對軌邊設(shè)備檢修流程和實(shí)際需求，提出 THDS檢測車系統(tǒng)優(yōu)化改進(jìn)總體設(shè)計(jì)方案。THDS檢測車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)檢測車車載THDS檢測單元和地面THDS設(shè)備之間信息實(shí)時(shí)交互所設(shè)計(jì)的信息系統(tǒng)，分為THDS車載子系統(tǒng)和THDS地面綜合評判子系統(tǒng)。

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

在設(shè)計(jì)THDS檢測車優(yōu)化改進(jìn)總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，在充分利用已有的鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用5 T系統(tǒng)的架構(gòu)和數(shù)據(jù)傳輸通道的基礎(chǔ)上，構(gòu)建一條THDS檢測車系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳輸通道，實(shí)時(shí)采集車上THDS檢測單元的標(biāo)準(zhǔn)載荷數(shù)據(jù)、時(shí)空同步信息和軌邊 THDS探測站設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)。當(dāng)THDS檢測車通過軌邊探測站時(shí)，車載應(yīng)用子系統(tǒng)將標(biāo)準(zhǔn)載荷數(shù)據(jù)和時(shí)空同步信息通過移動公網(wǎng)經(jīng)國鐵集團(tuán)安全平臺，通過驗(yàn)證后接入5 T系統(tǒng)服務(wù)器；同時(shí)，軌邊THDS探測站將設(shè)備對THDS檢測車的監(jiān)測信息通過綜合信息網(wǎng)上傳到鐵路局、國鐵集團(tuán)的5T系統(tǒng)服務(wù)器上。THDS檢測車地面綜合評判子系統(tǒng)將檢測車上傳的標(biāo)準(zhǔn)載荷數(shù)據(jù)與軌邊設(shè)備上傳的監(jiān)測信息進(jìn)行整合，依據(jù)建立的THDS設(shè)備評價(jià)模型進(jìn)行評判，并將評判結(jié)果通過安全平臺實(shí)時(shí)返回給車載子系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)軌邊THDS設(shè)備存在的檢測精度、角度、軸距等問題，以便現(xiàn)場對THDS設(shè)備進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，保證THDS設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。THDS檢測車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。

2.2 功能設(shè)計(jì)

在國鐵集團(tuán)5T服務(wù)器上部署THDS檢測車地面綜合評判子系統(tǒng)，為用戶提供檢測車運(yùn)行軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控、軌邊THDS設(shè)備評價(jià)和信息查詢等功能服務(wù)；在THDS檢測車上部署THDS檢測車車載子系統(tǒng)，為車上用戶提供標(biāo)準(zhǔn)載荷數(shù)據(jù)的設(shè)定、THDS檢測單元運(yùn)行狀態(tài)和檢測車運(yùn)行軌跡的綜合監(jiān)控以及地面THDS設(shè)備綜合評判結(jié)果查詢等功能服務(wù)。這2個(gè)子系統(tǒng)功能模塊的組成如圖2所示。

2.2.1THDS檢測車地面子系統(tǒng)功能模塊

(1)項(xiàng)目管理：對檢測車檢測項(xiàng)目進(jìn)行管理，展示THDS檢測的項(xiàng)目、任務(wù)和探測站的詳細(xì)信息，并且可以根據(jù)權(quán)限對項(xiàng)目、任務(wù)和探測站信息進(jìn)行創(chuàng)建和編輯。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)控：根據(jù)車載子系統(tǒng)上傳的時(shí)空同步信息，將檢測車的位置信息與檢測車即將抵達(dá)的探測站信息在系統(tǒng)中展示出來。

圖1 THDS檢測車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)總體框架圖

圖2 THDS檢測車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)功能組成

(3)設(shè)備評價(jià)：將車載子系統(tǒng)上傳的標(biāo)準(zhǔn)載荷信息和軌邊THDS設(shè)備上傳的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，依據(jù)建立的THDS設(shè)備評價(jià)模型進(jìn)行評判，實(shí)時(shí)評價(jià)軌邊THDS設(shè)備的技術(shù)狀態(tài)。

(4)信息查詢：根據(jù)需求提供對當(dāng)前THDS檢測車的項(xiàng)目進(jìn)度、軌邊THDS設(shè)備的歷史評判結(jié)果和詳細(xì)檢測信息的查詢及展示。

(5)異常站點(diǎn)處理：在檢測時(shí)因各種原因無法參與檢測項(xiàng)目的站點(diǎn)稱為異常站點(diǎn)，用戶可在檢測項(xiàng)目開始前對其進(jìn)行上報(bào)和審核。對于國鐵集團(tuán)項(xiàng)目，由鐵路局檢測所上報(bào)異常站點(diǎn)，國鐵集團(tuán)用戶審核；對于鐵路局項(xiàng)目，由鐵路局檢測所人員上報(bào)，由設(shè)備科人員審核。

(6)統(tǒng)計(jì)分析：根據(jù)系統(tǒng)用戶的不同要求，生成各類管理報(bào)表。

(7)履歷管理：為系統(tǒng)用戶提供查詢THDS檢測車和車載檢測單元的履歷信息功能，同時(shí)可以進(jìn)行新增、編輯等管理操作。

(8)系統(tǒng)維護(hù)：提供對系統(tǒng)的硬件資源、數(shù)據(jù)資源和網(wǎng)絡(luò)資源的監(jiān)控，并且對有關(guān)文檔進(jìn)行修改和完善，同時(shí)還提供用戶功能權(quán)限的管理功能。

2.2.2THDS檢測車車載子系統(tǒng)功能

(1)檢測計(jì)劃管理：自動接收地面綜合評價(jià)子系統(tǒng)創(chuàng)建的檢測項(xiàng)目，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整軌邊監(jiān)控設(shè)備的檢測順序，指導(dǎo)THDS檢測單元開機(jī)或啟動工作。

(2)標(biāo)準(zhǔn)載荷參數(shù)設(shè)定：用來設(shè)置和展示THDS檢測單元的標(biāo)準(zhǔn)載荷參數(shù)。

(3)綜合監(jiān)控：根據(jù)時(shí)空同步單元提供的時(shí)空同步信息，將THDS檢測車的位置信息、運(yùn)行軌跡和車載THDS檢測單元的運(yùn)行狀態(tài)在系統(tǒng)中展示出來。

(4)設(shè)備評價(jià)：將設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)載荷數(shù)據(jù)自動上傳至地面綜合評價(jià)子系統(tǒng)，并從地面綜合評價(jià)子系統(tǒng)中得到所經(jīng)過探測站設(shè)備的狀態(tài)評判結(jié)果，以表格的形式展示出來。

(5)信息查詢：根據(jù)需求提供對當(dāng)前THDS檢測車的項(xiàng)目進(jìn)度、所經(jīng)過探測站設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)載荷信息、THDS設(shè)備的歷史評判結(jié)果和設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢與展示。

3 評判模型設(shè)計(jì)

當(dāng)前，比較流行的幾種現(xiàn)代綜合評價(jià)方法有層次分析法(AHP)、數(shù)據(jù)包絡(luò)法、模糊判別法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價(jià)法等。鑒于層次分析法采用定性與定量相結(jié)合的方法，將復(fù)雜系統(tǒng)問題簡單化，可處理許多難以量化的實(shí)際問題，保證評判結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，故將層次分析法作為THDS監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)評判模型的主要分析方法。

3.1 設(shè)備評價(jià)層次分析模型

根據(jù)影響評判結(jié)果的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和若干表征設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)構(gòu)成THDS設(shè)備狀態(tài)評價(jià)體系，構(gòu)造出THDS監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)3級評價(jià)分析模型，如圖3所示。

所建立的設(shè)備狀態(tài)評價(jià)分析模型一共有3層，頂層的THDS監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)評價(jià)結(jié)果為目標(biāo)層。中間的測溫精度、探頭角度、軸距這3個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)所在層為準(zhǔn)則層。最下層為對象層，是若干表征設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的技術(shù)參數(shù)指標(biāo)。

3.2 判斷矩陣的建立

判斷矩陣A=(αij)n×n是以上一層的某一要素作為評價(jià)準(zhǔn)則對本層要素采用成對比較法進(jìn)行比較，并且按照1-9標(biāo)度法進(jìn)行賦值建立的。文中根據(jù)設(shè)備管理人員、設(shè)備技術(shù)專家的專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合設(shè)備檢修和評價(jià)的實(shí)際情況，采用1-9標(biāo)度法對重要性程度進(jìn)行賦值，從而建立判斷矩陣。

準(zhǔn)則層的判斷矩陣如表1所示。

圖3 THDS設(shè)備3級評價(jià)分析模型

表1 準(zhǔn)則層的判斷矩陣

同時(shí)，按照上述方法也可求出測溫精度B1、探頭角度B2和軸距B3這3個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)各自的對象層判斷矩陣，其中B1的對象層判斷矩陣如表2所示。

表2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)B1的對象層判斷矩陣

3.3 層次單排序與一致性檢驗(yàn)

層次單排序是利用判別矩陣算出本層次中與上一層次某因素之間有關(guān)聯(lián)的因素的重要性權(quán)值，其計(jì)算步驟如下：

步驟1：將判斷矩陣按行求vt

步驟2：歸一求權(quán)重ωi

判斷矩陣是各層次因素之間進(jìn)行兩兩比較相對重要性而得來的，由于客觀世界的復(fù)雜性和人們認(rèn)識問題的多樣性，當(dāng)n個(gè)元素兩兩比較且沒有固定的參照物時(shí)，往往會出現(xiàn)違反常識的判斷。當(dāng)違反常識的判斷出現(xiàn)時(shí)，判斷矩陣就不完全一致，為了避免這種情況，則需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)步驟如下：

步驟1：計(jì)算判斷矩陣C的最大特征值λmax

步驟2：計(jì)算一致性指標(biāo)CI

步驟3：計(jì)算隨機(jī)一致性比率CR

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的值如表3所示。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有滿意的一致性；CI越大，不一致越嚴(yán)重。

該模型準(zhǔn)則層判斷矩陣的權(quán)重及一致性檢驗(yàn)如表4所示。

表4 準(zhǔn)則層判斷矩陣的權(quán)重值

同時(shí)，按照上述方法也可求出測溫精度B1、探頭角度B2和軸距B3這3個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)各自的對象層判斷矩陣權(quán)重，其中測溫精度B1的對象層判斷矩陣權(quán)重及一致性檢驗(yàn)如表5所示。

表5 B1對象層判斷矩陣的權(quán)重值

3.4 評價(jià)權(quán)重的計(jì)算和檢驗(yàn)

該模型采用層次分析法的目的是方便求出最下層中各因素對最上層的排序權(quán)重即綜合重要度，從而進(jìn)行綜合評判。

設(shè)準(zhǔn)則層B層由m個(gè)要素B1,B2,B3,…,Bm構(gòu)成，其對目標(biāo)層的權(quán)重為ω1,ω2,ω3,…,ωm，設(shè)對象層C層由n個(gè)要素構(gòu)成，關(guān)于其中Bj的相對權(quán)重分別為C1j,C2j,…,Cnj，則C層中各因素關(guān)于總體的綜合權(quán)重C1,C2,…,Cn，公式為：

設(shè)對象層C層中某些因素對于準(zhǔn)則層B層的某個(gè)因素Bj單排序的一致性指標(biāo)為CI(j),(j=1,2,…,m)，相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)是RI(j)，則C層總排序隨機(jī)一致性比率為：

CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有滿意的一致性；CI越大，不一致越嚴(yán)重。

計(jì)算后最終得出各因素對設(shè)備評價(jià)結(jié)果層的權(quán)重，如表6所示。

表6 因素權(quán)重表

3.5 模型實(shí)際應(yīng)用

將設(shè)備狀態(tài)評價(jià)總分設(shè)為100分，依據(jù)建立的THDS設(shè)備狀態(tài)評價(jià)模型可得精度標(biāo)準(zhǔn)為60分，角度標(biāo)準(zhǔn)和軸距標(biāo)準(zhǔn)各為20分。

將專家評分標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果引入基于AHP的設(shè)備評分決策模型，可以得到測溫精度、探頭角度和軸距3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的具體評分細(xì)則，其中測溫精度的評分細(xì)則如表7所示。

表7 測溫精度評分細(xì)則表

4 結(jié)束語

此次的優(yōu)化改進(jìn)方案中，車載子系統(tǒng)利用移動公網(wǎng)通過國鐵集團(tuán)安全平臺、訪問5T服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)車載測溫設(shè)定數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳和設(shè)備技術(shù)狀態(tài)評判結(jié)果的實(shí)時(shí)下載，實(shí)現(xiàn)了THDS檢測車對THDS設(shè)備狀態(tài)的動態(tài)監(jiān)測和綜合評判。系統(tǒng)采用層次分析法結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建了綜合評價(jià)模型，保證了評判結(jié)果的科學(xué)性。該方案已在國鐵集團(tuán)動態(tài)聯(lián)檢項(xiàng)目中成功試用，經(jīng)過實(shí)際運(yùn)用測試，系統(tǒng)功能得到了優(yōu)化和完善，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)THDS設(shè)備存在的故障隱患，提高了THDS設(shè)備檢修維護(hù)的質(zhì)量，具有廣闊的應(yīng)用前景。

THDS檢測車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)，有效解決了既有系統(tǒng)存在的設(shè)溫?cái)?shù)據(jù)回傳不及時(shí)，評判結(jié)果缺乏科學(xué)性等問題，實(shí)現(xiàn)了對軌邊THDS探測站設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和動態(tài)檢測，為檢測車隨車人員全面掌握THDS設(shè)備技術(shù)狀態(tài)和監(jiān)測精度提供實(shí)時(shí)的、有針對性的信息服務(wù)支持，大幅提升了設(shè)備的檢修、維護(hù)和管理水平，保證了THDS設(shè)備的正常使用，為鐵路車輛運(yùn)行安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。