基于SOA的高速鐵路電務(wù)維修輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉致乾

(湖南中車時(shí)代通信信號(hào)有限公司，長(zhǎng)沙 410129)

1 概述

國(guó)內(nèi)高速鐵路網(wǎng)的快速發(fā)展，列車速度隨之提高，運(yùn)營(yíng)范圍不斷擴(kuò)大，西部地區(qū)高鐵建設(shè)也在全面進(jìn)行。為確保高速鐵路運(yùn)行的安全可靠，對(duì)電務(wù)部門維護(hù)工作質(zhì)量的要求越來(lái)越嚴(yán)格。電務(wù)部門面臨著管轄設(shè)備種類復(fù)雜，維修時(shí)間有限等方面問(wèn)題，加之西部地區(qū)地理環(huán)境惡劣及現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)信息化程度低，給電務(wù)維護(hù)工作帶來(lái)了更多的困難。

目前電務(wù)部門維修工作存在以下弊端:1）在電務(wù)基礎(chǔ)設(shè)備維修現(xiàn)場(chǎng)不能對(duì)維修的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行有效總結(jié)，以便后期進(jìn)行知識(shí)共享；2)電務(wù)部門難以與現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行有效溝通，了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備情況，因而無(wú)法及時(shí)給出相應(yīng)的處理方法，大大降低維修效率；3)沒(méi)有統(tǒng)一、集成的平臺(tái)對(duì)維修工作進(jìn)行管理，從而增加了管理人員的任務(wù)量，導(dǎo)致管理效率低下；4) 不能充分對(duì)生產(chǎn)作業(yè)進(jìn)行管理和統(tǒng)計(jì)分析，使維修費(fèi)用加大；5）各檢測(cè)子系統(tǒng)較為分散獨(dú)立，信息沒(méi)有充分共享[1]。

對(duì)于以上存在的問(wèn)題和目前電務(wù)作業(yè)中出現(xiàn)的信息交互困難的情況，以電務(wù)維修任務(wù)為入手點(diǎn)，選用了面向服務(wù)架構(gòu) (Service Oriented Architecture，SOA)方法，同時(shí)利用知識(shí)庫(kù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挖掘等輔助技術(shù)，使高速鐵路電務(wù)維修輔助平臺(tái)系統(tǒng)能夠及時(shí)有效地輸出維護(hù)策略。

2 基于SOA的高速鐵路電務(wù)維修輔助平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

面向服務(wù)架構(gòu)(SOA)不是一種語(yǔ)言和技術(shù)，而是一種設(shè)計(jì)方法和思想[2]。其思想的表現(xiàn)就是將業(yè)務(wù)邏輯和功能分解成更小的邏輯和功能單元[3]。高速鐵路電務(wù)維修輔助平臺(tái)（簡(jiǎn)稱平臺(tái)）主要涉及到SOA的兩大方面：1）軟件即服務(wù)（Software as a Service，SaaS），即將各項(xiàng)業(yè)務(wù)通過(guò)軟件集成并用Internet提供給客戶；2）平臺(tái)即服務(wù)（Platform as a Service，PaaS），即將操作系統(tǒng)和業(yè)務(wù)服務(wù)通過(guò)Internet 發(fā)送給客戶，并為客戶提供操作環(huán)境，將軟件即服務(wù)置于基礎(chǔ)設(shè)施。

平臺(tái)為了能夠更有效地進(jìn)行組織和管理，需要將有關(guān)的功能進(jìn)行明確定義，并將其準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)于相關(guān)的應(yīng)用服務(wù)程序。段、車間、工區(qū)等電務(wù)維修調(diào)度過(guò)程涉及到的生產(chǎn)單位均可看作面向服務(wù)的個(gè)體。這些個(gè)體分別負(fù)責(zé)各自的職能而形成了不同的分工和團(tuán)體。在一個(gè)維修調(diào)度過(guò)程中，各項(xiàng)服務(wù)是通過(guò)這些個(gè)體形成的功能單元提供的，因此構(gòu)成了基于SOA的電務(wù)維修體系，如圖1所示。從圖1中可以看出，這種服務(wù)體系是一種分布式的結(jié)構(gòu)，各職能單元形成了既相互關(guān)聯(lián)又相互獨(dú)立的“松耦合”關(guān)系[4]。為替換當(dāng)前的電務(wù)生產(chǎn)體系，平臺(tái)劃分了電務(wù)系統(tǒng)傳統(tǒng)作業(yè)過(guò)程，并利用工單等方式將維修調(diào)度過(guò)程中所涉及的生產(chǎn)單元進(jìn)行整合處理。

圖1 基于SOA的電務(wù)維修體系Fig.1 The signaling maintenance system based on SOA

由圖1可知，3個(gè)不同級(jí)別的生產(chǎn)單位在服務(wù)體系中既可充當(dāng)服務(wù)請(qǐng)求者，又可充當(dāng)服務(wù)提供者。當(dāng)上級(jí)部門（各鐵路局、中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司）通過(guò)企業(yè)服務(wù)總線（ESB）向下發(fā)布作業(yè)計(jì)劃和生產(chǎn)目標(biāo)時(shí)，各生產(chǎn)單位作為服務(wù)請(qǐng)求者接受；當(dāng)上級(jí)部門需要了解近期工作進(jìn)展和生產(chǎn)、管理效率時(shí)，各生產(chǎn)單位作為服務(wù)提供者匯報(bào)。平臺(tái)利用鐵路專用網(wǎng)絡(luò)保證鐵路信息安全。移動(dòng)手持通過(guò)路局內(nèi)網(wǎng)中的中心服務(wù)器，將鐵路傳輸網(wǎng)（SDH/MSTP）與綜合管理服務(wù)器的相關(guān)服務(wù)進(jìn)行快速、穩(wěn)定的訪問(wèn)與連接[5]，以云共享的方式解決電務(wù)系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)和信息交互困難的問(wèn)題。

2.1 電務(wù)維修輔助平臺(tái)的硬件組成架構(gòu)

考慮到平臺(tái)是基于SOA的電務(wù)維修輔助系統(tǒng)，且重點(diǎn)對(duì)象是基層生產(chǎn)單位，因此將系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行分級(jí)設(shè)置。分別是綜合管理服務(wù)器、中心服務(wù)器、PC客戶端、平板/手機(jī)客戶端、相關(guān)維修檢測(cè)工具等5級(jí)，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電務(wù)維修輔助平臺(tái)的硬件組成框架Fig.2 Framework of the hardware of the auxiliary platform for signaling maintenance

綜合管理服務(wù)器：設(shè)置在電務(wù)段，用于集成不同的Web服務(wù)，并將維修知識(shí)庫(kù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

中心服務(wù)器：工作在電務(wù)段和車間。通過(guò)運(yùn)行Web-service程序?qū)eb服務(wù)提供給服務(wù)請(qǐng)求者，并在內(nèi)網(wǎng)防火墻開(kāi)放一個(gè)訪問(wèn)端口，連接移動(dòng)服務(wù)和移動(dòng)端。

PC客戶端：各生產(chǎn)單位中均有設(shè)置，用其瀏覽器實(shí)現(xiàn)對(duì)中心服務(wù)器或綜合管理服務(wù)器的訪問(wèn)。

平板/手機(jī)客戶端：作為客戶端運(yùn)行于車間、工區(qū)，利用平板、手機(jī)等手持機(jī)具實(shí)現(xiàn)對(duì)中心服務(wù)器或綜合管理服務(wù)器的訪問(wèn)。

相關(guān)維修檢測(cè)機(jī)具：用于維修作業(yè)，并向綜合管理服務(wù)器實(shí)時(shí)反饋監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的信息。

2.2 電務(wù)維修輔助平臺(tái)的各功能模塊組成框架

平臺(tái)開(kāi)發(fā)軟件時(shí)，選擇了移植性強(qiáng)，且安全、高效的JAVA語(yǔ)言，并采用耦合性低、重用性高的MVC的應(yīng)用服務(wù)框架[6]。為了解平臺(tái)用戶對(duì)系統(tǒng)功能的需求，在不同電務(wù)段進(jìn)行調(diào)查，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行研究歸納，總結(jié)出電務(wù)維修輔助平臺(tái)的需求框架，如圖3所示。

圖3 電務(wù)維修輔助平臺(tái)的需求框架Fig.3 Framework of the requirements for the auxiliary platform

3 電務(wù)維修輔助平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)研究

平臺(tái)以SOA為設(shè)計(jì)理念的同時(shí)，利用多種技術(shù)進(jìn)行輔助作用，從而實(shí)現(xiàn)上文提到的各種功能需求。

3.1 基于維修知識(shí)的電務(wù)維修知識(shí)庫(kù)輔助技術(shù)

對(duì)知識(shí)進(jìn)行管理，首先要對(duì)知識(shí)進(jìn)行準(zhǔn)確表示，即抽取知識(shí)的事實(shí)、關(guān)系及邏輯架構(gòu)，將知識(shí)（如對(duì)象及概念等）及其之間的關(guān)聯(lián)用分級(jí)或推理規(guī)則表示[7]，有利于知識(shí)需求者對(duì)知識(shí)的理解。電務(wù)系統(tǒng)的設(shè)備維修工作主要分為日常維護(hù)、集中檢修、臨時(shí)任務(wù)和應(yīng)急處理等[8]。對(duì)上述各工作類別，還要針對(duì)其維修作業(yè)的不同，進(jìn)行更為具體的類別劃分，而不同分類的作業(yè)又有其各自的作業(yè)和卡控要求，并對(duì)應(yīng)相應(yīng)的知識(shí)類別。

系統(tǒng)歸納整理了電務(wù)維修知識(shí)庫(kù)所包含的工作分類、作業(yè)類別、作業(yè)要求、知識(shí)類別等內(nèi)容。對(duì)于數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn)，平臺(tái)選用適用性較強(qiáng)的JDBC實(shí)現(xiàn)，并利用框架表示法對(duì)維修知識(shí)進(jìn)行表示，具體如圖4所示。

圖4 電務(wù)維修輔助平臺(tái)的知識(shí)庫(kù)框架Fig.4 Framework of the knowledge database of the auxiliary platform

3.2 維修現(xiàn)場(chǎng)消息的雙向推送技術(shù)

高速鐵路通常以電務(wù)工作人員的巡檢工作為依據(jù)，通過(guò)組織“維修天窗”來(lái)對(duì)管轄范圍內(nèi)的電務(wù)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行檢修、保養(yǎng)等作業(yè)，并有專業(yè)的負(fù)責(zé)人對(duì)工作進(jìn)行復(fù)檢[9]。電務(wù)維修現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)存在以下困難：1）維修人員信息的相互交流不夠便捷；2）維修過(guò)程出現(xiàn)困難或突發(fā)情況時(shí)不能有效進(jìn)行指導(dǎo)；3）不便記錄現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

為了解決上述困難，平臺(tái)采用雙向推送技術(shù)：1）針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)溝通不便的情況，利用數(shù)據(jù)和圖像的方式實(shí)現(xiàn)信息的交互；2）針對(duì)操作缺乏指導(dǎo)的情況，平臺(tái)提供查詢問(wèn)題庫(kù)供用戶使用，作業(yè)人員也可以通過(guò)在線向?qū)＜仪笾姆绞絹?lái)解決技術(shù)上的問(wèn)題；3）針對(duì)數(shù)據(jù)量大不便記錄的情況，平臺(tái)給工具設(shè)備配置二維碼，從而能夠及時(shí)記錄和在線更新現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深度挖掘技術(shù)

電務(wù)系統(tǒng)管轄的各類信號(hào)設(shè)備數(shù)量很多。以高速鐵路為例，其電務(wù)設(shè)備維護(hù)工作由室內(nèi)設(shè)備維護(hù)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)及車載設(shè)備維護(hù)3部分組成[10]。為給電務(wù)維修作業(yè)提供及時(shí)有效的輔助，平臺(tái)需要提前對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，從中提取重要信息以便進(jìn)行分析。

面對(duì)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的海量數(shù)據(jù)，平臺(tái)設(shè)置數(shù)據(jù)濾波模塊對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，設(shè)置特征提取模塊對(duì)故障信息進(jìn)行提取。具體過(guò)程如下：利用信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，去除干擾和冗余部分。對(duì)過(guò)濾后的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，該階段包括數(shù)據(jù)變換、特征選擇、特征簡(jiǎn)約3步驟。通過(guò)特征提取，數(shù)據(jù)獲得待驗(yàn)?zāi)Ｊ脚c知識(shí)庫(kù)中已有的設(shè)備檔案進(jìn)行對(duì)比分析，知識(shí)庫(kù)根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行特征匹配，從而識(shí)別設(shè)備當(dāng)前所處的狀態(tài)，判斷存在的故障并給出處理方法。基本過(guò)程如圖5所示。

圖5 電務(wù)維修輔助平臺(tái)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)方案Fig.5 A technical plan for data mining by the auxiliary platform

4 電務(wù)維修輔助平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例

為檢驗(yàn)平臺(tái)是否可以有效可靠地運(yùn)行，以蘭州鐵路局天水電務(wù)段為例，測(cè)試電務(wù)維護(hù)系統(tǒng)中集中檢修等項(xiàng)目的應(yīng)用，重點(diǎn)測(cè)試第3章節(jié)提到的關(guān)鍵技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)情況。

4.1 維修知識(shí)庫(kù)的使用

維修知識(shí)庫(kù)的建立和使用對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)起著重要作用。利用系統(tǒng)創(chuàng)建的工單，如圖6所示。在包含維修信息的基礎(chǔ)上，將卡控要點(diǎn)也引入其中，從而提高電務(wù)維護(hù)作業(yè)的質(zhì)量，保證調(diào)度過(guò)程中作業(yè)人員的安全。

圖6 電務(wù)維修輔助平臺(tái)工單頁(yè)面Fig.6 Screenshot of a table of tasks created by the auxiliary platform

4.2 維修現(xiàn)場(chǎng)消息的雙向推送的應(yīng)用

系統(tǒng)配置流服務(wù)器來(lái)輔助維修人員與后臺(tái)進(jìn)行信息交流。用戶可以使用移動(dòng)端通過(guò)鐵路專網(wǎng)向后臺(tái)反映現(xiàn)場(chǎng)情況，如圖7所示，與管理人員進(jìn)行溝通和數(shù)據(jù)交互，從而得到專業(yè)的在線指導(dǎo)，有效提高作業(yè)效率。為便于以后對(duì)作業(yè)信息的調(diào)用和知識(shí)共享，服務(wù)器儲(chǔ)存作業(yè)過(guò)程中產(chǎn)生的圖片、數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

圖7 電務(wù)維修輔助平臺(tái)作業(yè)過(guò)程傳遞的信息Fig.7 The delivery of information by the auxiliary platform in the process of maintenance

4.3 維修統(tǒng)計(jì)及數(shù)據(jù)分析

電務(wù)維修輔助系統(tǒng)可以對(duì)不同電務(wù)設(shè)備維修的次數(shù)和故障類型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，通過(guò)對(duì)設(shè)備維修數(shù)據(jù)的挖掘與分析，預(yù)測(cè)設(shè)備故障趨勢(shì)，并制定相應(yīng)的檢修計(jì)劃，對(duì)潛在故障進(jìn)行排除，節(jié)省維修成本，提高電務(wù)系統(tǒng)維護(hù)管理的效率。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以電務(wù)維修任務(wù)為入手點(diǎn)，介紹一種基于SOA的高速鐵路電務(wù)維修輔助平臺(tái)設(shè)計(jì)。該平臺(tái)將傳統(tǒng)的電務(wù)作業(yè)體系分解成更小的、相互獨(dú)立、通過(guò)軟件保持低耦合度的功能單元，形成分布式的服務(wù)體系，能夠在高速鐵路電務(wù)維修任務(wù)中快速診斷出軌道電路、信號(hào)機(jī)等鐵路電務(wù)基礎(chǔ)設(shè)備的故障，并實(shí)現(xiàn)電務(wù)部門與維修現(xiàn)場(chǎng)的雙向推送，有效提高電務(wù)系統(tǒng)維護(hù)的管理效率，節(jié)省維修成本。該平臺(tái)已在中國(guó)鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司天水電務(wù)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試應(yīng)用，工程應(yīng)用效果較好，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)電務(wù)維護(hù)和管理工作提供有效的指導(dǎo)，為該平臺(tái)向其他電務(wù)段的推廣應(yīng)用提供依據(jù)。