鐵路GYK智能輔助系統(tǒng)研究

葉 盛，李瀾濤，王海翔，楊英華

軌道車作為鐵路建設(shè)、線路施工、設(shè)備檢修和搶險(xiǎn)等工作的主要機(jī)械設(shè)備，在鐵路運(yùn)輸中發(fā)揮著重要作用［1-2］?；谲壍儡囘\(yùn)用方式機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，通常被配屬于工務(wù)、供電、工程等單位［3］。依據(jù)《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》《軌道作業(yè)車管理規(guī)則》等相關(guān)要求規(guī)定，在軌道車等具有自運(yùn)行能力的自輪運(yùn)轉(zhuǎn)特種設(shè)備上，需安裝軌道車運(yùn)行控制設(shè)備（GYK）［4-5］。為防止軌道車冒進(jìn)信號(hào)、運(yùn)行超速，并輔助司機(jī)提高操縱能力，GYK自應(yīng)用以來(lái)，在提高運(yùn)行作業(yè)安全和效率中發(fā)揮了突出作用［6-7］。

在正常運(yùn)行過(guò)程中，軌道車司機(jī)需先通過(guò)運(yùn)行計(jì)劃確定運(yùn)行徑路，查閱交路示意圖后，再確定GYK 的開車信息和徑路信息，操作流程繁瑣，加之業(yè)務(wù)水平參差不齊，運(yùn)行過(guò)程中信號(hào)確認(rèn)、呼喚應(yīng)答、車機(jī)聯(lián)控、機(jī)械操作等作業(yè)流程占用大部分時(shí)間、精力，稍有不慎極易造成錯(cuò)誤操作，影響正常運(yùn)行。同時(shí)，軌道車司機(jī)對(duì)GYK 站名站號(hào)表、LKJ基礎(chǔ)數(shù)據(jù)中開車對(duì)標(biāo)點(diǎn)、線路斷鏈里程、長(zhǎng)大上下坡道、特殊信號(hào)機(jī)等重要項(xiàng)點(diǎn)的獲取也存在一定難度，且極易出錯(cuò)。目前全路范圍內(nèi)的軌道車運(yùn)用單位在GYK 作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)卡控、業(yè)務(wù)素質(zhì)提升上，還是以日常培訓(xùn)為主，缺乏很好的科技手段。因此研制GYK智能輔助系統(tǒng)勢(shì)在必行。

1 設(shè)計(jì)原則

為達(dá)到簡(jiǎn)化軌道車司機(jī)GYK 操作流程、熟悉現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、規(guī)范資料管理等目的，以10 英寸安卓系統(tǒng)手持專用pad 為終端載體，利用計(jì)算機(jī)智能算法、可視化技術(shù)、北斗定位等，研發(fā)一套鐵路GYK 智能輔助系統(tǒng)，以提高軌道車的行車安全性。系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則如下。

1）遵循“現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)向，結(jié)果導(dǎo)向”的原則，為解決GYK 設(shè)備容易錯(cuò)誤操作，采用路徑導(dǎo)航來(lái)提高GYK的易用性。

2）選取當(dāng)前先進(jìn)技術(shù)和方法，同時(shí)兼顧成熟程度，優(yōu)選基于TinkerPop 框架的JanusGraph 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)。JanusGraph是一個(gè)高度可擴(kuò)展的分布式圖數(shù)據(jù)庫(kù)，專門用于存儲(chǔ)和查詢包含數(shù)千億個(gè)分布在多機(jī)群集中的極點(diǎn)和邊緣的圖形，可支持?jǐn)?shù)千個(gè)并發(fā)用戶實(shí)時(shí)執(zhí)行復(fù)雜的圖遍歷。而TinkerPop 則是基于聯(lián)機(jī)事務(wù)處理過(guò)程，以及聯(lián)機(jī)分析處理的開源圖計(jì)算框架，可以應(yīng)用于不同圖形數(shù)據(jù)庫(kù)的抽象層，避免應(yīng)用程序與特定數(shù)據(jù)庫(kù)高度依賴；通過(guò)提供標(biāo)準(zhǔn)的圖數(shù)據(jù)模型和圖處理接口，使JanusGraph可以遍歷語(yǔ)言進(jìn)行圖數(shù)據(jù)操作和分析；通過(guò)圖結(jié)構(gòu)表達(dá)和計(jì)算站點(diǎn)與路線之間的關(guān)系，確保路徑遍歷的準(zhǔn)確性。

3）為更好地提升系統(tǒng)和設(shè)備的協(xié)同能力，以及將來(lái)系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的功能需求，優(yōu)先選用通用數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)，制定鐵路信息化應(yīng)用數(shù)據(jù)格式，開發(fā)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)接口。在提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和交換能力的同時(shí)，也便于數(shù)據(jù)共享和集成。

4）在考慮系統(tǒng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、開放和規(guī)范的同時(shí)，統(tǒng)籌考慮系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)備能力、技術(shù)支持、安全性能等，充分運(yùn)用數(shù)據(jù)訪問(wèn)權(quán)限、安全機(jī)制等手段，為系統(tǒng)提供更加安全和穩(wěn)定的保障，提高平均無(wú)故障時(shí)間。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

GYK 智能輔助系統(tǒng)選擇兼容多平臺(tái)的JAVA語(yǔ)言進(jìn)行底層設(shè)計(jì)，運(yùn)用典型的“模型-視圖-控制器”模式（Java MVC）和JAVA 平臺(tái)企業(yè)版架構(gòu)。按照邏輯關(guān)系，應(yīng)用框架劃分為領(lǐng)域?qū)?、?yīng)用層、數(shù)據(jù)分析層和表現(xiàn)層［8-9］，見(jiàn)圖1。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1）領(lǐng)域?qū)印Ｗ鳛閼?yīng)用程序的核心，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)規(guī)則和邏輯，包括業(yè)務(wù)規(guī)則驗(yàn)證、數(shù)據(jù)處理和狀態(tài)管理等。內(nèi)含與業(yè)務(wù)相關(guān)的實(shí)體、值對(duì)象、服務(wù)和領(lǐng)域事件等，用于描述和處理業(yè)務(wù)過(guò)程。

2）應(yīng)用層。負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)領(lǐng)域?qū)又械臉I(yè)務(wù)邏輯，根據(jù)系統(tǒng)職能劃分為業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)和基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)。其中，業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)提供徑路查詢、徑路導(dǎo)航、輔助運(yùn)行等功能；基礎(chǔ)應(yīng)用服務(wù)則提供如日志、緩存、認(rèn)證等基本的系統(tǒng)通用服務(wù)。

3）數(shù)據(jù)分析層。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、同步、緩存、備份、訪問(wèn)和處理。采用JanusGraph 圖形數(shù)據(jù)庫(kù)引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化；利用Hadoop 進(jìn)行圖形分析和批處理，提高圖計(jì)算的效率；使用數(shù)據(jù)傳輸對(duì)象（Data Transfer Object，DTO）簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，減少網(wǎng)絡(luò)開銷［10］。

4）表現(xiàn)層。負(fù)責(zé)處理使用者與業(yè)務(wù)邏輯的交互，發(fā)送請(qǐng)求及傳輸數(shù)據(jù)。選用Vue前端框架提供數(shù)據(jù)接口、可視化界面和數(shù)據(jù)展示等，并基于Vue組件化的開發(fā)特性，提高代碼的復(fù)用率，使整體編碼簡(jiǎn)潔，運(yùn)行效率高［11］。

3 功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)采集匯總列車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、北斗高精定位數(shù)據(jù)和列車徑路數(shù)據(jù)等，首先對(duì)管轄范圍內(nèi)運(yùn)行徑路、車站信息和區(qū)間線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等進(jìn)行預(yù)設(shè)；再參照《列車操縱示意圖》繪制導(dǎo)航路線，結(jié)合計(jì)劃同步司機(jī)手動(dòng)數(shù)據(jù)及列車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，綜合判斷業(yè)務(wù)場(chǎng)景，為司機(jī)提供導(dǎo)航提示，實(shí)現(xiàn)行車徑路展示、語(yǔ)音播報(bào)、非正常應(yīng)急指導(dǎo)、行車路線記錄等功能。此外，結(jié)合軌道車運(yùn)行中復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)場(chǎng)景，以及司機(jī)作業(yè)要點(diǎn)、難點(diǎn)等，有針對(duì)性地對(duì)GYK智能輔助系統(tǒng)進(jìn)行功能擴(kuò)充，豐富行車提示及預(yù)警功能。

3.1 徑路查詢

系統(tǒng)通過(guò)北斗定位數(shù)據(jù)確定軌道車實(shí)時(shí)位置，將獲取到的徑路信息和GYK 數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對(duì)，運(yùn)用AI 智能算法自動(dòng)生成運(yùn)行徑路，從而實(shí)現(xiàn)徑路導(dǎo)航功能。

以濟(jì)南工務(wù)段為例，該段管轄范圍包括76 個(gè)車站（含線路所），通過(guò)建立261 個(gè)站站關(guān)系模型，采用AI 算法可自動(dòng)生成21 432 條運(yùn)行徑路，見(jiàn)圖2。通過(guò)點(diǎn)選始發(fā)、終到車站，可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)調(diào)車作業(yè)指導(dǎo)圖查看功能。

圖2 GYK走行徑路

查詢流程：初始化車站和線路組成的圖對(duì)象（graph）→根據(jù)圖對(duì)象遍歷找到始發(fā)站ID→繼續(xù)遍歷始發(fā)站所在行別的車站→依次遍歷包含終到站前所有的車站或車站總數(shù)，確保徑路中不包含重復(fù)車站→輸出符合條件所有徑路的車站名→結(jié)束遍歷→關(guān)閉圖對(duì)象。

JanusGraph作為圖形數(shù)據(jù)庫(kù)引擎，為數(shù)據(jù)持久性、數(shù)據(jù)索引、客戶端訪問(wèn)提供強(qiáng)大的模塊化接口，可以擴(kuò)展圖數(shù)據(jù)的處理，支持實(shí)時(shí)圖遍歷和分析查詢。為有效運(yùn)用JanusGraph圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，需要構(gòu)建一套快速查詢?cè)L問(wèn)的圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)徑路導(dǎo)航的快速響應(yīng)。

圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一般使用鄰接矩陣、鄰接表、十字鏈表、鄰接多重表等方式，各有優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。鄰接表是一種將圖表示為鏈表數(shù)組的方式，若表頭節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)存在相鄰頂點(diǎn)，則把相鄰頂點(diǎn)依次存放于表頭節(jié)點(diǎn)所指向的單向鏈表中，用一個(gè)存儲(chǔ)頂點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和一個(gè)組織節(jié)點(diǎn)的圖數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)GYK走行徑路圖頂點(diǎn)和邊之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，為減少存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)，系統(tǒng)采用鄰接表的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)頂點(diǎn)集合，以頂點(diǎn)和邊搭建“屬性圖”數(shù)據(jù)模型，以“圖”的方式把定義的頂點(diǎn)間的關(guān)系存儲(chǔ)起來(lái)［12］。

以圖3 為例，查找始發(fā)站為于官屯站至終到站禹城站的導(dǎo)航路徑。以于官屯站作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)于官屯站的鄰接點(diǎn)。從鄰接表中可以看出，與于官屯站相鄰的第1個(gè)節(jié)點(diǎn)是黃河涯站和德州站，因德州站下屬鄰接點(diǎn)無(wú)法訪問(wèn)到禹城站，將其作為無(wú)效節(jié)點(diǎn)以“Λ”表示結(jié)束，同時(shí)將黃河涯站作為有效節(jié)點(diǎn)，并將于官屯站的鏈域值修改成黃河涯站的鏈域值。在鄰接表中，與黃河涯站相鄰且未被訪問(wèn)的第1 個(gè)節(jié)點(diǎn)是三唐站和丁莊站，同樣丁莊站為無(wú)效節(jié)點(diǎn)，而三唐站為有效節(jié)點(diǎn)，隨即修改黃河涯站的鏈域值。而與三唐站相鄰的未被訪問(wèn)的第1 個(gè)節(jié)點(diǎn)是平原站，則將平原站作為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，同時(shí)修改三唐站的鏈域值。以此類推，與張莊站相鄰的節(jié)點(diǎn)是禹城站，同時(shí)判斷禹城站為終節(jié)點(diǎn)，則結(jié)束整個(gè)遍歷。最后，得到導(dǎo)航路徑：于官屯—黃河涯—三唐—平原—張莊—禹城，與實(shí)際徑路相符。

圖3 于官屯-禹城站圖及對(duì)應(yīng)鄰接表

選取車站數(shù)據(jù)作為頂點(diǎn)（Vertex）、車站的站界（一般為進(jìn)站信號(hào)機(jī)位置）里程數(shù)據(jù)作為邊（Edge），由于鐵路線路分為上下行，因此里程數(shù)據(jù)區(qū)分為有向邊。其中，車站數(shù)據(jù)（Vertex_Station）中包含始發(fā)站信息、終到站信息、交路號(hào)、上/下行進(jìn)站信號(hào)機(jī)信息（含反向進(jìn)站信號(hào)機(jī)）、上/下行出站信號(hào)機(jī)信息、上/下行對(duì)標(biāo)公里標(biāo)等屬性；線路數(shù)據(jù)（Edge_Line）中包含站名、站號(hào)、線名、行別、支線號(hào)選擇、線路起訖里程等屬性［13］，見(jiàn)圖4。圖數(shù)據(jù)庫(kù)中依次插入頂點(diǎn)（車站數(shù)據(jù)）和邊（線路數(shù)據(jù)），通過(guò)線路數(shù)據(jù)中車站間對(duì)應(yīng)的車站號(hào)，確立2個(gè)頂點(diǎn)和一條邊的關(guān)系，將Vertex集合、Edge集合合并成“圖”，實(shí)現(xiàn)快速遍歷查找和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖4 頂點(diǎn)（Vertex）和邊（Edge）的數(shù)據(jù)域

3.2 徑路導(dǎo)航

1）模擬導(dǎo)航。在走行徑路列表中選擇徑路后，進(jìn)入走行徑路詳情界面，包括開車信息（行別、交路號(hào)、站號(hào)、出站公里標(biāo)、對(duì)標(biāo)點(diǎn)）、行車信息（途經(jīng)車站、支線轉(zhuǎn)移操作、特殊信號(hào)機(jī)、長(zhǎng)大坡道、道口）、車站詳情（調(diào)車作業(yè)指導(dǎo)圖、車站配線圖）等。點(diǎn)擊“模擬導(dǎo)航”，系統(tǒng)自動(dòng)播報(bào)走行徑路中的行車信息（支線轉(zhuǎn)移操作、特殊信號(hào)機(jī)、長(zhǎng)大坡道、道口等）；點(diǎn)擊“停止導(dǎo)航”，則導(dǎo)航結(jié)束。

2）實(shí)時(shí)導(dǎo)航。通過(guò)北斗定位確定軌道車當(dāng)前位置，根據(jù)軌道車司機(jī)操作特點(diǎn)及要求，進(jìn)行行車提示及預(yù)警，實(shí)現(xiàn)鐵路行車在線實(shí)時(shí)導(dǎo)航，將安全風(fēng)險(xiǎn)控制關(guān)口前移，做到事前預(yù)警，事中干預(yù)。點(diǎn)擊“實(shí)時(shí)導(dǎo)航”，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)北斗定位，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備位置，導(dǎo)引界面見(jiàn)圖5。

圖5 GYK行車導(dǎo)引界面

在行車過(guò)程中，徑路導(dǎo)航可以實(shí)現(xiàn)如下功能：①直觀展示作業(yè)過(guò)程中該軌道車的車號(hào)、車次、線路及行別、實(shí)時(shí)里程位置、所在區(qū)間、各信號(hào)機(jī)位置，以及運(yùn)行途中橋隧、實(shí)際縱斷面等信息；②根據(jù)軌道車實(shí)時(shí)速度、線路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、地面信號(hào)信息及預(yù)設(shè)邏輯，對(duì)軌道車運(yùn)行速度進(jìn)行監(jiān)控，接近或超速時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音提示；③根據(jù)軌道車運(yùn)行計(jì)劃、實(shí)時(shí)位置及預(yù)設(shè)邏輯，在發(fā)車后首架信號(hào)機(jī)、整公里標(biāo)處，提示對(duì)標(biāo)操作；④根據(jù)軌道車實(shí)時(shí)位置及預(yù)設(shè)邏輯，在接近預(yù)告信號(hào)機(jī)前，提示對(duì)標(biāo)操作；⑤根據(jù)軌道車實(shí)時(shí)位置及預(yù)設(shè)邏輯，在接近右側(cè)信號(hào)機(jī)、長(zhǎng)大上下坡道、道口、隧道、橋梁等特殊線路位置時(shí)，進(jìn)行語(yǔ)音提示。

3.3 輔助運(yùn)行

軌道車開車前，司機(jī)通過(guò)操作智能輔助駕駛終端，確定始發(fā)站、終到站后，即可完成翻閱走行徑路圖、確定行車參數(shù)、選定對(duì)標(biāo)地點(diǎn)等多項(xiàng)操作。軌道車運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)北斗定位技術(shù)，確定當(dāng)前位置，實(shí)時(shí)對(duì)運(yùn)行徑路中的重點(diǎn)、難點(diǎn)信息進(jìn)行提示，極大縮短GYK 操作時(shí)間，降低錯(cuò)誤概率，提高現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備熟悉程度，確保軌道車的運(yùn)用安全。

1）軌道車智能定位。通過(guò)定位信息實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前所處車站，同步運(yùn)行計(jì)劃或人工錄入徑路，智能識(shí)別始發(fā)站、發(fā)車方向、途經(jīng)徑路、轉(zhuǎn)線車站等信息。在行車過(guò)程中，根據(jù)列車實(shí)時(shí)位置，繪制當(dāng)前線路的坡度、橋梁、隧道、斷鏈、道岔、曲線、道口等信息，向司機(jī)進(jìn)行可視化展示，輔助掌握前方線路信息。地面設(shè)置維護(hù)管理終端，支持按照線路、行別及公里標(biāo)等信息預(yù)設(shè)軌道車司機(jī)操作重點(diǎn)、難點(diǎn)事項(xiàng)，創(chuàng)建后可同步至pad，在達(dá)到指定位置時(shí)按規(guī)則進(jìn)行提示。

2）輔助錄入開車信息。通過(guò)預(yù)置邏輯及數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，結(jié)合運(yùn)行計(jì)劃信息，在獲取當(dāng)前所處始發(fā)站時(shí)，彈窗提示GYK所需的車次、交路、車站號(hào)、公里標(biāo)信息，輔助司機(jī)操作，簡(jiǎn)化操作流程。在遇到問(wèn)題時(shí)，可以通過(guò)電子資料快速匹配查詢功能，根據(jù)軌道車車型，定位相應(yīng)故障處置手冊(cè)，通過(guò)規(guī)章代碼或場(chǎng)景搜索便捷查詢處置方案，實(shí)現(xiàn)司機(jī)對(duì)每一步操作流程的詳細(xì)查閱。

3）智能判別支線操作。后臺(tái)支持提前導(dǎo)入車站的對(duì)標(biāo)點(diǎn)信息，系統(tǒng)可自動(dòng)解析徑路中每個(gè)車站對(duì)應(yīng)的行別、交路號(hào)、站號(hào)及出站公里標(biāo)，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)解析匹配，提取對(duì)應(yīng)的線路基礎(chǔ)信息及支線操作信息。通過(guò)軌道車實(shí)時(shí)定位、作業(yè)計(jì)劃及軌道車徑路信息，在軌道車接近轉(zhuǎn)線車站前方預(yù)告信號(hào)機(jī)前，彈窗提示前方線路切換情況，需注意支線操作，并提示支線號(hào)或相關(guān)交路及車站號(hào)注冊(cè)信息等，確保GYK數(shù)據(jù)調(diào)用無(wú)誤。

4 結(jié)論

GYK 智能輔助系統(tǒng)能夠在充分利用各類數(shù)據(jù)，在不添加任何工作量的情況下，規(guī)范基礎(chǔ)管理，降低行車風(fēng)險(xiǎn)，確保軌道車安全運(yùn)行。目前，該系統(tǒng)已在濟(jì)南局集團(tuán)公司濟(jì)南工務(wù)段管內(nèi)試用。實(shí)踐證明其里程定位精準(zhǔn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提示及預(yù)警信息準(zhǔn)確，界面清晰，符合設(shè)計(jì)要求。下一步，根據(jù)軌道車司機(jī)操作特點(diǎn)及要求，以及相關(guān)技術(shù)、管理人員的意見(jiàn)建議，不斷豐富行車提示及預(yù)警功能，完善系統(tǒng)性能，提高軌道車的行車安全性。