鐵路電務設備巡檢數(shù)據(jù)實時顯示動態(tài)分析系統(tǒng)設計

薛龐祥

（晉能控股煤業(yè)集團鐵路運營公司塔山鐵路分公司，山西 大同 037001）

0 引言

目前，我國重載鐵路設計、運行能力位居世界領先地位。2 萬t 運煤專用線擔負著國家能源保供的任務，為我國經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)展作出了重要貢獻。電務段是鐵路系統(tǒng)的重要組成部分，包括信號和通信兩類專業(yè)，負責管理和維護地面信號機、道岔、軌道電路、計算機聯(lián)鎖和通信設備的正常運行。信號專業(yè)承載調(diào)度、控制、安全、監(jiān)測等多種數(shù)據(jù)的傳輸。在“新基建”的背景下，以大數(shù)據(jù)、人工智能為代表的新技術體系成為各行各業(yè)的發(fā)展新動能。作為大數(shù)據(jù)體系架構中的“最后一公里”，數(shù)據(jù)可視化技術在鐵路行業(yè)有著廣闊的應用前景。電務設備巡檢數(shù)據(jù)實時性強、種類復雜，通過運用二維碼技術、數(shù)據(jù)庫操作和BI 工具對數(shù)據(jù)進行整理分析、同步上傳、可視化交互展示，使維修人員更方便地處理數(shù)據(jù)，更有效地利用數(shù)據(jù)，達到及時發(fā)現(xiàn)并處理問題的目的。

1 研究的必要性

鐵路行業(yè)作為一個歷史悠久的傳統(tǒng)行業(yè)，以往它的發(fā)展觀念更側重于通過硬件設施設備的不斷更新改造來提高運輸生產(chǎn)效率，信息化技術對于鐵路企業(yè)來說重視度并不高。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術迅速發(fā)展，智能化、信息化技術成為了企業(yè)發(fā)展的強大助力。在這樣的背景下，大數(shù)據(jù)、人工智能等概念在鐵路行業(yè)開始迅速萌芽、發(fā)展。在這個過程中，傳統(tǒng)的硬件設備設施與現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理方式相結合也是不可缺少的，鐵路企業(yè)也在不斷探索使用更加先進、更加可靠、更經(jīng)濟適用的數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，來提高綜合管理水平，進而提升運輸效率。

設備基礎信息是否清楚，其運行狀態(tài)是否良好，關系著鐵路運輸?shù)陌踩?。比如在設備信息管理、檢修記錄管理、其他相關信息的統(tǒng)計及查詢方面，以往的人工操作、紙質(zhì)材料管理等方式的效率較低、準確性不高，相關信息的更新與維護處理較為復雜；同時，對于運煤專用線，列車越來越快的運行速度和運煤總量使得鐵路安全壓力上漲，要實現(xiàn)鐵路設備設施的標準化管理要求需要進行的工作量變得越來越多，其中往往還伴隨著數(shù)據(jù)處理不方便、自動化程度低、相關信息的傳遞阻礙。重載貨運鐵路的站點多且站線長，軌旁設備的投運時間與使用周期都各有差異，這導致了設備檔案的更新，設備巡檢保養(yǎng)維修較為不便，如果沒有進行科學合理的管理，非常容易發(fā)生失修或者超期限運轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，這將會引起鐵路運輸?shù)娘L險。

如何改進鐵路設備巡檢數(shù)據(jù)處理方式，提高數(shù)據(jù)處理效率，減少非必要費用消耗、降低人力成本、降低安全風險，是鐵設備管理中亟待解決的問題。鐵路電務設備巡檢數(shù)據(jù)實時顯示動態(tài)分析系統(tǒng)實現(xiàn)了對巡檢數(shù)據(jù)進行整合分析、即時共享、可視化交互展現(xiàn)，使鐵路電務專業(yè)人員更直觀地分析數(shù)據(jù)，更有效地利用數(shù)據(jù)，進而及時發(fā)現(xiàn)并處理問題，大大提高設備管理效率和人員利用率。因此，研究和設計鐵路電務設備巡檢數(shù)據(jù)實時顯示動態(tài)分析系統(tǒng)對于提高鐵路設備管理效率具有重要意義。

2 相關技術路線研究

為了實現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)的實時顯示、動態(tài)分析目的，系統(tǒng)應能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、上傳、同步、分析和可視化等基本功能。巡檢數(shù)據(jù)來源于巡檢人員日常工作中對設備的檢修情況記錄，過去檢修人員通過填寫檢修記表和運行日志記錄數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的紙質(zhì)資料處理數(shù)據(jù)效率低下，無法滿足鐵路信息化建設的要求。

設備運行數(shù)據(jù)的采集可以通過二維碼、手持終端和傳感器等方式。二維碼和手持終端是一個原理，都需要工人手動輸入巡檢數(shù)據(jù)，優(yōu)點是數(shù)據(jù)格式不受限制，采集的巡檢情況數(shù)據(jù)內(nèi)容全面，缺點是必須由工人手動輸入。二維碼本質(zhì)上是個信息入口，我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷亩S碼一般是指QRcode，它是二維碼碼制中的一種，由日本DENSO WAVE 公司于1994年發(fā)明。目前，二維碼應用場景已覆蓋到生活的方方面面，使用方便快捷，在設備管理領域應用前景廣闊。傳感器通過物聯(lián)網(wǎng)技術對設備運行情況進行實時監(jiān)控，使用優(yōu)點是自動采集運行數(shù)據(jù)，缺點是受傳感器類別不同只能采集某一種信息，如溫濕度、開關切換位置、設備聲光報警等，無法覆蓋所有巡檢內(nèi)容。

數(shù)據(jù)上傳、同步可以通過云存儲服務器和服務器兩種形式實現(xiàn)。云服務器無需提前購買硬件，即可迅速創(chuàng)建或釋放任意多臺服務器，其管理方式比物理服務器更簡單高效。

數(shù)據(jù)可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。數(shù)據(jù)可視化與信息圖形、信息可視化、科學可視化以及統(tǒng)計圖形密切相關。當前，在研究、教學和開發(fā)領域，數(shù)據(jù)可視化極為活躍而關鍵?！皵?shù)據(jù)可視化”這條術語實現(xiàn)了成熟的科學可視化領域與較年輕的信息可視化領域的統(tǒng)一。實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化的工具一般有三類，分別為報表類、BI 類和編程類。BI 類是專為數(shù)據(jù)分析而生的，從連接數(shù)據(jù)到可視化輸出是一整套解決方案，應用軟件包括Power BI、Fine BI 和百度Sugar BI。百度Sugar BI 是百度智能云旗下產(chǎn)品，基于百度AI 能力，提供各種智能化功能。

3 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)共分為三個部分，分別是設備二維碼巡檢數(shù)據(jù)采集模塊、云服務器數(shù)據(jù)同步上傳模塊和數(shù)據(jù)可視化模塊。將設備二維碼中的表單數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)API將存儲在云端的海量二維碼表單數(shù)據(jù)連接到百度智能云Sugar 平臺上創(chuàng)建數(shù)據(jù)大屏。項目使用到的主要工具是草料二維碼生成器和百度智能云Sugar BI。草料二維碼是一家專業(yè)的二維碼云服務提供商，提供自助式的二維碼制作、應用搭建和配套服務。Sugar BI是百度智能云推出的敏捷BI（商業(yè)智能）和數(shù)據(jù)可視化平臺，支持各種數(shù)據(jù)來源，通過拖拽圖表組件可實現(xiàn)搭建數(shù)據(jù)可視化頁面，組件豐富，低代碼編程。項目研究的關鍵部分是設備二維碼巡檢表單創(chuàng)建的和數(shù)據(jù)模型的創(chuàng)建和直觀的數(shù)據(jù)可視化頁面設計工作，系統(tǒng)整體架構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構

3.1 數(shù)據(jù)采集、同步模塊

數(shù)據(jù)采集、同步模塊完成巡檢數(shù)據(jù)電子化轉(zhuǎn)換，這部分為可視化分析模塊提供了數(shù)據(jù)。采集部分基于用戶需求，完成二維碼表單的創(chuàng)建。

3.1.1 設備二維碼生成的設計

基于草料二維碼平臺制作設備二維碼，張貼在設備上。二維碼包含兩部份內(nèi)容首頁和表單。二維碼首頁展示設備的名稱、設備類型、安裝地點、投用時間、設備編號、設備相關技術圖紙和資料等信息。表單用來采集巡檢數(shù)據(jù)，制作的表單應包含三部分信息，巡檢基礎信息、設備運行情況和巡檢過程的圖片、視頻證明材料。

1）巡檢基礎信息收集巡檢人信息、巡檢日期和巡檢地點，通過日期、地點、掃碼人功能組件添加至表單。

2）設備運行情況記錄巡檢是設備的運行情況，主要收集設備的故障報警信息、《鐵路技術管理規(guī)程》中規(guī)定的設備檢修內(nèi)容，通過文本、下拉列表等功能組件添加至表單。

3）巡檢過程的圖片、視頻證明材料用于反應巡檢的真實性，防止偷懶作弊，通過添加圖片、視頻功能模塊添加至表單。

3.1.2 二維碼巡檢主要過程

1）巡檢時工作人員掃描設備上的二維碼，判斷用戶類型、權限。

2）若有相應權限則能查看設備基礎信息、填寫表單并查看表單歷史數(shù)據(jù)，若無用戶權限則只能查看設備基礎信息。

3）工作人員填寫巡檢相關信息，并提交，完成設備巡檢。

4）提交后后臺管理員收到提交申請，對相關信息確認無誤，審核通過。

3.1.3 數(shù)據(jù)同步模塊設計

草料提供了阿里云數(shù)據(jù)庫官方數(shù)據(jù)庫，同步后臺的數(shù)據(jù),后續(xù)可以用數(shù)據(jù)分析軟件連接這個云數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫版本為Mysql 5.7 版，通過數(shù)據(jù)API 實現(xiàn)與可視化模塊的數(shù)據(jù)同步。數(shù)據(jù)庫中共包含以下數(shù)據(jù)表：table_dXX（表單數(shù)據(jù)表）、base_codeinfo（碼的基本信息表）、code_state（碼的狀態(tài)表）、base_auth_msg（填表人信息）、code_state_log（碼的狀態(tài)的更新日志），各數(shù)據(jù)表之間一些關鍵信息如code_id（碼的唯一標識）、auth_id（填表人唯一標識）、record_id（表單數(shù)據(jù)唯一標識）實現(xiàn)各表之間數(shù)據(jù)關聯(lián)，各數(shù)據(jù)表與二維碼一一對應。

3.2 數(shù)據(jù)可視化模塊

使用百度Sugar 智能數(shù)據(jù)分析軟件，Sugar 里豐富的可視化數(shù)據(jù)分析組件支持數(shù)據(jù)分析。可視化分析流程包含以下三個步驟：整理數(shù)據(jù)、可視化組件設計、分享使用。

3.2.1 整理數(shù)據(jù)

1）創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型，選擇需要連接的數(shù)據(jù)源，輸入數(shù)據(jù)模型名稱。進入到模型編輯頁面，頁面的左側會列出數(shù)據(jù)源中的所有數(shù)據(jù)表，拖動要分析的數(shù)據(jù)表至頁面中間區(qū)域。如這里需要分析設備巡檢完成情況，就需code_task_log 這個表，同時關聯(lián)上base_codeinfo來獲取碼的詳細信息，包括綜合巡檢結果、值班（巡檢）人、記錄時間等。

2）有時候需要轉(zhuǎn)換字段的數(shù)據(jù)類型，在度量和緯度之間轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后能夠?qū)⒆址愋彤敵蓴?shù)字類型來處理、計算和展示。如數(shù)據(jù)表中日期字段為字符串類型，通過設置數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換字符串類型將轉(zhuǎn)換為日期類型。

3）新建計算度量，當需要分析的參數(shù)數(shù)據(jù)表中沒有時，使用MySQL 5.X 常用函數(shù)輸入表達式或表計算，新建計算度量完成分析。

4）添加篩選組件：篩選組件可以查看指定數(shù)據(jù)的情況。

3.2.2 可視化組件設計

電務信號設備大致分為兩類，室內(nèi)設備和室外設備。

室內(nèi)設備主要為聯(lián)鎖系統(tǒng)和電源屏，針對聯(lián)鎖系統(tǒng)、電源屏的設備運行數(shù)據(jù)、設備故障、設備報警信息等綜合運維信息進行可視化組件設計。根據(jù)數(shù)據(jù)種類繁多、結構復雜等特點，采用圓角環(huán)圖與表格組合設計、按時間段查詢設計及異常數(shù)據(jù)報警顯示三種可視化方法設計可視化應用組件。圓角環(huán)圖統(tǒng)計分析各設備總的巡檢數(shù)據(jù)量以及該設備正常、異常數(shù)據(jù)占比。表格需要詳細展示設備的各項運行參數(shù)，為了使可視化頁面更加簡潔，使用“圖表下鉆”功能顯示表格?！皥D表下轉(zhuǎn)鉆”指在點擊本圖表的某一部分，可以打開一個新的圖表或超鏈接，進而參看與圖表此部分相關的詳細信息。

室外設備主要為轉(zhuǎn)轍機、信號機、軌道電路三大件。這里主要分析設備的電氣特性Ⅰ級測試記錄，在數(shù)據(jù)篩選器內(nèi)對字段進行篩選，設置閾值，只有電壓、電流超出規(guī)定標準時才顯示該條巡檢記錄。

對每日掃碼量，總計掃碼量進行統(tǒng)計。每日掃碼量的統(tǒng)計是監(jiān)督值班人員巡檢設備情況的重要手段，通過添加日期范圍控件的形式調(diào)度人員能夠在數(shù)據(jù)大屏上查詢到任意時間段內(nèi)的巡檢情況。

3.2.3 分享使用

分享方式有兩種方式，分別為公開分享和IP 白名單訪問。公開分享是指對所有的互聯(lián)網(wǎng)用戶開放，用戶不需要使用Sugar BI 的賬號登錄，直接通過您公開分享url 鏈接地址就能在瀏覽器上直接訪問您開發(fā)的Sugar BI 可視化頁面，并且沒有任何的權限管理，所有用戶都可以訪問。公開分享有三種模式公開分享、加密公開分享和通過Token 驗證。IP 白名單訪問是指開啟IP 白名單后，發(fā)布的大屏僅允許在指定的IP 白名單范圍內(nèi)訪問，如果您使用了非白名單IP 訪問當前大屏，將被拒絕訪問。

4 結語

本文基于二維碼技術和可視化工具提出了一套滿足鐵路電務設備巡檢實時顯示動態(tài)分析需求的解決方案，用于解決傳統(tǒng)的硬件設備設施與現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)處理方式相結合的問題?；诒驹O計能夠?qū)崿F(xiàn)設備巡檢數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)同步上傳和數(shù)據(jù)可視化分析功能。經(jīng)過測試，系統(tǒng)處理巡檢數(shù)據(jù)速度提高至實時級別（500 ms 以內(nèi)），數(shù)據(jù)大屏能夠反應各設備巡檢情況，極大地提高了設備管理效率和人員利用率。