基于信號(hào)集中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的電務(wù)作業(yè)智能盯控系統(tǒng)研究

石 成， 岳 雷

鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Centralized Signal Monitoring，CSM）是監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備隱患，分析診斷信號(hào)設(shè)備故障，實(shí)現(xiàn)信號(hào)子系統(tǒng)接口信息安全監(jiān)督，輔助和指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)維修及故障處理，提高電務(wù)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量和維護(hù)水平的重要信號(hào)設(shè)備［1］。CSM 經(jīng)過(guò)近30 年的發(fā)展，已經(jīng)成為鐵路電務(wù)專業(yè)不可或缺的設(shè)備，CSM 所采集的設(shè)備數(shù)據(jù)也是最重要的數(shù)據(jù)資產(chǎn)之一。如何更好、高效地利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，已經(jīng)成為近幾年來(lái)各方研究的重點(diǎn)。如楊向波等［2］提出了利用檢修盯控子系統(tǒng)來(lái)代替人工調(diào)閱和盯控，即在CSM 基礎(chǔ)上，結(jié)合檢修作業(yè)管理方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵作業(yè)執(zhí)行狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)盯控。

本文基于CSM 數(shù)據(jù)，從日常作業(yè)盯控的角度，進(jìn)一步研究電務(wù)作業(yè)盯控的自動(dòng)化和智能化，提出基于信號(hào)集中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的作業(yè)智能盯控系統(tǒng)［3］（以下簡(jiǎn)稱“智能盯控系統(tǒng)”），以實(shí)現(xiàn)作業(yè)盯控的全覆蓋。在提升盯控效率的同時(shí)，降低盯控人員勞動(dòng)強(qiáng)度。該系統(tǒng)是對(duì)既有CSM 數(shù)據(jù)、作業(yè)卡控系統(tǒng)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)調(diào)度指揮系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析的一種嘗試和研究，不僅要考慮其功能的實(shí)現(xiàn)，更要考慮網(wǎng)絡(luò)安全［4-6］等問(wèn)題。

1 既有電務(wù)維修作業(yè)流程

要實(shí)現(xiàn)對(duì)電務(wù)維修作業(yè)的盯控，首先要梳理目前電務(wù)維修作業(yè)的整個(gè)流程［7］，然后才能有針對(duì)性地對(duì)某些環(huán)節(jié)進(jìn)行盯控。既有電務(wù)維修作業(yè)流程見(jiàn)圖1。

圖1 既有電務(wù)維修作業(yè)流程

在電務(wù)維修作業(yè)過(guò)程中，有的路局使用釘釘群或微信群來(lái)傳遞各環(huán)節(jié)的相應(yīng)照片，輔助進(jìn)行作業(yè)環(huán)節(jié)的卡控，使卡控動(dòng)作有據(jù)可查；也有的路局使用“電務(wù)作業(yè)卡控系統(tǒng)”卡控作業(yè)環(huán)節(jié)，雖取得了一定的成效，但由于該系統(tǒng)存在一些局限性，如不能自動(dòng)獲取作業(yè)前后設(shè)備的電氣特性，只能依靠人工查看CSM 數(shù)據(jù)，確認(rèn)存在問(wèn)題是否得到整治，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)量大。尤其是高鐵線路往往是夜間維修，若存在多處同時(shí)作業(yè)的情況，則給盯控人員增加了極大的勞動(dòng)量。所以通常站段把維修作業(yè)劃分為不同等級(jí)，日常只盯控重點(diǎn)作業(yè)，無(wú)法做到現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)盯控的全覆蓋。

為此，本文提出智能盯控系統(tǒng)：基于既有的CSM系統(tǒng)、作業(yè)卡控系統(tǒng)和生產(chǎn)指揮系統(tǒng)，打通這三者的網(wǎng)絡(luò)安全壁壘，把三者數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，利用計(jì)算機(jī)算力，在作業(yè)盯控環(huán)節(jié)對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)、智能比對(duì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有作業(yè)盯控全覆蓋，自動(dòng)判斷作業(yè)過(guò)程是否合規(guī)、設(shè)備電氣特性是否正常等，把作業(yè)過(guò)程中未發(fā)現(xiàn)或引入的設(shè)備安全隱患消除在萌芽狀態(tài)。

2 智能盯控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能盯控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，劃分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)應(yīng)用、用戶展示等共4層。

圖2 智能盯控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1）數(shù)據(jù)采集層，分別從CSM 采集報(bào)（預(yù)）警、電氣特性日曲線、道岔動(dòng)作電流/功率曲線、道岔扳動(dòng)、信號(hào)開(kāi)放、軌道占用、分路不良測(cè)試等數(shù)據(jù)信息［8］，從作業(yè)卡控系統(tǒng)采集作業(yè)單數(shù)據(jù)，從生產(chǎn)指揮系統(tǒng)采集施工/維修計(jì)劃、組織機(jī)構(gòu)、人員、車站等數(shù)據(jù)信息。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，把采集的各類信息進(jìn)行清洗、轉(zhuǎn)換、關(guān)聯(lián)、合并、標(biāo)記、添加索引后，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)的各類庫(kù)表中，供數(shù)據(jù)應(yīng)用層綜合分析使用。

3）數(shù)據(jù)應(yīng)用層，根據(jù)不同場(chǎng)景，針對(duì)不同的施工/維修作業(yè)，按設(shè)備類型進(jìn)行不同種類的分析，如作業(yè)期間對(duì)報(bào)警的分析、設(shè)備試驗(yàn)分析、電氣特性分析、道岔動(dòng)作電流/功率曲線分析等，并采用不同的算法進(jìn)行綜合判斷。

4）用戶展示層，展示作業(yè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，如設(shè)備是否有作業(yè)痕跡，作業(yè)完成后電氣特性是否恢復(fù)正常，是否有超范圍的設(shè)備被維修等。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能盯控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3。在采集CSM、作業(yè)卡控系統(tǒng)、生產(chǎn)指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)時(shí)，采用“接口防火墻+接口服務(wù)器”［9-10］網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)，保證數(shù)據(jù)采集的網(wǎng)絡(luò)安全。面向辦公網(wǎng)時(shí)，通過(guò)核心防火墻提供統(tǒng)一的對(duì)外服務(wù)。在不同的網(wǎng)絡(luò)邊界增加網(wǎng)絡(luò)隔離設(shè)備，通過(guò)隔離不同的網(wǎng)絡(luò)區(qū)域，保證系統(tǒng)安全。同時(shí)增加設(shè)置入侵檢測(cè)、入侵防御、日志審計(jì)、運(yùn)維審計(jì)等安全模塊，形成安全管理中心，保證通信網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算環(huán)境的安全。如有路局已經(jīng)配有安全管理中心，并且通過(guò)了公安部的認(rèn)證，則可利用該中心進(jìn)一步節(jié)省投資。

圖3 智能盯控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3 作業(yè)盯控內(nèi)容及展示

3.1 道岔（轉(zhuǎn)轍機(jī)）類

1）分析作業(yè)期間道岔（轉(zhuǎn)轍機(jī)）動(dòng)作次數(shù)、每次動(dòng)作的時(shí)間和動(dòng)作方向，以及道岔表示是否正常等。

2）分析作業(yè)結(jié)束前是否有連續(xù)2 次及以上的定位到反位、反位到定位的動(dòng)作曲線，并對(duì)比道岔動(dòng)作電流/功率曲線是否恢復(fù)正常。

3）對(duì)比作業(yè)開(kāi)始前一段時(shí)間、作業(yè)結(jié)束前、結(jié)束30 min 后、結(jié)束3 h 后的道岔表示電壓差異，分析并記錄變化趨勢(shì)。

4） 統(tǒng)計(jì)作業(yè)期間道岔（轉(zhuǎn)轍機(jī)） 相關(guān)報(bào)（預(yù)）警。

3.2 軌道電路類

1）分析作業(yè)期間區(qū)段占用變化情況，占用/空閑時(shí)長(zhǎng)等。

2） 作業(yè)結(jié)束后，分析區(qū)段是否存在異常占用。

3）分析作業(yè)開(kāi)始前一段時(shí)間、作業(yè)結(jié)束前、結(jié)束30 min 后、結(jié)束3 h 后的軌道電壓差異，并記錄變化趨勢(shì)。

4）統(tǒng)計(jì)作業(yè)期間軌道電路相關(guān)報(bào)（預(yù)）警。

3.3 信號(hào)機(jī)類

1）分析作業(yè)期間信號(hào)機(jī)各燈位開(kāi)放情況、開(kāi)放時(shí)長(zhǎng)。

2）分析信號(hào)機(jī)是否存在異常滅燈情況。

3）分析作業(yè)期間信號(hào)機(jī)是否有正常的排列進(jìn)路、開(kāi)放信號(hào)等。

4）對(duì)比作業(yè)開(kāi)始前一段時(shí)間、作業(yè)結(jié)束前、結(jié)束30 min 后、結(jié)束3 h 后的1DJ、2DJ 電流，分析并記錄變化趨勢(shì)。

5）統(tǒng)計(jì)作業(yè)期間信號(hào)機(jī)相關(guān)報(bào)（預(yù)）警。

3.4 界面展示

智能盯控系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)盯控所有施工/維修作業(yè)，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)所有的已/未兌現(xiàn)作業(yè)單，以及展示作業(yè)單的分析結(jié)果，實(shí)時(shí)作業(yè)盯控示意見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)時(shí)作業(yè)盯控示意

點(diǎn)擊圖4 中“發(fā)現(xiàn)異?！钡募t色圓圈，可展示分析出有異常的作業(yè)；點(diǎn)擊作業(yè)中涉及的設(shè)備，可展示該設(shè)備在作業(yè)過(guò)程中相關(guān)的盯控項(xiàng)；點(diǎn)擊設(shè)備關(guān)聯(lián)的日曲線信息，可查看作業(yè)過(guò)程中設(shè)備相關(guān)的電氣特性曲線。

針對(duì)每項(xiàng)作業(yè)，既可展示作業(yè)過(guò)程中所有的盯控內(nèi)容，如鏈接展示工器具材料上/下道清點(diǎn)的照片，人員上/下道清點(diǎn)的照片，作業(yè)結(jié)束后電氣特性、作業(yè)過(guò)程留痕的分析結(jié)果等；又可關(guān)聯(lián)展示相關(guān)制度要求的盯控一覽表，包括計(jì)劃部分的作業(yè)開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間，影響范圍，作業(yè)內(nèi)容，作業(yè)過(guò)程卡控的工器具材料清點(diǎn)、人員清點(diǎn)、地點(diǎn)確認(rèn)，以及事后分析的會(huì)議記錄、聯(lián)絡(luò)記錄、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)過(guò)程驗(yàn)證等內(nèi)容。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

智能盯控系統(tǒng)一方面根據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全等級(jí)保護(hù)2.0 的技術(shù)規(guī)范，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)；另一方面根據(jù)“基本要求”的第二級(jí)防護(hù)［11］，對(duì)安全計(jì)算環(huán)境、安全區(qū)域邊界、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全管理中心等進(jìn)行安全加固，實(shí)施多層隔離、重點(diǎn)保護(hù)策略，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)安全縱深防御體系。等級(jí)保護(hù)安全技術(shù)設(shè)計(jì)框架見(jiàn)圖5。

圖5 等級(jí)保護(hù)安全技術(shù)設(shè)計(jì)框架

1）安全計(jì)算環(huán)境。包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、安全設(shè)備、數(shù)據(jù)庫(kù)、服務(wù)器、終端、應(yīng)用系統(tǒng)等一系列操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件的環(huán)境，通過(guò)對(duì)計(jì)算環(huán)境實(shí)施相應(yīng)的安全策略和配置，保護(hù)系統(tǒng)安全。

2）安全區(qū)域邊界。在不同系統(tǒng)之間的邊界處進(jìn)行安全控制，通過(guò)設(shè)置邊界設(shè)備并配置防護(hù)策略，實(shí)現(xiàn)邊界處安全。

3）安全通信網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)傳輸進(jìn)行相應(yīng)策略配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)安全，保證系統(tǒng)的平穩(wěn)可靠運(yùn)行。

4）安全管理中心。統(tǒng)一對(duì)安全計(jì)算環(huán)境、安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全區(qū)域邊界等進(jìn)行管理，形成綜合體系。

4.2 曲線匹配算法

曲線匹配是一種用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像處理的算法，可以用來(lái)比較2 條曲線的相似度。曲線匹配算法的基本思路是將2 條曲線通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等方式對(duì)齊后，計(jì)算二者之間的距離。計(jì)算距離的方法有很多種，如歐式距離、曼哈頓距離、動(dòng)態(tài)時(shí)間規(guī)整（Dynamic Time Warping，DTW）等。本文選用DTW，即按照距離最近原則，構(gòu)建2 個(gè)長(zhǎng)度不同的序列元素對(duì)應(yīng)關(guān)系，并評(píng)估2 個(gè)序列的相似性。

DTW 的計(jì)算過(guò)程分為構(gòu)建累積距離矩陣和尋找最短路徑2 部分，類似于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的過(guò)程。假設(shè)X序列為｛3，4，5｝，Y序列為｛1，4，2，6｝，相似度計(jì)算采用兩點(diǎn)間的絕對(duì)值來(lái)表示，計(jì)算過(guò)程如下。

Step 1 構(gòu)建累積距離矩陣。首先形成一個(gè)3×4 的網(wǎng)格，其中行對(duì)應(yīng)X序列，列對(duì)應(yīng)Y序列，每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)元素代表對(duì)應(yīng)點(diǎn)的累積距離。如圖6 所示，從左下角開(kāi)始計(jì)算，左下角取值直接套用距離計(jì)算公式3-1=2；然后網(wǎng)格第1列從下往上開(kāi)始，除了要計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離外，還需加上下方相鄰網(wǎng)格的距離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)距離的累積。同理，網(wǎng)格第1行從左至右，除了計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)距離之外，還需加上左方相鄰網(wǎng)格的距離。其余的網(wǎng)格除要計(jì)算對(duì)應(yīng)點(diǎn)的距離外，還需找到左下方3 個(gè)點(diǎn)的最小值進(jìn)行相加，以此類推，得到最終的累積距離矩陣。

圖6 積累距離矩陣

Step 2 尋找最短路徑。從圖6 最右側(cè)網(wǎng)格右上角開(kāi)始，尋找左下方3 個(gè)點(diǎn)中距離最小的點(diǎn)。以此類推，通過(guò)回溯的方式找到最短路徑，得到最短距離。

在尋找最短路徑時(shí)，有3 個(gè)限制條件：①邊界條件，起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為左下角和右上角；②連續(xù)性，只能和相鄰的點(diǎn)匹配，不能跨過(guò)某個(gè)點(diǎn)進(jìn)行匹配；③單調(diào)性，路徑上的點(diǎn)隨著時(shí)間單調(diào)進(jìn)行，不能往左回退。因此每個(gè)點(diǎn)的下一步路徑，只有可能存在于右上方的3個(gè)點(diǎn)當(dāng)中。

正常情況下，道岔動(dòng)作電流/功率曲線的波形基本保持不變，在維修作業(yè)完成后，如果道岔工況沒(méi)有恢復(fù)正常，則曲線的差異比較大。把正常情況下道岔動(dòng)作電流/功率曲線和維修作業(yè)后的曲線，根據(jù)上述步驟計(jì)算得到最短路徑后，計(jì)算最短路徑之和，該值越小，說(shuō)明曲線匹配度越好。

以某電務(wù)段為例，每天安排的作業(yè)計(jì)劃大概100 條。智能盯控系統(tǒng)上道后，可自動(dòng)實(shí)時(shí)盯控所有作業(yè)，盯控人員只需關(guān)注異常情況即可，使作業(yè)任務(wù)從重點(diǎn)盯控到各層級(jí)的盯控全覆蓋，大大提高了現(xiàn)場(chǎng)的工作效率。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于鐵路信號(hào)集中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的作業(yè)智能盯控系統(tǒng)避免了人工盯控失誤、盯控不及時(shí)、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題，不但大大提高了盯控的效率和準(zhǔn)確度，還減輕了現(xiàn)場(chǎng)的勞動(dòng)量，切實(shí)解決了現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。在試運(yùn)行期間，經(jīng)過(guò)多輪現(xiàn)場(chǎng)反饋和系統(tǒng)優(yōu)化，有效避免了現(xiàn)場(chǎng)漏檢、漏修和假維修等行為，使自動(dòng)盯控的項(xiàng)點(diǎn)更完備、更貼近現(xiàn)場(chǎng)，提升了設(shè)備維護(hù)的質(zhì)量，值得推廣應(yīng)用。