客運專線列控系統(tǒng)維護平臺架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

燕 翔 周 暐 江 明

(北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司，北京 100073)

燕翔，男，碩士畢業(yè)于清華大學，現(xiàn)供職于北京全路通信信號研究設(shè)計院有限公司通用研究院，工程師。主要從事鐵路通信信號方面的工作，曾參與十一五國家支撐計劃項目“CTCS-3級列控系統(tǒng)綜合設(shè)計集成平臺”并擔任子任務(wù)負責人，現(xiàn)擔任研究設(shè)計院“C3綜合測評系統(tǒng)”及“基于通用計算機技術(shù)的安全平臺的關(guān)鍵技術(shù)研究”項目負責人。擁有發(fā)明專利一項。

我國高速鐵路的發(fā)展即將從一個時間較為集中的建設(shè)階段進入一個時間跨度較長的運營維護階段。高鐵信號系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)、關(guān)鍵裝備研制、工程集成的需求逐漸減小，設(shè)備日常運營維護的需求日益增大。對于鐵道部、鐵路局、電務(wù)段等用戶而言，面對短時間內(nèi)大規(guī)模裝備的種類繁多、技術(shù)含量高的新型信號設(shè)備，亟需一種先進的技術(shù)裝備和與之配套的管理方法，來對這些設(shè)備的運營進行有效維護及管理。對于企業(yè)而言，隨著輸出產(chǎn)品的日益增多，亟需一種可靠性強、智能化程度高的技術(shù)手段，對產(chǎn)品的運行狀態(tài)、健康程度進行監(jiān)控、評估；對產(chǎn)品的維修、更換、升級等給出合理的建議，降低系統(tǒng)性風險，減少傳統(tǒng)維護方式帶來的人力、物力、財力方面的開銷。本文從技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢出發(fā)，描繪了客運專線列控系統(tǒng)維護平臺的總體架構(gòu)，分析了構(gòu)建平臺所需研究的關(guān)鍵技術(shù)，為將來維護平臺的建設(shè)提供技術(shù)性指導。

1 技術(shù)現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢

目前，面向維護功能的系統(tǒng)有CSM（信號集中監(jiān)測，2010年定標）、DMS（列控設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，2008年定標）。由于定標及時間的原因，這兩個系統(tǒng)從設(shè)計、功能上看偏向于監(jiān)測，維護功能有限，且監(jiān)測范圍有限、深度不夠，作為新型列控系統(tǒng)的維護系統(tǒng)來說，存在以下不足。

1）中心設(shè)備RBC、TSRS尚未納入監(jiān)測范圍；

2）車站設(shè)備如TCC、CTC站機雖已納入監(jiān)測范圍，但監(jiān)測手段是依靠設(shè)備自身主動上報運行狀態(tài)等，缺乏客觀性，可信度低；

3）車載設(shè)備監(jiān)測范圍不夠，針對無線通信的監(jiān)測功能還比較薄弱；

4）系統(tǒng)級的綜合分析、故障診斷功能缺乏，不具備檢測系統(tǒng)整體運行狀態(tài)、預(yù)測系統(tǒng)運行趨勢的能力；

5）網(wǎng)絡(luò)化程度低，企業(yè)管理者無法隨時掌握輸出產(chǎn)品的概況，技術(shù)人員無法及時了解輸出產(chǎn)品的運行情況；

6）智能化程度低，系統(tǒng)設(shè)計以“監(jiān)測”為目標，“維護”手段缺乏，導致系統(tǒng)的維護功能“先天不足”，無法提供具體的維護維修建議。如軌道電路、轉(zhuǎn)轍機、道岔等，監(jiān)測范圍廣、深度高，但數(shù)據(jù)多、信息少，診斷功能缺乏，無法為維護人員提供決策；

7）現(xiàn)有維護方式的成本隨著輸出產(chǎn)品的增多線性增長，隨著時間的推移非線性增長。

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)手段、維護方式已經(jīng)無法滿足新型信號系統(tǒng)日益增長的維護需求。因此，迫切需要一種能夠滿足大規(guī)模運營維護需求的信號綜合運維平臺。該平臺應(yīng)具備以下功能。

1）平臺應(yīng)具備全面的監(jiān)測功能，監(jiān)測范圍能夠涵蓋高鐵信號的所有子系統(tǒng)；

2）平臺應(yīng)具備獨立的監(jiān)控功能，能夠以不依賴于設(shè)備自身上報狀態(tài)的方式對其進行監(jiān)控；

3）平臺應(yīng)具備子系統(tǒng)的故障診斷功能，能夠基于獨立的監(jiān)測數(shù)據(jù)對子系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行分析，對故障狀態(tài)進行判別；

4）平臺應(yīng)具備系統(tǒng)級的綜合分析功能，能夠?qū)ο到y(tǒng)級故障情況進行診斷、對危險趨勢進行識別；

5）平臺應(yīng)具備設(shè)備管理、軟件管理、數(shù)據(jù)管理功能，能夠?qū)υ谲壆a(chǎn)品的運營狀態(tài)、運行情況、健康狀況進行全面監(jiān)控；

6）平臺應(yīng)具備智能維護功能，能夠根據(jù)故障現(xiàn)象、異?，F(xiàn)象為列控系統(tǒng)用戶提供準確的維修建議；

7）平臺應(yīng)具備快速部署及敏捷傳送功能，能夠在鐵道部、鐵路局、電務(wù)段、企業(yè)內(nèi)部快速部署并實時顯示運營維護相關(guān)的信息。

2 平臺構(gòu)建目標及平臺架構(gòu)

新型列控系統(tǒng)的維護平臺，應(yīng)實現(xiàn)子系統(tǒng)級、系統(tǒng)級、平臺級三個層次的維護功能。各層次實現(xiàn)的目標如圖1所示。

其中，子系統(tǒng)級實現(xiàn)獨立于子系統(tǒng)本身、具有安全無擾的監(jiān)測接口的故障診斷系統(tǒng)；系統(tǒng)級實現(xiàn)現(xiàn)場的大列控的系統(tǒng)級運行狀態(tài)評估、綜合故障診斷；平臺級實現(xiàn)信號產(chǎn)品全生命周期的管控、智能化維護維修，實現(xiàn)運營維護的網(wǎng)絡(luò)化、敏捷化。

為實現(xiàn)以上目標，需要構(gòu)建以運維中心為主體，區(qū)域維護中心為支柱，車站維護系統(tǒng)為基礎(chǔ)的維護平臺結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

車站維護系統(tǒng)完成車站管轄范圍內(nèi)列控設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測及子系統(tǒng)級的故障診斷，同時完成車站級維護管理；區(qū)域維護中心完成系統(tǒng)級運行狀態(tài)評估及片區(qū)級維護管理；運維中心完成所有在軌產(chǎn)品的運營維護管理。車站維護系統(tǒng)與區(qū)域維護中心、區(qū)域維護中心與運維中心之間通過高速數(shù)據(jù)通道傳輸運維關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3 平臺涉及的關(guān)鍵技術(shù)

維護平臺兼具分布式系統(tǒng)與集中式系統(tǒng)特征，兼具B/S結(jié)構(gòu)與C/S架構(gòu)特點，同時需要滿足遠程傳輸、實時通信、網(wǎng)絡(luò)安全、高處理能力、模塊化、可擴展、分布式部署等需求。因此，在維護平臺建設(shè)之前，需要對其中涉及的關(guān)鍵性技術(shù)進行充分、深入的研究，為維護平臺的工程實施奠定基礎(chǔ)。

3.1 子系統(tǒng)安全監(jiān)測技術(shù)

研究實現(xiàn)各子系統(tǒng)獨立、安全監(jiān)測涉及的各項技術(shù)，主要包括：針對具有不同電氣特性、接口方式、協(xié)議類別的信號設(shè)備采用的無擾、抗擾數(shù)據(jù)采集技術(shù)；采集裝置小型化技術(shù)；采集裝置模塊化技術(shù)。通過上述技術(shù)的研究，解決監(jiān)測數(shù)據(jù)的可信性、數(shù)據(jù)采集過程的安全性、數(shù)據(jù)采集裝置的大規(guī)模裝備等關(guān)鍵問題。

3.2 子系統(tǒng)故障診斷技術(shù)

以子系統(tǒng)故障庫為基礎(chǔ)，研究對子系統(tǒng)實際運行過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)與故障庫中的故障特征進行模式匹配的方法與技術(shù)。研究目的是區(qū)分子系統(tǒng)運行過程中的正常狀態(tài)與故障狀態(tài)，并且識別故障的類別，實現(xiàn)子系統(tǒng)級別的、不依賴于設(shè)備自身上報信息的故障診斷功能。

3.3 數(shù)據(jù)遠程傳輸技術(shù)

研究各子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在車站（中繼站）與區(qū)域維護中心之間、系統(tǒng)綜合分析評價數(shù)據(jù)在區(qū)域維護中心與企業(yè)（鐵道部）維護中心之間進行傳輸?shù)募夹g(shù)方式及實施方案。研究數(shù)據(jù)安全傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)、冗余恢復技術(shù)。通過技術(shù)方式的研究，可以實現(xiàn)運維數(shù)據(jù)的遠程、實時、安全傳輸；通過實施方案的研究，能夠綜合評估數(shù)據(jù)傳輸通道的一次性建設(shè)成本及后期運行成本，為后續(xù)的工程化實施提供指導。

3.4 大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

研究運維數(shù)據(jù)在車站（中繼站）、區(qū)域維護中心、企業(yè)（鐵道部）維護中心的分布式存儲體系；研究運維數(shù)據(jù)在存儲體系內(nèi)的更新技術(shù)；研究運維數(shù)據(jù)的快速查詢檢索技術(shù)；研究運維數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)中心的構(gòu)建方案及冗余備份方案。通過數(shù)據(jù)存儲體系的研究，可以實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的實時、可靠存儲；通過數(shù)據(jù)中心構(gòu)建方案的研究，能夠綜合評估數(shù)據(jù)中心的一次性建設(shè)成本及后期運行成本，為后續(xù)的工程化實施提供參考。

3.5 異構(gòu)數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)

研究對各子系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析、評價前的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)，主要包括：數(shù)據(jù)清理技術(shù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行噪聲光滑、離群點識別、缺失值填補等；數(shù)據(jù)集成技術(shù)，將不同協(xié)議、格式的監(jiān)測數(shù)據(jù)整合成一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；數(shù)據(jù)變化技術(shù)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合分析處理的形式，如數(shù)據(jù)泛化、規(guī)范化、屬性構(gòu)造等；數(shù)據(jù)規(guī)約技術(shù)，將海量監(jiān)測數(shù)據(jù)集用較小的數(shù)據(jù)集來表示，而不損失信息內(nèi)容。數(shù)據(jù)預(yù)處理能夠剔除大量監(jiān)測數(shù)據(jù)中的錯誤信息、無用信息，甄別出有用信息，縮小數(shù)據(jù)規(guī)模，并且能夠?qū)悩?gòu)數(shù)據(jù)采用歸一化的形式表示，為后續(xù)系統(tǒng)級的綜合分析評價提供便利。

3.6 系統(tǒng)級數(shù)據(jù)綜合分析技術(shù)

研究采用數(shù)據(jù)挖掘理論與方法中的頻繁模式識別、離群點檢測、聚類等技術(shù)，識別列控系統(tǒng)運行過程中的異常情況；研究列控系統(tǒng)系統(tǒng)級的故障模型，建立系統(tǒng)級故障庫；研究采用故障診斷理論與方法中的專家系統(tǒng)、模式識別等技術(shù)，分析系統(tǒng)級故障的發(fā)生原因、定位故障位置、識別故障類型；研究能夠描述列控系統(tǒng)整體運行情況、評估列控系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的參數(shù)及指標。通過該項任務(wù)的研究，企業(yè)管理者、系統(tǒng)用戶能夠隨時掌握系統(tǒng)整體運行狀況，系統(tǒng)維護人員能夠及時、準確定位故障位置并獲知故障類型，大大降低由于未及時發(fā)現(xiàn)故障導致的安全風險，顯著縮短故障修復時間，減少由于故障維修導致影響正常運營的機率。

3.7 產(chǎn)品全生命周期管理技術(shù)

研究采用成熟、先進的信息系統(tǒng)實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理的技術(shù)；研究根據(jù)產(chǎn)品運營情況、運行狀態(tài)、健康程度實現(xiàn)產(chǎn)品壽命管理的方法和技術(shù)。通過該項研究，企業(yè)輸出產(chǎn)品全生命周期都將納入管控體系內(nèi)，企業(yè)管理者能夠隨時掌握所有輸出產(chǎn)品的概況，維護人員能夠及時了解任意輸出產(chǎn)品的運行情況，徹底消滅由于產(chǎn)品管理不善、管控不到位導致的安全風險，使得輸出產(chǎn)品狀況變得可觀、可控。

3.8 智能化維護技術(shù)

研究采用人工智能理論與方法中的智能搜索、機器學習、知識獲取等技術(shù)為故障設(shè)備提供維修指導、為處于亞健康狀態(tài)的設(shè)備提供維護建議，實現(xiàn)智能化維護維修。該項研究的目標是構(gòu)建“故障類型-維修決策”及“健康狀況-維護建議”兩個知識庫，這兩個知識庫可實時更新，并能從已有解決方案中不斷進行學習，實現(xiàn)信號系統(tǒng)智能化維護維修，大大降低人工維護所需的工作量，顯著提高維護維修效率。

3.9 信息融合及綜合展示技術(shù)

研究采用當前流行的多媒體技術(shù)，綜合運用文本、圖形、圖像、音頻、視頻、動畫等元素對信號系統(tǒng)運營情況、信號設(shè)備運行狀態(tài)、列車運行情況等進行展現(xiàn)；研究對車站、區(qū)域維護中心、企業(yè)（鐵道部）維護中心等不同層級用戶產(chǎn)生不同級別展示視圖的技術(shù)，包括數(shù)據(jù)泛化技術(shù)、概念分層技術(shù)等；研究對管理者、維護人員、技術(shù)人員等不同角色用戶關(guān)注點不同而需要實現(xiàn)的多維度展示技術(shù)；研究既有的各子系統(tǒng)監(jiān)測、CSM、DMS與運維平臺進行信息融合的技術(shù)與實施方案。該項技術(shù)的研究為運維平臺提供一個信息展示豐富的、界面友好的用戶終端。

4 展望

從客專列控系統(tǒng)的后續(xù)維護來看，一個涵蓋范圍廣、診斷程度深、可靠性好、智能化程度高的維護平臺，無論對于企業(yè)和鐵道部（鐵路局、電務(wù)段）來說，都是十分必要的。因此，有必要盡快開展維護平臺關(guān)鍵技術(shù)及實施方案的研究，為后期維護平臺的大規(guī)模建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)，為方案制定提供技術(shù)路線、性能、成本等方面的指導。

[1]運基信號[2010]709號 鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件[S].

[2]運基信號[2008]119號 列控設(shè)備動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件（暫行）[S].