基于大數(shù)據(jù)分析的電務(wù)安全監(jiān)控技術(shù)體系（8D系統(tǒng)）的研究

鐘衛(wèi)國

（中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司電務(wù)處，廣州 510080）

1 研究目的

隨著信號(hào)集中監(jiān)測、ATP動(dòng)態(tài)監(jiān)測、列控安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、ZPW-2000室外監(jiān)測、道岔缺口綜合監(jiān)測、電纜在線監(jiān)測、通信綜合網(wǎng)管等監(jiān)測設(shè)備發(fā)展和運(yùn)用，電務(wù)系統(tǒng)各類設(shè)備的監(jiān)測覆蓋范圍更加廣泛，監(jiān)測數(shù)據(jù)更加全面，準(zhǔn)確性不斷提高，在設(shè)備隱患排查、安全風(fēng)險(xiǎn)防范等方面發(fā)揮的作用越來越重要。但也存在一些問題和不足，主要是原有監(jiān)測系統(tǒng)、調(diào)度指揮系統(tǒng)有關(guān)設(shè)備電氣特性、設(shè)備存在的缺陷沒有形成綜合監(jiān)測分析，作業(yè)行為缺乏有效監(jiān)控和統(tǒng)一指揮。

為充分發(fā)揮監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備在鐵路安全生產(chǎn)過程中動(dòng)態(tài)監(jiān)測監(jiān)控和超前預(yù)防作用，進(jìn)一步整合既有監(jiān)測資源、優(yōu)化完善監(jiān)測功能和手段，構(gòu)建主要行車設(shè)備全覆蓋、關(guān)鍵作業(yè)過程全覆蓋、安全生產(chǎn)外部環(huán)境全覆蓋的電務(wù)安全監(jiān)控技術(shù)體系（簡稱8D系統(tǒng)）。

8D系統(tǒng)總體涵蓋“人員管理”、“設(shè)備管理”兩大體系，“調(diào)度指揮、集中監(jiān)測、過程盯控”三大功能，八大子系統(tǒng)模塊（8D）。八大子系統(tǒng)模塊如下:

1D:信號(hào)設(shè)備集中監(jiān)測系統(tǒng)。包含信號(hào)集中監(jiān)測、列控地面設(shè)備監(jiān)測、安全數(shù)據(jù)網(wǎng)管、電務(wù)綜合監(jiān)督系統(tǒng)等。

2D:車載設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)。包含ATP動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（DMS）、LKJ設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)（LMD）、機(jī)車信號(hào)遠(yuǎn)程監(jiān)測、CIR設(shè)備監(jiān)測、GYK設(shè)備監(jiān)測（GMD）。

3D:軌旁設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)。包含道岔缺口綜合監(jiān)測（含缺口視頻、油壓、油位、溫度、濕度、震動(dòng)監(jiān)測）、ZPW-2000室外監(jiān)測、電纜在線監(jiān)測、室外箱盒環(huán)境監(jiān)測。

4D:作業(yè)卡控系統(tǒng)。包含LKJ版本監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、LKJ檢測作業(yè)質(zhì)量卡控系統(tǒng)、信號(hào)檢修作業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)械室門禁控制、視頻監(jiān)控（包含信號(hào)機(jī)械室、通信綜合、移動(dòng)單兵視頻監(jiān)測）、工機(jī)具清點(diǎn)卡控及機(jī)械室動(dòng)環(huán)監(jiān)控等。

5D:通信綜合網(wǎng)管系統(tǒng)。包含GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)管、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)管、傳輸系統(tǒng)網(wǎng)管、調(diào)度通信系統(tǒng)網(wǎng)管、數(shù)據(jù)網(wǎng)流量監(jiān)測。

6D:通信設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)。包含GSM-R網(wǎng)絡(luò)接口監(jiān)測、光纖監(jiān)測、動(dòng)環(huán)監(jiān)測、通信電源在線監(jiān)測、鐵塔監(jiān)測。

7D:電務(wù)安全生產(chǎn)指揮系統(tǒng)。包含施工盯控、生產(chǎn)調(diào)度、故障管理、問題庫管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)分析、應(yīng)急處置指揮。

8D:CTC/TDCS查詢及綜合維護(hù)系統(tǒng)。

1D、2D、3D、5D、6D實(shí)現(xiàn)通信、信號(hào)設(shè)備的集中監(jiān)測，4D實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)過程盯控，7D、8D實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理、安全管理、應(yīng)急處置等調(diào)度指揮功能。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 總體結(jié)構(gòu)

8D系統(tǒng)通過整合和完善既有電務(wù)設(shè)備的監(jiān)測監(jiān)控資源（8個(gè)子系統(tǒng)），統(tǒng)一電務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，統(tǒng)一各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，統(tǒng)一信息處理平臺(tái)達(dá)到數(shù)據(jù)信息共享，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)全程監(jiān)控、設(shè)備故障智能診斷、設(shè)備隱患綜合分析評(píng)判、應(yīng)急處置可視化的調(diào)度指揮。其系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 電務(wù)安全監(jiān)控體系（8D系統(tǒng)）總體框圖Fig.1 Block diagram of the railway signal & telecom monitoring technology system (8D system)

2.2 邏輯結(jié)構(gòu)

8D系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用5個(gè)層次:數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)預(yù)處理層、數(shù)據(jù)挖掘?qū)印I(yè)務(wù)分析層和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層。

數(shù)據(jù)采集層:通過各類接口完成各類電務(wù)數(shù)據(jù)的采集、解析和匯總。

數(shù)據(jù)預(yù)處理層:完成對(duì)各類電務(wù)原始數(shù)據(jù)的清洗、轉(zhuǎn)換、標(biāo)記和索引操作，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)挖掘?qū)?根據(jù)應(yīng)用功能需求實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的分析，包括聚合、關(guān)聯(lián)分析、事件提取、模式匹配等操作，形成結(jié)果數(shù)據(jù)；支撐數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分析層和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層的操作。

業(yè)務(wù)分析層:根據(jù)電務(wù)業(yè)務(wù)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的全生命周期管理、應(yīng)急指揮、設(shè)備健康管理、作業(yè)盯控、通信信號(hào)一體化、車地閉環(huán)等各種業(yè)務(wù)的分析。

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)層:將結(jié)果數(shù)據(jù)以圖形化、關(guān)聯(lián)性、線路、三維、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌乩砜臻g等方式進(jìn)行可視化呈現(xiàn)。

2.3 物理及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

各子系統(tǒng)接入不得影響既有系統(tǒng)的運(yùn)行，通過各子系統(tǒng)的獨(dú)立接口服務(wù)器進(jìn)行接入，通過硬件防火墻實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的隔離，組建系統(tǒng)中心接口局域網(wǎng)。接口交換機(jī)接入核心交換機(jī)，實(shí)現(xiàn)中心局域網(wǎng)與接口局域網(wǎng)互聯(lián)互通。相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和服務(wù)器設(shè)備的IP地址統(tǒng)一規(guī)劃分配。

其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖2 電務(wù)安全監(jiān)控體系（8D系統(tǒng)）邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Logical structure diagram of the railway signal & telecom monitoring technology system （8D system）

3 系統(tǒng)的主要功能

1）融合展示。全面集成融合信號(hào)設(shè)備集中監(jiān)測、軌旁監(jiān)測、車載設(shè)備監(jiān)測、通信綜合網(wǎng)管、通信在線監(jiān)測系統(tǒng)等，采用Hadoop分布式文件系統(tǒng)，為海量數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)的全面融合和綜合展示。

2）可視化展示。采用GIS技術(shù)，顯示管內(nèi)所有車站站場的施工（維修）天窗作業(yè)，設(shè)備健康狀態(tài)，設(shè)備板卡工作狀態(tài)，應(yīng)急處置的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、智能定位故障點(diǎn)或范圍，應(yīng)急線路、應(yīng)急工具、現(xiàn)場人員、備品備件、技術(shù)資料等可視化的展示。

3）全生命周期和資產(chǎn)的管理。系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，從設(shè)備的出廠、投入使用、使用環(huán)境、使用地點(diǎn)、使用時(shí)間與故障率的關(guān)系等，從中得出每類設(shè)備在不同運(yùn)用環(huán)境下使用時(shí)間與設(shè)備可用性的關(guān)系曲線，根據(jù)關(guān)系曲線和使用要求獲得最佳性價(jià)比的設(shè)備最長使用壽命，達(dá)到全生命周期管理。通過對(duì)設(shè)備全生命周期的管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)設(shè)備全方位的資產(chǎn)管理。

4）設(shè)備健康管理。系統(tǒng)結(jié)合設(shè)備監(jiān)測到的趨勢(shì)變化、設(shè)備故障、設(shè)備履歷和設(shè)備問題庫等信息，經(jīng)過綜合分析，對(duì)設(shè)備的“健康狀況”進(jìn)行評(píng)判，當(dāng)設(shè)備處于“亞健康”時(shí)，及時(shí)提出維修計(jì)劃建議。同時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)的趨勢(shì)分析進(jìn)行預(yù)判，為決策層提供維護(hù)、大更新發(fā)行等數(shù)據(jù)支持。

5）作業(yè)（施工）盯控。系統(tǒng)根據(jù)批準(zhǔn)的天窗數(shù)和作業(yè)（施工）盯控的計(jì)劃，通過智能手持終端對(duì)作業(yè)（施工）的整個(gè)過程實(shí)行全面盯控。包括作業(yè)前和作業(yè)后的工具清點(diǎn)、作業(yè)過程是否合規(guī)、設(shè)備電氣特性是否恢復(fù)正常等進(jìn)行全程的可視化跟蹤盯控。

6）車地閉環(huán)分析。系統(tǒng)通過對(duì)車載接收和軌道電路發(fā)送低頻比對(duì)、車載接收和地面應(yīng)答器報(bào)文比對(duì)、車載MA和地面區(qū)段占用比對(duì)、車載MA范圍內(nèi)有地面禁止信號(hào)、RBC發(fā)送的MA限速信息與車載ATP接收的MA限速信息一致性比對(duì)、軌道電碼化或移頻信息與車載設(shè)備信息分析，確定是地面設(shè)備還是車載設(shè)備故障。如圖4所示。

7）應(yīng)急輔助功能。設(shè)備故障等應(yīng)急事件發(fā)生時(shí)，定位故障點(diǎn)或范圍，同時(shí)關(guān)聯(lián)相應(yīng)的應(yīng)急線路、應(yīng)急工具、現(xiàn)場人員、備品備件、技術(shù)資料等。在定位故障時(shí)，可根據(jù)故障處理流程自動(dòng)定位故障點(diǎn)，當(dāng)遇到未采集的判斷項(xiàng)時(shí)，支持人工測量輸入后，再自動(dòng)進(jìn)行故障分支判斷，直至最終定位故障點(diǎn)。

8）通信信號(hào)一體化分析。系統(tǒng)通過分析通信傳輸設(shè)備信號(hào)CTC網(wǎng)絡(luò)，通信安全數(shù)據(jù)網(wǎng)與列控中心、列控中心與鄰站列控中心、列控中心與TSRS、TSRS與RBC、安全數(shù)據(jù)網(wǎng)與聯(lián)鎖設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備與RBC間的通訊狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)通信信號(hào)一體化分析功能，達(dá)到定位是通信設(shè)備還是信號(hào)設(shè)備故障的目的。

9）信號(hào)子系統(tǒng)間接口分析。系統(tǒng)通過對(duì)列控中心、聯(lián)鎖系統(tǒng)、軌道電路、RBC系統(tǒng)、TSRS系統(tǒng)、TDCS/CTC系統(tǒng)等信號(hào)子系統(tǒng)接口間的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)及邏輯分析，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)提示，校核列車控制各子系統(tǒng)間同源信息的一致性，檢核列車控制各子系統(tǒng)間邏輯關(guān)系的一致性，檢查信息在各子系統(tǒng)間流轉(zhuǎn)的閉環(huán)性，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)接口安全分析。

圖4 車地閉環(huán)分析Fig.4 Analysis of train-ground closed loop

4 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1）大數(shù)據(jù)技術(shù)。系統(tǒng)采用Hadoop分布式文件系統(tǒng)（Hadoop Distributed File System）能提供高吞吐量的數(shù)據(jù)訪問，適合大規(guī)模數(shù)據(jù)集方面的應(yīng)用，為海量數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)。

2）網(wǎng)絡(luò)安全隔離技術(shù)。組建系統(tǒng)中心局域網(wǎng):中心局域網(wǎng)和各個(gè)子網(wǎng)進(jìn)行連接，避免各信號(hào)系統(tǒng)子網(wǎng)單獨(dú)的交叉；硬件方面:使用硬件防火墻進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)隔離，同時(shí)對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)另設(shè)專用的接口服務(wù)器，從物理上多增加一層隔離；軟件方面:采用數(shù)據(jù)單向傳輸，系統(tǒng)只接收特定端口收到的數(shù)據(jù)，不給子系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)，從而大大降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過上面的防護(hù)措施，不但可以保證8D系統(tǒng)本身的網(wǎng)絡(luò)安全，也可以保證其他電務(wù)系統(tǒng)不同網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)絡(luò)安全。

3）GIS地圖技術(shù)。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS）是多種學(xué)科交叉的產(chǎn)物，它以地理空間為基礎(chǔ)，采用地理模型分析方法，實(shí)時(shí)提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務(wù)的計(jì)算機(jī)技術(shù)系統(tǒng)。8D系統(tǒng)采用GIS技術(shù)，在GIS地圖上顯示管內(nèi)所有車站的實(shí)際位置，當(dāng)車站有施工、天窗、應(yīng)急或者報(bào)警時(shí)，這些狀態(tài)信息能在GIS地圖的車站上反映出來，同時(shí)也是展示車站詳細(xì)信息的入口，雙擊相應(yīng)的車站即可查看車站的詳細(xì)信息。

4）智能化算法。將數(shù)據(jù)庫中歷史數(shù)據(jù)組織在一起，采用多元統(tǒng)計(jì)算法對(duì)一定組織形式，多種狀態(tài)的歷史數(shù)據(jù)分別進(jìn)行學(xué)習(xí)，形成多個(gè)統(tǒng)計(jì)診斷模型。實(shí)時(shí)的輸入所有統(tǒng)計(jì)診斷模型，并與狀態(tài)庫中對(duì)應(yīng)的狀態(tài)閾值進(jìn)行比較，判定該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)隸屬于何種狀態(tài)以及隸屬該狀態(tài)的程度。根據(jù)判定的狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的顯示與處理。同時(shí)將判定結(jié)果和計(jì)算的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新到歷史數(shù)據(jù)庫中。

5 系統(tǒng)成果前景

1）8D系統(tǒng)研制成功后，形成一個(gè)互聯(lián)互通、信息共享的統(tǒng)一集成系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)鐵路電務(wù)設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的精細(xì)化管理、全壽命周期管理、大數(shù)據(jù)分析和狀態(tài)評(píng)價(jià)預(yù)警等提供公共平臺(tái)。

2）8D系統(tǒng)通過對(duì)大數(shù)據(jù)的分析，利用一些智能化的算法，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備劣化隱患，實(shí)時(shí)預(yù)警進(jìn)行維修和更換，減少設(shè)備故障的次數(shù)；在設(shè)備故障時(shí)，實(shí)時(shí)定位故障點(diǎn)，保證了運(yùn)輸?shù)男省?/p>

3）系統(tǒng)利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，挖掘電務(wù)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)潛在的價(jià)值。不僅關(guān)注單個(gè)設(shè)備的好壞，還從整體上揭示設(shè)備運(yùn)行的一些規(guī)律。根據(jù)大數(shù)據(jù)分析揭示的設(shè)備運(yùn)用規(guī)律，實(shí)行精準(zhǔn)維修，拓展電務(wù)設(shè)備維護(hù)的未知領(lǐng)域，大大提高現(xiàn)場的維護(hù)水平，大幅度減少維修的投入。提高設(shè)備維護(hù)的效率和勞動(dòng)生產(chǎn)力，減輕維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

4）8D系統(tǒng)可滿足各級(jí)電務(wù)管理人員的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備履歷、生產(chǎn)過程、設(shè)備質(zhì)量和應(yīng)急指揮的管理等功能。具有良好的實(shí)用性，系統(tǒng)投入使用后，社會(huì)效益顯而易見。

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