基于鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的高速鐵路工務(wù)設(shè)備大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究

楊懷志，吳艷華，程智博

（1.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100038；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

工務(wù)設(shè)備是鐵路運輸?shù)幕A(chǔ)，其狀態(tài)直接關(guān)系鐵路運輸?shù)陌踩c效率。隨著我國高速鐵路（簡稱：高鐵）運營里程不斷增長，運輸部門對工務(wù)設(shè)備的檢測、維修、養(yǎng)護(hù)、安全管理提出更高的要求。高鐵工務(wù)專業(yè)已積累海量設(shè)備相關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建高鐵數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯集平臺，從高速鐵路公司戰(zhàn)略決策和管理角度出發(fā)，統(tǒng)籌工務(wù)專業(yè)需求開展大數(shù)據(jù)應(yīng)用，挖掘鐵路業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)隱藏關(guān)系及規(guī)律，為支持高速鐵路設(shè)備精細(xì)化管理和企業(yè)高效化運營提供強有力的技術(shù)手段[1]；從各級站段及工區(qū)維修及管理角度出發(fā)，提出匯集工務(wù)設(shè)備屬性、檢查數(shù)據(jù)、維修動態(tài)、歷史情況、實時狀態(tài)等相關(guān)信息并進(jìn)行綜合分析，科學(xué)合理地制定維修及實施計劃，指導(dǎo)工務(wù)設(shè)備維修管理工作，輔助落實科學(xué)修、準(zhǔn)確修、精確修理念。

近10年來，大數(shù)據(jù)技術(shù)在歐美國家鐵路得到了較為廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用領(lǐng)域為設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與維護(hù)，運營管理、乘務(wù)運用等方面也得到了一定的應(yīng)用。德國鐵路通過規(guī)劃建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心平臺，實現(xiàn)了對經(jīng)營狀況、設(shè)備故障分析等精益分析功能在內(nèi)的數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用平臺[2]；美國貨運鐵路啟動了“資產(chǎn)健康戰(zhàn)略計劃”（AHSI，Asset Health Strategic Initiative），AHSI擬編輯和分析由各個鐵路公司分別收集和存儲的大量數(shù)據(jù)，并由此解決行業(yè)內(nèi)最關(guān)鍵的鐵路設(shè)備管理與維護(hù)問題[3]；瑞典鐵路大量獲取軌道狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)，以評估基礎(chǔ)設(shè)施的整體狀態(tài)[4]。通過借鑒國外大數(shù)據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，結(jié)合我國鐵路工務(wù)設(shè)備需求，建立基于鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的資產(chǎn)匯集平臺[5]，將工務(wù)相關(guān)結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)全面匯集，提出工務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體框架，并研究關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)實際需求開展典型應(yīng)用，對于實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)評估、故障預(yù)測及維修決策等功能具有重要意義。

1 高速鐵路工務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，數(shù)據(jù)已逐漸成為企業(yè)和公司的核心資產(chǎn)。高速鐵路公司雖然工務(wù)專業(yè)數(shù)據(jù)資源豐富，但大多數(shù)據(jù)存在來源不同、形式不同且雜亂無章等問題，并且包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)尚未被有序地整合，也未按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范和流程進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、清洗、處理等，某些數(shù)據(jù)甚至從未被應(yīng)用過，反而增加存儲、服務(wù)器等成本。

以京滬高速鐵路工務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)為例，可歸納為如下幾類：

（1）動態(tài)檢測數(shù)據(jù)：包括動檢數(shù)據(jù)、車載式線路檢查儀數(shù)據(jù)、便攜式線路檢查儀數(shù)據(jù)；

（2）靜態(tài)檢查及維修數(shù)據(jù)：人工檢查記錄、檢修計劃落實、軌檢小車、鋼軌淺表層病害分析等數(shù)據(jù)；

（3）監(jiān)測數(shù)據(jù)：精測網(wǎng)與變形監(jiān)測數(shù)據(jù)、鋼軌探傷數(shù)據(jù)、橋梁PHM數(shù)據(jù)、軌道精調(diào)、單點監(jiān)測數(shù)據(jù)、二型板和軌道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)等；

（3）問題庫：設(shè)備病害庫（動態(tài)、靜態(tài)）數(shù)據(jù)、周邊問題巡查庫數(shù)據(jù)；

（4）臺賬及履歷：更改大修數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)設(shè)施臺賬、裝備和備品備件進(jìn)出庫記錄等；

（5）規(guī)章標(biāo)準(zhǔn)：國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)性技術(shù)文件、作業(yè)方案及作業(yè)指導(dǎo)書等。

將以上類別數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)有信息系統(tǒng)及相關(guān)數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀，具體描述如表1所示。

表1 京滬高鐵工務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)現(xiàn)狀

2 基于數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的高速鐵路工務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體方案

2.1 需求分析

通過大數(shù)據(jù)手段掌握高速鐵路全線構(gòu)筑物和設(shè)備的狀態(tài)，及時分析發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的問題，保證線路設(shè)備條件處于最佳狀態(tài)，持續(xù)保持運營期管理技術(shù)的領(lǐng)先水平，已成為高速鐵路運營管理中亟待解決的關(guān)鍵問題。根據(jù)各專業(yè)業(yè)務(wù)需要，整合各系統(tǒng)資源及數(shù)據(jù)，同時開展大數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用分析，推進(jìn)高速鐵路運維決策支持系統(tǒng)研究，實現(xiàn)設(shè)備健康狀態(tài)評估、故障預(yù)測及維修決策等功能具有重要意義。在高速鐵路工務(wù)數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀下，分析高速鐵路工務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用需求如下：

（1）高鐵示范站段及下屬車間調(diào)研數(shù)據(jù)的需求。了解工務(wù)設(shè)備維修管理相關(guān)數(shù)據(jù)應(yīng)用與管理現(xiàn)狀，調(diào)研現(xiàn)有主要數(shù)據(jù)存儲位置（站段/車間）、管理單位、管理方式、更新周期、使用情況等，分析數(shù)據(jù)接入方式等，為工務(wù)數(shù)據(jù)匯集奠定基礎(chǔ)。

（2）建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的高鐵工務(wù)數(shù)據(jù)模型的需求。高鐵工務(wù)設(shè)備管理需要掌握工務(wù)專業(yè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)模型，為日常檢修維護(hù)等提供全面、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。

（3）搭建高鐵數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯集平臺的需求。根據(jù)邏輯模型，分層次、分類別將匯集數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的全景展示，并需要從專業(yè)角度對結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分別管理，并支持相應(yīng)檢索功能。

（4）探索工務(wù)典型設(shè)備壽命周期規(guī)律應(yīng)用的需求。需要基于匯集平臺開展探索工務(wù)典型設(shè)備壽命周期管理應(yīng)用，如更改、大修及專項整治應(yīng)用、沉降觀測分析、二型板溫度分析等。

2.2 總體框架

高速鐵路數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理平臺，是鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的核心組成部分，重點集中于數(shù)據(jù)采集、管理、治理、展現(xiàn)等部分功能。平臺以工務(wù)管理和應(yīng)用分析為突破口，以維修管理決策分析為核心，建立工務(wù)設(shè)備相關(guān)大數(shù)據(jù)應(yīng)用，集成工務(wù)專業(yè)部門的動態(tài)檢測數(shù)據(jù)、靜態(tài)檢查及維修數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、問題庫數(shù)據(jù)等，運用數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)脫敏、數(shù)據(jù)同步、可視化等關(guān)鍵技術(shù)，逐步實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)目錄管理、數(shù)據(jù)治理、數(shù)據(jù)共享等功能，形成更改大修、沉降觀測、二型板溫度分析等應(yīng)用，為高鐵公司、路局等系統(tǒng)用戶提供相關(guān)決策支持和服務(wù)，其總體框架如圖1所示。

圖1 工務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體框架

2.3 功能設(shè)計

按照既定數(shù)據(jù)分類，展現(xiàn)平臺中所存儲和管理的所有結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；根據(jù)數(shù)據(jù)表、字段名稱和類型搜索系統(tǒng)所有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)；根據(jù)關(guān)鍵字搜索非結(jié)構(gòu)化的文檔型數(shù)據(jù)，并需要提供元數(shù)據(jù)血緣分析、影響分析等。主要包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)目錄系統(tǒng)、數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)等，具體功能如圖2所示。

圖2 高鐵數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯集平臺功能架構(gòu)

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

2.4.1 數(shù)據(jù)的清洗治理

從數(shù)據(jù)質(zhì)量、元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)使用全過程治理[6]。支持自動檢驗采集數(shù)據(jù)的值域分布，根據(jù)分布情況自動發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)，并向數(shù)據(jù)提供者發(fā)送郵件說明數(shù)據(jù)異常情況。平臺支持?jǐn)?shù)據(jù)自動加密、脫敏，在不改變數(shù)據(jù)分布情況、復(fù)合編碼規(guī)則的情況下，生成不影響業(yè)務(wù)分析的虛假數(shù)據(jù)。該種方式既能保護(hù)數(shù)據(jù)安全，又能支持業(yè)務(wù)分析。在數(shù)據(jù)存儲方面，支持行、列混合存儲，支持40倍以上高倍率壓縮存儲數(shù)據(jù)。

開展各類數(shù)據(jù)的清洗治理，包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的梳理、清洗、歸一、關(guān)聯(lián)等，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)（人工記錄、規(guī)章制度、標(biāo)準(zhǔn)庫、作業(yè)指導(dǎo)書等）的格式轉(zhuǎn)換、錄入、檢索等，如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)接入的清洗與治理

2.4.2 非結(jié)構(gòu)化文件全文檢索

平臺使用Elasticsearch、ORC、自然語言處理等技術(shù)處理非結(jié)構(gòu)化關(guān)鍵字檢索。其中，采用ORC識別圖像文件轉(zhuǎn)換為文字、使用自然語言處理對查詢關(guān)鍵詞進(jìn)行分詞、語義分析；采用Elasticsearch進(jìn)行分布式文件檢索[7]，以支持.doc、.pdf、.txt、JSON、XML以及其他多種格式文件的全文檢索，檢索結(jié)果使用OpenOffice插件可在網(wǎng)頁端直接預(yù)覽、下載。

2.4.3 權(quán)限管理

Kerberos是Hadoop生態(tài)系中應(yīng)用最廣的集中式統(tǒng)一用戶認(rèn)證管理框架，Kerberos提供一個集中式的身份驗證服務(wù)器，各種后臺服務(wù)并不直接認(rèn)證用戶的身份，而是通過kerberos第三方服務(wù)來認(rèn)證[8,9]。用戶的身份和密碼信息在Kerberos服務(wù)框架中統(tǒng)一管理。平臺使用該后臺服務(wù)，無需管理用戶身份和密碼信息，使用企業(yè)代碼加代碼命名用戶名，實現(xiàn)從路局到站段、不同路局間的權(quán)限分隔。

2.4.4 數(shù)據(jù)標(biāo)簽

平臺使用模式識別技術(shù)，基于數(shù)據(jù)表、元數(shù)據(jù)、采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行建模[10]，自動生成標(biāo)簽，通過標(biāo)簽挖掘數(shù)據(jù)表之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，分析數(shù)據(jù)表間的相似度；同時能夠根據(jù)標(biāo)簽，快速了解數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)內(nèi)容等。

3 京滬高鐵工務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用實踐

在分析基于數(shù)據(jù)服務(wù)平臺的高速鐵路工務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用總體方案相關(guān)功能及技術(shù)后，結(jié)合京滬高速鐵路公司的管理現(xiàn)狀，開展京滬高鐵工務(wù)設(shè)備大數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3.1 京滬高鐵數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯集平臺

基于大數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展過程規(guī)律，前期重點關(guān)注于數(shù)據(jù)的采集、治理、展現(xiàn)等功能，因此基于鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，結(jié)合工務(wù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的具體需求，研發(fā)京滬高鐵數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯集平臺?；跇I(yè)務(wù)現(xiàn)狀，建立高鐵工務(wù)數(shù)據(jù)目錄，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源統(tǒng)一分類管理；實現(xiàn)元數(shù)據(jù)管理、血緣分析、關(guān)聯(lián)分析等功能，展現(xiàn)數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)記錄數(shù)等；實現(xiàn)數(shù)據(jù)地圖，全景展示平臺中所存儲和管理的所有結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化工務(wù)數(shù)據(jù)；基于平臺開展數(shù)據(jù)清洗、治理，規(guī)范數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。平臺示例如圖4～圖6所示。

圖4 京滬高鐵數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯集平臺首頁

圖5 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)表的檢索

圖6 非結(jié)構(gòu)化文檔的全文檢索

3.2 基于平臺的典型應(yīng)用

3.2.1 軌檢小車分析應(yīng)用

根據(jù)匯集平臺中的軌檢小車數(shù)據(jù)為例，從超限等級類別進(jìn)行統(tǒng)計，包括作業(yè)驗收、經(jīng)常保養(yǎng)、臨時補修、嚴(yán)重臨時補修數(shù)目，采用餅狀圖直觀展示各項超限等級類別占比，且支持?jǐn)?shù)據(jù)詳情查看；同時對各項檢查項目類別占比以樹形圖進(jìn)行展示，可看出軌道變化率及軌距檢查項目占比較大，并對不同車間及工區(qū)檢查項目總數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，如圖7所示。

3.2.2 動態(tài)檢測綜合分析應(yīng)用

將便攜式線路檢查儀、車載式線路檢查儀、TQI數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，不同日期的各項檢測值的密集程度，能夠間接反映該里程處的軌道平順性，用以指導(dǎo)計劃檢修及更改大修等作業(yè)。該分析應(yīng)用中，支持選擇線名、行別、添乘時間、自定義里程、自定義合并區(qū)間等功能，如圖8所示。

圖7 軌檢小車分析應(yīng)用

圖8 動態(tài)檢測綜合分析應(yīng)用

4 結(jié)束語

基于鐵路數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，在綜合分析高鐵工務(wù)數(shù)據(jù)及系統(tǒng)現(xiàn)狀后，提出面向全生命周期管理的工務(wù)設(shè)備數(shù)據(jù)匯集和治理方案，并搭建高速鐵路數(shù)據(jù)資產(chǎn)匯集平臺，根據(jù)匯集數(shù)據(jù)開展大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，探索工務(wù)設(shè)備規(guī)律，為高鐵的科學(xué)化管理和決策提供支撐。下一步應(yīng)根據(jù)匯集數(shù)據(jù)開展綜合性應(yīng)用分析，同時結(jié)合不同算法為高鐵提供更加精準(zhǔn)的決策支持。