鐵路貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)整合方法研究*

李 源, 蔣 薈

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081)

為了滿足鐵路貨車管理以及貨車運(yùn)行安全監(jiān)控的需要，鐵路車輛部門陸續(xù)研發(fā)推廣應(yīng)用了一系列信息系統(tǒng)，如：鐵路貨車技術(shù)管理信息系統(tǒng)(HMIS)[1-2]、鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控5T系統(tǒng)、鐵路貨車網(wǎng)絡(luò)扣車系統(tǒng)、貨車標(biāo)簽系統(tǒng)等。由于這些系統(tǒng)是在不同的時期研發(fā)的，因此各系統(tǒng)的研發(fā)目的、研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)具有很大的差異性，進(jìn)而導(dǎo)致貨車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)應(yīng)用不規(guī)范、數(shù)據(jù)共享程度不高，很難對各系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的融合，更無法為現(xiàn)場生產(chǎn)作業(yè)提供完整的貨車及關(guān)鍵部件技術(shù)狀態(tài)信息，無法對貨車全壽命周期管理和健康管理等大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐，很難為貨車管理提供綜合決策信息，降低了各個系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值。因此有必要對各個系統(tǒng)的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)[3]進(jìn)行整合，降低鐵路貨車技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)共享的難度，提高數(shù)據(jù)的利用率，挖掘數(shù)據(jù)價值，對于提高貨車管理水平、方便現(xiàn)場作業(yè)，降低檢修成本具有十分重要的意義。文中提出了鐵路貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)整合方法，通過整合貨車定檢落成、臨修換輪、臨修更換配件、臨修加裝改造、5T報(bào)警、貨車走行里程信息、車輛檢修回送、檢修車輛竣工驗(yàn)收移交等信息，形成完整的鐵路貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)。

1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)及現(xiàn)狀

1.1 數(shù)據(jù)種類分析

1.1.1定檢落成數(shù)據(jù)

鐵路貨車的定檢落成數(shù)據(jù)分為新造落成數(shù)據(jù)、段修落成數(shù)據(jù)、廠修落成數(shù)據(jù)3類數(shù)據(jù)。新造落成數(shù)據(jù)記錄的是全路每天新造的鐵路貨車信息，包括落成日期、新造單位、車號以及車體關(guān)鍵部件的制造信息(制造單位、制造時間、流水號、材質(zhì))；段修落成和廠修落成數(shù)據(jù)記錄的貨車經(jīng)過段修或者廠修修竣后，車輛的檢修落成日期、檢修單位、修程以及車體關(guān)鍵部件的制造信息，全路每天新增1 600余輛貨車的新造或定檢落成數(shù)據(jù)。定檢落成信息是貨車的“履歷本”，是分析貨車的造修質(zhì)量、追蹤零部件裝車信息的基礎(chǔ)。定檢落成數(shù)據(jù)主要記錄的信息如表1所示。

表1 定檢落成數(shù)據(jù)

1.1.2臨修數(shù)據(jù)

由于現(xiàn)場作業(yè)方式的原因，臨修數(shù)據(jù)與定檢落成數(shù)據(jù)的記錄方式不同，臨修信息分別記錄在不同的業(yè)務(wù)表中。臨修落成信息只有部分配件信息，缺少完整貨車關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)，臨修換輪則單獨(dú)記錄貨車臨修時換上和換下輪軸的鑄造信息；臨修更換配件信息則記錄除輪軸外的貨車換上和換下關(guān)鍵配件的鑄造信息(鑄造單位、鑄造日期、鑄造編號)；臨修加裝改造信息記錄車輛的加裝改造項(xiàng)目信息；臨修信息每天新增的數(shù)據(jù)量約為2 200條左右，它是貨車定檢落成信息的補(bǔ)充，因此也是貨車健康管理數(shù)據(jù)的重要來源。臨修數(shù)據(jù)的主要內(nèi)容如表2所示。

表2 臨修數(shù)據(jù)

1.1.35T報(bào)警數(shù)據(jù)

車輛運(yùn)行安全監(jiān)控5T系統(tǒng)是為了保障鐵路車輛運(yùn)行安全，提高現(xiàn)場工作質(zhì)量和效率而建立的信息系統(tǒng)，包括車輛軸溫智能探測系統(tǒng) (THDS) 、車輛運(yùn)行品質(zhì)動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng) (TPDS) 、車輛滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng) (TADS)、貨車故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng) (TFDS)、和客車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng) (TCDS)[4-5]。文中所述的數(shù)據(jù)整合治理范圍主要涉及TPDS、TFDS、TADS和THDS系統(tǒng)數(shù)據(jù)。其中THDS每日監(jiān)測列車2.7×105余列次，1×107余輛次,4.1×107余軸次；TPDS每日監(jiān)測列車1.1×104余列次，4×105余輛次,1.6×106余軸次；TADS每日監(jiān)測列車6 800余列次，2.5×104余輛次，近1×105軸次；TFDS每日監(jiān)測列車1.8×104余列次，8×105余輛次； 5T報(bào)警信息的主要內(nèi)容如表3所示。

表3 5T報(bào)警數(shù)據(jù)

1.1.4走行里程數(shù)據(jù)

HMIS貨車運(yùn)行里程統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)是為了自動統(tǒng)計(jì)貨車運(yùn)行里程而研發(fā)的，它可實(shí)現(xiàn)貨車運(yùn)行軌跡、運(yùn)行里程的查詢以及貨車全生命周期各檢修階段的里程統(tǒng)計(jì)等功能，可按空/重、速度、車型對運(yùn)行里程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。目前全路每天約產(chǎn)生500萬輛次貨車的走行里程數(shù)據(jù)，其主要內(nèi)容如表4所示。

表4 車輛走行里程數(shù)據(jù)

1.1.5車輛檢修數(shù)據(jù)

檢修車回送信息是鐵路貨車檢修車回送時，與車站辦理回送手續(xù)的單據(jù)，是統(tǒng)計(jì)回送以及回送途中檢修車的依據(jù)，同時也是判定扣修車是否允許在規(guī)定區(qū)段內(nèi)運(yùn)行的依據(jù)。檢修車輛竣工驗(yàn)收移交信息是鐵路貨車檢修車修竣驗(yàn)收、監(jiān)造合格后，與車站辦理檢修車修竣手續(xù)單據(jù)。全路每天產(chǎn)生的檢修回送車單據(jù)約為1 000張；每天產(chǎn)生的檢修車輛竣工驗(yàn)收信息約為2 900輛車。主要內(nèi)容如表5所示。

表5 車輛檢修作業(yè)數(shù)據(jù)

1.2 數(shù)據(jù)特點(diǎn)

1.2.1數(shù)據(jù)量大

目前全路在用貨車接近80萬輛，由以上分析可以看出每天貨車相關(guān)信息系統(tǒng)產(chǎn)生大量的檢修、運(yùn)用數(shù)據(jù)，包括車輛新造和定檢落成、報(bào)警以及檢修數(shù)據(jù)，而每類數(shù)據(jù)均包含了完整的鐵路貨車屬性信息。因此對于整合如此多的貨車數(shù)據(jù)既需要較高的技術(shù)要求，同時也是一項(xiàng)巨大的工作。

1.2.2多源異構(gòu)

開展貨車全壽命周期管理數(shù)據(jù)整合治理主要涉及貨車新造定檢數(shù)據(jù)、臨修數(shù)據(jù)、5T報(bào)警數(shù)據(jù)、走行里程數(shù)據(jù)、車輛檢修數(shù)據(jù)共5類數(shù)據(jù)，而產(chǎn)生這5類數(shù)據(jù)的信息系統(tǒng)由于研發(fā)時期不同、研發(fā)標(biāo)準(zhǔn)及目的各不相同，因此數(shù)據(jù)的完整性校驗(yàn)、存儲方式存在著很大的差異。例如新造定檢落成數(shù)據(jù)與臨修數(shù)據(jù)由于適用的作業(yè)場景不同，導(dǎo)致新造定檢信息表的一條記錄包括了貨車本次新造或定檢的全部屬性信息，而臨修信息表則將落成、換輪、更換配件和加裝改造數(shù)據(jù)分開存放，無形中增加了數(shù)據(jù)整合治理的工作量和難度。

1.2.3數(shù)據(jù)缺失或錯誤較多

由于早期鐵路貨車信息化數(shù)據(jù)采集缺少便捷的自動采集設(shè)備，主要依靠人工錄入進(jìn)行，而且信息系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)采集缺少必要的卡控和校驗(yàn)措施，管理部門對于數(shù)據(jù)錄入準(zhǔn)確性的監(jiān)管不嚴(yán)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性降低甚至大量數(shù)據(jù)缺失。

2 鐵路貨車技術(shù)數(shù)據(jù)整合

按照數(shù)據(jù)整合技術(shù)路線，提出了車輛造修歷史數(shù)據(jù)整合算法、車輛臨修落成數(shù)據(jù)整合算法，以車號為索引、以時間為序列串接貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)變化的特征數(shù)據(jù)，組建了鐵路貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)整合模型，建立了貨車定檢落成數(shù)據(jù)、走行數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)等信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終構(gòu)建了貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)整合數(shù)據(jù)庫。

2.1 整合技術(shù)路線

數(shù)據(jù)整合治理一般可分為：數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)整理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換抽取、數(shù)據(jù)整合[6-7]4個階段(見圖 1)。

圖1 鐵路貨車全壽命周期技術(shù)數(shù)據(jù)整合治理流程圖

2.1.1數(shù)據(jù)匯集階段

數(shù)據(jù)匯集是將貨車全壽命周期的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，作為鐵路貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)整合的基礎(chǔ)。

(1)貨車檢修落成數(shù)據(jù)及車輛檢修數(shù)據(jù)匯集

首先與相關(guān)數(shù)據(jù)提供單位制定數(shù)據(jù)交互接口，其次根據(jù)定義接口在數(shù)據(jù)整合平臺建立相關(guān)數(shù)據(jù)表，最后數(shù)據(jù)提供單位利用Web Service向數(shù)據(jù)表中定期寫入數(shù)據(jù)。

(2)貨車走形里程數(shù)據(jù)匯集

首先根據(jù)定義的數(shù)據(jù)交互接口，數(shù)據(jù)提供單位在原始數(shù)據(jù)服務(wù)區(qū)建立視圖，并定期將數(shù)據(jù)寫入視圖；其次在數(shù)據(jù)整合平臺建立相關(guān)數(shù)據(jù)表，利用Windows服務(wù)定期訪問視圖獲取數(shù)據(jù)并寫入數(shù)據(jù)表中。

2.1.2數(shù)據(jù)整理階段

通過對接入到平臺的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量分析，對異常錯誤缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行修改、剔除，提升數(shù)據(jù)質(zhì)量以滿足數(shù)據(jù)整合標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.3轉(zhuǎn)換抽取階段

根據(jù)需求和對數(shù)據(jù)的分析，通過ETL[8-9]技術(shù)實(shí)現(xiàn)將原始數(shù)據(jù)抽取并轉(zhuǎn)存到數(shù)據(jù)整合中間庫中。

2.1.4數(shù)據(jù)整合階段

基于整合中間庫，根據(jù)提出的車輛造修歷史數(shù)據(jù)整合算法、車輛臨修落成數(shù)據(jù)整合算法模型，建立鐵路貨車及各關(guān)鍵部件全壽命周期各項(xiàng)定檢落成數(shù)據(jù)、臨修數(shù)據(jù)、5T報(bào)警數(shù)據(jù)、走行數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，最終建立貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)整合數(shù)據(jù)庫。

2.2 數(shù)據(jù)整合算法

數(shù)據(jù)整合治理的基本算法流程如圖2所示。依據(jù)算法流程對定檢落成數(shù)據(jù)、臨修數(shù)據(jù)、5T報(bào)警數(shù)據(jù)、走行數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)進(jìn)行整合治理，可以實(shí)現(xiàn)依據(jù)車輛屬性進(jìn)行存儲組織的貨車全壽命周期數(shù)據(jù)管理，為實(shí)現(xiàn)車輛造修歷史及報(bào)警查詢、造修質(zhì)量分析、配件裝卸歷史查詢、配件故障預(yù)測、回送車信息推送等功能奠定基礎(chǔ)。

圖2 數(shù)據(jù)整合算法流程圖

2.2.1車輛造修歷史數(shù)據(jù)整合

如圖3所示為車輛造修歷史記錄整合流程圖。根據(jù)車號匹配車輛新造、廠修、段修、臨修及輔修落成信息，提取時間(新造或檢修)、車號、單位(新造或檢修)、修程、信息來源(新造、廠修、段修、臨修及輔修)，對于同一車號、同一造修時間的數(shù)據(jù)，選擇插入時間最大的數(shù)據(jù)(小于最大插入時間的數(shù)據(jù)丟棄)，形成車輛造修歷史信息并進(jìn)行存儲。

圖3 車輛造修歷史記錄整合流程

2.2.2臨修落成數(shù)據(jù)整合

臨修落成數(shù)據(jù)整合流程如圖4所示。給定某一車號ch，臨修時間t1，首先從整合后的車輛造修歷史信息提取該車號所有歷史造修記錄，并根據(jù)時間進(jìn)行排序；其次查找小于t1的最大定檢或者新造(新造、廠修、段修)記錄，其造修時間、修程、來源分別記做t2、xc2、ly2；最后根據(jù)車號ch、造修時間t2、修程xc2、來源ly2找到車號ch，t2時間的完整技術(shù)狀態(tài)信息，并記做stad2。

根據(jù)車號，從換輪記錄信息中選取檢修日期大于t2且小于等于t1的換輪記錄信息(故障部位、換上輪對軸號、換上軸承制造單位、換上車輪制造單位、換上車輪制造年月等、換上車輪型號等)，并根據(jù)檢修時間升序排列。依據(jù)故障部位、換上部件名稱(軸承、車輪)，分別替換stad2中對應(yīng)部件所在部位的制造信息。根據(jù)時間，由遠(yuǎn)及近將全部換輪信息進(jìn)行替換。

根據(jù)車號，從更換配件信息取檢修日期大于t2且小于等于t1的更換記錄(故障編碼、故障部位、換上配件編號、換上配件制造單位、換上配件制造時間)，并根據(jù)檢修時間升序排列。首先通過故障編碼字典表，查詢故障編碼得到故障部件名稱(搖枕、側(cè)架、轉(zhuǎn)向架等)；其次依據(jù)故障部位、換上部件名稱，分別替換stad2中對應(yīng)部件所在部位的制造信息。根據(jù)時間，由遠(yuǎn)及近將全部更換配件信息進(jìn)行替換。

根據(jù)車號，從加裝改造信息取檢修日期大于t2且小于等于t1的加裝改造記錄(加裝改造代碼)；首先根據(jù)加裝改造代碼字典表，查詢加裝改造代碼得到加裝改造信息(加裝改造部件名稱、型號)；其次依據(jù)加裝改造名稱，替換stad2中對應(yīng)部件的型號信息。根據(jù)時間，由遠(yuǎn)及近將全部加裝改造信息進(jìn)行替換。

經(jīng)過以上替換后得到，即為臨修后完整的技術(shù)狀態(tài)信息。

圖4 臨修落成信息整合流程圖

2.2.3整車信息整合

從車輛新造、廠修、段修及整合后的臨修落成信息中提取部件名稱、安裝部位、部件制造單位、部件制造時間、部件編號、部件型號、安裝車號、落成時間等信息形成配件檢修裝卸歷史信息并進(jìn)行存儲。

通過故障編碼匹配故障信息與故障字典得到故障部件名稱、故障部位、故障日期、車號等信息；通過車號、故障日期匹配車輛造修歷史信息，獲取小于故障日期的最大落成日期落成記錄，得到數(shù)據(jù)來源。根據(jù)數(shù)據(jù)來源，通過車號、最大落成日期匹配對應(yīng)的落成信息；通過故障部件名稱、故障部位獲取部件制造單位、部件制造時間、部件編號、部件型號、造修單位等信息；通過車號匹配走行里程信息，累加大于最大落成日期小于故障日期的走行里程。將以上信息(部件名稱、部件制造單位、部件制造時間、部件編號、部件型號、最大落成日期對應(yīng)的造修單位、走行里程、故障時間與最大落成日期的時間間隔)進(jìn)行存儲，并分析某造修單位修理某部件后的運(yùn)用時長和走行里程數(shù)。

根據(jù)車輛造修歷史信息中車號和造修時間，匹配車輛5T預(yù)警信息獲取車輛各個造修修程后各車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)預(yù)報(bào)的車輛通過時間、報(bào)警位置、報(bào)警內(nèi)容等信息。

根據(jù)車輛造修歷史信息中車號、造修時間、數(shù)據(jù)來源信息去匹配歷史落成信息，即可獲取車輛在某次造修修程后車輛裝用配件的詳細(xì)信息(制造單位、部件制造時間、部件編號、部件型號)；根制造單位、部件制造時間、部件編號、部件型號匹配配件檢修裝卸歷史信息，可得到該配件的裝卸、檢修歷史。

根據(jù)車輛造修歷史信息中車號以及車號最晚的落成時間得到落成造修單位、部件名稱并匹配上述檢修單位、故障部件名稱與運(yùn)用時長、走行里程數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系可對配件下次故障日期及走行里程數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測。

通過檢修車回送信息中車號與車輛造修歷史信息進(jìn)行匹配，對回送車輛進(jìn)行標(biāo)記，判定向列檢作業(yè)場推送的重點(diǎn)檢查車輛是否為回送車，同時對于實(shí)時接入的檢修車輛竣工驗(yàn)收移交信息，更新車輛的回送標(biāo)記，及時停止推送回送信息。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

為了更好地輔助用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、輔助決策，需要對數(shù)據(jù)治理整合后的鐵路貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，便于用戶進(jìn)一步挖掘貨車技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)的價值，開展貨車全壽命周期管理及健康管理應(yīng)用。

3.1 貨車全壽命周期履歷及5T報(bào)警信息

通過車號，可以獲取截止到當(dāng)前時間，該車全壽命周期內(nèi)歷次檢修信息(圖5)(修程、日期、單位)，該車輛歷次5T報(bào)警信息(圖6)，以及通過該車自上次檢修后各種工況下的走行里程信息(圖7)。

圖5 貨車全壽命周期時序圖

圖6 貨車5T報(bào)警信息

圖7 貨車走行里程

3.2 關(guān)鍵配件信息

通過選擇配件類型、制造單位、生產(chǎn)日期可以獲取符合該條件的所有配件信息(圖8)，點(diǎn)擊某一配件，可查詢到詳細(xì)的制造信息及該配件全壽命周期內(nèi)的裝卸歷史(圖9)等。

圖8 關(guān)鍵配件信息查詢

圖9 車軸全壽命周期技術(shù)信息

3.3 故障分析

通過選擇配件類型、檢修時間等可以按型號、廠家、制造時間、使用年限等維度對部件的故障件數(shù)、某一型號配件不同廠家的故障占比等進(jìn)行分析，便于輔助用戶對造修單位、配件廠家的造修質(zhì)量進(jìn)行分析，探究故障發(fā)生原因，進(jìn)一步提高造修質(zhì)量。

圖10 部件檢修故障分析

4 結(jié)束語

對獨(dú)立存儲在各鐵路貨車專業(yè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行治理和整合，重構(gòu)貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫，是開展貨車全壽命周期管理應(yīng)用、提高數(shù)據(jù)的利用率、挖掘數(shù)據(jù)價值的基礎(chǔ)。依據(jù)文中提出的車輛造修歷史數(shù)據(jù)整合算法、車輛臨修落成數(shù)據(jù)整合算法，在貨車健康管理信息系統(tǒng)中建立了鐵路貨車全壽命周期技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)整合模型，為實(shí)現(xiàn)車輛造修歷史及報(bào)警查詢、造修質(zhì)量分析、配件裝卸歷史查詢、配件故障預(yù)測、回送車信息推送等功能提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐，對于提高貨車及關(guān)鍵配件全壽命周期管理水平、方便現(xiàn)場作業(yè)，降低檢修成本具有十分重要的意義。