鐵路客車輪對踏面硌傷自動分析系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

周利萍，郭立網(wǎng)，于世武，趙 飛，王建坤

（1. 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081；2. 中國國家鐵路集團有限公司 運輸調(diào)度指揮中心，北京 100844；3. 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081）

鐵路客車輪對踏面硌傷是旅客列車運行途中壓過軌面異物導(dǎo)致輪對踏面異常的一類鐵路客車運用故障[1]。由于輪對踏面發(fā)生硌傷后會影響旅客列車的運行品質(zhì)和旅客乘坐舒適性，超限的踏面硌傷更是影響列車運行安全、平穩(wěn)和輪對使用壽命的重要因素[2-3]。如何及時高效的排查、找到并處理鋼軌異常點，減少對后續(xù)運行列車的影響，是當(dāng)前鐵路調(diào)度部門亟待解決的問題。

目前，鐵路部門對于車輛運行過程中發(fā)生的踏面硌傷分析仍采用傳統(tǒng)人工方式，分析結(jié)果取決于調(diào)度人員工作經(jīng)驗和技術(shù)資料的準(zhǔn)確性，分析過程耗時長且分析結(jié)果質(zhì)量不高，導(dǎo)致在故障處理時造成了機輛設(shè)備和人力資源的浪費。因此，研究利用信息技術(shù)手段構(gòu)建客車輪對踏面硌傷自動分析系統(tǒng)，精準(zhǔn)指導(dǎo)現(xiàn)場人員排查處理鋼軌故障點，最大程度減少對后續(xù)運行列車的影響，提高旅客列車的運行品質(zhì)和旅客乘坐舒適性，就成為了現(xiàn)階段的迫切需要。

本文研究的鐵路客車輪對踏面硌傷自動分析系統(tǒng)（簡稱：系統(tǒng)）利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對硌傷列車的運行軌跡進行串接和分析比較，計算硌傷列車運行徑路的最小重合區(qū)段，分析故障影響范圍，為調(diào)度部門排查出鋼軌的故障點提供決策輔助，最大程度減少對后續(xù)列車的影響。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與功能設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)主要分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層，其架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意

1.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

1.2.1 硌傷排查

實現(xiàn)硌傷基礎(chǔ)信息的快速采集、匯總與展示。中國國家鐵路集團有限公司（簡稱：國鐵集團）調(diào)度員向各鐵路局集團公司發(fā)起硌傷排查的指示，完成管內(nèi)硌傷車次基本信息的填報、上傳。需要采集的基礎(chǔ)信息包括：硌傷發(fā)現(xiàn)日期、輪對數(shù)量、列車型/車組號、車次交路等，這些信息將作為硌傷自動分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源輸入。

1.2.2 自動分析

（1）數(shù)據(jù)處理

根據(jù)各鐵路局集團公司硌傷排查的結(jié)果，系統(tǒng)對其數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)處理和計算，完成所需數(shù)據(jù)源的加載、數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一、基礎(chǔ)字典統(tǒng)一、錯誤數(shù)據(jù)清洗等多種數(shù)據(jù)融合計算。根據(jù)業(yè)務(wù)特征對數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析和匹配，包括：對硌傷基礎(chǔ)信息與列車、運行線、編組之間的關(guān)聯(lián)，列車全息數(shù)據(jù)的生成，故障列車運行重合區(qū)間的計算。

（2）影響范圍分析

結(jié)合客車開行日班計劃和列車實際運行圖數(shù)據(jù)，對將要經(jīng)過發(fā)生硌傷區(qū)間的客運列車進行影響范圍分析，提供受影響列車的車次、到發(fā)時間、當(dāng)前到發(fā)站、編組信息，便于調(diào)度部門根據(jù)掌握的故障信息和將要產(chǎn)生的影響程度，對后續(xù)列車進行有目的的限速控制或扣停。

1.2.3 故障定位

結(jié)合硌傷發(fā)生時的所在線路、上下行方向、公里標(biāo)及鐵路運營網(wǎng)絡(luò)圖等基礎(chǔ)信息，利用GIS 技術(shù)將硌傷列車運行的重合區(qū)段在鐵路網(wǎng)地圖或列車運行圖上進行標(biāo)記和定位，提供車站的詳細位置及列車的全程運行軌跡。

1.2.4 統(tǒng)計分析

提供硌傷信息的階段統(tǒng)計，分時段從局別、線別、車型車組、設(shè)備設(shè)施生產(chǎn)、管理單位等各個方面深入分析，集中展示，方便調(diào)度員根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對重點運行線路和區(qū)段進行分析、監(jiān)控，對多次發(fā)生硌傷的線路或區(qū)段預(yù)警提示，便于調(diào)度部門提前發(fā)現(xiàn)影響安全環(huán)境的潛在因素和薄弱環(huán)節(jié)，從而提高客運列車運營安全管理水平。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)處理

由于系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)來源眾多，除通過本系統(tǒng)進行硌傷排查所得的硌傷基本信息外，其他數(shù)據(jù)均來自各個外部系統(tǒng)，如行車調(diào)度實際運行圖來自TDCS/CTC，客運編組信息來自客車管理信息系統(tǒng)，客運日班計劃來自綜合調(diào)度系統(tǒng)等。

數(shù)據(jù)處理從既有的生產(chǎn)系統(tǒng)中抽取硌傷自動分析所需的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)，根據(jù)其相關(guān)的業(yè)務(wù)特性分析、匯集形成支撐本系統(tǒng)功能的數(shù)據(jù)環(huán)境。具體包括以下幾方面內(nèi)容。

（1）數(shù)據(jù)采集

通過與各外部系統(tǒng)定義的Web Service 接口，采用定時和實時相結(jié)合的方式，從相關(guān)信息系統(tǒng)采集列車工作日計劃、實際運行圖及列車編組等數(shù)據(jù)。

（2）硌傷車次與列車運行線信息關(guān)聯(lián)

以硌傷車次為對象，通過車次與時間識別列車在運行圖上的實際運行徑路信息，建立硌傷車次與實際列車運行線之間的聯(lián)系。

（3）客運日計劃與運行圖實際信息關(guān)聯(lián)

客運日計劃中有車次和列車時刻信息，但只有大的客運站信息。列車實際運行圖有詳細的車站信息，但列車運行信息通常是由多個調(diào)度臺的調(diào)度信息組合而成，一列列車有多條運行線信息[4]。在本文中，以客運日計劃為基準(zhǔn)，通過車次和車站，將實際運行圖的詳細徑路與時間信息補充客運日計劃中各節(jié)點，通過計劃與實際的關(guān)聯(lián)，生成客運列車的完整運行軌跡。

（4）客車對象信息的全息集成

從多個角度對比合成一個完整的實際開行的客運列車對象信息，針對硌傷車次，能夠展示每一列客車的車次、全程時刻、車底交路、編組信息、旅客乘降信息、機車信息、乘務(wù)信息等相關(guān)信息。

（5）重合區(qū)段的分析

根據(jù)已生成的所有硌傷車次的完整運行軌跡和列車全息信息，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對徑路集合中的所有車站進行關(guān)聯(lián)分析，找出其頻繁項集，結(jié)合線路、車站基礎(chǔ)字典及車次交路運行規(guī)則，剔除頻繁項集中的冗余干擾信息，從而找到硌傷車次的共同運行最短徑路，為調(diào)度部門排查找到運行線路異常點，為及時處理提供指導(dǎo)性方案。

2.2 故障影響范圍分析

故障影響范圍分析可以輔助調(diào)度部門掌握軌道故障產(chǎn)生的影響程度，以便進一步制定有效的預(yù)案措施。根據(jù)系統(tǒng)的自動分析功能模塊計算出列車發(fā)生硌傷的故障區(qū)段后，從客運日計劃和列車實際運行圖的關(guān)聯(lián)信息中搜索所有未來一段時間內(nèi)將經(jīng)過故障區(qū)段的客運列車運行全息信息，包括列車的車次、始發(fā)站、終到站、當(dāng)前所在車站，以及計劃到達所查詢站的時間、列車司機和旅客乘降信息，實時估計出列車晚點時間，以便調(diào)度人員根據(jù)實際情況和調(diào)度規(guī)則對后續(xù)列車進行有目的的限速控制或扣停。

2.3 形成指導(dǎo)性方案

通過前面的研究，系統(tǒng)根據(jù)各鐵路局集團公司要求完成的硌傷排查結(jié)果，利用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析方法計算出發(fā)生硌傷的列車實際運行軌跡及最小運行重合區(qū)段，對故障線路影響的列車范圍進行分析，形成一個指導(dǎo)現(xiàn)場排查方案，以電文或調(diào)度命令的形式下發(fā)相關(guān)鐵路局集團公司調(diào)度所，指導(dǎo)現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)故障點進行處置。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)分析處理

由于系統(tǒng)中需要處理的主要數(shù)據(jù)來源TDCS/CTC 系統(tǒng)的列車運行線信息，而TDCS/CTC 系統(tǒng)中的列車運行線是按照調(diào)度臺指揮列車運行的[4]，不同調(diào)度區(qū)段存在跨調(diào)度臺運行列車的運行信息無法自動連續(xù)記錄和存儲的問題[5]。所以，關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)處理要解決客運列車運行線串接問題，只有將多條跨調(diào)度臺或跨鐵路局集團公司的列車運行線拼接后，才能為故障車次生成完整連續(xù)的列車運行軌跡，而完整的列車運行軌跡對排查故障車次最短共同運行徑路，以及分析故障影響范圍提供直接的決策依據(jù)。

為有效地將同屬一列列車的運行線信息串接起來，需要判定在不同列車調(diào)度臺的多條運行線信息是否歸屬于同一列列車[6]。本文采用的判定方法如下：

（1）將客運日計劃數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，并定期更新同步客運日計劃的數(shù)據(jù)；

（2）以客運日計劃為依據(jù)，用新進入的運行圖數(shù)據(jù)的車次（可變）、車站分別與日計劃中的車次、車站進行匹配；

（3）如果匹配成功，再匹配列車到達（出發(fā)）車站的時間，如果時間在一定的誤差范圍內(nèi)，就認為是同一列列車。

在處理過程中也遇到一些問題，如：車次命名不規(guī)范的問題；行調(diào)數(shù)據(jù)缺失；客運日計劃中的開行數(shù)據(jù)粒度較粗，客運站與行調(diào)站不一致等問題。系統(tǒng)在處理這些問題時會根據(jù)調(diào)度規(guī)則創(chuàng)建相關(guān)映射字典，對于字典無法解決的問題，則通過業(yè)務(wù)功能界面進行問題車次的提示，由用戶人工確認后形成經(jīng)驗字典庫，為大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析奠定基礎(chǔ)。

3.2 大數(shù)據(jù)解決方案

考慮到系統(tǒng)所使用的數(shù)據(jù)源如行車調(diào)度運行線數(shù)據(jù)、客運日計劃、鐵路線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)量日益攀升，對于海量數(shù)據(jù)引發(fā)的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢等問題，本系統(tǒng)中引入了海量數(shù)據(jù)處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)處理平臺，如圖2 所示。

Hadoop 是一個基于Java 的分布式密集數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的軟件框架，如今已在各個領(lǐng)域被廣泛使用，能夠?qū)Ａ繑?shù)據(jù)進行存儲和計算分析[7]。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理是從既有的外部系統(tǒng)中抽取硌傷自動分析相關(guān)的各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)。對于列車運行線歷史信息、基本圖信息、線路、車站等基礎(chǔ)信息利用大數(shù)據(jù)采集工具導(dǎo)入Hadoop 平臺，按照列車運行車次、行車區(qū)間等不同的組織方式，存放在數(shù)據(jù)倉庫中，便于歷史分析。對于列車運行的實時軌跡信息、客車開行日計劃、編組等信息直接存入關(guān)鍵值數(shù)據(jù)庫，便于實時處理和查詢。

圖2 大數(shù)據(jù)解決方案

Spark 提供了一整套閉環(huán)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析解決方案，基于內(nèi)存的迭代計算框架，適用于需要多次操作特定數(shù)據(jù)集的應(yīng)用場合[8]。對于硌傷數(shù)據(jù)分析，使用Spark 分布式計算技術(shù)來實現(xiàn)列車運行軌跡最短共同運行徑路的計算與故障影響范圍分析。最短共同運行徑路的計算涉及上百條列車運行線，成千上萬個行調(diào)站點的數(shù)據(jù)，需要對這些數(shù)據(jù)進行反復(fù)的迭代分析、比對，并利用調(diào)度規(guī)則將數(shù)據(jù)中的錯誤信息進行剔除，最后確定這些列車的最短重合運行區(qū)段。故障影響范圍分析則利用實時數(shù)據(jù)分析將經(jīng)過最短重合區(qū)段的所有列車及關(guān)聯(lián)信息快速提取出來，為調(diào)度指揮決策評估提供最直接的行車方案調(diào)整依據(jù)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及應(yīng)用效果

系統(tǒng)已經(jīng)在國鐵集團和鐵路局集團公司動車和車輛調(diào)度崗位得到了廣泛的應(yīng)用，通過自動分析和計算故障列車的重合運行軌跡和影響范圍，對故障區(qū)間進行自動定位，形成一個指導(dǎo)現(xiàn)場排查的方案，及時通知相關(guān)鐵路局集團公司調(diào)度所，指導(dǎo)現(xiàn)場進行故障排查處置。

根據(jù)鐵路部門2019 年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，普速旅客列車發(fā)生10 次輪對踏面硌傷，涉及上百組客車車體，動車組發(fā)生13 次，涉及更多的動車組車底。通過本系統(tǒng)的自動分析功能，不僅縮短了調(diào)度員進行硌傷分析的時間，降低了調(diào)度人員的勞動強度，提高了定位和排查故障的效率，也減少了機輛設(shè)備和人力資源的浪費。

5 結(jié)束語

隨著客運列車的提速、客車開行數(shù)量的急速增加，客車輪對踏面硌傷問題也日益突出，傳統(tǒng)的人工分析方法效率低下且運營成本高，基于大數(shù)據(jù)處理技術(shù)的自動分析系統(tǒng)的建設(shè)正好解決鐵路部門的這個問題，未來隨著列車運行圖、客運日班計劃等數(shù)據(jù)源質(zhì)量的提高和線路設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范，結(jié)合歷史事件記錄庫的積累和修正，將逐步提升故障分析結(jié)果的精準(zhǔn)性，推動運輸調(diào)度工作向高質(zhì)量高效率發(fā)展，提高運輸調(diào)度指揮的自動化、智能化水平。