鐵道信號設(shè)備集中診斷及智能分析系統(tǒng)技術(shù)

張亦秋

摘 ?要：鐵道信號設(shè)備在信號接收及傳輸過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些故障問題。本文就從故障診斷、分析和監(jiān)測等角度出發(fā)，研究使用現(xiàn)代化信息技術(shù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)工作平臺，引進大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)來防范信號故障風險的方法。首先根據(jù)工作需求做好系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計和硬件配置工作，然后選擇合適的故障診斷方法，完成系統(tǒng)各項功能的優(yōu)化。其中，關(guān)鍵是要將抽象的數(shù)據(jù)信息以便于觀察和處理的方式呈現(xiàn)出來，并完成信息的傳遞、整理和存儲等一系列基礎(chǔ)工作任務，這要求技術(shù)人員進行系統(tǒng)的可視化設(shè)計及組網(wǎng)設(shè)計工作。

關(guān)鍵詞：鐵道信號 ?集中診斷 ?人工智能 ? 故障分析

鐵路出行是一種相對較為經(jīng)濟、便捷的方式，受到受眾群體的一致認可。為了保證出行安全，通常在鐵道建設(shè)工作中，要做好通信信號的管理工作，關(guān)鍵要對鐵道當中運行的所有機電設(shè)備進行統(tǒng)一、集中的管理，判斷設(shè)備的運行狀態(tài)是否正常，及時發(fā)現(xiàn)安全風險，并第一時間處理。在這個環(huán)節(jié)中，可以嘗試融入信息技術(shù)，讓鐵道信號設(shè)備診斷及分析工作具有智能化、自動化的特點，以此來降低管理工作的難度。

1鐵道信號設(shè)備集中診斷及智能分析系統(tǒng)的設(shè)計方案

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

要監(jiān)測設(shè)備的運行參數(shù)，關(guān)注鐵道信號連接情況，需要先進行計算機結(jié)構(gòu)層的構(gòu)建工作，應根據(jù)工作的基本流程和要求，完成對相應軟件的安裝?；A(chǔ)監(jiān)控與診斷工作的側(cè)重點要放在軌道電路、電源、外電網(wǎng)等信號設(shè)備上，要進行信號的輸入與輸出管理，并在實際工作中完成對設(shè)備運行信息的采集。相關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖1所示。

圖1 信號集中檢測系統(tǒng)的信息采集結(jié)構(gòu)圖

1.2系統(tǒng)功能設(shè)計

使用智能分析系統(tǒng)時，應當做好功能設(shè)計工作。實際上，智能分析技術(shù)主要依靠人工智能技術(shù)來完成信息篩選、識別和處理等工作。與傳統(tǒng)的故障處理方法相比，能夠減輕員工的工作壓力，并提升工作質(zhì)量及水平。具體在完善系統(tǒng)功能時，不僅要保障基礎(chǔ)硬件設(shè)施完善，還要讓計算機系統(tǒng)自身具有延展性、開放性的特點，并要發(fā)揮智能系統(tǒng)的自主學習能力，不斷優(yōu)化智能分析技術(shù)，提升集中診斷與分析的效果。另外，系統(tǒng)應具有安全防御能力，技術(shù)人員在設(shè)計系統(tǒng)時，要遵循標準管理規(guī)定，嚴格規(guī)范工作行為。

1.3硬件配置工作

在軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，工作人員還要進行鐵路車站內(nèi)部機械裝置的配置工作。具體包括：計算機顯示器、采集機柜、通信裝置、感應裝置和線路控制設(shè)備等[1]。此外，還要完善組網(wǎng)設(shè)備，應保障互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接狀態(tài)良好，才能確保信號的穩(wěn)定傳輸狀態(tài)符合工作要求。

2在智能系統(tǒng)中進行鐵道信號設(shè)備故障診斷工作的方法

鐵道信號出現(xiàn)連接異常后，需要迅速通過智能系統(tǒng)進行故障診斷工作。在科技信息技術(shù)穩(wěn)步發(fā)展的過程中，有效的診斷方法有以下幾種。

2.1規(guī)則推理

故障診斷工作應當具有動態(tài)化、預見性的特征，目的是科學降低故障問題的發(fā)生概率。而在系統(tǒng)運行過程中，使用規(guī)則推理的方式，主要是通過概括專家經(jīng)驗，來完成對故障的準確判斷和細節(jié)分析。具體使用該方法時，要編寫相應的程序。當鐵道信號設(shè)備出現(xiàn)故障問題時，應通過系統(tǒng)程序的設(shè)定情況，自動對引發(fā)故障的各種原因依次進行分析，逐一推理出核心問題。

2.2故障樹

在集中診斷故障問題時，也可以在系統(tǒng)當中收集數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建故障樹結(jié)構(gòu)。在這項工作環(huán)節(jié)當中，需要完成兩項操作：一項是進行定性分析，另一項是進行定量分析。首先，要進行故障樹編輯，輸入問題信息，篩選和判斷基本故障原因和頂事件相關(guān)信息[2]。優(yōu)勢是在故障推理階段，技術(shù)人員可以依靠數(shù)據(jù)系統(tǒng)進行反向推理，全面找出引發(fā)鐵道信號設(shè)備故障的原因，有針對性地制定解決對策。

2.3案例推理

案例推理的診斷工作流程是：根據(jù)實際發(fā)生的故障問題類型，在案例信息庫當中查找類似事件的相關(guān)信息。重點要找出引發(fā)問題的原因和案例當中所使用的解決方案，科學分析采用相關(guān)解決方法的優(yōu)缺點，依靠智能系統(tǒng)學習處理故障的有效方法，歸納出最佳解決思路。這個環(huán)節(jié)要使用的基礎(chǔ)技術(shù)包括大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)，這是分析問題、處理問題的關(guān)鍵前提，需要保障系統(tǒng)運行的安全與穩(wěn)定。

3鐵道信號設(shè)備故障問題的智能分析系統(tǒng)建設(shè)及應用要點

在集中診斷工作結(jié)束后，下一項任務就是使用信息技術(shù)進行故障的智能分析，相應系統(tǒng)的構(gòu)建思路如下。

3.1知識庫結(jié)構(gòu)

知識庫的數(shù)據(jù)采集和歸納整理工作，是決定智能分析工作效果及質(zhì)量的主要因素。基于此，在構(gòu)建智能系統(tǒng)，使用智能技術(shù)之前，必須要先安排技術(shù)人員做好對知識庫組織結(jié)構(gòu)體系的建設(shè)工作。系統(tǒng)的構(gòu)建應當以便于人們操作為前提，通常知識庫系統(tǒng)要與外電網(wǎng)模塊、電源屏、電碼化模塊相關(guān)聯(lián)，每個模塊下都會對故障進行命名并分類。因此，在系統(tǒng)架構(gòu)時，還要對數(shù)據(jù)中各種符號、字段進行準確的定義，并應當確定系統(tǒng)的運行流程，提前進行流程設(shè)計工作[3]。比如，信號設(shè)備在傳遞數(shù)據(jù)后，智能系統(tǒng)要接受開關(guān)量和模擬量，從復雜、大量的數(shù)據(jù)信息中準確識別故障，完成集中診斷任務后，將相關(guān)信息存儲在知識庫當中，方便有序展開故障分析工作。

3.2知識庫管理

在進行知識庫系統(tǒng)的設(shè)計工作時，要發(fā)揮信息技術(shù)的使用價值，完成對系統(tǒng)的管理工作。具體要完成數(shù)據(jù)庫的建立、信息的增刪與更改等基礎(chǔ)操作，還要能根據(jù)工作需求完成信息的一鍵檢索。在管理任務中，可以借助人工智能技術(shù)進行信息數(shù)據(jù)的校對。由于鐵路建設(shè)規(guī)模大，實際要安裝的信號設(shè)備數(shù)量多，要使用智能系統(tǒng)進行故障檢測、診斷和分析等工作任務，需要設(shè)置多個信息采集點，這也是知識庫配置工作的關(guān)鍵任務之一，要能夠保證采集工作的及時性、準確性和全面性。此外，相關(guān)設(shè)計工作要嚴格參照《鐵路信號集中監(jiān)測技術(shù)條件》的相關(guān)規(guī)定來完成。

3.3案例庫設(shè)計

案例庫主要是為案例推理工作提供數(shù)據(jù)信息的一種資源庫，其中所有的信息都來源于以往各種信號設(shè)備故障情況的實際處理經(jīng)驗，要求工作人員在處理故障問題后，按照規(guī)定的格式將相關(guān)案例整理出來[4]。比如，要設(shè)置標題、摘要，對故障原因和維修方法進行詳細的介紹。相關(guān)案例的標題及摘要中的關(guān)鍵字段，能讓工作人員快速調(diào)取案例相關(guān)信息。新時期，技術(shù)人員還會使用人工智能技術(shù)來比對現(xiàn)有信號設(shè)備故障問題和以往案例的相似度，找到問題的異同點，繪制表格，用于分析和處理故障。因此，應及時、合理地給人員設(shè)定登錄案例庫、修改案例資料的權(quán)限。

3.4推理機設(shè)計

信號設(shè)備出現(xiàn)的故障問題有時具有一定的邏輯性，可以進行邏輯分析，而推理機的設(shè)計工作就是為了便捷地找出故障自身、故障與故障之間的邏輯關(guān)系。常用推理方法如下。

3.4.1演繹法

其技術(shù)原理是：在網(wǎng)絡(luò)大環(huán)境的發(fā)展前提下，根據(jù)信號設(shè)備的運作情況，通過推導的方式引出結(jié)論，前因和后果之間要有明顯的、必然的關(guān)聯(lián)，才能使用這種方法，屬于一種特殊推理方案。在故障智能分析階段，需要依靠智能技術(shù)來模擬人的思維過程，去分析和解決問題。這是目前應用頻率較高的一種技術(shù)方法，實際應用效果良好。

3.4.2歸納法

歸納法是在已知各種數(shù)據(jù)信息的前提下，通過對這些數(shù)據(jù)的對比和整合，來找出與故障問題相關(guān)的特征。此方法側(cè)重于進行數(shù)據(jù)觀察、實驗分析等工作，有一定的技術(shù)難度，對系統(tǒng)的智能化水平及人員操作能力都有較高的要求。在使用此技術(shù)之前，應當按時根據(jù)科技信息技術(shù)的發(fā)展情況更新系統(tǒng)，讓系統(tǒng)各項功能得以優(yōu)化，為降低信號設(shè)備的診斷和分析難度奠定良好基礎(chǔ)。

3.4.3類比法

當兩種故障問題導致了相同的結(jié)果時，就可以通過類比的方式來分析兩種故障之間的關(guān)聯(lián)性，從中科學判斷出故障信息的共同屬性特點。實際上，鐵道信號設(shè)備出現(xiàn)故障的原因比較復雜，要有序展開故障分析工作，必須要總結(jié)以往的工作經(jīng)驗，積極融合多種分析技術(shù)的應用優(yōu)勢，共同研究出提升智能分析水平的方法。

4鐵道信號設(shè)備集中診斷及智能分析系統(tǒng)的可視化與組網(wǎng)設(shè)計

4.1可視化設(shè)計要點

4.1.1虛擬設(shè)備圖

一般在構(gòu)建智能系統(tǒng)時，要根據(jù)各種信號設(shè)備的實際安裝位置、連接方式以及設(shè)備自身型號等多方面的因素，繪制虛擬圖形。按照實物的擺放位置，借助BIM技術(shù)或其他技術(shù)方法，完成設(shè)備平面圖、立體圖形的建設(shè)任務[5]。這主要是為了在信號設(shè)備出現(xiàn)故障問題時，可以根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，配合虛擬圖形展開生動化、形象化的數(shù)據(jù)分析工作，以解決故障信息過于抽象的問題。

4.1.2工作原理圖

要在工作中全面應用信息技術(shù)，完成智能系統(tǒng)的構(gòu)建工作，需要先了解工作原理，并進行原理圖的繪制工作。這個環(huán)節(jié)常用的軟件以CAD為主，要做好擴展數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、更新等工作，需要進行數(shù)據(jù)編碼，并使用專用的應用程序來收集和管理數(shù)據(jù)，還要在程序當中為數(shù)據(jù)命名。完成上述操作后，進行組件對象模型的構(gòu)建任務。其特點是每個組件都可以在系統(tǒng)當中獨立運行，互不影響，并統(tǒng)一受到核心系統(tǒng)的管控。實際工作時，還涉及對靜態(tài)圖和動態(tài)圖的繪制工作。

4.1.3具體操作

完成可視化設(shè)計后，還要規(guī)范對可視化系統(tǒng)的操作行為。通常依靠計算機設(shè)備，可以實現(xiàn)對圖形的放大和縮小操作，還能移動圖形。對于系統(tǒng)中的動態(tài)圖，也有回放、慢放、倒放等功能，可以按照時間軸來獲取工作信息，判斷故障發(fā)生的時間、位置。另外，在信息技術(shù)的支持下，可視化系統(tǒng)當中還配備了警報裝置。當系統(tǒng)自動檢測到鐵道信號設(shè)備的故障問題時，窗口界面會變?yōu)樾涯康募t色，并彈出對應的窗口，提醒技術(shù)人員及時處理問題。

4.2組網(wǎng)設(shè)計要點

4.2.1集中監(jiān)測系統(tǒng)

在組網(wǎng)設(shè)計階段，應從網(wǎng)絡(luò)準入許可方面展開分析，選擇合適的準入?yún)f(xié)議，并做好系統(tǒng)架構(gòu)工作。新時期，大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的智能系統(tǒng)都是以c/s架構(gòu)方案為核心，應用價值較高。在此基礎(chǔ)上，還要實現(xiàn)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋，讓設(shè)備運行的所有參數(shù)都能第一時間輸入到計算機系統(tǒng)中，進行集中、統(tǒng)一的遠程管理。要考慮到系統(tǒng)負荷問題，分析多個設(shè)備連接同一個核心系統(tǒng)是否會出現(xiàn)卡頓的情況，做好網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)設(shè)計工作，從而順利完成基礎(chǔ)組網(wǎng)任務[6]。除此之外，還要保障車站內(nèi)計算機基礎(chǔ)設(shè)施齊全，才能為信號設(shè)備集中診斷和智能分析工作提供基礎(chǔ)支持。

4.2.2電務專用辦公網(wǎng)絡(luò)

由于鐵路車站內(nèi)大部分的設(shè)備都屬于機電設(shè)備，需要通過電能來啟動設(shè)備，并維持設(shè)備的良好運行狀態(tài)?；诖耍夹g(shù)人員在實際進行智能系統(tǒng)架構(gòu)，開展故障診斷與分析等基礎(chǔ)工作時，也要進行電務專用網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)工作。在相應組網(wǎng)設(shè)計任務中，應當專門設(shè)置故障診斷的傳感器，方便第一時間排查網(wǎng)絡(luò)故障，避免影響設(shè)備的良好運行狀態(tài)。

5結(jié)語

綜上所述，常用于診斷故障的方法有規(guī)則推理、故障樹及案例推理，要根據(jù)故障問題的實際特點以及基礎(chǔ)信息系統(tǒng)的架構(gòu)情況進行選擇，并要從知識庫構(gòu)建和管理、案例庫設(shè)計、推理機設(shè)計等角度，靈活展開智能分析工作。這項工作在信息技術(shù)的支持下，可以便捷地找出故障問題之間的關(guān)聯(lián)性，能有效降低故障管理工作的難度。新時期，技術(shù)人員還會根據(jù)人們在鐵道信號設(shè)備管理環(huán)節(jié)的基本要求，優(yōu)化系統(tǒng)的各項功能，目的是發(fā)揮出智能系統(tǒng)的使用價值，排查和監(jiān)管信號設(shè)備的故障問題，全面保障設(shè)備的運行安全性與穩(wěn)定性。

參考文獻

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[6]林鵬，田宇，袁志明，等.高速鐵路信號系統(tǒng)運維分層架構(gòu)模型研究[J].自動化學報，2021（45）：1-10.