基于數(shù)據分析的STP系統(tǒng)創(chuàng)新運維方法

苑江濤，張為，劉明源，李燕，趙小軍

（北京華鐵信息技術有限公司，北京 100081）

1 STP系統(tǒng)控車原理和主要功能

1.1 控車原理

STP系統(tǒng)是用于鐵路調車作業(yè)的輔助安全防護系統(tǒng)，系統(tǒng)結構示意見圖1［1］。地面主機接收計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)或TDCS/CTC系統(tǒng)數(shù)據，獲取站場表示信息；車載主機接收LKJ數(shù)據，獲取機車速度、手柄方向、公里標等信息。STP系統(tǒng)控車關鍵在于準確定位調機/車列實時位置，軟件算法中同時基于2條主要追蹤途徑并相輔相成，共同確定調機/車列實時位置［2］。

圖1 STP系統(tǒng)結構示意圖

一是基于軌道電路的占用/出清。隨著調機/車列走行，前方的軌道電路區(qū)段會依次占用，后方的軌道電路區(qū)段會依次出清，可初步確定調機/車列所在區(qū)段大致位置，無法準確判斷調機/車列在區(qū)段的精確位置。

二是基于應答器定位調機/車列初始位置，再結合LKJ公里標信息，準確定位調機/車列位置。在STP系統(tǒng)建設初期，現(xiàn)場所有區(qū)段的距離均已提前測量完畢，所有應答器的安裝位置均為已知。調機/車列經過某一特定編號的應答器后，車載相關設備識別并判斷此應答器具體位置，也即此刻調機/車列具體位置。隨后結合LKJ公里標信息，實時計算調機/車列相對此應答器的走行距離，即可實時定位調機/車列具體位置。

基于以上2點，并結合獲取的站場表示信息，在排除調機輪對空轉/打滑、軌道電路嚴重分路不良［3］等極端情況下，STP系統(tǒng)可實時給出調機/車列前方信號機名稱、距離、燈顯、限速等信息，以實現(xiàn)監(jiān)控調車作業(yè)安全的功能。

1.2 主要功能

STP系統(tǒng)可實現(xiàn)對調機/車列前方關閉信號機的防護、道岔/固定區(qū)段限速防護、土檔或站界標防護、一度停車點防護等相關功能。

2 運維重點及難點

2.1 運維重點

基于STP系統(tǒng)控車原理可知，區(qū)段距離誤差、應答器質量、車載應答定位器單元、無線電通信質量等均是影響STP系統(tǒng)監(jiān)控功能的重要節(jié)點［4］。此外，調機輪對的空轉/打滑、軌道電路分路不良等屬于STP系統(tǒng)外部干擾因素，且可通過撒沙、分路不良整治做適當優(yōu)化處理，在此不再討論。

2.2 運維難點

STP系統(tǒng)采用的無源應答器，沒有任何線纜與其相連，其狀態(tài)無法通過有線傳輸獲取。傳統(tǒng)的維護方式只能使用應答器讀寫器定期上道現(xiàn)場檢查，可以讀取到編碼數(shù)據即認為是正常的，否則認為故障。但由于應答器讀寫器和車載應答定位器單元在硬件等方面的差異，存在應答器讀寫器讀取正常但應答定位器單元無法正常讀取的情況。此外，對于站場內牽出線等處應答器，調機/車列正常經過時僅有板卡指示燈提示，無法及時判斷此應答器狀態(tài)。因此，現(xiàn)場應答器類故障往往都是已經影響STP系統(tǒng)使用時，由乘務員報故障才能發(fā)現(xiàn)，對運維來說非常被動。

區(qū)段距離應該在建設初期保證測量的準確性［5］，但由于人為測量誤差的存在，實際上有可能存在距離誤差。而距離誤差將直接影響STP系統(tǒng)控車功能，是極其重要且必須避免的關鍵因素，這就要求排除人為因素影響，通過技術手段協(xié)助確認區(qū)段距離的準確性。

無線電通信質量將直接影響STP系統(tǒng)車地設備間信息的實時交互。無線電通信中斷超過一定時間，STP系統(tǒng)將直接退網處理，失去對調車作業(yè)的監(jiān)控作用。此外，無線類故障往往具有偶發(fā)性，且可能和地面電臺/天線/饋線、車載電臺/天線/饋線、同頻/鄰頻干擾、地形遮擋、甚至天氣變化等諸多因素相關，極難通過常規(guī)手段排查處理［6］。因此，在保證無線電通信質量的同時，還要在通信質量趨于惡化前及時發(fā)現(xiàn)并處理，才不至于影響STP系統(tǒng)正常運行，對STP系統(tǒng)傳統(tǒng)運維方式提出了新的要求和挑戰(zhàn)。

3 數(shù)據存儲與分析現(xiàn)狀

3.1 數(shù)據存儲現(xiàn)狀

STP系統(tǒng)電務維護終端主要用于存儲運用中產生的數(shù)據，包括但不限于接收的計算機聯(lián)鎖數(shù)據、機柜狀態(tài)數(shù)據、機車回執(zhí)數(shù)據、車務終端操作數(shù)據等。

電務維護終端內存一般約為500 GB，正常可以存儲不少于3個月的現(xiàn)場數(shù)據。待內存余量低于一定數(shù)值后，系統(tǒng)會自動清理最早的舊數(shù)據以騰出空間繼續(xù)存儲新數(shù)據。

3.2 數(shù)據分析現(xiàn)狀

目前，STP系統(tǒng)數(shù)據分析一般用于對已發(fā)生故障的原因查找，如對調機卸載/緊急制動、過應答器無反應、無線通信中斷等故障原因的分析［7］，即事后分析。

STP系統(tǒng)數(shù)據分析軟件一般有電務維護終端運行的現(xiàn)場軟件，以及維護人員使用的專用電腦軟件。對于簡單故障，通過現(xiàn)場軟件的回放、檢索等功能即可分析確定；對于復雜故障，需要通過專用電腦軟件分析。二者功能類似，各有利弊，但后者具備更加豐富的個性化檢索功能，可根據具體情況合理選擇分析方式。

4 創(chuàng)新運維方法

4.1 區(qū)段距離誤差分析統(tǒng)計

利用STP系統(tǒng)專用電腦軟件，對某站30 d的存儲數(shù)據進行檢索分析，軟件自動繪制出調機/車列在這段時間內的所有走行線路［8］，見圖2中紅線部分。通過區(qū)段距離誤差檢索功能，即可統(tǒng)計出調機/車列經過某一區(qū)段的具體時間、每次誤差值等相關信息。其中：誤差類型（出清）-計算長度為上一區(qū)段出清到本區(qū)段出清對應LKJ公里標的差值；誤差類型（占用）-計算長度為本區(qū)段占用到下一區(qū)段占用對應LKJ公里標的差值（見圖3）。

圖2 調機/車列走行線路圖

圖3 區(qū)段距離誤差統(tǒng)計

調機在1月14日5：30和5：50左右、1月17日2：10左右分別經過6/12/16DG一次。軟件計算出3個“出清誤差”、3個“占用誤差”，且均與測量值（軟件設置值）134 m存在約10 m誤差。因此，可合理懷疑此區(qū)段存在約10 m距離誤差。此外，通過誤差值的分布特征，如誤差值變動較大且有正值和負值，則可判斷此區(qū)段存在分路不良［9］。

4.2 應答器質量分析

結合圖2中的調機/車列走行線路圖，不難得出調機30 d內經過2～14號應答器，僅1號應答器未經過，故應該可以檢索到2～14號應答器記錄。14號應答器檢索記錄見圖4。如發(fā)現(xiàn)存在某一應答器應該檢索到卻未檢到，則此應答器很可能已經徹底故障，需要及時現(xiàn)場檢修確認。

圖4 應答器記錄

此外，有一種應答器類故障常見但卻很難處理，即應答器性能下降，表現(xiàn)為偶爾作用不良，但大多數(shù)時候作用正常。如圖2中安裝在17/19G上的14號應答器，數(shù)據中一般配置為：上行方向經過時申請入網，下行方向經過時也為申請入網。其主要作用在于調機異常退網后，可以及時通過此應答器自動入網，并且可以校準由于輪對空轉、打滑等造成的距離誤差。故在調機正常入網狀態(tài)下，此應答器性能下降甚至徹底故障均無法及時被發(fā)現(xiàn)。對此，基于數(shù)據分析的STP系統(tǒng)創(chuàng)新運維方法可以很好地解決此類問題。

通過檢索17/19G的距離誤差，可以間接找到所有經過14號應答器的時間，再對比14號應答器檢索記錄，二者理論上應該一一對應。如果發(fā)現(xiàn)某次調機經過17/19G卻沒有14號應答器的對應記錄，則可基本判定此應答器故障或者性能下降，即可對此類故障提前感知預警，將其消滅在萌芽狀態(tài)，避免對STP系統(tǒng)造成實質性的影響，同時也相應減輕了運維壓力。

4.3 無線電通信質量分析

STP系統(tǒng)車地設備間通過數(shù)傳電臺通信。正常情況下，電務維護終端每秒會記錄1～2條機車回執(zhí)信息，通過檢索機車回執(zhí)信息的超時間隔，即可排查出可疑的無線電通信不良狀況（見圖5）。

圖5 回執(zhí)超時與信號干擾記錄

圖5（a）顯示：調機5011在7：22：49—7：22：56之間機車回執(zhí)超時7 s。圖5（b）顯示：平調設備在由減速信號狀態(tài)給出停車信號的同時，調機5098在12：58：13—12：58：20之間機車回執(zhí)超時7 s。據此，如果多臺調機均存在機車回執(zhí)超時記錄，則大概率和地面設備相關；如果僅某臺調機存在機車回執(zhí)超時記錄，則大概率和這臺調機車載設備相關；如果機車回執(zhí)超時記錄伴隨著平調信號出現(xiàn)，如圖5（b）所示，那么大概率和平調電臺干擾相關。

基于對電務維護終端存儲數(shù)據的長期統(tǒng)計分析，可得出無線通信質量惡化的程度和趨勢以及無線通信超時的時間、地點特征等。再結合現(xiàn)場地形、對應時間點、天氣或有無其他列車在附近通過等相關因素，即可較為準確判斷是否和地形遮擋、天氣變化、甚至其他列車無線設備干擾等因素相關，可提前發(fā)現(xiàn)并及時處理無線通信相關問題，在保障STP系統(tǒng)正常運行的同時也增加了運維的主動性。

4.4 車載設備狀態(tài)分析

電務維護終端記錄的機車回執(zhí)信息中包括但不限于車載軟件版本、開機記錄、與LKJ通信狀態(tài)、與應答定位器接收模塊通信狀態(tài)、手動定位記錄、作業(yè)單接收情況等。通過對相關事件的檢索分析，即可排查出異常，以便有針對性地進行車載設備的檢修。如常見的過應答器無法自動入網故障，通過檢索排除是否存在應答定位器模塊與車載主機通信故障的可能。

4.5 地面設備狀態(tài)分析

STP系統(tǒng)地面機柜通過串口、網口、雙口RAM等接口進行內外部信息交互。通過檢索各通信接口數(shù)據狀態(tài)（見圖6），即可快速查找接口異常情況。圖6中，A/B機COM1口用于雙機通信以完成雙機熱備功能，COM2/COM4口用于接收計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)數(shù)據，COM3口用于電臺數(shù)據收發(fā)。A機NET1和B機NET2網口用于地面CPU板卡與電務維護終端通信。A機NET2和B機NET1網口用于地面CPU板卡與車務終端通信。檢索發(fā)現(xiàn)A/B機COM2口通信超時，說明STP地面機柜與一系計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)通信中斷。而由于另一系（COM4口）通信正常以及STP系統(tǒng)與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)的交叉互聯(lián)通信方式，單系故障并不影響STP系統(tǒng)正常使用，故正常情況下很難發(fā)現(xiàn)此類故障，而基于數(shù)據分析的STP系統(tǒng)創(chuàng)新運維方法則能很好地處理此類故障。

圖6 地面通信接口狀態(tài)檢索

4.6 計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)等外部設備異常分析

STP系統(tǒng)站場表示信息來源于計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)，調機速度、手柄方向等信息來源于LKJ設備，二者出現(xiàn)異常將直接影響STP系統(tǒng)的使用?，F(xiàn)場實踐中，通過對STP系統(tǒng)記錄的卸載/緊急制動分析，曾發(fā)現(xiàn)計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)信號機異常關閉/發(fā)送空數(shù)據包/發(fā)送數(shù)據延時過

長、LKJ手柄方向采集錯誤等不易察覺的問題，有效避免了計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)和調機更大故障的發(fā)生。

4.7 其他相關分析

雖然STP系統(tǒng)僅為調機安全防護的輔助系統(tǒng)，但STP系統(tǒng)的存儲數(shù)據卻具有更大的挖掘利用價值。STP系統(tǒng)與計算機聯(lián)鎖系統(tǒng)、LKJ、現(xiàn)車管理系統(tǒng)等均有數(shù)據交互；乘務員、值班員、調車員相關作業(yè)操作均在STP系統(tǒng)留有記錄；進路開放時機、調機作業(yè)區(qū)域、調車作業(yè)數(shù)量、調機作業(yè)速度、平調信號等均可查詢。因此，STP系統(tǒng)是唯一可以多方位、多要素、多過程感知現(xiàn)場作業(yè)場景的系統(tǒng)。通過對STP系統(tǒng)存儲數(shù)據的深入分析，可為現(xiàn)場運維管理、提質增效提供優(yōu)化建議和決策依據［10］。

利用STP系統(tǒng)存儲數(shù)據繪制調機某一作業(yè)過程的限速（速度）-時間曲線（見圖7），由圖可知，在第90 s時的一次停車操作影響了運輸效率，且調機整體作業(yè)速度有較大余量可以提高。

圖7 調機限速（速度）-時間曲線圖

5 結束語

當前，不僅STP系統(tǒng)，大多數(shù)鐵路信號設備的運維方法仍為日常巡檢維護、事后應急處理等，很少關注設備健康狀態(tài)監(jiān)測、故障感知預警等事前分析，造成日常巡檢維護耗時耗力但卻缺乏有效針對性，運維效果不明顯；另一方面，事發(fā)后的應急處理往往伴隨著較大安全壓力以及較高的運維成本?；跀?shù)據分析的STP系統(tǒng)創(chuàng)新運維方法則獨辟蹊徑，通過大量的數(shù)據分析挖掘，即可精準感知系統(tǒng)整體狀態(tài)，為有針對性地高效檢修提供了可靠依據，并同時減少了故障發(fā)生次數(shù)，也為未來STP系統(tǒng)智能化分析軟件的開發(fā)提供了參考依據。