鐵路給排水設(shè)施信息化管理系統(tǒng)構(gòu)建

裴露

中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，中國(guó)·天津 300000

關(guān)鍵字 智慧水務(wù)；鐵路；設(shè)施

1 鐵路給排水設(shè)施運(yùn)營(yíng)維護(hù)現(xiàn)狀

鐵路給排水設(shè)施的管理、使用和檢修，是由鐵路給排水設(shè)施的運(yùn)營(yíng)部門根據(jù)相關(guān)規(guī)定，對(duì)其負(fù)責(zé)管轄范圍內(nèi)的給排水設(shè)施運(yùn)行情況進(jìn)行合理的使用、維護(hù)和監(jiān)管工作。當(dāng)前，負(fù)責(zé)與鐵路運(yùn)輸設(shè)備維護(hù)工作的部門主要有水電、房建部門及使用單位等，其主要管理職能一般為：水電部門負(fù)責(zé)給水的有關(guān)設(shè)備；房建部門負(fù)責(zé)排水的有關(guān)設(shè)備；使用單位負(fù)責(zé)日常使用的附屬設(shè)備因此，就其鐵路給排水設(shè)備而言多為水電和房建部門為設(shè)備維護(hù)管理的主體。

隨著鐵路行業(yè)快速發(fā)展，自動(dòng)化、機(jī)械化、智能化程度越來越高，對(duì)鐵路給排水設(shè)施的日常維護(hù)、管理提出了更高的要求[1]。與此相反的是，鐵路設(shè)備越來越老化，設(shè)備的更新速度跟不上鐵路日益增長(zhǎng)的各種繁重的生產(chǎn)任務(wù)。諸多因素制約和影響著設(shè)備維護(hù)工作的根本改進(jìn)，主要包括：①人工化管理、檢修效率較低；②數(shù)據(jù)量大，難以有效管理保存；③數(shù)據(jù)分析困難；④監(jiān)督、管理難度大。面對(duì)新的鐵路運(yùn)輸設(shè)備現(xiàn)狀條件，按照高效率、低成本、少用人、充分滿足客運(yùn)專線運(yùn)營(yíng)要求等原則，建立起一個(gè)滿足鐵路給排水維護(hù)管理設(shè)施設(shè)備智能化、信息化的綜合維修體系迫在眉睫。

2 智慧水務(wù)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

智慧水務(wù)作為智慧城市的組成部分，又稱智慧管網(wǎng)、智慧水務(wù)管理系統(tǒng)等。有的強(qiáng)調(diào)智能化、信息化工具的應(yīng)用，也有的從運(yùn)行實(shí)踐的角度開展資源整合和業(yè)務(wù)協(xié)同。例如美國(guó)的IBM 公司為哈德遜河構(gòu)建了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，澳大利亞的SEQ 智慧水務(wù)系統(tǒng)及新加坡的循環(huán)水智慧水務(wù)系統(tǒng)也是典型的樣例。在我國(guó)的上海、深圳等地，也在逐步開始利用智慧水務(wù)系統(tǒng)提高效率、完善基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。同樣，通過采用新一代信息技術(shù)和通信技術(shù)，智慧水務(wù)應(yīng)用在鐵路行業(yè)，可以提高管理效率、水資源利用率，從而以鐵路水利信息化推進(jìn)鐵路水利現(xiàn)代化。

3 鐵路智慧水務(wù)系統(tǒng)架構(gòu)搭建

3.1 總體架構(gòu)

針對(duì)目前鐵路房建設(shè)備運(yùn)營(yíng)管理中存在的人工化管理效率低、文件資料數(shù)據(jù)量大難于保存和管理、監(jiān)督管理難度大、管理層缺乏及時(shí)有效的信息進(jìn)行決策等問題，基于建筑全生命周期理念研發(fā)鐵路給排水設(shè)施信息化管理系統(tǒng)，建立一個(gè)集成建筑信息、設(shè)備信息和運(yùn)營(yíng)維護(hù)信息，對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化綜合管理的三維信息化管理平臺(tái)。

3.2 技術(shù)架構(gòu)

根據(jù)鐵路給排水設(shè)施信息化管理的特點(diǎn)，基于“物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算”的智慧水務(wù)總體框架，技術(shù)架構(gòu)從下至上可分為5 層：感知層、傳輸層、處理層、應(yīng)用層和統(tǒng)一門戶層。鐵路智慧水務(wù)建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要路局等管理部門制定的規(guī)范和信息安全保障。同時(shí)，該系統(tǒng)是一個(gè)開放的平臺(tái)，需在不同部門間、或者與其他單位間進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移。

3.2.1 感知層

通過在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置大量傳感器，利用無線網(wǎng)、衛(wèi)星、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建智能感知系統(tǒng)。從而可以全面、實(shí)時(shí)地對(duì)水源設(shè)備、供水設(shè)備、排水設(shè)備、給排水管網(wǎng)、客車上水及真空卸污設(shè)備、以及給排水構(gòu)筑物液位信息等進(jìn)行傳感和數(shù)據(jù)采集。

在感知層，其目的是全面徹底的數(shù)據(jù)采集。如果將綜合感知技術(shù)和數(shù)據(jù)融合技術(shù)應(yīng)用到感知模型上，就可以從時(shí)間和空間兩個(gè)維度優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的感知，從而達(dá)到節(jié)約節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間，減少數(shù)據(jù)傳輸量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)約建設(shè)成本、延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)壽命、增加網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的目的。

3.2.2 傳輸層

在傳輸層，為了實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、安全的傳輸，首先應(yīng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、加密等預(yù)處理，之后通過公共網(wǎng)絡(luò)或者虛擬的專網(wǎng)將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心

3.2.3 處理層

本層是整個(gè)鐵路智慧水務(wù)系統(tǒng)的核心層。主要目的是實(shí)現(xiàn)資源共享、數(shù)據(jù)分析。通過充分的數(shù)據(jù)共享、利用和挖掘，實(shí)現(xiàn)科學(xué)決策、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和報(bào)警。參考云計(jì)算的架構(gòu)，處理層可以進(jìn)一步細(xì)分為3 層：虛擬資源管理、數(shù)據(jù)中心和服務(wù)組件庫(kù)。云計(jì)算相關(guān)技術(shù)和方法完全適用于區(qū)域智慧水務(wù)云平臺(tái)的建設(shè)?？紤]鐵路信息安全，核心數(shù)據(jù)不應(yīng)該對(duì)外公開。如果使用公有云，系統(tǒng)必須有自己嚴(yán)格的信息安全措施。另一種方法是使用具有虛擬技術(shù)的公共云架構(gòu)來建立虛擬云。如果條件允許，可以利用各路局現(xiàn)有的硬件、軟件、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)等資源，構(gòu)建智慧水務(wù)專用私有云。

①虛擬資源管理層。

在本層，使用分布式技術(shù)和虛擬化技術(shù)對(duì)服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等硬件資源進(jìn)行虛擬化。如果是虛擬私有云或公有云，虛擬資源管理可以由云服務(wù)商提供。在構(gòu)建私有云時(shí)，虛擬資源管理層負(fù)責(zé)屏蔽異構(gòu)硬件、軟件、數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)源的業(yè)務(wù)單元。智慧水務(wù)形成了統(tǒng)一的資源庫(kù)，包括計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)、安全管理等各類信息基礎(chǔ)設(shè)施。

②數(shù)據(jù)中心層。

數(shù)據(jù)中心層是水資源整合的核心部分，而智慧決策是建立在數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上。

系統(tǒng)采集的源數(shù)據(jù)分為三類：空間數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)和多媒體數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)在本層首先經(jīng)過融合數(shù)據(jù)整合、數(shù)據(jù)重組和糾錯(cuò)，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，然后通過數(shù)據(jù)挖掘和分析建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享的分類。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是根據(jù)監(jiān)控設(shè)備模型構(gòu)建的，它主要涵蓋用于識(shí)別單個(gè)對(duì)象之間關(guān)系的數(shù)據(jù)。之后結(jié)合數(shù)據(jù)模型，逐步提取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，形成源數(shù)據(jù)庫(kù)。與其他部門共享的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)將通過數(shù)據(jù)服務(wù)的方式放入應(yīng)用共享庫(kù)中。此外，從智慧水務(wù)的角度，對(duì)水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、源數(shù)據(jù)庫(kù)和共享數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行重組。利用數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)和多維分類模型，形成多維主題應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)[2]。

③服務(wù)組件庫(kù)層。

服務(wù)組件庫(kù)層從數(shù)據(jù)中心獲取各種處理數(shù)據(jù)，然后從應(yīng)用的角度通過數(shù)據(jù)挖掘或數(shù)據(jù)分析，準(zhǔn)確判斷水務(wù)的現(xiàn)狀和趨勢(shì)。同時(shí)，它還可以提供如數(shù)據(jù)集成和數(shù)據(jù)分析、輔助決策等服務(wù)。通過使用這些服務(wù)，我們可以獲得各種應(yīng)用服務(wù)的函數(shù)庫(kù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層面的共享。

為了優(yōu)化系統(tǒng)，我們通過云計(jì)算技術(shù)擴(kuò)展區(qū)域智慧水的存儲(chǔ)資源、計(jì)算資源和軟件資源，從而使其計(jì)算速度更快，反應(yīng)更及時(shí)。為了保持?jǐn)?shù)據(jù)只有一個(gè)源提供的原則，我們將數(shù)據(jù)資源結(jié)合起來，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，然后建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而提高數(shù)據(jù)共享程度。服務(wù)組件庫(kù)將用于從應(yīng)用程序中提取共享模塊，使業(yè)務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化，可以確保不同部門、站段之間的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移更加順暢。

3.2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要是面向用戶，強(qiáng)調(diào)了服務(wù)對(duì)象。給排水設(shè)施相關(guān)業(yè)務(wù)部門和站段利用智慧業(yè)務(wù)支撐平臺(tái)提供的決策支持系統(tǒng)，負(fù)責(zé)水資源管理、供水設(shè)施、排水設(shè)施管理工作，這些管理措施將直接或間接影響鐵路運(yùn)行的質(zhì)量安全和部門決策。管理人員可以通過網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)等終端從智能服務(wù)平臺(tái)接收定制化信息，并完成與給排水設(shè)施相關(guān)的控制等服務(wù)。

3.2.5 信息安全系統(tǒng)

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是指為區(qū)域智慧水務(wù)提供技術(shù)、管理和服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。對(duì)于云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的安全，密碼學(xué)的方法和解決方案有很多。許多可以應(yīng)用于鐵路智能水務(wù)管理系統(tǒng)?，F(xiàn)有的感知網(wǎng)絡(luò)、傳輸網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算、安全多方安全解決方案，智能水環(huán)境中的計(jì)算可能不再適用。我們需要從系統(tǒng)的頂層開始構(gòu)建安全架構(gòu)，并在這個(gè)架構(gòu)中提供各個(gè)邏輯層的信息安全。

4 結(jié)論

針對(duì)鐵路運(yùn)維目前存在的問題，論文提出了“物聯(lián)網(wǎng)+云計(jì)算”的智慧水務(wù)總體架構(gòu)，分析了應(yīng)解決的問題，為推進(jìn)鐵路給排水信息化建設(shè)提供了幫助[3]。