大數(shù)據(jù)技術(shù)在重載鐵路運(yùn)營(yíng)中的應(yīng)用分析

張東濤

（新朔鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017100）

0 引言

在國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷發(fā)展的過(guò)程中，重載鐵路建設(shè)為發(fā)展重點(diǎn)，安全、智慧、高效、綠色的重載鐵路發(fā)展趨勢(shì)也備受重視。在此背景下，新工藝、新材料、新設(shè)備等現(xiàn)代高新技術(shù)被廣泛應(yīng)用在重載鐵路中，尤其是在車輛大型化、牽引動(dòng)力等方面有所突破，促進(jìn)了重載運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展。目前，重載鐵路各專業(yè)針對(duì)設(shè)備維護(hù)、運(yùn)營(yíng)等監(jiān)測(cè)，產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)，如何管理數(shù)據(jù)為重載鐵路高效運(yùn)營(yíng)管理的重點(diǎn)[1]。

1 大數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致

由于各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)由不同廠家建設(shè)，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一致、數(shù)據(jù)編碼不一致，同一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)多點(diǎn)重復(fù)錄入現(xiàn)象突出，數(shù)據(jù)質(zhì)量不高[2]。

1.2 數(shù)據(jù)壁壘不共享

未建立有效的數(shù)據(jù)共享機(jī)制，各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)存在壁壘，大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分散在不同的應(yīng)用系統(tǒng)中，跨業(yè)務(wù)、跨層級(jí)、跨部門數(shù)據(jù)共享困難。

1.3 數(shù)據(jù)集成度不高

數(shù)據(jù)分析應(yīng)用以分散的單項(xiàng)應(yīng)用為主，缺乏綜合應(yīng)用，未開(kāi)展面向全業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)集中，未形成企業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)整體視圖，無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整體把握、宏觀分析。

1.4 基礎(chǔ)設(shè)施能力不足

大數(shù)據(jù)應(yīng)用需要新型分布式存儲(chǔ)、計(jì)算架構(gòu)的支撐。從目前來(lái)看，無(wú)論是硬件基礎(chǔ)設(shè)施還是軟件架構(gòu)，都缺乏有效的支撐，無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)分析的需求。通過(guò)大數(shù)據(jù)整合技術(shù)，建立數(shù)據(jù)資源池實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)共享[3]。

2 大數(shù)據(jù)建設(shè)思路

2.1 IT 基礎(chǔ)設(shè)施體系

建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施云，將資源管理由分散的硬件設(shè)備升級(jí)為虛擬化的共享資源池，共享資源包括服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)等。通過(guò)虛擬化IT 資源，提供統(tǒng)一的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，為上層平臺(tái)服務(wù)和軟件服務(wù)提供基礎(chǔ)設(shè)施保障，針對(duì)高優(yōu)先級(jí)應(yīng)用程序進(jìn)行動(dòng)態(tài)資源分配，提高資源利用率，滿足安全、高效管理和保障業(yè)務(wù)連續(xù)性需求，達(dá)到數(shù)據(jù)中心的高可靠性要求[4]。

2.2 大數(shù)據(jù)匯集體系建設(shè)

通過(guò)研究多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)和共享問(wèn)題，提出構(gòu)建大數(shù)據(jù)匯集平臺(tái)，根據(jù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)類型和內(nèi)容的差異，建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系，通過(guò)數(shù)據(jù)治理，研究大數(shù)據(jù)的管理和應(yīng)用[5]。

2.3 大數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)

以數(shù)據(jù)為關(guān)鍵要素，賦能鐵路運(yùn)輸及關(guān)聯(lián)領(lǐng)域，促進(jìn)專業(yè)融合和管理協(xié)同，推動(dòng)管理模式創(chuàng)新，提升數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值。統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、接口規(guī)范，構(gòu)建數(shù)據(jù)治理體系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享。

2.4 大數(shù)據(jù)治理體系建設(shè)

數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)階段資源現(xiàn)狀及應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展規(guī)模進(jìn)行配置建設(shè)，由ETL（數(shù)據(jù)抽取—轉(zhuǎn)換—裝載的過(guò)程）系統(tǒng)、數(shù)據(jù)治理系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)（數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)）組成，部署在智能大腦平臺(tái)上。基于ETL 系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)集成接入接口開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中上云[6]。

2.5 大數(shù)據(jù)分析與挖掘體系建設(shè)

通過(guò)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，以數(shù)據(jù)資產(chǎn)化的管理模式為支撐，匯總多維度的數(shù)據(jù)資源，組成數(shù)據(jù)分析挖掘資源池，以業(yè)務(wù)管理、企業(yè)經(jīng)營(yíng)等需求為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的挖掘利用，提升數(shù)據(jù)資產(chǎn)的價(jià)值，推動(dòng)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)創(chuàng)新[7]。

2.6 大數(shù)據(jù)應(yīng)用體系建設(shè)

以公司運(yùn)輸組織、安全生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)決策、綜合管理等決策場(chǎng)景需求目標(biāo)，開(kāi)展大數(shù)據(jù)應(yīng)用建設(shè)。建設(shè)主數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與業(yè)務(wù)編碼體系、建設(shè)數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，有效分析與挖掘，建設(shè)輔助決策和支撐管理中心，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)對(duì)綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的應(yīng)用展示，包括云視頻分析系統(tǒng)等[8]。

3 基于大數(shù)據(jù)的重載鐵路運(yùn)營(yíng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)可行性

大數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)通過(guò)處理層、傳輸層、感知層構(gòu)成。因?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)具備通用性，所以此層次結(jié)構(gòu)也能夠在鐵路大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中使用，關(guān)鍵設(shè)備包括數(shù)據(jù)中心、傳感器網(wǎng)絡(luò)、能源系統(tǒng)和傳感器構(gòu)成。圖1 為大數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)的架構(gòu)[9]。

圖1 大數(shù)據(jù)智能系統(tǒng)的架構(gòu)

通過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，已經(jīng)創(chuàng)建了成熟的鐵路運(yùn)用安全管理系統(tǒng)、檢修管理系統(tǒng)等。鐵路各系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)信息分布采集與執(zhí)行、中央集中控制和管理，從而對(duì)鐵路進(jìn)行功能控制、信息管理、信息顯示、故障診斷等。

3.2 平臺(tái)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

3.2.1 智能決策

智能感知模塊主要是對(duì)重載組合列車運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行感知和預(yù)警，創(chuàng)建系統(tǒng)層面信息感知，得出機(jī)車列車弓網(wǎng)、前方線路等狀態(tài)，提高鐵路運(yùn)行效率。

其一，車輛狀態(tài)感知。首先，創(chuàng)建車載物聯(lián)網(wǎng)感知平臺(tái)，以此實(shí)時(shí)收集車載關(guān)鍵設(shè)備，包括牽引、網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控、走行和列尾等。其次，提供統(tǒng)一化開(kāi)放接口，能夠?qū)崿F(xiàn)風(fēng)機(jī)流量的檢測(cè)。創(chuàng)建車載安全防火墻，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全審計(jì)、管理和接入，避免非法攻擊[10]。

其二，障礙物感知。使用激光雷達(dá)、攝像機(jī)等方案，監(jiān)測(cè)列車行進(jìn)障礙物和異常情況。機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別障礙物，包括防撞條、汽車、行人等；激光雷達(dá)能夠?qū)α熊嚱?00m 中的障礙物進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)距；大陣列天線毫米波雷達(dá)對(duì)前方行人、車輛、動(dòng)物等固定障礙物進(jìn)行探測(cè)。

其三，弓網(wǎng)檢測(cè)。利用車頂部署可見(jiàn)光數(shù)據(jù)采集裝置和紅外熱像儀對(duì)運(yùn)行端受電弓、絕緣子、懸臂管、接觸網(wǎng)等設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集，在車載感知中心發(fā)送，實(shí)時(shí)檢測(cè)弓網(wǎng)燃弧、接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)尺寸和溫度監(jiān)測(cè)，從而開(kāi)展故障報(bào)警等操作。

3.2.2 智能裝備

智能裝備主要包括智能巡檢車、機(jī)電車輛全壽命周期管理、重載列車自動(dòng)駕駛等：

其一，通過(guò)列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)，重載列車自動(dòng)駕駛能夠?qū)α熊囘\(yùn)行自動(dòng)控制，從而對(duì)站間運(yùn)行進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整、運(yùn)行和精準(zhǔn)停車，使運(yùn)營(yíng)智能化水平得到提高，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和安全的有機(jī)統(tǒng)一。

其二，通過(guò)機(jī)車車輛全壽命周期管理能夠?qū)C(jī)車履歷、機(jī)車動(dòng)力配置、配件履歷、重要零部件、機(jī)車檢修等進(jìn)行管理，還能夠?qū)崿F(xiàn)安全信息預(yù)測(cè)、貨車修程修制的優(yōu)化等功能。

其三，通過(guò)智能綜合檢測(cè)車實(shí)現(xiàn)重載鐵路線路的接觸網(wǎng)、軌道、信號(hào)機(jī)軌旁設(shè)備的檢測(cè)，還能夠提供實(shí)時(shí)智能分析預(yù)警。

其四，基于衛(wèi)星通信的移動(dòng)閉塞能夠?qū)⑿l(wèi)星接收處理天線和模塊設(shè)置到車載定位單元，在線路相隔50km 的地方實(shí)現(xiàn)地面差分基站的設(shè)置，將差分服務(wù)器安裝到調(diào)度中心，從而實(shí)現(xiàn)高精度列車定位移動(dòng)閉塞。

其五，利用智能接觸網(wǎng)、牽引變電所構(gòu)成智能牽引供電。智能牽引變電所包括網(wǎng)絡(luò)控制、信息互動(dòng)、數(shù)字測(cè)量、狀態(tài)評(píng)估等功能的智能一次設(shè)備，集成環(huán)控、門禁、安防、視頻等智能輔助系統(tǒng)；智能接觸網(wǎng)包括簡(jiǎn)統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化接觸網(wǎng)設(shè)備和故障報(bào)警、狀態(tài)監(jiān)控、圖像智能分析的智能化接觸網(wǎng)檢測(cè)裝置。

3.2.3 智能運(yùn)營(yíng)

其一，智能綜合調(diào)度。根據(jù)一體化調(diào)度指揮機(jī)制，實(shí)現(xiàn)集疏運(yùn)、專用線、供應(yīng)鏈上下游統(tǒng)一化的調(diào)度指揮體系結(jié)合，構(gòu)成全過(guò)程的調(diào)度指揮能力，能夠?qū)崿F(xiàn)工種調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng)編制?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)行車調(diào)度、移動(dòng)設(shè)備報(bào)警管理、狀態(tài)監(jiān)視、應(yīng)急協(xié)調(diào)和調(diào)度指揮的功能。

其二，基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維?；A(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維指供電、電務(wù)、工務(wù)和房建等基礎(chǔ)設(shè)施智能化、集中化、一體化的運(yùn)維，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備綜合監(jiān)測(cè)、供電電務(wù)工務(wù)聯(lián)合生產(chǎn)指揮、全生命周期管理、運(yùn)維綜合分析、故障智能診斷等。

3.2.4 智能評(píng)估

通過(guò)智能感知收集的故障數(shù)據(jù)，與部件修配、檢驗(yàn)履歷、跟蹤結(jié)果結(jié)合，使用可靠性分析技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)全壽命周期的健康評(píng)估，對(duì)機(jī)車和各核心部件健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)相應(yīng)修程進(jìn)行優(yōu)化。圖2 為智能評(píng)估技術(shù)框架。

圖2 智能評(píng)估技術(shù)框架

其一，機(jī)車履歷管理。針對(duì)診斷數(shù)據(jù)和智能感知，與部件檢修、周轉(zhuǎn)記錄結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)車核心檔案的創(chuàng)建，記錄基本信息、出廠信息等，管理機(jī)車整車履歷。

其二，健康狀態(tài)評(píng)估。針對(duì)機(jī)車檢修、監(jiān)測(cè)故障等數(shù)據(jù)，結(jié)合走行公里和電子履歷數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)評(píng)估模型創(chuàng)建，對(duì)機(jī)車部件健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

其三，修程評(píng)估。利用機(jī)車部件健康狀態(tài)的評(píng)估結(jié)果，與電子履歷結(jié)合，分析車載各類型部件合理的檢修周期，制定部件檢修周期的建議。對(duì)局部檢修項(xiàng)的工作頻率進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)列車部件整體檢修日程的規(guī)劃，統(tǒng)計(jì)檢修部件數(shù)據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)檢修人員的評(píng)估。

3.2.5 智能檢測(cè)和維護(hù)

根據(jù)大數(shù)據(jù)應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)原本在各系統(tǒng)中分散的安全數(shù)據(jù)整合和梳理，利用內(nèi)存計(jì)算、即席查詢等技術(shù)，能夠?yàn)椴煌瑢哟伟踩芾順I(yè)務(wù)人員提供自助式的服務(wù)，以下為主要代碼：

int leftmotorpin1=7；//define your motor pins

int leftmotorpin2=6；

void setup()

{

for (int pinindex = 0； pinindex ＜ 14； pinindex++) {

pinMode(pinindex， OUTPUT)； // set pins 0 to 13 as outputs

}

Serial.begin(9600)；

}

void loop()

{

Serial.println("run")；

digitalWrite(leftmotorpin1， HIGH)；

digitalWrite(leftmotorpin2， LOW)；

delay(5000)；

Serial.println("back")；

digitalWrite(leftmotorpin1， LOW)；

digitalWrite(leftmotorpin2， HIGH)；

delay(5000)；

Serial.println("stop")；

digitalWrite(leftmotorpin1， LOW)；

digitalWrite(leftmotorpin2， LOW)；

delay(3000)；

}

其一，安全即席分析。利用交互式分析能夠提供可視化的分析界面，將安全管理數(shù)據(jù)集合，從而分析每項(xiàng)數(shù)據(jù)特征與分布規(guī)律，對(duì)是否滿足正態(tài)分布研究。

另外，對(duì)海量安全管理主題數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理，為數(shù)據(jù)創(chuàng)建分析、統(tǒng)計(jì)等索引。用戶輸入關(guān)鍵詞后判斷用戶意圖，根據(jù)索引數(shù)據(jù)選擇數(shù)據(jù)對(duì)象。將數(shù)據(jù)分析圖標(biāo)展現(xiàn)在圖形界面中，方便交互式探查。

其二，安全風(fēng)險(xiǎn)分析。根據(jù)鐵路公司、車間、站段和業(yè)務(wù)部門實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)總量的分析，技術(shù)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)和管控異常情況進(jìn)行診斷。

其三，事故故障溯源分析。和已經(jīng)創(chuàng)建的安全風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)模型進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)識(shí)別和告警；判斷已經(jīng)發(fā)生的事件，和修正現(xiàn)有風(fēng)險(xiǎn)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)同類危險(xiǎn)概率可能性進(jìn)行分析，從而提出相應(yīng)的安全管理干預(yù)。

4 典型應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

4.1 綜合展示

利用可視化圖表展示的方式，能夠?qū)Ξ?dāng)天鐵路的運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面展示和匯總。用戶對(duì)鏈接點(diǎn)擊后就能夠?qū)﹁F路運(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)信息搜索、調(diào)用和查看。在大數(shù)據(jù)技術(shù)使用的背景下，能夠?qū)﹁F路運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且對(duì)相應(yīng)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，使靜態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成用戶能夠識(shí)別的圖像、圖形符號(hào)，以此使用具體、形象的方式實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的信息可視化展示面。

4.2 運(yùn)輸設(shè)備履歷管理

通過(guò)所創(chuàng)建的大數(shù)據(jù)平臺(tái)能夠匯總設(shè)備狀態(tài)的基礎(chǔ)信息、設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)、檢修和安全事故處理等信息，并且在時(shí)間軸中串接和顯示，以此構(gòu)成健全、完整和系統(tǒng)的鐵路運(yùn)輸設(shè)備履歷。之后，利用可視化技術(shù)，以鐵路運(yùn)輸設(shè)備應(yīng)用特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期履歷的可視化展示。

4.3 運(yùn)輸設(shè)備可視化

首先，將圖像處理、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)充分展現(xiàn)出來(lái)，利用可視化展示方式實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)的形象化、直觀化展示，以此提高設(shè)備狀態(tài)信息解釋能力。其次，與交互式處理方式結(jié)合，使用戶通過(guò)人機(jī)交互深入了解鐵路運(yùn)輸設(shè)備狀態(tài)細(xì)節(jié)。運(yùn)輸設(shè)備可視化展示內(nèi)容包括：

其一，空間可視化展示。利用GIS 技術(shù)針對(duì)指定轄區(qū)范圍中鐵路運(yùn)輸設(shè)備的智能化、動(dòng)態(tài)化管理，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定位、快速查詢與布局展示等功能，對(duì)用戶直觀展現(xiàn)鐵路運(yùn)輸設(shè)備空間，提高用戶使用體驗(yàn)。

其二，時(shí)序可視化分析。通過(guò)語(yǔ)言短呼設(shè)備實(shí)現(xiàn)平均時(shí)延趨勢(shì)的具體化、直觀化顯示。利用鐵路運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)數(shù)據(jù)信息分析，表示出現(xiàn)此情況是因?yàn)闄z測(cè)過(guò)程不合理、不規(guī)范導(dǎo)致的。此時(shí)，網(wǎng)關(guān)人員要科學(xué)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。

其三，多維可視化應(yīng)用。使用多角度、多維度的方式實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的可視化、綜合化分析，為設(shè)備安全維護(hù)和檢測(cè)提供數(shù)據(jù)參考，以此保證鐵路運(yùn)輸設(shè)備可靠、安全的運(yùn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

在大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用時(shí)期，要求技術(shù)人員以業(yè)務(wù)需求加強(qiáng)鐵路運(yùn)營(yíng)的應(yīng)用，使數(shù)據(jù)融合度、集成度與共享度得到提高。另外，針對(duì)大數(shù)據(jù)特征，為鐵路運(yùn)輸設(shè)備提供履歷管理，以此全面掌握鐵路運(yùn)輸設(shè)備技術(shù)狀態(tài)。同時(shí)，在大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，還要及時(shí)預(yù)測(cè)運(yùn)輸設(shè)備故障問(wèn)題，為運(yùn)輸設(shè)備維修提供重要參考。