趙 穎

ZHAO Ying

（中國鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081）

(Institute of Computing Technology, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)(5T 系統(tǒng)) 優(yōu)化方案研究

趙 穎

ZHAO Ying

（中國鐵道科學(xué)研究院電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081）

(Institute of Computing Technology, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

在闡述鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)(5T系統(tǒng))既有功能和架構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析系統(tǒng)性能和功能上存在的問題。為了解決性能問題，研究一種基于數(shù)據(jù)庫日志分析的數(shù)據(jù)同步方法，基于此方法，提出數(shù)據(jù)同步與數(shù)據(jù)庫讀寫分離的優(yōu)化方案。針對功能上的問題，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、信息整合等技術(shù)，提出TPDS和TADS報(bào)警聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與THDS熱軸綜合報(bào)警的解決方案。通過對5T系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，解決系統(tǒng)服務(wù)器資源緊張帶來的各種問題，提高報(bào)警信息的利用率和準(zhǔn)確率。

優(yōu)化；數(shù)據(jù)同步；聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控；綜合報(bào)警

1　鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀與問題分析

1.1 概述

鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng) (以下簡稱“5T系統(tǒng)”) 由車輛軸溫智能探測系統(tǒng) (Trace Hotbox Detection System，THDS)，車輛運(yùn)行品質(zhì)軌邊動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng) (Truck Performance Detection System，TPDS)、車輛滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)(Trackside Acoustic Detection System，TADS)、貨車故障軌邊圖像檢測系統(tǒng) (Trouble of moving Freight car Detection System，TFDS) 和客車運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng) (Train Coach Detection System，TCDS) 5 個監(jiān)測子系統(tǒng)和 5T 信息綜合應(yīng)用子系統(tǒng)組成。5T 系統(tǒng)以紅外、力學(xué)、聲學(xué)、圖像等車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備為基礎(chǔ)，實(shí)時檢測客、貨車輛的運(yùn)行狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)集成、聯(lián)網(wǎng)評判和綜合應(yīng)用，為各級鐵路車輛管理提供車輛安全監(jiān)控與管理服務(wù)。5T 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

5T 系統(tǒng)的各子系統(tǒng)利用不同的技術(shù)原理對車輛的主要部位進(jìn)行實(shí)時探測和報(bào)警。其中，THDS利用紅外線技術(shù)對列車軸溫進(jìn)行非接觸式探測，從軸溫上判斷軸承運(yùn)行狀態(tài)，防范列車燃、切軸事故；TPDS 通過監(jiān)測輪軌間的動力學(xué)參數(shù)，評判車輛的運(yùn)行狀態(tài)、車輪踏面損傷，防范提速后空車脫軌事故和踏面損傷車輪對車輛結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)的破壞；TADS 采用聲學(xué)診斷技術(shù)采集和分析軸承噪聲信號，對滾動軸承裂縫、破損等故障進(jìn)行在線診斷預(yù)報(bào)，可以提供有效的軸承內(nèi)部早期故障診斷結(jié)果，在熱軸之前發(fā)現(xiàn)故障；TFDS 應(yīng)用圖像自動采集與處理技術(shù)，自動抓拍運(yùn)行貨車的制動梁、轉(zhuǎn)向架、車鉤緩沖配件、基礎(chǔ)空氣制動裝置、車底架、車體兩側(cè)等部位的全部圖像，采用人機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行故障檢測，實(shí)現(xiàn)了列檢作業(yè)的不停車檢查；TCDS 利用車載安全監(jiān)測裝置，對客車制動裝置、轉(zhuǎn)向架、客車供電系統(tǒng)，以及軸溫報(bào)警器、電子防滑器、車門等客車運(yùn)行安全關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和診斷，并且通過車地?zé)o線傳輸，實(shí)現(xiàn)客車運(yùn)行安全全程監(jiān)控。以上各子系統(tǒng)從不同的角度，為各級車輛運(yùn)用和管理部門提供報(bào)警或故障信息的實(shí)時監(jiān)控、信息查詢、統(tǒng)計(jì)分析等功能。綜合應(yīng)用子系統(tǒng)提供綜合查詢、全程追蹤、綜合統(tǒng)計(jì)等功能，從而實(shí)現(xiàn)不停車檢查、車輛運(yùn)行故障預(yù)警及閉環(huán)管理，為保障客貨車輛運(yùn)行安全、提高運(yùn)輸效率發(fā)揮重要作用[1]。

圖15　T 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.2 5T 系統(tǒng)既有架構(gòu)

5T 系統(tǒng)采用中國鐵路總公司 (以下簡稱“總公司”)和鐵路局2級部署架構(gòu)，總公司級應(yīng)用為總公司車輛管理部門提供綜合查詢、統(tǒng)計(jì)分析和決策支持等服務(wù)，鐵路局級應(yīng)用為鐵路局車輛管理部門和列檢作業(yè)人員分別提供查詢分析和報(bào)警監(jiān)控等服務(wù)。5T 系統(tǒng)由硬件設(shè)備和應(yīng)用軟件2部分構(gòu)成，硬件設(shè)備由探測站設(shè)備、鐵路局服務(wù)器、總公司服務(wù)器3級組成，探測站設(shè)備采集貨車狀態(tài)信息，逐級上傳至鐵路局、總公司服務(wù)器，鐵路局服務(wù)器主要存儲本局范圍內(nèi)探測設(shè)備的監(jiān)測信息，總公司服務(wù)器存儲全路的監(jiān)測信息?？偣炯墤?yīng)用軟件將車輛的檢修信息、報(bào)警匯總信息由總公司服務(wù)器同步到鐵路局服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)基于多點(diǎn)監(jiān)測信息的聯(lián)網(wǎng)綜合報(bào)警評判[2]。5T 系統(tǒng)既有架構(gòu)如圖2所示。

圖25　T 系統(tǒng)既有架構(gòu)圖

1.3 存在的主要問題

隨著 5T 系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備覆蓋范圍的不斷擴(kuò)大，采集的數(shù)據(jù)量成倍增長，服務(wù)器難以滿足大量數(shù)據(jù)處理、存儲和應(yīng)用的要求，導(dǎo)致 5T 系統(tǒng)在性能上出現(xiàn)一些問題。同時，經(jīng)過多年的運(yùn)用與實(shí)踐，發(fā)現(xiàn) 5T 系統(tǒng)在功能和探測站布局方面也存在一些問題。

（1）性能問題。①數(shù)據(jù)集成可能出現(xiàn)延遲，使監(jiān)測報(bào)警信息推送滯后，影響現(xiàn)場作業(yè)人員依據(jù)監(jiān)測報(bào)警信息進(jìn)行列車檢查作業(yè)。②數(shù)據(jù)的實(shí)時性和一致性難以保證，進(jìn)而影響聯(lián)網(wǎng)評判的準(zhǔn)確性，容易造成誤判或漏判。③查詢分析等綜合應(yīng)用的響應(yīng)速度慢，影響用戶體驗(yàn)效果，不利于開展更加深入的數(shù)據(jù)挖掘分析。

（2）功能問題。①隨著直通車的大量開行和列檢作業(yè)場的布局調(diào)整，既有的 TPDS 和 TADS 探測站布局無法完全滿足列檢作業(yè)的需求，部分檢測信息無法有效利用，車輛安全檢查存在隱患。②作為防范燃、切軸事故的最后一關(guān)，THDS 起著至關(guān)重要的作用，但也存在兌現(xiàn)率不高的問題，常發(fā)生誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，導(dǎo)致熱軸監(jiān)控復(fù)核的工作量較大，進(jìn)而影響運(yùn)輸效率的提高。

2　5T　系統(tǒng)優(yōu)化方案

為了更好地發(fā)揮 5T 系統(tǒng)的作用，迫切需要對 5T 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。為此，借鑒目前較為先進(jìn)的數(shù)據(jù)同步、信息融合等技術(shù)，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析、聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、數(shù)據(jù)挖掘等手段，針對 5T 系統(tǒng)性能和功能上存在的問題，重點(diǎn)從數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)存儲、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控、綜合報(bào)警等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高 5T 系統(tǒng)的整體性能，保證 5T 系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和高效性。

2.1 數(shù)據(jù)同步和存儲優(yōu)化

目前，5T 系統(tǒng)各級服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互主要通過中間件傳輸數(shù)據(jù)文件。探測站采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)形成文件后逐級上傳至鐵路局服務(wù)器和總公司服務(wù)器，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理軟件的讀取和解析寫入數(shù)據(jù)庫監(jiān)測表中；同時總公司服務(wù)器將匯總處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)出形成數(shù)據(jù)文件，再分發(fā)至各鐵路局服務(wù)器；鐵路局服務(wù)器將匯總信息解析后，同監(jiān)測數(shù)據(jù)一起進(jìn)行綜合評判，得到報(bào)警評判結(jié)果。在這種情況下，數(shù)據(jù)庫不僅需要存儲大量的數(shù)據(jù)，還需要完成解析、評判、統(tǒng)計(jì)、導(dǎo)出等工作，并且為用戶提供數(shù)據(jù)查詢服務(wù)，隨著數(shù)據(jù)累積和日采集量的增長，數(shù)據(jù)庫的壓力越來越大。因此，亟需優(yōu)化數(shù)據(jù)同步和存儲方式，以緩解數(shù)據(jù)庫壓力，解決性能上的問題。

ORACLE 數(shù)據(jù)庫提供了 DataGuard、Streams、GoldenGate 等數(shù)據(jù)同步工具[3]。其中，DataGuard的基本原理是將日志文件從原數(shù)據(jù)庫傳輸?shù)侥繕?biāo)數(shù)據(jù)庫，然后在目標(biāo)數(shù)據(jù)庫上應(yīng)用這些日志文件，從而使目標(biāo)數(shù)據(jù)庫與源數(shù)據(jù)庫保持同步，它對網(wǎng)絡(luò)帶寬要求較高，并且要求主備庫環(huán)境與結(jié)構(gòu)必須完全一致；Streams 利用高級隊(duì)列技術(shù)，通過挖掘日志文件生成變更的邏輯記錄，然后將這些變更應(yīng)用到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫上，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫之間或一個數(shù)據(jù)庫內(nèi)部的數(shù)據(jù)同步，它對源數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生較大壓力，因而系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差；GoldenGate 是一種基于日志的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)復(fù)制方式，它通過解析源數(shù)據(jù)庫在線日志或歸檔日志獲得數(shù)據(jù)的增刪改變化，再將這些變化應(yīng)用到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)源數(shù)據(jù)庫與目標(biāo)數(shù)據(jù)庫同步，需要支付昂貴的費(fèi)用。綜合考慮項(xiàng)目成本和長遠(yuǎn)發(fā)展等多方面因素，借鑒上述數(shù)據(jù)同步工具的原理，研發(fā)一款基于數(shù)據(jù)庫日志的同步工具[4]，通過捕獲數(shù)據(jù)庫的歸檔日志變化，在不影響源數(shù)據(jù)庫性能的情況下，將變化的數(shù)據(jù)復(fù)制到目標(biāo)數(shù)據(jù)庫中，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步[5]。根據(jù) 5T 系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步的特性，探測站采集到的數(shù)據(jù)仍然以文件形式，通過消息中間件逐級上傳；而總公司到各鐵路局的數(shù)據(jù)則采用上述數(shù)據(jù)同步工具進(jìn)行同步，可以避免頻繁地讀寫數(shù)據(jù)庫和硬盤，造成服務(wù)器資源緊張，也能保證數(shù)據(jù)同步的時效性。

根據(jù) 5T 系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲與應(yīng)用的特點(diǎn)，將數(shù)據(jù)庫按功能還分別劃分為寫庫和讀庫，寫庫主要負(fù)責(zé)實(shí)時數(shù)據(jù)存儲寫入，而讀庫則主要面向數(shù)據(jù)查詢和分析等需求。寫庫和讀庫間數(shù)據(jù)同步可以通過上述數(shù)據(jù)同步工具實(shí)現(xiàn)。通過這樣的讀寫功能拆分，既實(shí)現(xiàn)了對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的備份，還可以避免數(shù)據(jù)入庫與統(tǒng)計(jì)分析之間相互影響，大大提高用戶體驗(yàn)。此外，該數(shù)據(jù)同步工具支持一對多、異構(gòu)的復(fù)制，所以讀庫可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)橫向擴(kuò)展和按需復(fù)制功能[6]。

2.2 TPDS 和 TADS 報(bào)警聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控

當(dāng)前，全路共安裝并且聯(lián)網(wǎng) TPDS 設(shè)備 130 余臺、TADS 設(shè)備 80 臺、TFDS 設(shè)備近 400 臺、THDS設(shè)備 5 500 余臺。根據(jù)運(yùn)用規(guī)程，各鐵路局分別在TPDS、TADS 測點(diǎn)的前方列檢作業(yè)場設(shè)置監(jiān)控終端，對通過 TPDS、TADS 測點(diǎn)的車輛進(jìn)行監(jiān)控，對到達(dá)本站作業(yè)的報(bào)警車輛進(jìn)行復(fù)核，對超過運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的車輛采取扣車處理。

由于 TPDS、TADS 測點(diǎn)數(shù)相對較少、覆蓋范圍有限，而近年來為提高運(yùn)輸效率鐵路大面積開行直通列車，列檢作業(yè)場的設(shè)置也有所調(diào)整，既有的預(yù)報(bào)模式無法滿足新的運(yùn)用要求。例如，盡管有的列檢設(shè)置了監(jiān)控終端，但無法對直通的報(bào)警車輛檢查復(fù)核與處理；而有的列檢有條件對終到列車進(jìn)行技術(shù)作業(yè)卻沒有設(shè)置監(jiān)控終端，也無法獲得報(bào)警信息，造成無法反饋?zhàn)鳂I(yè)信息，導(dǎo)致安全監(jiān)控信息沒有得到有效利用，同時也不利于報(bào)警信息的閉環(huán)處理。

針對這樣的問題，通過采用信息整合技術(shù)，利用布局密度較高的 THDS 探測信息，將全路近期尚未處理的 TPDS、TADS 報(bào)警信息推送至 THDS 前方即將到達(dá)的列檢作業(yè)場，在有技檢作業(yè)條件的前提下，由列檢人員對報(bào)警車輛進(jìn)行復(fù)核處置。TPDS、TADS 報(bào)警聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控如圖3所示。

以鄭州鐵路局為例，增加聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控功能后，應(yīng)用范圍從原來的 5 個列檢作業(yè)場擴(kuò)大到 27 個列檢作業(yè)場。通過統(tǒng)計(jì)一個周期的數(shù)據(jù)可知，本地探測 TPDS 踏面損傷報(bào)警2375 輛次，占報(bào)警輛次的26%，扣修 15 輛，占扣修總數(shù)的 37.5%；聯(lián)網(wǎng)推送踏面損傷報(bào)警 6 659 輛次，占報(bào)警輛次的 74%，扣修 25 輛，占扣修總數(shù)的 62.5%，報(bào)警信息的利用率提高近3倍，問題車輛的扣修率提高近2倍。

TPDS、TADS 由本地預(yù)報(bào)模式到聯(lián)網(wǎng)預(yù)報(bào)模式的轉(zhuǎn)變，可以將監(jiān)控范圍從幾十個列檢作業(yè)場擴(kuò)展至全路所有具備技術(shù)作業(yè)條件的列檢作業(yè)場，擴(kuò)大了應(yīng)用范圍，提高了報(bào)警信息的利用率和反饋率，更大程度地保障了車輛與運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>

2.3 THDS 熱軸綜合報(bào)警

貨車燃、切軸事故會給鐵路客戶造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，THDS 在防范燃、切軸事故方面發(fā)揮了重要的作用。然而，目前 THDS 存在的突出問題是兌現(xiàn)率不高，由于 THDS 的誤報(bào)，不僅給熱軸監(jiān)控工作帶來負(fù)擔(dān)，也給鐵路運(yùn)輸正常秩序帶來較大干擾，尤其隨著列車開行密度日益提高，安全和運(yùn)輸效率的矛盾日益突顯。

通過 5T 系統(tǒng)多年積累的數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場檢車復(fù)核經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車輛部件的傷損、故障發(fā)生存在相互影響、相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系。因此，在 THDS 的軸溫探測信息基礎(chǔ)上，結(jié)合 TPDS 的踏面損傷、TADS滾動軸承故障的聲學(xué)診斷、TFDS 的軸端故障等信息，采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法、數(shù)據(jù)挖掘方法等分析技術(shù)，對不同地域、不同環(huán)境的大量監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立熱軸綜合評判模型，進(jìn)行熱軸綜合報(bào)警評判。例如，根據(jù)對濟(jì)南鐵路局 5T 系統(tǒng)監(jiān)測報(bào)警和實(shí)際復(fù)核情況進(jìn)行比較和關(guān)聯(lián)分析，提出車輛熱軸報(bào)警綜合評判模型，其功能如下[7]。

（1）對于既有熱軸報(bào)警中激熱報(bào)警和絕對溫度達(dá) 105℃ 及以上的強(qiáng)熱報(bào)警保持不變；

（2）對于既有紅外熱軸報(bào)警，如果從上一廠段修期至今有 TPDS 踏面損傷報(bào)警、TADS 軸承報(bào)警和 TFDS 軸承甩油中任一報(bào)警，維持紅外熱軸報(bào)警等級不變；

（3）對于紅外熱軸報(bào)警，如果從上一廠段修期至今沒有 TPDS 踏面損傷報(bào)警、TADS 軸承報(bào)警和TFDS 軸承甩油報(bào)警，對于紅外熱軸報(bào)警進(jìn)行降級處理：強(qiáng)熱 (絕對溫度在 105℃以下) 降為微 3；微 3降為微 2；微2降為微 1；微1降為無熱軸報(bào)警。

根據(jù) 2013、2014 年濟(jì)南鐵路局的熱軸報(bào)警和實(shí)際復(fù)核故障數(shù)據(jù)，熱軸報(bào)警準(zhǔn)確率提高約 60%，表明綜合報(bào)警評判可以有效地提高熱軸報(bào)警的準(zhǔn)確率，降低對車輛運(yùn)輸組織的干擾，保障車輛運(yùn)行安全。

2.4 5T 系統(tǒng)總體優(yōu)化

在保持原有系統(tǒng)層級部署不變的情況下，通過改進(jìn)數(shù)據(jù)同步、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫讀寫分離，增加TPDS、TADS 聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，以及實(shí)現(xiàn) THDS 熱軸綜合預(yù)報(bào)，對 5T 系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化架構(gòu)如圖 4 所示。5T 系統(tǒng)優(yōu)化后能夠解決因服務(wù)器資源緊張導(dǎo)致的各種性能問題，同時擴(kuò)大 5T 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，提高監(jiān)控報(bào)警信息的利用率和兌現(xiàn)率，為更好地保障車輛運(yùn)行安全和運(yùn)輸效率提供技術(shù)支持[8]。

3　結(jié)束語

針對 5T 系統(tǒng)目前存在的一些問題，在技術(shù)上提出基于數(shù)據(jù)庫日志分析的數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)庫讀寫分離的優(yōu)化方案，以緩解服務(wù)器資源的壓力，解決了數(shù)據(jù)不一致和傳輸延時等性能問題，提高了系統(tǒng)的可靠性和可用性，為更深入地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與挖掘奠定良好基礎(chǔ)；在業(yè)務(wù)功能上，通過增加 TPDS、TADS 報(bào)警聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控與 THDS 熱軸綜合報(bào)警功能，進(jìn)一步提高信息的利用率和整合度，從而更好地保障了車輛運(yùn)行安全性和運(yùn)輸效率。

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圖 4 5T 系統(tǒng)優(yōu)化架構(gòu)圖

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責(zé)任編輯：馮姍姍

Study on Optimization of Running Safety Monitoring System of Railway Rolling Stock

This paper analyzes functions and problems of existing running safety monitoring system of railway rolling stock (i.e. 5T for THDS、TADS、TPDS、TFDS and TCDS), and in order to solve performance problem, a data synchronization method based on database log analysis was studied, based on which an optimization program of separating data synchronization with database read/write was put forward. As to functional problems, a solution combining TPDS and TADS alarm networking monitoring with THDS hotbox alarm was proposed based on technologies like mathematical statistics and information integration Through optimizing 5T systems, all kinds of problems caused by tense resource of system server were solved and the utilization rate and accuracy of alarm information were promoted.

Optimization; Data Synchronization; Networking Monitoring; Comprehensive Alarm

1003-1421(2016)04-0052-06

U298.1

A

10.16668/j.cnki.issn.1003-1421.2016.04.12

2016-03-10

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2015X009-A)