高鐵車站客運(yùn)設(shè)備智能CPS運(yùn)維平臺(tái)的研究

摘? 要：隨著我國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程不斷增加，各地高鐵車站中的客運(yùn)設(shè)備規(guī)模、數(shù)量也呈現(xiàn)出了爆炸性的增加趨勢(shì)，各種智能客運(yùn)設(shè)備的使用在提升旅客出行幸福感的同時(shí)，也給車站客運(yùn)設(shè)備的運(yùn)維工作帶來(lái)了極大的壓力。目前，客運(yùn)設(shè)備運(yùn)維仍停留在傳統(tǒng)的人工階段。表現(xiàn)為業(yè)務(wù)流程信息化程度不高、現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)控手段匱乏、整體運(yùn)維效率低下。面對(duì)鐵路企業(yè)智能化運(yùn)維手段缺失的問(wèn)題。本文淺析了在運(yùn)維工作中使用信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）技術(shù)的可能性，通過(guò)建立具有CPS技術(shù)特征的智能運(yùn)維平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的統(tǒng)一認(rèn)證管理、運(yùn)維人員的動(dòng)態(tài)分配、設(shè)備狀態(tài)的智能感知、備用資源的調(diào)撥共享、維修決策的大數(shù)據(jù)支撐等功能，助力客運(yùn)設(shè)備運(yùn)維工作的效率提升與資源優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：信息物理系統(tǒng)（CPS）;客運(yùn)設(shè)備;智能運(yùn)維

中圖分類號(hào)：TP274? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）24-0186-03

Abstract：With the continuous increase of high-speed railway operation mileage in China，the scale and quantity of passenger transport equipment in high-speed railway stations around the country are also increasing explosively. The use of various intelligent passenger transport equipment not only improves the happiness of passengers，but also brings great pressure to the operation and maintenance of station passenger transport equipment. At present，the operation and maintenance of passenger transport equipment is still in the traditional manual stage. It is manifested in low level of business process informatization，lack of on-site operation monitoring means and low efficiency of overall operation and maintenance. In the face of the lack of intelligent operation and maintenance means of railway enterprises，this paper analyzes the possibility of using the technology of CPS （Cyber-Physical Systems） in operation and maintenance work. By establishing an intelligent operation and maintenance platform with the technical characteristics of CPS，the unified certification management of equipment，dynamic allocation of operation and maintenance personnel，intelligent perception of equipment status，allocation and sharing of spare resources，and maintenance are realized The big data support and other functions of repair decision-making help to improve the efficiency and optimize resources of operation and maintenance of passenger transport equipment.

Keywords：Cyber-Physical Systems（CPS）;passenger transport equipment;intelligent operation and maintenance

0? 引? 言

新時(shí)代，高速鐵路已經(jīng)發(fā)展成了集高新技術(shù)應(yīng)用、跨專業(yè)合作、系統(tǒng)龐大的復(fù)雜體系，是中國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)史上的重要里程碑。而高鐵車站的客運(yùn)設(shè)備又是保障客運(yùn)生產(chǎn)運(yùn)輸組織順利運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)設(shè)備，其重要性不言而喻，這就需要鐵路設(shè)備運(yùn)維企業(yè)以智能的設(shè)備感知、監(jiān)控等技術(shù)手段去適應(yīng)鐵路現(xiàn)代化發(fā)展的要求，為實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國(guó)”打牢技術(shù)基礎(chǔ)。

智能CPS運(yùn)維平臺(tái)的研究從車站客運(yùn)設(shè)備的使用狀況和設(shè)備運(yùn)維業(yè)務(wù)流程等方面進(jìn)行分析，從實(shí)現(xiàn)保證客運(yùn)生產(chǎn)組織與旅客服務(wù)的閉環(huán)管理的角度出發(fā)，探討了運(yùn)用CPS技術(shù)使客運(yùn)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)生價(jià)值的過(guò)程。

1? CPS技術(shù)的理論體系

與以往的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)不同，CPS對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間與實(shí)體空間的相互依賴關(guān)系更加看重，具體體現(xiàn)在CPS的智能數(shù)據(jù)分析技術(shù)與設(shè)備的連通，即在實(shí)體空間與網(wǎng)絡(luò)空間之間保證數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地流動(dòng)和網(wǎng)絡(luò)空間的構(gòu)筑。根據(jù)CPS的技術(shù)特點(diǎn)，其體系架構(gòu)可分為智能感知層（Smart Connection Level）、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換層（Data-to-information Conversion Level）、網(wǎng)絡(luò)層（Cyber Level）、認(rèn)知層（Cognition Level）、配置層（Configuration Level）共五層，即CPS的“5C”技術(shù)架構(gòu)。

2? 智能CPS運(yùn)維平臺(tái)的架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能CPS運(yùn)維平臺(tái)主要由三部分構(gòu)建組成：數(shù)據(jù)展示平臺(tái)、底層數(shù)據(jù)支持系統(tǒng)和健康診斷系統(tǒng)，平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

集成展示平臺(tái)：使用多維的可視化圖形技術(shù)，展示設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、應(yīng)用接口層流動(dòng)數(shù)據(jù)。

底層數(shù)據(jù)支撐系統(tǒng)：建立智能高效的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，通過(guò)系統(tǒng)接收傳感器上的狀態(tài)信息，將信息傳送到數(shù)據(jù)采集服務(wù)器上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車站各類客運(yùn)設(shè)備運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

健康診斷系統(tǒng)：全過(guò)程監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備的健康狀態(tài)，通過(guò)在系統(tǒng)中集成專業(yè)分析模塊實(shí)現(xiàn)設(shè)備診斷功能，同時(shí)，專家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助決策，評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)改善。

3? 搭建智能CPS運(yùn)維平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)

智能CPS運(yùn)維平臺(tái)采用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段。通過(guò)分組、存儲(chǔ)、檢索、加工、變換、仿真實(shí)驗(yàn)等方法，對(duì)各類特征故障信號(hào)深入挖掘分析，完成對(duì)故障信號(hào)的智能數(shù)據(jù)建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)分析與決策。

3.1? 基于CPS技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控原理

基于CPS技術(shù)的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控原理是通過(guò)前端傳感器收集各種客運(yùn)設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行類比分析的過(guò)程。其中狀態(tài)信息是指從各種監(jiān)測(cè)信號(hào)（如振動(dòng)、聲學(xué)、溫度）當(dāng)中采集到的可被量化的、可用于判斷設(shè)備屬性或狀態(tài)的指標(biāo)。比如：可收集檢票閘機(jī)中疊票機(jī)構(gòu)的異常故障機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，其中不同的異常震動(dòng)信號(hào)頻率可與數(shù)據(jù)庫(kù)中不同故障的包絡(luò)譜頻率幅值進(jìn)行對(duì)比。

3.2? 基于CPS技術(shù)的設(shè)備健康診斷算法

基于CPS技術(shù)的設(shè)備健康狀態(tài)診斷算法是實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能運(yùn)維中最為關(guān)鍵的核心技術(shù)。算法利用機(jī)器健康分析與設(shè)備的機(jī)器網(wǎng)絡(luò)接口（CPI）進(jìn)行聯(lián)絡(luò)，建立如社交網(wǎng)絡(luò)般的優(yōu)勢(shì)溝通網(wǎng)絡(luò)，一旦基礎(chǔ)設(shè)施在網(wǎng)絡(luò)層建立，機(jī)器就可以使用網(wǎng)絡(luò)接口登陸整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息的傳播和交流。同時(shí)，還必須構(gòu)建一個(gè)算法對(duì)機(jī)器的狀態(tài)變化進(jìn)行跟蹤，在海量信息中挖掘可用的增值信息，進(jìn)行對(duì)等比較，并在下一層級(jí)中使用上層輸出的信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)的降噪、增強(qiáng)、組合、分析、歸類等處理手段來(lái)生成健康狀態(tài)模型，從而提高健康診斷與異常檢測(cè)的成功率，對(duì)設(shè)備實(shí)施更成功的健康管理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全服役期限內(nèi)的最大壽命使用。

基于CPS技術(shù)的設(shè)備健康診斷算法具體表現(xiàn)為兩個(gè)維度：數(shù)據(jù)的完整性和對(duì)象數(shù)量。兩個(gè)維度中又包含四類不同的算法實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

3.3? 基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的分析與預(yù)測(cè)方法

首先，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可用性處理，主要包括六種大數(shù)據(jù)處理方式：工況分割、數(shù)據(jù)清洗與平滑、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)、數(shù)據(jù)歸一化、數(shù)據(jù)樣本平衡、數(shù)據(jù)分割。

其次，對(duì)六種大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理方式產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)備的衰退性特征提取，將提取的數(shù)據(jù)通過(guò)基于CPS的故障診斷算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)的定性和定量分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的增值，并將其進(jìn)行存儲(chǔ)。

最后，利用存儲(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備將來(lái)的特征值進(jìn)行估算，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)故障發(fā)生時(shí)間和分析性能衰退趨勢(shì)的功能，從而查找到產(chǎn)生故障的根本原因。

4? 智能CPS運(yùn)維平臺(tái)的遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)方案

實(shí)現(xiàn)旅服設(shè)備、客票設(shè)備、暖通設(shè)備、照明設(shè)備等客運(yùn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控是在本地智能CPS運(yùn)維平臺(tái)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新一代網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)，將運(yùn)維平臺(tái)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞至監(jiān)控調(diào)度中心，通過(guò)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析匯總，形成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)報(bào)告，并將報(bào)告信息實(shí)時(shí)展現(xiàn)給系統(tǒng)管理人員;當(dāng)設(shè)備存在故障，檢測(cè)數(shù)據(jù)異常，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并將報(bào)警信息通過(guò)APP、短信等渠道推送到不同的業(yè)務(wù)人員。遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)方案如圖3所示。

5? 結(jié)? 論

目前鐵路CPS的技術(shù)應(yīng)用仍處于起步階段，但不可否認(rèn)的是，CPS技術(shù)在未來(lái)?yè)碛袕V闊的發(fā)展前景。使用傳統(tǒng)的單元控制方式實(shí)現(xiàn)的鐵路信息系統(tǒng)（硬件加軟件）將逐漸被由使用CPS技術(shù)（在硬件加軟件的基礎(chǔ)上附帶高速的物聯(lián)網(wǎng)）的系統(tǒng)控制方式所代替。CPS的工業(yè)大數(shù)據(jù)挖掘和分析的結(jié)果，除了如本文中所述用于建設(shè)智能CPS運(yùn)維平臺(tái)外，還可以廣泛應(yīng)用于鐵路智能車站的系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)高效組織、設(shè)備節(jié)能環(huán)保等方面，以實(shí)現(xiàn)鐵路智能車站的智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)組織、智能綠色節(jié)能等智能化應(yīng)用。更為鐵路企業(yè)降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)施定量風(fēng)險(xiǎn)分析與控制，實(shí)現(xiàn)“交通強(qiáng)國(guó)”的偉大構(gòu)想鋪平了道路。

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作者簡(jiǎn)介：劉自飛（1991-），男，漢族，重慶人，分中心主任，工程師，學(xué)士學(xué)位，本科，研究方向：鐵路信息化。