李強(qiáng)

（國能運(yùn)輸技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，北京 100080）

鐵路信號(hào)系統(tǒng)的集成化、智能化發(fā)展是必然趨勢，但是隨著各類電子裝置、測控設(shè)備的增多，數(shù)據(jù)共享性差、維護(hù)難度大等一系列問題也逐漸暴露出來。在這一背景下設(shè)計(jì)一種鐵路信號(hào)設(shè)備集中診斷和智能分析系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)充分共享的基礎(chǔ)上，依托大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)手段進(jìn)行故障的集中診斷、智能分析，從而為鐵路檢修工作的開展提供必要的參考?；谛枨髠?cè)的鐵路信號(hào)設(shè)備集中診斷與智能分析系統(tǒng)，應(yīng)做到數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和抽樣分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行故障診斷和即時(shí)報(bào)警，最終通過應(yīng)急作業(yè)管理完成故障處理，保障鐵路信號(hào)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 鐵路信號(hào)設(shè)備集中診斷及智能分析系統(tǒng)的功能需求

1.1 設(shè)備集中診斷功能

該功能的功能是通過采集、分析前端信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行信息、工況參數(shù)，然后進(jìn)行關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比分析進(jìn)行故障診斷?，F(xiàn)以ZPW-2000 軌道電路的主軌電壓數(shù)據(jù)為例分析設(shè)備集中診斷功能。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集

該軌道電路的數(shù)據(jù)采集對(duì)象包括發(fā)送器發(fā)送側(cè)電壓、電纜模擬網(wǎng)絡(luò)盤收發(fā)側(cè)電壓、衰耗器收發(fā)側(cè)電壓、接收器接收側(cè)電壓等，共計(jì)11 個(gè)采集點(diǎn)，具體布置位置如圖1 所示。

圖1 ZPW-2000 主軌電壓位置點(diǎn)示意圖

1.1.2 數(shù)據(jù)抽樣及整理

當(dāng)軌道處于空閑狀態(tài)時(shí)，從各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上采集電壓參數(shù)，將采樣頻率設(shè)定為10min/次。取樣周期為當(dāng)前時(shí)間的前1 小時(shí)，累計(jì)獲得6 組抽樣數(shù)據(jù)，分別為-60min、-50min……-10min、0min。記錄監(jiān)測到的6 組電壓數(shù)據(jù)，并以采樣時(shí)間點(diǎn)為x 軸、以主軌出電壓為y 軸，繪制電壓隨時(shí)間變化的折線圖，如圖2 所示。由于ZPW-2000 軌道電路的主軌出電壓的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為≥235mV，因此設(shè)定了235mV 的報(bào)警線。

圖2 主軌出采集電壓變化折線圖

1.1.3 趨勢預(yù)測

在折線圖中對(duì)監(jiān)測電壓進(jìn)行曲線擬合，可以得到一個(gè)擬合的直線方程。將擬合曲線向后延伸，能夠預(yù)測出在未來一段時(shí)間內(nèi)的電壓變化趨勢，如圖3 所示。通常設(shè)定最長預(yù)測時(shí)間為30min，只要在未來30min 內(nèi)，該擬合曲線上任意一點(diǎn)的主軌出電壓＜235mV，則系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，提醒相關(guān)人員提前采取應(yīng)急措施。

圖3 主軌出采集電壓趨勢預(yù)測圖

1.1.4 集中診斷

參考各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)反饋的數(shù)據(jù)，利用回溯算法進(jìn)行分析。從發(fā)出預(yù)警的監(jiān)測點(diǎn)開始，向前回溯，對(duì)每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行集中診斷，從而找出所有可能發(fā)生問題的故障點(diǎn)。在完成診斷后，系統(tǒng)自動(dòng)生成故障診斷報(bào)告，為下一步開展設(shè)備維護(hù)和修理提供了依據(jù)。軌道電路故障預(yù)測的回溯算法原理如圖4 所示。

圖4 軌道電路故障點(diǎn)預(yù)測回溯算法流程圖

1.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)比對(duì)和智能分析功能

在集中診斷和智能分析系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)對(duì)比是判斷有無異常工況和運(yùn)行故障的關(guān)鍵。將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)不在標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)，即可判斷為異常，在顯示異常信息的同時(shí)進(jìn)行報(bào)警。為了減少數(shù)據(jù)處理量，在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)僅選擇一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)展開對(duì)比。這里的關(guān)鍵數(shù)據(jù)主要包括軌道區(qū)段信息、列車位置信息、通道故障信息等。對(duì)比分析又可分為兩種情況，其一是由車站負(fù)責(zé)對(duì)比，其二是由中心負(fù)責(zé)對(duì)比。首先由車站進(jìn)行信息對(duì)比，如果實(shí)測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)不一致，則將該報(bào)警信息上傳至中心接口服務(wù)器，再轉(zhuǎn)發(fā)到中心應(yīng)用服務(wù)器，對(duì)該異常信息做進(jìn)一步處理。這里以軌道區(qū)段信息對(duì)比為例，信息流向如圖5 所示。

圖5 區(qū)間信息流向圖

在圖5 中，在區(qū)段信息傳輸中分別涉及到了列車控制中心系統(tǒng)（TCC）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（CBI）、列車調(diào)度集中指揮控制系統(tǒng)（CTC）三部分。集中診斷系統(tǒng)在收集各個(gè)系統(tǒng)的區(qū)段信息并進(jìn)行對(duì)比后，結(jié)合區(qū)段信息流向，判斷區(qū)段信息與各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行信息是否一致。如果存在不一致的情況，則自動(dòng)分析錯(cuò)誤環(huán)節(jié)，并提出維修建議。

1.3 應(yīng)急指揮作業(yè)管理

該模塊包含了站點(diǎn)監(jiān)控、報(bào)警預(yù)警、設(shè)備備品管理等功能，同時(shí)能夠利用通信接口，在通信中轉(zhuǎn)站的幫助下實(shí)現(xiàn)與手持巡檢PDA 的遠(yuǎn)程連接，為管理人員遠(yuǎn)程開展應(yīng)急指揮作業(yè)提供了便利，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 應(yīng)急指揮功能結(jié)構(gòu)圖

1.3.1 站點(diǎn)監(jiān)控

站點(diǎn)監(jiān)控的主要功能有兩個(gè)，其一是自定義布局站點(diǎn)。在GIS 地圖中，管理人員可以查看站點(diǎn)實(shí)際分布情況，并根據(jù)管理需要自定義添加站點(diǎn)，或刪除站點(diǎn)；其二是站點(diǎn)報(bào)警管理?；诩性\斷和智能分析，在確定了某臺(tái)信號(hào)設(shè)備存在故障后，該設(shè)備的相關(guān)信息（如位置信息、故障信息等）會(huì)在報(bào)警信息中實(shí)時(shí)展示，以便于管理人員盡可能全面地了解故障情況。

1.3.2 設(shè)備和備品管理

利用GIS 地圖能夠隨時(shí)查看信號(hào)設(shè)備的分布情況，同時(shí)支持查看設(shè)備名稱、產(chǎn)品碼、車站名、上線時(shí)間等更加詳細(xì)的信息。另外，在GIS 地圖界面中還能查看備品分布情況，如果現(xiàn)場設(shè)備因?yàn)楣收闲枰鼡Q備件時(shí)，可以在手持巡檢PDA 上自動(dòng)查看備件庫中是否有對(duì)應(yīng)的備件，以及備件的庫存數(shù)量。在開展故障處理時(shí)，可以直接從備品庫中獲取備品進(jìn)行替換。

1.3.3 應(yīng)急指揮

利用移動(dòng)手持設(shè)備中的GPS 定位模塊，以及GIS 地圖信息，可以將維修人員的實(shí)時(shí)位置發(fā)送給GIS 地圖界面上，這樣指揮中心就可以遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)查看維修人員的具體位置和分布情況。然后通過集中調(diào)度，安排故障設(shè)備就近的維修人員對(duì)故障問題展開處理。除此之外，該系統(tǒng)還支持語音對(duì)講、視頻通話兩種模式，聯(lián)系指揮中心人員和現(xiàn)場人員，通過及時(shí)溝通進(jìn)一步提高信號(hào)設(shè)備故障的處理效率。在現(xiàn)場維修人員完成故障處理任務(wù)后，可以在手持PDA 上提交作業(yè)計(jì)劃。在指揮中心接收到作業(yè)單并確認(rèn)作業(yè)完畢后，在系統(tǒng)后臺(tái)將“故障正在處理”更新為“故障處理完畢”。同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)保存此次故障信息、診斷報(bào)告和維修方案，以備查看。

2 鐵路信號(hào)設(shè)備集中診斷及智能分析系統(tǒng)的功能測試

2.1 測試環(huán)境及測試方法

為驗(yàn)證集中診斷與智能分析系統(tǒng)的應(yīng)用效果，針對(duì)部分功能設(shè)計(jì)了測試方案。測試方案的具體內(nèi)容為：在測試準(zhǔn)備階段，確認(rèn)集中診斷與智能分析系統(tǒng)在車站、中心、終端等處的軟件運(yùn)行正常，以及系統(tǒng)之間接口設(shè)備軟件通信正常。然后開始對(duì)該系統(tǒng)的部分功能進(jìn)行現(xiàn)場測試，包括工作狀態(tài)查看測試、動(dòng)態(tài)圖紙分析測試、一致性對(duì)比分析等?，F(xiàn)以軌道、道岔和信號(hào)機(jī)工作狀態(tài)分析，報(bào)警查詢與報(bào)警統(tǒng)計(jì)，以及開關(guān)量、模擬量和狀態(tài)量實(shí)時(shí)測試為例展開分析。

2.2 部分功能測試

2.2.1 軌道、道岔和信號(hào)機(jī)工作狀態(tài)與動(dòng)態(tài)圖紙分析

測試內(nèi)容：a.查看室外設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；b.設(shè)置任意軌道電氣特性超限報(bào)警，并觀察綜合查看界面；c.分別選擇不同的站、軌道，查看室外設(shè)備動(dòng)態(tài)圖和綜合查看界面的動(dòng)態(tài)圖紙。

預(yù)期結(jié)果：a. 室外設(shè)備狀態(tài)圖上能夠正常顯示室外軌道、道岔、信號(hào)機(jī)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。采用不用顏色的指示燈區(qū)別當(dāng)前的實(shí)時(shí)狀態(tài)，其中綠色為正常，黃色為預(yù)警，紅色為報(bào)警；b.在綜合查看界面上，可以將軌道的占用、鎖閉、模擬量信息進(jìn)行多系統(tǒng)對(duì)比展示。同時(shí)還可以將該軌道的電氣特性超限報(bào)警展示在綜合查看界面下放的報(bào)警信息欄中；c.可以通過動(dòng)態(tài)電路圖的方式，直觀地展示各站、各軌道的工作原理、繼電器狀態(tài)以及實(shí)時(shí)的模擬量信息。當(dāng)軌道狀態(tài)從空閑變?yōu)檎加煤螅珿J 節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)吸起，接收端電壓有大幅度降低。當(dāng)軌道狀態(tài)重新從占用變回空閑后，GJ 節(jié)點(diǎn)自動(dòng)斷開，接收端電壓恢復(fù)正常。

2.2.2 報(bào)警查詢與報(bào)警統(tǒng)計(jì)

測試內(nèi)容：a.選定站和報(bào)警類型后，輸入報(bào)警查詢條件，點(diǎn)擊查詢。選中任意一條報(bào)警信息，雙擊后查看彈出的報(bào)警處理意見框。選中任意一條報(bào)警信息，選擇跳轉(zhuǎn)回放，查看報(bào)警期間的各項(xiàng)參數(shù)。b.選擇站，輸入報(bào)警統(tǒng)計(jì)查詢條件，點(diǎn)擊查詢。點(diǎn)擊報(bào)警級(jí)別餅狀圖，查看報(bào)警信息。

預(yù)期結(jié)果：a.可以根據(jù)輸入的查詢條件，展示對(duì)應(yīng)站的歷史報(bào)警信息。在報(bào)警處理意見框中，展示報(bào)警原因，可點(diǎn)擊查看?？梢曰胤湃我庖粭l報(bào)警信息的各項(xiàng)參數(shù)，并且該參數(shù)與各個(gè)接口系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)保持一致。b.可以根據(jù)輸入的查詢條件，展示對(duì)應(yīng)站的報(bào)警統(tǒng)計(jì)信息，并且按照報(bào)警級(jí)別、所屬系統(tǒng)、報(bào)警類型等進(jìn)行分區(qū)展示。點(diǎn)擊報(bào)警級(jí)別餅狀圖后，按照報(bào)警類型對(duì)三級(jí)報(bào)警進(jìn)行統(tǒng)計(jì)展示。

2.2.3 開關(guān)量、模擬量和狀態(tài)量實(shí)時(shí)測試

測試內(nèi)容：a.打開開關(guān)量選擇站，聯(lián)鎖系統(tǒng)，進(jìn)行查詢。b.打開模擬量選擇站，設(shè)備類型選擇“電源屏”，監(jiān)測項(xiàng)目選擇“電壓”，點(diǎn)擊確定。c.打開狀態(tài)量選擇站，查詢列控中心主機(jī)硬件平臺(tái)。

預(yù)期結(jié)果：a. 可以正常展示各接口系統(tǒng)的軌道、道岔、信號(hào)機(jī)的表示信息，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)以開關(guān)量表格形式實(shí)時(shí)展示。b.電源屏設(shè)備的模擬量實(shí)測值以表格形式展示。c.列控中心硬件平臺(tái)信息以表格形式展示。

3 結(jié)論

針對(duì)當(dāng)前鐵路信號(hào)設(shè)備監(jiān)控中存在的數(shù)據(jù)共享性差、故障診斷精度不高等一系列問題，本文設(shè)計(jì)了一種融合了GIS 技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、人工智能技術(shù)的信號(hào)設(shè)備集中診斷和智能分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有信息采集、關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比、故障診斷與分析等功能。下一步，還要從人機(jī)交互設(shè)計(jì)、通信傳輸效率以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等方面進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，以期進(jìn)一步提高鐵路信號(hào)設(shè)備集中診斷與智能分析系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效果。