高速铁路电务运维技术探讨

赵明玉 张雪松

我国高速铁路建设已进入快速发展阶段，技术先进、种类繁多的高铁信号设备也配套投入使用，这就使得铁路电务部门的现场维修和维护的工作量及难度日益增大。同时列车运行密度不断提升，上线作业安全隐患进一步凸现，“天窗”点兑现难度逐步增大，依托现有的设备系统和安全措施已经不能满足日益增长的高速铁路电务运维需求。

由于高速铁路运营维护作业只能在夜间进行，因而加强日常的运营维护就尤为重要。目前应用于高速铁路的信号集中监测系统 （CSM）、列控设备动态监测系统 （DMS）、道岔缺口监测系统、动力环境监测系统、电务信息管理系统等，虽然对电务的日常运营维护起到了一定的作用，但是，各个系统都是集中在某个单独领域，没有一套能够对电务部门各种信息资源进行整合，为运营管理提供便利的技术平台，缺乏系统级的综合分析。同时，多数系统智能化程度低，要么以监测为目的，缺乏维护手段；要么以维护管理为手段，不能直接了解现场设备的状态，因而设计一套电务运维系统是现场迫切需要的。本文针对依此建立的高速铁路电务运维系统进行了研究。

1 电务运维系统关健技术

高速铁路电务运维系统致力于建立一个智能的、综合的电务运维平台，实现对高铁信号设备的状态监督、风险预警、智能分析与故障诊断、智能化运维、应急指挥和生产管理等。

1．1 关键数据比对分析和信号基本逻辑分析技术

电务运维系统综合分析各信号设备的实时接口数据，并对不同来源的相同内容信息进行比对，判断关键数据是否一致。通过与信号设备的最终状态进行比对，判断信号逻辑是否正确；通过对车－地间通信数据分析，判断车－地间通信情况是否正常，对异常情况进行实时报警显示。

关键数据比对和信号基本逻辑分析主要包括：轨道区段、信号机、进路、区间方向、临时限速、应答器监督、列车位置、车－地通信、车－地一致性、列车追踪、通道故障以及执行电路监督等，最终实现对信号设备进行监督、报警和预警。

对比分析的内容主要分为由车站负责或由中心负责。当车站进行信息对比发现数据不一致后，立即把报警信息上报至中心。

1．2 大数据技术

高速铁路电务运维除了需要收集CSM、CI、TCC、ZPW－2000、TSRS、RBC、CTC等系统信息外，还要储存设备管理信息和运营维护信息。数据种类繁多、数量巨大，存储与检索的需求也不一样，既有结构化数据，也有非结构化数据。随着记录的持续进行，累积的数据量也越来越大，因而建立强大可靠的数据中心尤为重要，图1为数据中心层次图。

有了数据中心就可以存储海量数据，但如何分析和利用这些海量数据，从中高效获取并发现有价值的数据，就需要采用大数据技术。

1．对数据进行存储和预处理。在车站，根据目前为电务运维系统提供的网络传输能力，还无法将车站收集到的数据全部传输到数据中心。因此就需将原始数据在车站进行清理和数据集成、数据变换、数据归纳等预处理方法，以便大幅度提高数据挖掘的质量，并减少挖掘所需的时间。

2．采用分布式计算技术。将需要大量计算的工程数据分成小块，由多台计算机分别计算，再上传运算结果，将结果统一合并得出结论。

3．采用数据挖掘技术。通过分析每个数据，从海量数据中寻找规律，主要有数据准备、规律寻找和规律表示3个步骤。数据挖掘的技术有关联分析、聚类分析、异常分析、特异群组分析和演变分析等。

4．数据处理结果的可视化。利用计算机图形学和图像处理技术，将数据转换成图形或图像在屏幕上显示，并进行交互处理。

图1 电务运维数据中心层次图

1．3 多维度可视化维修技术

电务运维系统可以查看、监督不同信号系统设备自身的健康状态，如：设备板卡状态、设备通信状态、关键设备的输入／输出状态等。另外，采用U3D技术复现设备的工作状态，将各板卡的状态在终端机上进行可视再现，也便于现场人员及时定位设备故障点。采用U3D技术首先要为信号设备建模，用真实感的图片构建信号设备板件三维模型组件，实现信号设备的三维模型组态化，通过拼装组件实现信号设备三维可视化。此方法具有通用性、灵活性和可扩展性。

在各信号设备监测数据和综合分析数据的驱动下，利用虚拟现实技术，可以逼真展现信号设备的运行状态，精确定位设备故障模块，故障模块三维图像清晰可见，无需特殊培训即可实现快速维修。

1．4 基于GIS的应急指挥和生产管理技术

GIS地理信息系统是一门综合性学科，结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛地应用在不同的领域。电务运维系统基于谷歌地图、百度地图等搭建GIS环境，并基于GIS地图进行二次开发，实现如下功能。

1．实时监控。实时监控和显示当前通过手持终端登录的工作人员位置信息，并可以查看工作内容和历史轨迹记录。采用AGPS定位技术可以快速和精准定位人员，首次定位仅需几秒。

2．视频语音通信。在GIS地图上可以检索具体手持终端人员，并可以对现场人员进行语音和视频实时的通信。通过VoIP技术实现多网穿透，可以将电话网络与当前Internet网络互连，做到跨网通信。

3．备件检索。显示站点位置信息和备品备件位置信息，在地图上展现站点、备品备件等的分布情况，可以搜索、查看站点和设备的详细信息。

4．报警提示。根据其他监控系统发过来的报警信息，在GIS地图上闪烁提示，以查看具体的报警内容，以及在GIS地图上直观查看涉及的备品备件位置、库存等信息。

5．作业下达。可以直接对故障报警点进行作业的下达，作业关联报警信息，指挥人员确定工作小组。

2 系统结构设计

2．1 硬件结构设计

电务运维系统由车站层、中心层和车载层三部分组成。每个车站需要安装1套车站分机设备，每个电务段需要安装1套中心设备，每台车需要安装1套车载设备。系统整体框图如图2所示。

1．车站层。主要负责和计算机联锁、列控中心、CTC站机、轨道和信号集中监测通信的接口。采集信号设备的在线实时数据，并进行本站相关的数据比对、逻辑分析和报警输出。运行数据和报警信息存储在车站，并通过网络传输到中心和各终端。车站信息采集结构如图3所示。

图2 电务运维系统的总体框图

图3 电务运维车站信息获取结构图

电务运维系统在车站设置2台通信前置机获取各信号系统的信息，并采用冗余配置以提高系统的可靠性，接口方式可以采用串口或以太网。

2．中心层。主要负责和RBC、CTC、TSRS通信接口，采集车载ATP、调度行车意图、车次号、临时限速等信息，并对站间相关的关键数据进行比对、逻辑分析和报警输出。中心数据和报警信息可通过网络传输到相关各车站和终端，中心层还负责全线数据的存储、转发工作。中心信息采集结构如图4所示。

电务运维系统设置2台接口服务器获取各信号系统的信息，同样采用冗余配置以提高系统的可靠性，接口方式采用以太网。

3．车载层。车载设备主要通过与ATP的JRU接口进行通信，实时捕获ATP的运用记录数据，并通过3G网络，实时传输回运维系统数据中心服务器，进行数据实时展示和存储。车载信息采集结构如图5所示。

图4 电务运维中心信息获取结构图

图5 电务运维车上信息获取结构图

信息采集的安全防护措施主要有：①物理隔离，通过成对使用串口／光纤转换器或以太网／光纤转换器的方式与信号设备进行电气隔离，保证电务运维不影响各接口的信号设备；②增加安全设备，对通过以太网获取信息的接口，增加防火墙等安全设备进行防护；③进行信息流向控制，即只接收各信号系统的信息，不向各信号系统发送信息。避免对各信号系统的影响。

图6 电务运维软件结构图

2．2 软件结构设计

采用B／S架构与C／S架构联合模式进行设计，该模式满足远程传输、实时通信、网络安全、高处理能力、模块化、可扩展、分布式部署等需求。其中客户端／中心应用服务器部分采用B／S架构，用户可以在任何地方进行操作而不用安装任何专门的软件，只要连入网络内即可通过浏览器登录查看，不同的用户因为权限不同看到的内容也不同；车站及中心接口系统采用C／S架构，该方式可以保证信息采集的实时性，同时对信息安全的控制能力强。软件结构如图6所示。

3 结束语

高速铁路电务运维系统根据铁路信号设备的维护特点设计，依托铁路现有网络资源进行系统整合，实现各网络资源间数据和信息的快速传递及资源共享；依托运维数据中心信息汇集展现平台，将各类信息进行汇集和集中展示，实现安全生产及调度指挥的可视化、便捷化，同时避免了信息的重复采集，具有投资少见效快的特点。该电务运维系统，经过了试验室测试和验证，能够满足高速铁路电务运维的需要。

［1］ 王道平．故障智能诊断系统的理论与方法［M］．冶金工业出版社，2001．

［2］ 杨叔子，郑晓军．人工智能与诊断专家系统［M］．西安交通大学出版社．1990．

［3］ 彭晓红，刘久富．基于模型检测的软件测试技术．软件导刊［J］．2009（3）．

［4］ Du W，Mathur A P．Vulnerability Testing of Software System Using Fault Injection．Technical Report，TR－97－026，purdure University，1997．

［5］ 缪淮扣，高晓雷，李刚．结构化方法－面向对象方法和形式化方法的比较和结合［J］．计算机工程与科学，1999 21（4）．