高铁车站客运设备智能CPS运维平台的研究

摘  要：随着我国高铁运营里程不断增加，各地高铁车站中的客运设备规模、数量也呈现出了爆炸性的增加趋势，各种智能客运设备的使用在提升旅客出行幸福感的同时，也给车站客运设备的运维工作带来了极大的压力。目前，客运设备运维仍停留在传统的人工阶段。表现为业务流程信息化程度不高、现场作业监控手段匮乏、整体运维效率低下。面对铁路企业智能化运维手段缺失的问题。本文浅析了在运维工作中使用信息物理系统（CPS，Cyber-Physical Systems）技术的可能性，通过建立具有CPS技术特征的智能运维平台，实现设备的统一认证管理、运维人员的动态分配、设备状态的智能感知、备用资源的调拨共享、维修决策的大数据支撑等功能，助力客运设备运维工作的效率提升与资源优化。

关键词：信息物理系统（CPS）;客运设备;智能运维

中图分类号：TP274      文献标识码：A 文章编号：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

新時代，高速铁路已经发展成了集高新技术应用、跨专业合作、系统庞大的复杂体系，是中国现代化建设史上的重要里程碑。而高铁车站的客运设备又是保障客运生产运输组织顺利运转的基础设备，其重要性不言而喻，这就需要铁路设备运维企业以智能的设备感知、监控等技术手段去适应铁路现代化发展的要求，为实现“交通强国”打牢技术基础。

智能CPS运维平台的研究从车站客运设备的使用状况和设备运维业务流程等方面进行分析，从实现保证客运生产组织与旅客服务的闭环管理的角度出发，探讨了运用CPS技术使客运设备的状态数据产生价值的过程。

1  CPS技术的理论体系

与以往的数据仓库技术不同，CPS对网络空间与实体空间的相互依赖关系更加看重，具体体现在CPS的智能数据分析技术与设备的连通，即在实体空间与网络空间之间保证数据实时地流动和网络空间的构筑。根据CPS的技术特点，其体系架构可分为智能感知层（Smart Connection Level）、数据信息转换层（Data-to-information Conversion Level）、网络层（Cyber Level）、认知层（Cognition Level）、配置层（Configuration Level）共五层，即CPS的“5C”技术架构。

2  智能CPS运维平台的架构设计

智能CPS运维平台主要由三部分构建组成：数据展示平台、底层数据支持系统和健康诊断系统，平台架构如图1所示。

集成展示平台：使用多维的可视化图形技术，展示设备状态数据、应用接口层流动数据。

底层数据支撑系统：建立智能高效的数据采集平台，通过系统接收传感器上的状态信息，将信息传送到数据采集服务器上，可实现对车站各类客运设备运行情况的实时监控。

健康诊断系统：全过程监测和分析设备的健康状态，通过在系统中集成专业分析模块实现设备诊断功能，同时，专家系统实现辅助决策，评价系统实现自学习改善。

3  搭建智能CPS运维平台的关键技术

智能CPS运维平台采用云计算、物联网、大数据挖掘、机器学习等技术手段。通过分组、存储、检索、加工、变换、仿真实验等方法，对各类特征故障信号深入挖掘分析，完成对故障信号的智能数据建模，实现对监测数据的实时分析与决策。

3.1  基于CPS技术的设备状态监控原理

基于CPS技术的设备状态监控原理是通过前端传感器收集各种客运设备的状态信息进行类比分析的过程。其中状态信息是指从各种监测信号（如振动、声学、温度）当中采集到的可被量化的、可用于判断设备属性或状态的指标。比如：可收集检票闸机中叠票机构的异常故障机械振动信号，其中不同的异常震动信号频率可与数据库中不同故障的包络谱频率幅值进行对比。

3.2  基于CPS技术的设备健康诊断算法

基于CPS技术的设备健康状态诊断算法是实现设备智能运维中最为关键的核心技术。算法利用机器健康分析与设备的机器网络接口（CPI）进行联络，建立如社交网络般的优势沟通网络，一旦基础设施在网络层建立，机器就可以使用网络接口登陆整个网络实现信息的传播和交流。同时，还必须构建一个算法对机器的状态变化进行跟踪，在海量信息中挖掘可用的增值信息，进行对等比较，并在下一层级中使用上层输出的信息进行大数据的降噪、增强、组合、分析、归类等处理手段来生成健康状态模型，从而提高健康诊断与异常检测的成功率，对设备实施更成功的健康管理，实现设备安全服役期限内的最大寿命使用。

基于CPS技术的设备健康诊断算法具体表现为两个维度：数据的完整性和对象数量。两个维度中又包含四类不同的算法实现，如图2所示。

3.3  基于大数据技术的分析与预测方法

首先，对数据进行可用性处理，主要包括六种大数据处理方式：工况分割、数据清洗与平滑、数据质量检测、数据归一化、数据样本平衡、数据分割。

其次，对六种大数据数据处理方式产生的特征数据进行设备的衰退性特征提取，将提取的数据通过基于CPS的故障诊断算法进行大数据的定性和定量分析，实现数据的增值，并将其进行存储。

最后，利用存储的历史数据对设备将来的特征值进行估算，实现预测故障发生时间和分析性能衰退趋势的功能，从而查找到产生故障的根本原因。

4  智能CPS运维平台的远程实现方案

实现旅服设备、客票设备、暖通设备、照明设备等客运设备的远程監控是在本地智能CPS运维平台的基础上，结合新一代网络传输技术，将运维平台的数据实时传递至监控调度中心，通过系统的数据分析汇总，形成设备运行状态报告，并将报告信息实时展现给系统管理人员;当设备存在故障，检测数据异常，系统自动报警，并将报警信息通过APP、短信等渠道推送到不同的业务人员。远程实现方案如图3所示。

5  结  论

目前铁路CPS的技术应用仍处于起步阶段，但不可否认的是，CPS技术在未来拥有广阔的发展前景。使用传统的单元控制方式实现的铁路信息系统（硬件加软件）将逐渐被由使用CPS技术（在硬件加软件的基础上附带高速的物联网）的系统控制方式所代替。CPS的工业大数据挖掘和分析的结果，除了如本文中所述用于建设智能CPS运维平台外，还可以广泛应用于铁路智能车站的系统研发设计、生产高效组织、设备节能环保等方面，以实现铁路智能车站的智能设计、智能生产组织、智能绿色节能等智能化应用。更为铁路企业降低运营成本，实施定量风险分析与控制，实现“交通强国”的伟大构想铺平了道路。

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作者简介：刘自飞（1991-），男，汉族，重庆人，分中心主任，工程师，学士学位，本科，研究方向：铁路信息化。