神朔铁路行车固定设备在线监测与分析平台设计

中国神华能源股份有限公司神朔铁路分公司 王 毅

神朔铁路是我国第二条西煤东运的大通道神黄线的重要部分，工作负荷高、运行条件复杂，在长期运营中轨道、路基、桥梁、隧道、边坡、接触网等行车固定设备的性能开始劣化，带来了安全隐患。本文进行了神朔铁路行车固定设备在线监测与分析平台的技术方案设计，主要包括平台的总体技术架构设计、前端数据采集系统技术选型、数据分析系统功能设计等工作。最终形成神朔铁路行车固定设备在线监测与分析平台技术方案，为平台研制工作奠定了坚实基础。

神朔铁路1996年开通运营，2004年贯通复线，正线全长270km，最小曲线半径为400m，最大限制坡度12%，全线共19个车站，249座桥梁，61座隧道，743座涵渠，桥隧涵占线路总长的22.28%。2009年成功开行万t列，日最大编组万吨数量由开行时的2列提升至现在的83列。截至2017年，运量达2.62亿t，远超设计运输能力，预计未来运量将突破3亿t，逼近现有线路与站场条件下的运能极限。在大运量、重载荷、长期服役的条件下，轨道、路基、桥梁、隧道、边坡、接触网等行车固定设备的性能会发生劣化，存在一定安全隐患，且现已出现了隧道拱面裂纹、桥墩横向晃动、轨道位移、路基沉降等情况。

图1 神朔铁路行车固定设备立体化在线监测示意图

云计算、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术，驱动全球铁路行业进行智能化转型。澳大利亚力拓公司于2018年实现了重载铁路网GoA4等级货运列车自动驾驶的正式运营。北美、巴西、俄罗斯等国家重点针对重载运输装备健康监测技术进行研究，研制车辆、线路安全状态监测系统，实现重载铁路的故障预报警和健康评估。神朔重载铁路围绕行车安全、组织调度、客户服务构建了“5T”、列车动态监控、电力远动、ERP、生产指挥调度、可视化运输、资产管理等大量信息系统，有力支撑了神朔铁路系统安全高效运转。但是针对接触网、轨道、路基、桥梁、边坡、隧道等行车固定设备的安全保障方面尚缺乏行之有效的综合安全监控平台，本文设计的神朔铁路行车固定设备在线监测与分析平台，实现行车固定设备的安全状态监测，实现行车固定设备状态的定性、定位和定量分析，形成设备长期监测数据库，为后续大数据应用提供数据支撑。

1 总体要求

1.1 全方位/立体化监测体系

利用北斗差分定位、物联网、GIS、智能传感器、大数据等先进技术，整合已有各类信息资源，构建空/天/地/车一体化行车固定设备立体在线监测体系，做到重要位置实时防控、一般位置间断防控，做到各类基础设施状态监测联动响应、智能决策，确保神朔重载铁路安全运行，为智慧神朔、自动驾驶等提供基础支撑。如图1所示。

1.2 企业信息系统集成

（1）设备统一编码标识

建立设备统一编码标识是有效管理设备、充分发挥其价值的基础条件。同时设备统一编码标识也是实现行车固定设备群统一协同工作体系的基础条件。因此必须建立包括行车固定设备在内的神朔铁路设备统一编码标识。

（2）行车固定设备在线状态监测数据的元数据标准

在神朔重载铁路行车固定设备监测业务调研、需求分析及现有业务信息系统调查基础上，基于ISO23081标准，制定重载铁路行车固定设备在线监测数据及其共享元数据标准，为各种形式的数字化信息单元和资源集合提供规范、普遍的描述方法和检索方法。确定数据集集合种类；确定数据项的数据类型、命名规则、约束条件；确定元数据信息公共接口，如元数据ID、分类标识、数据时效等。

（3）行车固定设备之间的数据集成

通过设备统一编码、设备精确定位（北斗差分定位）这一纽带，完成行车固定设备状态数据集成，从而形成有效的、具有知识挖掘基础的大数据集合。基于此，使用机器学习、数据挖掘等手段找出设备性能变化规律。

（4）神朔铁路业务集成

通过EDA、SOA等技术手段，实现神朔铁路个信息单元体的业务集成，实现网检、轨检、线路巡视、自动驾驶、行车固定设备在线监测之间的业务协同，提高业务效率以及经济性。

1.3 基于GIS的可视化分析平台

使用GIS作为统一的用户界面，在地图相应位置上展示行车固定设备及其异常状态，使用层级窗口进入设备详细状态及分析窗口。

2 总体设计

2.1 系统总体技术架构

系统主要分为传感层、网络层、数据层、平台层、系统层和用户层。传感层主要包括前端监控设备状态的振动、位移、温度、应力应变、风向等传感器以及各类数据采集设备；网络层是用于数据传输的4G、光纤、无线等网络基础设施；数据层主要实现数据的集中存储、运算与管理，形成大数据中心；平台层由各类数据分析中间件、操作系统中间件等组成，实现快速数据分析及报表配置式生成；系统层由各类面向用户的应用组成，实现神朔铁路行车固定设备的状态监控及故障分析。如图2所示。

图2 系统总体框架构成

图3 系统逻辑结构图

图4 系统物理结构图

2.2 系统逻辑架构

行车固定设备在线监测系统主要由传感器系统、数据采集与信号传输系统、数据分析处理与评定系统组成。如图3所示。

图5 接触网监测技术框架

图6 激光三位测距系统框架

图7 路基多断面组网示意图

系统在逻辑上分为前端采集器、数据路由与集中器、接口服务、数据中心、数据展示与分析系统、最终用户6个层次。前端采集器由传感器、数据采集单元、数据路由和集中单元组成，作用是将接触网、路基、轨道、桥梁、隧道、边坡、重点环境等设备的相应状态采集并发送到数据集中器。数据路由和集中器的作用是集中多个数据采集器的数据，配置采集数据的设备标识信息，并将数据发送到数据中心。接口服务的作用是集中接收前端采集器发送过来的数据，将数据存储中心和数据传输单元解耦，增加系统的健壮性和灵活性。数据中心的作用是分类存储行车固定设备的运行状态海量数据，为行车固定设备健康预测奠定基础。分析系统实现行车固定设备的运行状态实时显示、分类分级异常预报警、故障诊断等功能，为管理者的管理和决策提供可视化展示和决策支持。

2.3 系统部署结构（图4）

3 系统技术方案

3.1 行车固定设备运行状态采集

（1）接触网

对承力索张力、电连接温度及绝缘子泄漏电流、B值、电缆外护套智能监测、支柱斜率、横跨变形量、线路分支电流、重点线路视频监控进行监测。采集数据具有自定义间隔发送、超限参数立即发送等方式将监测数据发送至数据中心并进行数据展示及分析。如图5所示。

（2）轨道

轨道在线监测的主要项目是轨温、轨距、应力应变、轨道形变，根据所需的检测项目进行传感器选型，轨温采用贴片式温度传感器、轨距采用激光测距传感器、应力与应变采用表面式应变计进行测量。如图6所示。

（3）路基

针对路基表面不均匀沉降、深部位移、深部地层含水率等项目进行监测。4路基监测传感器布点及现场组网如图7所示。

（4）桥梁

针对吊杆索力及振幅、主梁挠度变形及主梁纵向偏位、高墩主要结构断面的结构温度、环境、振动等进行监控。如图8所示。

（5）隧道

针对隧道沉降、隧道收敛、典型裂缝、结构应力、围岩内部渗压进行监控。如图9所示。

（6）边坡

针对表面位移监测、深部位移监测、边坡土体内部渗压监测、宏观视频监测。

边坡表面位移监测选用北斗差分定位技术。系统由监测站、基站、解算服务器、网络集中器、GPRS数据传输模块及监控中心显示端组成如下图示。各监测站数据通过自组网络传输到解算服务站，将各个监测站数据与基站进行RTK运算得到各个监测站精确坐标，该设备特点如图10所示。

3.2 数据分析

设备状态被采集后，信息传输到数据中心，然后使用分析系统对数据进行分析，达到预警、辅助决策等功能。

图8 桥梁采集器组网示意图

图9 隧道采集系统组网示意图

图10 边坡采集系统架构

（1）首页

系统首页主要由用户登录显示区、GIS地图区、神朔铁路站点名称排列区、预警区四部分组成。用户登录进入主页面后，用户名在左上角欢迎区域进行头像、名称、工号显示，可单击头像进行登录人基本信息查询和部分个人资料修改设置。其中用户权限控制功能说明：根据用户级别不同，分别设定不同权限，普通用户登入后可查看账号所属区段在线监控详情，以管理员身份登入之后，则可查看神朔铁路全部点位状况与趋势图显示。

居中部分按照神朔铁路行车线路进行GIS地图展示，地图线路上在线行车固定设备在线监测站点用带色图标进行实时状态标识，各监测站点图标用红、黄、绿三色三钟颜色分别表示故障、警告、正常三种状态。同时在行车线路上实时标识运行铁路车辆的位置状态信息，对行车状态和行车固定设备状态进行全面、充分、实时的综合展示。在线监测站点GIS地图在线显示：系统内所有在线监测点位按所属部门的区段进行归类和展示，监测点位图标颜色按其当前监控状态颜色动态显示，图标上方注有具体站点的地理位置，鼠标左键点击标记点，可进入站点管理页面，并对特定监控对象做详细情况查看，方便用户直观、系统地掌握在线监控实时数据。也可对地图上在线实时移动的车辆进行点击操作，可以实时查看车辆基本信息和运行状态情况。

页面左侧竖直区域以神朔铁路线路站点分布自上而下依次排列并显示站点名称，单击改站点名称列，GIS地图页面可缩放至该站点管辖区段，对该区段地图进行放大，实时展现该区段实时监测项目指标和车辆运行状态数据信息。

右侧页面竖直区域显示预警信息，提供预警、日报通知功能，预警，包括超标预警、断线预警和异常值预警，在监测数值超标、数据连接中断和出现异常值时，自动给设定联系人发送提醒信息，保证系统的正常、稳定运行，日报通知将区段内异常情况以短信形式发送给站点负责人或主管领导，让站点管理者及时掌握设备状态变化情况，在设备出现异常状况时第一时间知道详细信息。

（2）接触网

接触网功能页面由用户点击对应站点接触网监测详情跳转打开，页面主要显示当前查看站点的接触网监测状态和数据信息。系统页面展示对承力索张力、电连接温度及绝缘子泄漏电流、B值、电缆外护套智能监测、支柱斜率、横跨变形量、线路分支电流、重点线路视频监控等项目的实时在线监测数据。用户点击当前站点接触网监测项目图标后，系统自动显示当前站点的接触网监测项目的在线实时数据等信息，并以图表形式显示，直观展示站点接触网在线监控情况。显示时间段分为实时状态值、历史状态值，默认情况下为实时在线状态值数据。用户可按照自定义选择年月日对特定时间段历史数据进行区间查询，查询数据的显示方式也可按照用户需求提供选择，以折线图、柱状图、表格等多种形式展示。方便用户查看时间段内接触网相关监测项的状态变化趋势和实时状态值变化情况，同时可以进行接触网监测点位之间的各项参数的对比分析；用户也可根据需求进行查询数据、图表信息进行打印，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

（3）轨道

轨道在线监测功能页面由用户点击对应站点轨道监测详情跳转打开，用户点击监测项目图标后，系统自动显示当前站点的各项监测因子实时数据等信息，并以图表形式显示，直观展示站点当前设备监控情况，轨道监测系统主要对当前查看站点轨道的轨温、轨距、应力应变、轨道形变等监测数据和信息进行实时展示。页面也提供用户自定义时间段的历史监测数据查询，查询结果以折线图、柱状图、表格等多种形式展示，方便用户查看时间段内监测对象状态变化趋势和实时状态值变化情况，同时可以进行监测点位之间的各项参数的对比分析，用户可以自主设定展示的时间区间，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

（4）路基

路基在线监测功能页面由用户点击对应站点路基监测详情跳转打开，用户点击监测项目图标后，系统自动显示当前站点的路基各项监测因子实时数据等信息，并以图表形式结合显示，直观展示站点当前路基状况的监控情况，路基监测系统主要对当前查看站点路基的表面不均匀沉降监测、深部位移监测、深部地层含水率等监测数据和信息进行实时展示。页面也提供用户自定义时间段对路基监控项目数据的历史监测数据查询，查询结果可根据用户选择以折线图、柱状图、表格等多种形式展示，方便用户查看时间段内路基监测项目的状态变化趋势和实时状态值变化情况，同时可以进行路基监测点位之间的各项参数的对比分析，用户可以导出打印所需数据，打印支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

（5）桥梁

桥梁功能页面由用户点击对应站点桥梁监测详情跳转打开，页面主要显示当前查看站点的桥梁监测状态和数据信息。系统页面展示对索力、位移变形、结构温度、环境、动力、应变等项目的实时在线监测数据。用户点击监测项目图标后，系统自动所选站点的桥梁在线监测数据，并以图表形式进行在线实时显示，直观展示当前站点的桥梁实时监控情况。系统也提供历史数据查询功能，用户可按照查询需求，根据年月日对特定时间段历史数据进行区间查询，自定义选择显示时间段分为实时状态值、历史状态值两种方式，以往监测的历史数据、查询数据展示形式也可按照用户需要选择，以折线图、柱状图、表格等多种形式展示。方便用户查看特定时间段内桥梁的状态变化趋势和实时状态值变化情况，同时可以进行桥梁监测项目之间的各项参数的对比分析，系统监测数据也支持打印，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

（6）隧道

隧道功能页面由用户点击对应站点隧道监测详情跳转打开，页面主要显示当前查看站点的隧道监测状态和数据信息。系统页面展示对隧道沉降、隧道收敛、典型裂缝、结构应力、围岩内部渗压等项目的实时在线监测数据。用户点击监测项目图标后，系统自动显示当前站点对隧道在线监测的实时数据等信息，并以图表形式辅助展现，直观展示站点隧道在线监控情况。显示时间段分为实时状态值、历史状态值，用户可自定义选择年月日对特定时间段隧道监测的历史数据进行区间查询；查询数据信息展示方式也可按照用户选择，以折线图、柱状图、表格等多种形式展示。方便用户查看特定时间段内隧道的状态变化趋势和实时状态值变化情况，同时可以进行隧道监测项目之间的各项参数的对比分析，用户可以自主设定展示的时间区间，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

（7）边坡

边坡功能页面由用户点击对应站点边坡监测详情跳转打开，页面主要显示当前查看站点的边坡监测状态和数据信息。系统页面展示对边坡表面位移监测、深部位移监测、边坡土体内部渗压监测、宏观视频监测等项目的实时在线监测数据。户点击监测项目图标后，系统自动显示当前站点的各项监测因子实时数据等信息，并以图表形式显示，直观展示站点边坡的监控情况。用户可按照自定义选择年月日对特定时间段历史数据进行区间查询，并可查询以往监测的历史数据，显示时间段分为实时状态值、历史状态值；查询数据显示形式也可按照用户选择，以折线图、柱状图、表格等多种形式展示，方便用户查看特定时间段内边坡的状态变化趋势和实时状态值变化情况，同时可以进行边坡监测因子之间的各项历史参数的对比分析。监测现场安装的视频监控设备，通过窗口视图直观了解监测站点的周边情况和实时数据，同时可以了解监测设备的实时状况。当数据异常提醒之后，可以通过回传影像资料判断现场情况，当发生不可抗力因素时，同样可以根据影像资料来判定事故详情。用户可以自主设定展示的时间区间，导出打印时支持选用JPG图片、PDF、EXCEL、WORD文档多种格式。

结论：行车固定设备是神朔铁路大系统的主要组成要素，其健康状态直接影响神朔铁路行车安全，对其实行实时状态监测和分析是确保神朔铁路安全生产的必要手段。本文进行了神朔铁路行车固定设备在线监测与分析平台的技术方案设计，对平台研制工作奠定了基础。