铁路GYK智能辅助系统研究

叶 盛，李澜涛，王海翔，杨英华

轨道车作为铁路建设、线路施工、设备检修和抢险等工作的主要机械设备，在铁路运输中发挥着重要作用［1-2］。基于轨道车运用方式机动灵活的特点，通常被配属于工务、供电、工程等单位［3］。依据《铁路技术管理规程》《轨道作业车管理规则》等相关要求规定，在轨道车等具有自运行能力的自轮运转特种设备上，需安装轨道车运行控制设备（GYK）［4-5］。为防止轨道车冒进信号、运行超速，并辅助司机提高操纵能力，GYK自应用以来，在提高运行作业安全和效率中发挥了突出作用［6-7］。

在正常运行过程中，轨道车司机需先通过运行计划确定运行径路，查阅交路示意图后，再确定GYK 的开车信息和径路信息，操作流程繁琐，加之业务水平参差不齐，运行过程中信号确认、呼唤应答、车机联控、机械操作等作业流程占用大部分时间、精力，稍有不慎极易造成错误操作，影响正常运行。同时，轨道车司机对GYK 站名站号表、LKJ基础数据中开车对标点、线路断链里程、长大上下坡道、特殊信号机等重要项点的获取也存在一定难度，且极易出错。目前全路范围内的轨道车运用单位在GYK 作业标准卡控、业务素质提升上，还是以日常培训为主，缺乏很好的科技手段。因此研制GYK智能辅助系统势在必行。

1 设计原则

为达到简化轨道车司机GYK 操作流程、熟悉现场设备、规范资料管理等目的，以10 英寸安卓系统手持专用pad 为终端载体，利用计算机智能算法、可视化技术、北斗定位等，研发一套铁路GYK 智能辅助系统，以提高轨道车的行车安全性。系统设计原则如下。

1）遵循“现场导向，结果导向”的原则，为解决GYK 设备容易错误操作，采用路径导航来提高GYK的易用性。

2）选取当前先进技术和方法，同时兼顾成熟程度，优选基于TinkerPop 框架的JanusGraph 图形数据库。JanusGraph是一个高度可扩展的分布式图数据库，专门用于存储和查询包含数千亿个分布在多机群集中的极点和边缘的图形，可支持数千个并发用户实时执行复杂的图遍历。而TinkerPop 则是基于联机事务处理过程，以及联机分析处理的开源图计算框架，可以应用于不同图形数据库的抽象层，避免应用程序与特定数据库高度依赖；通过提供标准的图数据模型和图处理接口，使JanusGraph可以遍历语言进行图数据操作和分析；通过图结构表达和计算站点与路线之间的关系，确保路径遍历的准确性。

3）为更好地提升系统和设备的协同能力，以及将来系统不断扩展的功能需求，优先选用通用数据库管理平台，制定铁路信息化应用数据格式，开发统一标准的数据接口。在提升系统数据处理和交换能力的同时，也便于数据共享和集成。

4）在考虑系统技术、经济、开放和规范的同时，统筹考虑系统架构、设备能力、技术支持、安全性能等，充分运用数据访问权限、安全机制等手段，为系统提供更加安全和稳定的保障，提高平均无故障时间。

2 系统架构

GYK 智能辅助系统选择兼容多平台的JAVA语言进行底层设计，运用典型的“模型-视图-控制器”模式（Java MVC）和JAVA 平台企业版架构。按照逻辑关系，应用框架划分为领域层、应用层、数据分析层和表现层［8-9］，见图1。

图1 系统架构设计

1）领域层。作为应用程序的核心，负责实现业务规则和逻辑，包括业务规则验证、数据处理和状态管理等。内含与业务相关的实体、值对象、服务和领域事件等，用于描述和处理业务过程。

2）应用层。负责协调领域层中的业务逻辑，根据系统职能划分为业务应用服务和基础应用服务。其中，业务应用服务提供径路查询、径路导航、辅助运行等功能；基础应用服务则提供如日志、缓存、认证等基本的系统通用服务。

3）数据分析层。负责数据的存储、同步、缓存、备份、访问和处理。采用JanusGraph 图形数据库引擎进行数据库存储，实现数据的持久化；利用Hadoop 进行图形分析和批处理，提高图计算的效率；使用数据传输对象（Data Transfer Object，DTO）简化数据传输过程，减少网络开销［10］。

4）表现层。负责处理使用者与业务逻辑的交互，发送请求及传输数据。选用Vue前端框架提供数据接口、可视化界面和数据展示等，并基于Vue组件化的开发特性，提高代码的复用率，使整体编码简洁，运行效率高［11］。

3 功能实现

通过采集汇总列车基础数据、北斗高精定位数据和列车径路数据等，首先对管辖范围内运行径路、车站信息和区间线路基础数据等进行预设；再参照《列车操纵示意图》绘制导航路线，结合计划同步司机手动数据及列车实时数据，综合判断业务场景，为司机提供导航提示，实现行车径路展示、语音播报、非正常应急指导、行车路线记录等功能。此外，结合轨道车运行中复杂的现场作业场景，以及司机作业要点、难点等，有针对性地对GYK智能辅助系统进行功能扩充，丰富行车提示及预警功能。

3.1 径路查询

系统通过北斗定位数据确定轨道车实时位置，将获取到的径路信息和GYK 数据信息进行比对，运用AI 智能算法自动生成运行径路，从而实现径路导航功能。

以济南工务段为例，该段管辖范围包括76 个车站（含线路所），通过建立261 个站站关系模型，采用AI 算法可自动生成21 432 条运行径路，见图2。通过点选始发、终到车站，可以实现相应调车作业指导图查看功能。

图2 GYK走行径路

查询流程：初始化车站和线路组成的图对象（graph）→根据图对象遍历找到始发站ID→继续遍历始发站所在行别的车站→依次遍历包含终到站前所有的车站或车站总数，确保径路中不包含重复车站→输出符合条件所有径路的车站名→结束遍历→关闭图对象。

JanusGraph作为图形数据库引擎，为数据持久性、数据索引、客户端访问提供强大的模块化接口，可以扩展图数据的处理，支持实时图遍历和分析查询。为有效运用JanusGraph图形数据库，需要构建一套快速查询访问的图数据结构，从而实现径路导航的快速响应。

图数据结构一般使用邻接矩阵、邻接表、十字链表、邻接多重表等方式，各有优缺点和适用范围。邻接表是一种将图表示为链表数组的方式，若表头节点所对应的顶点存在相邻顶点，则把相邻顶点依次存放于表头节点所指向的单向链表中，用一个存储顶点的节点数据结构和一个组织节点的图数据结构来实现。根据GYK走行径路图顶点和边之间的对应关系，为减少存储空间的浪费，系统采用邻接表的存储结构存储顶点集合，以顶点和边搭建“属性图”数据模型，以“图”的方式把定义的顶点间的关系存储起来［12］。

以图3 为例，查找始发站为于官屯站至终到站禹城站的导航路径。以于官屯站作为当前节点，访问节点于官屯站的邻接点。从邻接表中可以看出，与于官屯站相邻的第1个节点是黄河涯站和德州站，因德州站下属邻接点无法访问到禹城站，将其作为无效节点以“Λ”表示结束，同时将黄河涯站作为有效节点，并将于官屯站的链域值修改成黄河涯站的链域值。在邻接表中，与黄河涯站相邻且未被访问的第1 个节点是三唐站和丁庄站，同样丁庄站为无效节点，而三唐站为有效节点，随即修改黄河涯站的链域值。而与三唐站相邻的未被访问的第1 个节点是平原站，则将平原站作为当前节点，同时修改三唐站的链域值。以此类推，与张庄站相邻的节点是禹城站，同时判断禹城站为终节点，则结束整个遍历。最后，得到导航路径：于官屯—黄河涯—三唐—平原—张庄—禹城，与实际径路相符。

图3 于官屯-禹城站图及对应邻接表

选取车站数据作为顶点（Vertex）、车站的站界（一般为进站信号机位置）里程数据作为边（Edge），由于铁路线路分为上下行，因此里程数据区分为有向边。其中，车站数据（Vertex_Station）中包含始发站信息、终到站信息、交路号、上/下行进站信号机信息（含反向进站信号机）、上/下行出站信号机信息、上/下行对标公里标等属性；线路数据（Edge_Line）中包含站名、站号、线名、行别、支线号选择、线路起讫里程等属性［13］，见图4。图数据库中依次插入顶点（车站数据）和边（线路数据），通过线路数据中车站间对应的车站号，确立2个顶点和一条边的关系，将Vertex集合、Edge集合合并成“图”，实现快速遍历查找和数据存储。

图4 顶点（Vertex）和边（Edge）的数据域

3.2 径路导航

1）模拟导航。在走行径路列表中选择径路后，进入走行径路详情界面，包括开车信息（行别、交路号、站号、出站公里标、对标点）、行车信息（途经车站、支线转移操作、特殊信号机、长大坡道、道口）、车站详情（调车作业指导图、车站配线图）等。点击“模拟导航”，系统自动播报走行径路中的行车信息（支线转移操作、特殊信号机、长大坡道、道口等）；点击“停止导航”，则导航结束。

2）实时导航。通过北斗定位确定轨道车当前位置，根据轨道车司机操作特点及要求，进行行车提示及预警，实现铁路行车在线实时导航，将安全风险控制关口前移，做到事前预警，事中干预。点击“实时导航”，系统会根据北斗定位，实时获取设备位置，导引界面见图5。

图5 GYK行车导引界面

在行车过程中，径路导航可以实现如下功能：①直观展示作业过程中该轨道车的车号、车次、线路及行别、实时里程位置、所在区间、各信号机位置，以及运行途中桥隧、实际纵断面等信息；②根据轨道车实时速度、线路基础数据、地面信号信息及预设逻辑，对轨道车运行速度进行监控，接近或超速时，进行语音提示；③根据轨道车运行计划、实时位置及预设逻辑，在发车后首架信号机、整公里标处，提示对标操作；④根据轨道车实时位置及预设逻辑，在接近预告信号机前，提示对标操作；⑤根据轨道车实时位置及预设逻辑，在接近右侧信号机、长大上下坡道、道口、隧道、桥梁等特殊线路位置时，进行语音提示。

3.3 辅助运行

轨道车开车前，司机通过操作智能辅助驾驶终端，确定始发站、终到站后，即可完成翻阅走行径路图、确定行车参数、选定对标地点等多项操作。轨道车运行过程中，通过北斗定位技术，确定当前位置，实时对运行径路中的重点、难点信息进行提示，极大缩短GYK 操作时间，降低错误概率，提高现场设备熟悉程度，确保轨道车的运用安全。

1）轨道车智能定位。通过定位信息实时获取当前所处车站，同步运行计划或人工录入径路，智能识别始发站、发车方向、途经径路、转线车站等信息。在行车过程中，根据列车实时位置，绘制当前线路的坡度、桥梁、隧道、断链、道岔、曲线、道口等信息，向司机进行可视化展示，辅助掌握前方线路信息。地面设置维护管理终端，支持按照线路、行别及公里标等信息预设轨道车司机操作重点、难点事项，创建后可同步至pad，在达到指定位置时按规则进行提示。

2）辅助录入开车信息。通过预置逻辑及数据库数据，结合运行计划信息，在获取当前所处始发站时，弹窗提示GYK所需的车次、交路、车站号、公里标信息，辅助司机操作，简化操作流程。在遇到问题时，可以通过电子资料快速匹配查询功能，根据轨道车车型，定位相应故障处置手册，通过规章代码或场景搜索便捷查询处置方案，实现司机对每一步操作流程的详细查阅。

3）智能判别支线操作。后台支持提前导入车站的对标点信息，系统可自动解析径路中每个车站对应的行别、交路号、站号及出站公里标，根据基础数据解析匹配，提取对应的线路基础信息及支线操作信息。通过轨道车实时定位、作业计划及轨道车径路信息，在轨道车接近转线车站前方预告信号机前，弹窗提示前方线路切换情况，需注意支线操作，并提示支线号或相关交路及车站号注册信息等，确保GYK数据调用无误。

4 结论

GYK 智能辅助系统能够在充分利用各类数据，在不添加任何工作量的情况下，规范基础管理，降低行车风险，确保轨道车安全运行。目前，该系统已在济南局集团公司济南工务段管内试用。实践证明其里程定位精准，系统运行稳定可靠，提示及预警信息准确，界面清晰，符合设计要求。下一步，根据轨道车司机操作特点及要求，以及相关技术、管理人员的意见建议，不断丰富行车提示及预警功能，完善系统性能，提高轨道车的行车安全性。