基于工程设计的铁路信号三维智能运维方案探讨

武长海，肖锦绣

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

1 概述

目前的铁路信号工程设计以基于CAD 的辅助设计软件为主，二维设计成果主要用于工程施工，与运维相关的应用甚少；面向三维的正向设计也在部分设计院进行开发，具备了进一步应用的条件。

同时，信号智能运维系统的发展尚未成熟，面向具体功能的智能运维产品相对独立，系统级信号智能运维平台也有个别铁路局应用，但智能运维平台包含的功能、结构不尽相同；除了智能运维平台之外，还有各种面向具体应用的智能运维产品，比如：机器人智能巡检、电缆监测、电池均衡监测和防雷接地综合监测系统等；在运维管理方面，有作业管理、工器具管理等系统，存在标准不一、数据共享不足、智能化水平不足等问题。

工程设计是工程的源头之一，设计成果涵盖了信号各子系统，成果包含丰富的数据、电路和接口等，三维设计中还包含丰富的设备三维数字模型。这些电路、数据、模型等可以通过系统级的接口直接转化为运营单位维护所需，通过面向运维功能的开发，实现从设计成果到施工、运维的信号系统全周期应用；在这个意义上说，基于工程设计的智能运维系统具有先天的电路、数据源头优势，同步结合三维数字模型实现可视化应用，开发一套基于工程设计的智能运维平台是有现实意义和需求的，符合新时代交通强国铁路先行规划纲要及信号系统的发展要求。

2 需求分析

信号系统运维主要包括系统设备运维（分室内、室外）和运维管理两方面：室内运维方面已有的技术包括室内防雷接地综合监测、机器人巡检、室内设备标识、电源智能监控、环境监控和视频监控等；室外运维方面已有的技术包括信号电缆智能监测、箱盒智能监测等，在研的技术包括室外设备接地监测、不平衡牵引电流监测等；运维管理方面包括智能作业管理、工器具管理、备品/备件智能管理、技术资料管理、系统履历管理等。这些运维技术存在系统功能单一、缺乏数据共享、信息来源不同、展示形式不统一、标准不统一等诸多问题，不利于信号运维的智能化、数字化升级。

1）集中配置维护终端需求

目前运维产品单独配置数据、系统孤立、终端分散，在电务段调度指挥中心、车间级电务监测分析室等均配置了数量众多的监测终端，相应也需较多的监测维护人员，有必要减少维护终端的设置，集中化配置维护终端和人员，实现减员增效的目标。

2）架构统一互通的需求

部分智能监测系统与信号集中监测系统进行了系统接口，但多数智能监测系统仍独立终端、独立应用。一方面信号集中监测系统以信号运营设备的监测和报警为主，相关各类智能监测系统的监测对象、范围各异，在信号集中监测系统中仅以简单的报警、预警展示为主，信号集中监测系统不宜开发为包罗万象的“巨无霸”，系统本身没有深入开发相关应用的内生动力；各类智能监测设备有必要建立统一的运维平台，与信号集中监测系统互联互动，在数据、模型互联互动的基础上，围绕各类数据资源深入开发相关运维功能；以工程设计为源头开发智能运维平台还具有数据资源来源统一、信息全面等优势。

3）平台化可视化需求

无论是信号集中监测还是其他各智能监测系统，均以系统的报警、预警等功能为主，一般在二维界面展示，展示形式以曲线、文字、数字等为主，不直观；出现故障后的设备定位不直接，不利于快速识别故障点，不利于故障快速定位、处置；采取三维可视化的方式，在报警、预警等发生时，可在三维的系统结构图中直接定位具体设备。

本文研究基于信号设计的三维智能运维平台集成方案，平台具有数字化、平台化的特征，平台包括工程设计数据和可配置的各类运维数据，具备与相关运维应用系统接口实现信息化、数字化、智能化乃至联动控制的基础；提出基于工程设计的三维智能运维平台总体技术方案，为形成数据共享、系统互联、接口标准、界面友好的智能运维平台提供技术支撑，包括系统架构、主要功能、系统接口原则、主要设备配置原则和系统性能要求等。

3 技术方案

3.1 系统总体架构

系统架构为“三级三层”结构，“三级”为国铁集团级、局集团公司级、站段级，“三层”为国铁集团层子平台、局集团公司/电务段层子平台、车站层子平台。国铁集团层子平台为远期预留，局集团公司/电务段层子平台包含运维平台和中心设备（存储、计算、网络设备），车站层子平台包含运维子平台和车站设备。系统通过统一接口与室内、室外、管理相关智能运维子系统建立关联。系统架构如图1 所示。

图1 系统总体架构Fig.1 Overall system architecture

3.2 系统主要功能

目前阶段运维平台主要由成果查看、信息查询、资产管理、临修报警、运维扩展、应急辅助和终端管理几大部分组成；随着信号集中监测、智能监测类其他系统的接口，有待开发新的功能，例如系统数字孪生类应用、故障三维回放和故障注入类仿真等功能。平台功能框架如图2 所示。

图2 系统功能架构Fig.2 System function architecture

3.3 智能运维平台与工程设计的关系

基于三维的可视化工程设计可以与智能运维平台集成为统一平台，实现全产业链的数据共享，设计平台为运维平台提供设计模型、数据，向其传递设计源头数据；运维平台在使用过程中能进一步检验设计成果的准确性，同时在站场改造、大修更新时为工程设计提供准确的现场数据，如图3 所示。

图3 设计平台和运维平台关系Fig.3 Relationship between design platform and O&M platform

3.4 系统接口原则

1）接口形式

智能运维平台与信号集中监测系统、相关智能监测系统间接口宜使用串口通信，在保证网络安全的前提下也可以采用网口通信；各类监测系统的相关设备报警、预警信息可以传递至运维平台集中统一显示，并在三维系统中高亮显示。

2）接口地点和主要内容

为保证信息的实时性，智能运维平台与信号集中监测、室内监测、室外监测等监测类设备在车站级实现接口，保证各类采集信息第一时间同步至运维平台；运维平台电务段中心与车站子系统间实时传递相关的室内外各类设备报警、预警、状态等信息；电务段中心级智能运维平台与相关管理类维护子系统间在中心接口，实现中心统一的数据分析、资产管理、人员管理等综合管理功能。

3.5 主要设备配置原则

段中心系统：主要配置数据库服务器、应用服务器、通信接口服务器、局域网和网络安全设备等。

车站子系统：主要配置车站工作站和终端、网络安全设备等，车站子系统需要配置带三维引擎的硬件。

网络子系统:中心系统与车站子系统间通过提供的专用数字网实现通信，实现流畅调阅车站三维模型等，系统通道带宽宜100 M 级。

段调度指挥中心、车间、工区等地点配置系统应用终端；同时，结合情况在满足网络安全的前提下也可以配置手持终端（APP），手持端以离线或在线方式更新数据。

系统物理结构示意如图4 所示。

图4 系统物理架构示意Fig.4 Schematic diagram of system physical architecture

3.6 系统集成应用举例

目前，系统已经完成初步的开发，并在个别项目进行试点应用，系统界面如图5 所示。

图5 系统界面Fig.5 System interface

1）设备信息查询

点击场景中的三维模型，可以查看设备模型的属性信息，包含设备名称、型号、尺寸信息、设备信息和生产厂家等，如图6 所示。

图6 设备信息查询Fig.6 Equipment information query

2）电缆信息查询

侧面配线查询：输入电缆其中一端的端子名称，能够查询到电缆另一端的端子名称。与此同时，电缆路径和两端的机柜高亮显示，如图7 所示。

图7 电缆信息查询Fig.7 Cable information query

内部配线查询：用户直接点击内部配线端子，能够显示另一端的端子名称、电缆类型等信息。

3）电路应急辅助

用户直接点击相应设备或者查询相应设备，设备高亮显示，同时右侧列表显示设备的相关电路图纸和使用说明书，如图8 所示。

图8 电路应急辅助Fig.8 Circuit emergency assistance

4）图纸信息查询

用户直接点击相应设备或者查询相应设备，设备高亮显示，同时右侧列表显示设备的相关电路图纸。

5）设备临修报警

针对快到临修期的设备自动进行报警提示。

根据临修期的不同，将信号设备分类显示，用户能够根据需要查看相应设备的临修期、上一次巡检时间和下一次巡检时间，如图9 所示。

图9 设备临修报警Fig.9 Equipment provisional repair alarm

6）资产管理

通过列表形式展示信号设备台账，同时提供设备信息查询、导出和更新等功能，如图10 所示。

图10 资产管理Fig.10 Asset management

7）运维扩展

与其他智能监测系统接口实现与其他系统的互联互通，如图11 所示。

图11 运维扩展Fig.11 Operation and maintenance expansion

4 小结

工程设计是整个铁路信号工程的源头，以此为基础以三维模型为手段开展智能运维平台的研究，具有数据来源唯一、设备可视化的特点，可实现工程设计、施工、运维全生命周期的应用；目前已研究完成运维平台的初步架构和开发工作，随着试点应用经验的积累，不断固化应用需求，后续将不断开发完善与信号集中监测系统、室内外各监测系统的接口，开发完善系统的运维功能，真正为信号系统运维提供方便、直观的运维手段，解决系统运维存在的问题和难点，实现信号运维智能化、数字化，达到信号系统维修由计划修、状态修向预防性维修迈进的目标。