客运专线列控系统维护平台架构及关键技术

2013-05-08燕翔周暐江明

铁路通信信号工程技术 2013年1期

燕翔周暐江明

(北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073)

燕翔，男，硕士毕业于清华大学，现供职于北京全路通信信号研究设计院有限公司通用研究院，工程师。主要从事铁路通信信号方面的工作，曾参与十一五国家支撑计划项目“CTCS-3级列控系统综合设计集成平台”并担任子任务负责人，现担任研究设计院“C3综合测评系统”及“基于通用计算机技术的安全平台的关键技术研究”项目负责人。拥有发明专利一项。

我国高速铁路的发展即将从一个时间较为集中的建设阶段进入一个时间跨度较长的运营维护阶段。高铁信号系统技术攻关、关键装备研制、工程集成的需求逐渐减小，设备日常运营维护的需求日益增大。对于铁道部、铁路局、电务段等用户而言，面对短时间内大规模装备的种类繁多、技术含量高的新型信号设备，亟需一种先进的技术装备和与之配套的管理方法，来对这些设备的运营进行有效维护及管理。对于企业而言，随着输出产品的日益增多，亟需一种可靠性强、智能化程度高的技术手段，对产品的运行状态、健康程度进行监控、评估；对产品的维修、更换、升级等给出合理的建议，降低系统性风险，减少传统维护方式带来的人力、物力、财力方面的开销。本文从技术现状及未来发展趋势出发，描绘了客运专线列控系统维护平台的总体架构，分析了构建平台所需研究的关键技术，为将来维护平台的建设提供技术性指导。

1 技术现状及未来发展趋势

目前，面向维护功能的系统有CSM（信号集中监测，2010年定标）、DMS（列控设备动态监测系统，2008年定标）。由于定标及时间的原因，这两个系统从设计、功能上看偏向于监测，维护功能有限，且监测范围有限、深度不够，作为新型列控系统的维护系统来说，存在以下不足。

1）中心设备RBC、TSRS尚未纳入监测范围；

2）车站设备如TCC、CTC站机虽已纳入监测范围，但监测手段是依靠设备自身主动上报运行状态等，缺乏客观性，可信度低；

3）车载设备监测范围不够，针对无线通信的监测功能还比较薄弱；

4）系统级的综合分析、故障诊断功能缺乏，不具备检测系统整体运行状态、预测系统运行趋势的能力；

5）网络化程度低，企业管理者无法随时掌握输出产品的概况，技术人员无法及时了解输出产品的运行情况；

6）智能化程度低，系统设计以“监测”为目标，“维护”手段缺乏，导致系统的维护功能“先天不足”，无法提供具体的维护维修建议。如轨道电路、转辙机、道岔等，监测范围广、深度高，但数据多、信息少，诊断功能缺乏，无法为维护人员提供决策；

7）现有维护方式的成本随着输出产品的增多线性增长，随着时间的推移非线性增长。

综上所述，现有技术手段、维护方式已经无法满足新型信号系统日益增长的维护需求。因此，迫切需要一种能够满足大规模运营维护需求的信号综合运维平台。该平台应具备以下功能。

1）平台应具备全面的监测功能，监测范围能够涵盖高铁信号的所有子系统；

2）平台应具备独立的监控功能，能够以不依赖于设备自身上报状态的方式对其进行监控；

3）平台应具备子系统的故障诊断功能，能够基于独立的监测数据对子系统的运行状态进行分析，对故障状态进行判别；

4）平台应具备系统级的综合分析功能，能够对系统级故障情况进行诊断、对危险趋势进行识别；

5）平台应具备设备管理、软件管理、数据管理功能，能够对在轨产品的运营状态、运行情况、健康状况进行全面监控；

6）平台应具备智能维护功能，能够根据故障现象、异常现象为列控系统用户提供准确的维修建议；

7）平台应具备快速部署及敏捷传送功能，能够在铁道部、铁路局、电务段、企业内部快速部署并实时显示运营维护相关的信息。

2 平台构建目标及平台架构

新型列控系统的维护平台，应实现子系统级、系统级、平台级三个层次的维护功能。各层次实现的目标如图1所示。

其中，子系统级实现独立于子系统本身、具有安全无扰的监测接口的故障诊断系统；系统级实现现场的大列控的系统级运行状态评估、综合故障诊断；平台级实现信号产品全生命周期的管控、智能化维护维修，实现运营维护的网络化、敏捷化。

为实现以上目标，需要构建以运维中心为主体，区域维护中心为支柱，车站维护系统为基础的维护平台结构，如图2所示。

车站维护系统完成车站管辖范围内列控设备的状态监测及子系统级的故障诊断，同时完成车站级维护管理；区域维护中心完成系统级运行状态评估及片区级维护管理；运维中心完成所有在轨产品的运营维护管理。车站维护系统与区域维护中心、区域维护中心与运维中心之间通过高速数据通道传输运维关键数据。

3 平台涉及的关键技术

维护平台兼具分布式系统与集中式系统特征，兼具B/S结构与C/S架构特点，同时需要满足远程传输、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。因此，在维护平台建设之前，需要对其中涉及的关键性技术进行充分、深入的研究，为维护平台的工程实施奠定基础。

3.1 子系统安全监测技术

研究实现各子系统独立、安全监测涉及的各项技术，主要包括：针对具有不同电气特性、接口方式、协议类别的信号设备采用的无扰、抗扰数据采集技术；采集装置小型化技术；采集装置模块化技术。通过上述技术的研究，解决监测数据的可信性、数据采集过程的安全性、数据采集装置的大规模装备等关键问题。

3.2 子系统故障诊断技术

以子系统故障库为基础，研究对子系统实际运行过程中的监测数据与故障库中的故障特征进行模式匹配的方法与技术。研究目的是区分子系统运行过程中的正常状态与故障状态，并且识别故障的类别，实现子系统级别的、不依赖于设备自身上报信息的故障诊断功能。

3.3 数据远程传输技术

研究各子系统监测数据在车站（中继站）与区域维护中心之间、系统综合分析评价数据在区域维护中心与企业（铁道部）维护中心之间进行传输的技术方式及实施方案。研究数据安全传输技术、数据压缩技术、冗余恢复技术。通过技术方式的研究，可以实现运维数据的远程、实时、安全传输；通过实施方案的研究，能够综合评估数据传输通道的一次性建设成本及后期运行成本，为后续的工程化实施提供指导。

3.4 大数据存储技术

研究运维数据在车站（中继站）、区域维护中心、企业（铁道部）维护中心的分布式存储体系；研究运维数据在存储体系内的更新技术；研究运维数据的快速查询检索技术；研究运维数据数据中心的构建方案及冗余备份方案。通过数据存储体系的研究，可以实现大数据的实时、可靠存储；通过数据中心构建方案的研究，能够综合评估数据中心的一次性建设成本及后期运行成本，为后续的工程化实施提供参考。

3.5 异构数据预处理技术

研究对各子系统监测数据进行综合分析、评价前的数据预处理技术，主要包括：数据清理技术，对监测数据进行噪声光滑、离群点识别、缺失值填补等；数据集成技术，将不同协议、格式的监测数据整合成一致的数据结构；数据变化技术，将监测数据转换为适合分析处理的形式，如数据泛化、规范化、属性构造等；数据规约技术，将海量监测数据集用较小的数据集来表示，而不损失信息内容。数据预处理能够剔除大量监测数据中的错误信息、无用信息，甄别出有用信息，缩小数据规模，并且能够将异构数据采用归一化的形式表示，为后续系统级的综合分析评价提供便利。

3.6 系统级数据综合分析技术

研究采用数据挖掘理论与方法中的频繁模式识别、离群点检测、聚类等技术，识别列控系统运行过程中的异常情况；研究列控系统系统级的故障模型，建立系统级故障库；研究采用故障诊断理论与方法中的专家系统、模式识别等技术，分析系统级故障的发生原因、定位故障位置、识别故障类型；研究能够描述列控系统整体运行情况、评估列控系统整体运行状态的参数及指标。通过该项任务的研究，企业管理者、系统用户能够随时掌握系统整体运行状况，系统维护人员能够及时、准确定位故障位置并获知故障类型，大大降低由于未及时发现故障导致的安全风险，显著缩短故障修复时间，减少由于故障维修导致影响正常运营的机率。

3.7 产品全生命周期管理技术

研究采用成熟、先进的信息系统实现产品全生命周期管理的技术；研究根据产品运营情况、运行状态、健康程度实现产品寿命管理的方法和技术。通过该项研究，企业输出产品全生命周期都将纳入管控体系内，企业管理者能够随时掌握所有输出产品的概况，维护人员能够及时了解任意输出产品的运行情况，彻底消灭由于产品管理不善、管控不到位导致的安全风险，使得输出产品状况变得可观、可控。

3.8 智能化维护技术

研究采用人工智能理论与方法中的智能搜索、机器学习、知识获取等技术为故障设备提供维修指导、为处于亚健康状态的设备提供维护建议，实现智能化维护维修。该项研究的目标是构建“故障类型-维修决策”及“健康状况-维护建议”两个知识库，这两个知识库可实时更新，并能从已有解决方案中不断进行学习，实现信号系统智能化维护维修，大大降低人工维护所需的工作量，显著提高维护维修效率。

3.9 信息融合及综合展示技术

研究采用当前流行的多媒体技术，综合运用文本、图形、图像、音频、视频、动画等元素对信号系统运营情况、信号设备运行状态、列车运行情况等进行展现；研究对车站、区域维护中心、企业（铁道部）维护中心等不同层级用户产生不同级别展示视图的技术，包括数据泛化技术、概念分层技术等；研究对管理者、维护人员、技术人员等不同角色用户关注点不同而需要实现的多维度展示技术；研究既有的各子系统监测、CSM、DMS与运维平台进行信息融合的技术与实施方案。该项技术的研究为运维平台提供一个信息展示丰富的、界面友好的用户终端。