THDS检测车联网应用系统优化设计研究

董卓皇， 蒋 荟

(1 中国铁道科学研究院研究生部， 北京 100081；2 中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所， 北京 100081)

车辆轴温智能探测系统(以下简称THDS)利用轨边红外高速探头和智能追踪装置，实时探测运行车辆的轴承温度，进行跟踪报警，是发现车辆热轴故障、防止热切轴、保证铁路运输安全的重要设施之一，是提高运输效率的重要保障。目前全路安装THDS设备6 400余套，为保障THDS设备稳定运行，提高THDS设备的检修维护质量和效率，铁路车辆部门开展了THDS检测车的建设，利用车载检测装置对地面THDS设备的测温精度、探头角度和轴距等进行自动检测和综合评价，及时发现设备存在的问题并及时处置，是提高THDS设备检修维护质量的重要手段，对确保铁路车辆运行安全具有十分重大的意义。

随着THDS检测车系统的推广应用，其功能不足的问题也逐渐显现，在一定程度上影响了系统应用功能的发挥。例如，在既有的检测车系统中，由于没有车地之间数据传输通道，随车工作人员需在检测车甩挂车站后，采用手工拷贝方式将检测车预设温度数据上传到全路联网服务器，数据传输缺乏实时性。此外，原有系统的综合评价标准是依据专家的经验制定的，缺乏科学性和准确性，因此对检测结果的综合评判是准实时性和缺乏科学性的。为了提高THDS检测车系统的应用需求，保证THDS设备的正常使用，亟待对原有THDS检测车系统进行改进和创新。

1 系统需求分析

1.1 总体需求

通过调研分析，结合已发现的问题，制定出THDS检测车优化系统的总体目标为：

(1)能够对检测车检测项目进行管理，修改或删除将要检测的THDS设备信息；

(2)能够按需求设置车上THDS检测单元的预设参数；

(3)能够实现THDS检测车车载系统与地面综合评判系统之间的数据交互，实现预设数据和设备评判结果的互传；

(4)能够准确评价轨边THDS设备的探测精度，及时发现并处置设备异常。

1.2 用户需求

根据检测车动态检查组织单位的类别，可以将检测项目划分为国铁集团和路局两类。国铁集团项目是由国家铁路集团公司每半年组织的、对重要干线轨边THDS设备进行集中动态联检的项目，路局项目是指由铁路局根据实际情况组织开展的、每月或不定期对局管内THDS设备进行动态联检的项目。

本系统的使用用户包括国铁集团级用户和铁路局级用户。

国铁集团用户：指国家铁路集团公司机辆部设备管理人员，THDS检测车系统为国铁集团用户提供国铁集团项目的管理、异常站点审核、检测结果统计分析等功能。

铁路局用户：指路局设备科和检测所人员，THDS检测车系统为设备科用户提供路局项目的管理、异常站点审核、检测结果统计分析等功能。检测所人员负责具体检测项目的执行，THDS检测车系统为检测所用户提供异常站点上报，检测误差分析，值机记录填写等功能。

2 系统设计方案

在对既有THDS检测车系统运用现状和存在问题分析的基础上，针对轨边设备检修流程和实际需求，提出 THDS检测车系统优化改进总体设计方案。THDS检测车联网应用系统是实现检测车车载THDS检测单元和地面THDS设备之间信息实时交互所设计的信息系统，分为THDS车载子系统和THDS地面综合评判子系统。

2.1 系统总体架构

在设计THDS检测车优化改进总体设计方案时，在充分利用已有的铁路车辆运行安全监控联网应用5 T系统的架构和数据传输通道的基础上，构建一条THDS检测车系统的实时传输通道，实时采集车上THDS检测单元的标准载荷数据、时空同步信息和轨边 THDS探测站设备的监测数据。当THDS检测车通过轨边探测站时，车载应用子系统将标准载荷数据和时空同步信息通过移动公网经国铁集团安全平台，通过验证后接入5 T系统服务器；同时，轨边THDS探测站将设备对THDS检测车的监测信息通过综合信息网上传到铁路局、国铁集团的5T系统服务器上。THDS检测车地面综合评判子系统将检测车上传的标准载荷数据与轨边设备上传的监测信息进行整合，依据建立的THDS设备评价模型进行评判，并将评判结果通过安全平台实时返回给车载子系统，及时发现轨边THDS设备存在的检测精度、角度、轴距等问题，以便现场对THDS设备进行维修养护，保证THDS设备稳定运行。THDS检测车联网应用系统的总体框架如图1所示。

2.2 功能设计

在国铁集团5T服务器上部署THDS检测车地面综合评判子系统，为用户提供检测车运行轨迹实时监控、轨边THDS设备评价和信息查询等功能服务；在THDS检测车上部署THDS检测车车载子系统，为车上用户提供标准载荷数据的设定、THDS检测单元运行状态和检测车运行轨迹的综合监控以及地面THDS设备综合评判结果查询等功能服务。这2个子系统功能模块的组成如图2所示。

2.2.1THDS检测车地面子系统功能模块

(1)项目管理：对检测车检测项目进行管理，展示THDS检测的项目、任务和探测站的详细信息，并且可以根据权限对项目、任务和探测站信息进行创建和编辑。

(2)实时监控：根据车载子系统上传的时空同步信息，将检测车的位置信息与检测车即将抵达的探测站信息在系统中展示出来。

图1 THDS检测车联网应用系统总体框架图

图2 THDS检测车联网应用系统功能组成

(3)设备评价：将车载子系统上传的标准载荷信息和轨边THDS设备上传的监测数据进行整合，依据建立的THDS设备评价模型进行评判，实时评价轨边THDS设备的技术状态。

(4)信息查询：根据需求提供对当前THDS检测车的项目进度、轨边THDS设备的历史评判结果和详细检测信息的查询及展示。

(5)异常站点处理：在检测时因各种原因无法参与检测项目的站点称为异常站点，用户可在检测项目开始前对其进行上报和审核。对于国铁集团项目，由铁路局检测所上报异常站点，国铁集团用户审核；对于铁路局项目，由铁路局检测所人员上报，由设备科人员审核。

(6)统计分析：根据系统用户的不同要求，生成各类管理报表。

(7)履历管理：为系统用户提供查询THDS检测车和车载检测单元的履历信息功能，同时可以进行新增、编辑等管理操作。

(8)系统维护：提供对系统的硬件资源、数据资源和网络资源的监控，并且对有关文档进行修改和完善，同时还提供用户功能权限的管理功能。

2.2.2THDS检测车车载子系统功能

(1)检测计划管理：自动接收地面综合评价子系统创建的检测项目，根据实际情况调整轨边监控设备的检测顺序，指导THDS检测单元开机或启动工作。

(2)标准载荷参数设定：用来设置和展示THDS检测单元的标准载荷参数。

(3)综合监控：根据时空同步单元提供的时空同步信息，将THDS检测车的位置信息、运行轨迹和车载THDS检测单元的运行状态在系统中展示出来。

(4)设备评价：将设定的标准载荷数据自动上传至地面综合评价子系统，并从地面综合评价子系统中得到所经过探测站设备的状态评判结果，以表格的形式展示出来。

(5)信息查询：根据需求提供对当前THDS检测车的项目进度、所经过探测站设定的标准载荷信息、THDS设备的历史评判结果和设备监测数据的查询与展示。

3 评判模型设计

当前，比较流行的几种现代综合评价方法有层次分析法(AHP)、数据包络法、模糊判别法、人工神经网络评价法等。鉴于层次分析法采用定性与定量相结合的方法，将复杂系统问题简单化，可处理许多难以量化的实际问题，保证评判结果的科学性和准确性，故将层次分析法作为THDS监测设备状态评判模型的主要分析方法。

3.1 设备评价层次分析模型

根据影响评判结果的技术标准和若干表征设备技术状态的技术参数指标构成THDS设备状态评价体系，构造出THDS监测设备状态3级评价分析模型，如图3所示。

所建立的设备状态评价分析模型一共有3层，顶层的THDS监测设备状态评价结果为目标层。中间的测温精度、探头角度、轴距这3个技术标准所在层为准则层。最下层为对象层，是若干表征设备技术状态的技术参数指标。

3.2 判断矩阵的建立

判断矩阵A=(αij)n×n是以上一层的某一要素作为评价准则对本层要素采用成对比较法进行比较，并且按照1-9标度法进行赋值建立的。文中根据设备管理人员、设备技术专家的专业经验，结合设备检修和评价的实际情况，采用1-9标度法对重要性程度进行赋值，从而建立判断矩阵。

准则层的判断矩阵如表1所示。

图3 THDS设备3级评价分析模型

表1 准则层的判断矩阵

同时，按照上述方法也可求出测温精度B1、探头角度B2和轴距B3这3个技术标准各自的对象层判断矩阵，其中B1的对象层判断矩阵如表2所示。

表2 技术标准B1的对象层判断矩阵

3.3 层次单排序与一致性检验

层次单排序是利用判别矩阵算出本层次中与上一层次某因素之间有关联的因素的重要性权值，其计算步骤如下：

步骤1：将判断矩阵按行求vt

步骤2：归一求权重ωi

判断矩阵是各层次因素之间进行两两比较相对重要性而得来的，由于客观世界的复杂性和人们认识问题的多样性，当n个元素两两比较且没有固定的参照物时，往往会出现违反常识的判断。当违反常识的判断出现时，判断矩阵就不完全一致，为了避免这种情况，则需要进行一致性检验。检验步骤如下：

步骤1：计算判断矩阵C的最大特征值λmax

步骤2：计算一致性指标CI

步骤3：计算随机一致性比率CR

平均随机一致性指标RI的值如表3所示。

表3 平均随机一致性指标

CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重。

该模型准则层判断矩阵的权重及一致性检验如表4所示。

表4 准则层判断矩阵的权重值

同时，按照上述方法也可求出测温精度B1、探头角度B2和轴距B3这3个技术标准各自的对象层判断矩阵权重，其中测温精度B1的对象层判断矩阵权重及一致性检验如表5所示。

表5 B1对象层判断矩阵的权重值

3.4 评价权重的计算和检验

该模型采用层次分析法的目的是方便求出最下层中各因素对最上层的排序权重即综合重要度，从而进行综合评判。

设准则层B层由m个要素B1,B2,B3,…,Bm构成，其对目标层的权重为ω1,ω2,ω3,…,ωm，设对象层C层由n个要素构成，关于其中Bj的相对权重分别为C1j,C2j,…,Cnj，则C层中各因素关于总体的综合权重C1,C2,…,Cn，公式为：

设对象层C层中某些因素对于准则层B层的某个因素Bj单排序的一致性指标为CI(j),(j=1,2,…,m)，相应的平均随机一致性指标是RI(j)，则C层总排序随机一致性比率为：

CI=0，有完全的一致性；CI接近于0，有满意的一致性；CI越大，不一致越严重。

计算后最终得出各因素对设备评价结果层的权重，如表6所示。

表6 因素权重表

3.5 模型实际应用

将设备状态评价总分设为100分，依据建立的THDS设备状态评价模型可得精度标准为60分，角度标准和轴距标准各为20分。

将专家评分标准结果引入基于AHP的设备评分决策模型，可以得到测温精度、探头角度和轴距3个标准的具体评分细则，其中测温精度的评分细则如表7所示。

表7 测温精度评分细则表

4 结束语

此次的优化改进方案中，车载子系统利用移动公网通过国铁集团安全平台、访问5T服务器，从而实现车载测温设定数据的实时上传和设备技术状态评判结果的实时下载，实现了THDS检测车对THDS设备状态的动态监测和综合评判。系统采用层次分析法结合专家经验构建了综合评价模型，保证了评判结果的科学性。该方案已在国铁集团动态联检项目中成功试用，经过实际运用测试，系统功能得到了优化和完善，可以及时发现THDS设备存在的故障隐患，提高了THDS设备检修维护的质量，具有广阔的应用前景。

THDS检测车联网应用系统的优化与设计，有效解决了既有系统存在的设温数据回传不及时，评判结果缺乏科学性等问题，实现了对轨边THDS探测站设备的实时监控和动态检测，为检测车随车人员全面掌握THDS设备技术状态和监测精度提供实时的、有针对性的信息服务支持，大幅提升了设备的检修、维护和管理水平，保证了THDS设备的正常使用，为铁路车辆运行安全奠定了坚实的基础。