基于SOA的高速铁路电务维修辅助平台设计与实现

刘致乾

(湖南中车时代通信信号有限公司，长沙 410129)

1 概述

国内高速铁路网的快速发展，列车速度随之提高，运营范围不断扩大，西部地区高铁建设也在全面进行。为确保高速铁路运行的安全可靠，对电务部门维护工作质量的要求越来越严格。电务部门面临着管辖设备种类复杂，维修时间有限等方面问题，加之西部地区地理环境恶劣及现场作业信息化程度低，给电务维护工作带来了更多的困难。

目前电务部门维修工作存在以下弊端:1）在电务基础设备维修现场不能对维修的知识和经验进行有效总结，以便后期进行知识共享；2)电务部门难以与现场进行有效沟通，了解现场设备情况，因而无法及时给出相应的处理方法，大大降低维修效率；3)没有统一、集成的平台对维修工作进行管理，从而增加了管理人员的任务量，导致管理效率低下；4) 不能充分对生产作业进行管理和统计分析，使维修费用加大；5）各检测子系统较为分散独立，信息没有充分共享[1]。

对于以上存在的问题和目前电务作业中出现的信息交互困难的情况，以电务维修任务为入手点，选用了面向服务架构 (Service Oriented Architecture，SOA)方法，同时利用知识库和监测数据挖掘等辅助技术，使高速铁路电务维修辅助平台系统能够及时有效地输出维护策略。

2 基于SOA的高速铁路电务维修辅助平台系统架构设计

面向服务架构(SOA)不是一种语言和技术，而是一种设计方法和思想[2]。其思想的表现就是将业务逻辑和功能分解成更小的逻辑和功能单元[3]。高速铁路电务维修辅助平台（简称平台）主要涉及到SOA的两大方面：1）软件即服务（Software as a Service，SaaS），即将各项业务通过软件集成并用Internet提供给客户；2）平台即服务（Platform as a Service，PaaS），即将操作系统和业务服务通过Internet 发送给客户，并为客户提供操作环境，将软件即服务置于基础设施。

平台为了能够更有效地进行组织和管理，需要将有关的功能进行明确定义，并将其准确对应于相关的应用服务程序。段、车间、工区等电务维修调度过程涉及到的生产单位均可看作面向服务的个体。这些个体分别负责各自的职能而形成了不同的分工和团体。在一个维修调度过程中，各项服务是通过这些个体形成的功能单元提供的，因此构成了基于SOA的电务维修体系，如图1所示。从图1中可以看出，这种服务体系是一种分布式的结构，各职能单元形成了既相互关联又相互独立的“松耦合”关系[4]。为替换当前的电务生产体系，平台划分了电务系统传统作业过程，并利用工单等方式将维修调度过程中所涉及的生产单元进行整合处理。

图1 基于SOA的电务维修体系Fig.1 The signaling maintenance system based on SOA

由图1可知，3个不同级别的生产单位在服务体系中既可充当服务请求者，又可充当服务提供者。当上级部门（各铁路局、中国国家铁路集团有限公司）通过企业服务总线（ESB）向下发布作业计划和生产目标时，各生产单位作为服务请求者接受；当上级部门需要了解近期工作进展和生产、管理效率时，各生产单位作为服务提供者汇报。平台利用铁路专用网络保证铁路信息安全。移动手持通过路局内网中的中心服务器，将铁路传输网（SDH/MSTP）与综合管理服务器的相关服务进行快速、稳定的访问与连接[5]，以云共享的方式解决电务系统存在的数据和信息交互困难的问题。

2.1 电务维修辅助平台的硬件组成架构

考虑到平台是基于SOA的电务维修辅助系统，且重点对象是基层生产单位，因此将系统的硬件结构进行分级设置。分别是综合管理服务器、中心服务器、PC客户端、平板/手机客户端、相关维修检测工具等5级，具体架构如图2所示。

图2 电务维修辅助平台的硬件组成框架Fig.2 Framework of the hardware of the auxiliary platform for signaling maintenance

综合管理服务器：设置在电务段，用于集成不同的Web服务，并将维修知识库进行存储。

中心服务器：工作在电务段和车间。通过运行Web-service程序将web服务提供给服务请求者，并在内网防火墙开放一个访问端口，连接移动服务和移动端。

PC客户端：各生产单位中均有设置，用其浏览器实现对中心服务器或综合管理服务器的访问。

平板/手机客户端：作为客户端运行于车间、工区，利用平板、手机等手持机具实现对中心服务器或综合管理服务器的访问。

相关维修检测机具：用于维修作业，并向综合管理服务器实时反馈监测设备采集的信息。

2.2 电务维修辅助平台的各功能模块组成框架

平台开发软件时，选择了移植性强，且安全、高效的JAVA语言，并采用耦合性低、重用性高的MVC的应用服务框架[6]。为了解平台用户对系统功能的需求，在不同电务段进行调查，并对结果进行研究归纳，总结出电务维修辅助平台的需求框架，如图3所示。

图3 电务维修辅助平台的需求框架Fig.3 Framework of the requirements for the auxiliary platform

3 电务维修辅助平台关键技术研究

平台以SOA为设计理念的同时，利用多种技术进行辅助作用，从而实现上文提到的各种功能需求。

3.1 基于维修知识的电务维修知识库辅助技术

对知识进行管理，首先要对知识进行准确表示，即抽取知识的事实、关系及逻辑架构，将知识（如对象及概念等）及其之间的关联用分级或推理规则表示[7]，有利于知识需求者对知识的理解。电务系统的设备维修工作主要分为日常维护、集中检修、临时任务和应急处理等[8]。对上述各工作类别，还要针对其维修作业的不同，进行更为具体的类别划分，而不同分类的作业又有其各自的作业和卡控要求，并对应相应的知识类别。

系统归纳整理了电务维修知识库所包含的工作分类、作业类别、作业要求、知识类别等内容。对于数据库的访问，平台选用适用性较强的JDBC实现，并利用框架表示法对维修知识进行表示，具体如图4所示。

图4 电务维修辅助平台的知识库框架Fig.4 Framework of the knowledge database of the auxiliary platform

3.2 维修现场消息的双向推送技术

高速铁路通常以电务工作人员的巡检工作为依据，通过组织“维修天窗”来对管辖范围内的电务信号设备进行检修、保养等作业，并有专业的负责人对工作进行复检[9]。电务维修现场作业存在以下困难：1）维修人员信息的相互交流不够便捷；2）维修过程出现困难或突发情况时不能有效进行指导；3）不便记录现场作业产生的数据。

为了解决上述困难，平台采用双向推送技术：1）针对现场作业沟通不便的情况，利用数据和图像的方式实现信息的交互；2）针对操作缺乏指导的情况，平台提供查询问题库供用户使用，作业人员也可以通过在线向专家求助的方式来解决技术上的问题；3）针对数据量大不便记录的情况，平台给工具设备配置二维码，从而能够及时记录和在线更新现场作业设备产生的数据。

3.3 监测数据的深度挖掘技术

电务系统管辖的各类信号设备数量很多。以高速铁路为例，其电务设备维护工作由室内设备维护、现场设备维护及车载设备维护3部分组成[10]。为给电务维修作业提供及时有效的辅助，平台需要提前对大量数据进行加工处理，从中提取重要信息以便进行分析。

面对设备状态监测的海量数据，平台设置数据滤波模块对采集的数据进行处理，设置特征提取模块对故障信息进行提取。具体过程如下：利用信号处理技术对数据进行滤波，去除干扰和冗余部分。对过滤后的数据进行特征提取，该阶段包括数据变换、特征选择、特征简约3步骤。通过特征提取，数据获得待验模式与知识库中已有的设备档案进行对比分析，知识库根据分析结果进行特征匹配，从而识别设备当前所处的状态，判断存在的故障并给出处理方法。基本过程如图5所示。

图5 电务维修辅助平台数据挖掘技术方案Fig.5 A technical plan for data mining by the auxiliary platform

4 电务维修辅助平台的应用实例

为检验平台是否可以有效可靠地运行，以兰州铁路局天水电务段为例，测试电务维护系统中集中检修等项目的应用，重点测试第3章节提到的关键技术功能的实现情况。

4.1 维修知识库的使用

维修知识库的建立和使用对系统功能的实现起着重要作用。利用系统创建的工单，如图6所示。在包含维修信息的基础上，将卡控要点也引入其中，从而提高电务维护作业的质量，保证调度过程中作业人员的安全。

图6 电务维修辅助平台工单页面Fig.6 Screenshot of a table of tasks created by the auxiliary platform

4.2 维修现场消息的双向推送的应用

系统配置流服务器来辅助维修人员与后台进行信息交流。用户可以使用移动端通过铁路专网向后台反映现场情况，如图7所示，与管理人员进行沟通和数据交互，从而得到专业的在线指导，有效提高作业效率。为便于以后对作业信息的调用和知识共享，服务器储存作业过程中产生的图片、数据等内容。

图7 电务维修辅助平台作业过程传递的信息Fig.7 The delivery of information by the auxiliary platform in the process of maintenance

4.3 维修统计及数据分析

电务维修辅助系统可以对不同电务设备维修的次数和故障类型进行统计，通过对设备维修数据的挖掘与分析，预测设备故障趋势，并制定相应的检修计划，对潜在故障进行排除，节省维修成本，提高电务系统维护管理的效率。

5 结语

本文以电务维修任务为入手点，介绍一种基于SOA的高速铁路电务维修辅助平台设计。该平台将传统的电务作业体系分解成更小的、相互独立、通过软件保持低耦合度的功能单元，形成分布式的服务体系，能够在高速铁路电务维修任务中快速诊断出轨道电路、信号机等铁路电务基础设备的故障，并实现电务部门与维修现场的双向推送，有效提高电务系统维护的管理效率，节省维修成本。该平台已在中国铁路兰州局集团有限公司天水电务段进行现场测试应用，工程应用效果较好，能够对现场电务维护和管理工作提供有效的指导，为该平台向其他电务段的推广应用提供依据。