铁路电务设备巡检数据实时显示动态分析系统设计

薛庞祥

（晋能控股煤业集团铁路运营公司塔山铁路分公司，山西 大同 037001）

0 引言

目前，我国重载铁路设计、运行能力位居世界领先地位。2 万t 运煤专用线担负着国家能源保供的任务，为我国经济社会发展发展作出了重要贡献。电务段是铁路系统的重要组成部分，包括信号和通信两类专业，负责管理和维护地面信号机、道岔、轨道电路、计算机联锁和通信设备的正常运行。信号专业承载调度、控制、安全、监测等多种数据的传输。在“新基建”的背景下，以大数据、人工智能为代表的新技术体系成为各行各业的发展新动能。作为大数据体系架构中的“最后一公里”，数据可视化技术在铁路行业有着广阔的应用前景。电务设备巡检数据实时性强、种类复杂，通过运用二维码技术、数据库操作和BI 工具对数据进行整理分析、同步上传、可视化交互展示，使维修人员更方便地处理数据，更有效地利用数据，达到及时发现并处理问题的目的。

1 研究的必要性

铁路行业作为一个历史悠久的传统行业，以往它的发展观念更侧重于通过硬件设施设备的不断更新改造来提高运输生产效率，信息化技术对于铁路企业来说重视度并不高。近年来，随着互联网技术迅速发展，智能化、信息化技术成为了企业发展的强大助力。在这样的背景下，大数据、人工智能等概念在铁路行业开始迅速萌芽、发展。在这个过程中，传统的硬件设备设施与现代化的数据处理方式相结合也是不可缺少的，铁路企业也在不断探索使用更加先进、更加可靠、更经济适用的数据分析系统，来提高综合管理水平，进而提升运输效率。

设备基础信息是否清楚，其运行状态是否良好，关系着铁路运输的安全。比如在设备信息管理、检修记录管理、其他相关信息的统计及查询方面，以往的人工操作、纸质材料管理等方式的效率较低、准确性不高，相关信息的更新与维护处理较为复杂；同时，对于运煤专用线，列车越来越快的运行速度和运煤总量使得铁路安全压力上涨，要实现铁路设备设施的标准化管理要求需要进行的工作量变得越来越多，其中往往还伴随着数据处理不方便、自动化程度低、相关信息的传递阻碍。重载货运铁路的站点多且站线长，轨旁设备的投运时间与使用周期都各有差异，这导致了设备档案的更新，设备巡检保养维修较为不便，如果没有进行科学合理的管理，非常容易发生失修或者超期限运转的现象，这将会引起铁路运输的风险。

如何改进铁路设备巡检数据处理方式，提高数据处理效率，减少非必要费用消耗、降低人力成本、降低安全风险，是铁设备管理中亟待解决的问题。铁路电务设备巡检数据实时显示动态分析系统实现了对巡检数据进行整合分析、即时共享、可视化交互展现，使铁路电务专业人员更直观地分析数据，更有效地利用数据，进而及时发现并处理问题，大大提高设备管理效率和人员利用率。因此，研究和设计铁路电务设备巡检数据实时显示动态分析系统对于提高铁路设备管理效率具有重要意义。

2 相关技术路线研究

为了实现巡检数据的实时显示、动态分析目的，系统应能实现数据的采集、上传、同步、分析和可视化等基本功能。巡检数据来源于巡检人员日常工作中对设备的检修情况记录，过去检修人员通过填写检修记表和运行日志记录数据，传统的纸质资料处理数据效率低下，无法满足铁路信息化建设的要求。

设备运行数据的采集可以通过二维码、手持终端和传感器等方式。二维码和手持终端是一个原理，都需要工人手动输入巡检数据，优点是数据格式不受限制，采集的巡检情况数据内容全面，缺点是必须由工人手动输入。二维码本质上是个信息入口，我们日常生活中常见的二维码一般是指QRcode，它是二维码码制中的一种，由日本DENSO WAVE 公司于1994年发明。目前，二维码应用场景已覆盖到生活的方方面面，使用方便快捷，在设备管理领域应用前景广阔。传感器通过物联网技术对设备运行情况进行实时监控，使用优点是自动采集运行数据，缺点是受传感器类别不同只能采集某一种信息，如温湿度、开关切换位置、设备声光报警等，无法覆盖所有巡检内容。

数据上传、同步可以通过云存储服务器和服务器两种形式实现。云服务器无需提前购买硬件，即可迅速创建或释放任意多台服务器，其管理方式比物理服务器更简单高效。

数据可视化主要旨在借助于图形化手段，清晰有效地传达与沟通信息。数据可视化与信息图形、信息可视化、科学可视化以及统计图形密切相关。当前，在研究、教学和开发领域，数据可视化极为活跃而关键。“数据可视化”这条术语实现了成熟的科学可视化领域与较年轻的信息可视化领域的统一。实现数据可视化的工具一般有三类，分别为报表类、BI 类和编程类。BI 类是专为数据分析而生的，从连接数据到可视化输出是一整套解决方案，应用软件包括Power BI、Fine BI 和百度Sugar BI。百度Sugar BI 是百度智能云旗下产品，基于百度AI 能力，提供各种智能化功能。

3 系统架构

系统共分为三个部分，分别是设备二维码巡检数据采集模块、云服务器数据同步上传模块和数据可视化模块。将设备二维码中的表单数据，通过数据API将存储在云端的海量二维码表单数据连接到百度智能云Sugar 平台上创建数据大屏。项目使用到的主要工具是草料二维码生成器和百度智能云Sugar BI。草料二维码是一家专业的二维码云服务提供商，提供自助式的二维码制作、应用搭建和配套服务。Sugar BI是百度智能云推出的敏捷BI（商业智能）和数据可视化平台，支持各种数据来源，通过拖拽图表组件可实现搭建数据可视化页面，组件丰富，低代码编程。项目研究的关键部分是设备二维码巡检表单创建的和数据模型的创建和直观的数据可视化页面设计工作，系统整体架构如图1 所示。

图1 系统整体架构

3.1 数据采集、同步模块

数据采集、同步模块完成巡检数据电子化转换，这部分为可视化分析模块提供了数据。采集部分基于用户需求，完成二维码表单的创建。

3.1.1 设备二维码生成的设计

基于草料二维码平台制作设备二维码，张贴在设备上。二维码包含两部份内容首页和表单。二维码首页展示设备的名称、设备类型、安装地点、投用时间、设备编号、设备相关技术图纸和资料等信息。表单用来采集巡检数据，制作的表单应包含三部分信息，巡检基础信息、设备运行情况和巡检过程的图片、视频证明材料。

1）巡检基础信息收集巡检人信息、巡检日期和巡检地点，通过日期、地点、扫码人功能组件添加至表单。

2）设备运行情况记录巡检是设备的运行情况，主要收集设备的故障报警信息、《铁路技术管理规程》中规定的设备检修内容，通过文本、下拉列表等功能组件添加至表单。

3）巡检过程的图片、视频证明材料用于反应巡检的真实性，防止偷懒作弊，通过添加图片、视频功能模块添加至表单。

3.1.2 二维码巡检主要过程

1）巡检时工作人员扫描设备上的二维码，判断用户类型、权限。

2）若有相应权限则能查看设备基础信息、填写表单并查看表单历史数据，若无用户权限则只能查看设备基础信息。

3）工作人员填写巡检相关信息，并提交，完成设备巡检。

4）提交后后台管理员收到提交申请，对相关信息确认无误，审核通过。

3.1.3 数据同步模块设计

草料提供了阿里云数据库官方数据库，同步后台的数据,后续可以用数据分析软件连接这个云数据库。数据库版本为Mysql 5.7 版，通过数据API 实现与可视化模块的数据同步。数据库中共包含以下数据表：table_dXX（表单数据表）、base_codeinfo（码的基本信息表）、code_state（码的状态表）、base_auth_msg（填表人信息）、code_state_log（码的状态的更新日志），各数据表之间一些关键信息如code_id（码的唯一标识）、auth_id（填表人唯一标识）、record_id（表单数据唯一标识）实现各表之间数据关联，各数据表与二维码一一对应。

3.2 数据可视化模块

使用百度Sugar 智能数据分析软件，Sugar 里丰富的可视化数据分析组件支持数据分析。可视化分析流程包含以下三个步骤：整理数据、可视化组件设计、分享使用。

3.2.1 整理数据

1）创建数据模型，选择需要连接的数据源，输入数据模型名称。进入到模型编辑页面，页面的左侧会列出数据源中的所有数据表，拖动要分析的数据表至页面中间区域。如这里需要分析设备巡检完成情况，就需code_task_log 这个表，同时关联上base_codeinfo来获取码的详细信息，包括综合巡检结果、值班（巡检）人、记录时间等。

2）有时候需要转换字段的数据类型，在度量和纬度之间转换，转换后能够将字符串类型当成数字类型来处理、计算和展示。如数据表中日期字段为字符串类型，通过设置数据类型转换字符串类型将转换为日期类型。

3）新建计算度量，当需要分析的参数数据表中没有时，使用MySQL 5.X 常用函数输入表达式或表计算，新建计算度量完成分析。

4）添加筛选组件：筛选组件可以查看指定数据的情况。

3.2.2 可视化组件设计

电务信号设备大致分为两类，室内设备和室外设备。

室内设备主要为联锁系统和电源屏，针对联锁系统、电源屏的设备运行数据、设备故障、设备报警信息等综合运维信息进行可视化组件设计。根据数据种类繁多、结构复杂等特点，采用圆角环图与表格组合设计、按时间段查询设计及异常数据报警显示三种可视化方法设计可视化应用组件。圆角环图统计分析各设备总的巡检数据量以及该设备正常、异常数据占比。表格需要详细展示设备的各项运行参数，为了使可视化页面更加简洁，使用“图表下钻”功能显示表格。“图表下转钻”指在点击本图表的某一部分，可以打开一个新的图表或超链接，进而参看与图表此部分相关的详细信息。

室外设备主要为转辙机、信号机、轨道电路三大件。这里主要分析设备的电气特性Ⅰ级测试记录，在数据筛选器内对字段进行筛选，设置阈值，只有电压、电流超出规定标准时才显示该条巡检记录。

对每日扫码量，总计扫码量进行统计。每日扫码量的统计是监督值班人员巡检设备情况的重要手段，通过添加日期范围控件的形式调度人员能够在数据大屏上查询到任意时间段内的巡检情况。

3.2.3 分享使用

分享方式有两种方式，分别为公开分享和IP 白名单访问。公开分享是指对所有的互联网用户开放，用户不需要使用Sugar BI 的账号登录，直接通过您公开分享url 链接地址就能在浏览器上直接访问您开发的Sugar BI 可视化页面，并且没有任何的权限管理，所有用户都可以访问。公开分享有三种模式公开分享、加密公开分享和通过Token 验证。IP 白名单访问是指开启IP 白名单后，发布的大屏仅允许在指定的IP 白名单范围内访问，如果您使用了非白名单IP 访问当前大屏，将被拒绝访问。

4 结语

本文基于二维码技术和可视化工具提出了一套满足铁路电务设备巡检实时显示动态分析需求的解决方案，用于解决传统的硬件设备设施与现代化的数据处理方式相结合的问题。基于本设计能够实现设备巡检数据采集、数据同步上传和数据可视化分析功能。经过测试，系统处理巡检数据速度提高至实时级别（500 ms 以内），数据大屏能够反应各设备巡检情况，极大地提高了设备管理效率和人员利用率。