基于大數據分析的電務安全監控技術體系（8D系統）的研究

鐘衛國

（中國鐵路廣州局集團有限公司電務處，廣州 510080）

1 研究目的

隨著信號集中監測、ATP動態監測、列控安全數據網、ZPW-2000室外監測、道岔缺口綜合監測、電纜在線監測、通信綜合網管等監測設備發展和運用，電務系統各類設備的監測覆蓋范圍更加廣泛，監測數據更加全面，準確性不斷提高，在設備隱患排查、安全風險防范等方面發揮的作用越來越重要。但也存在一些問題和不足，主要是原有監測系統、調度指揮系統有關設備電氣特性、設備存在的缺陷沒有形成綜合監測分析，作業行為缺乏有效監控和統一指揮。

為充分發揮監測監控設備在鐵路安全生產過程中動態監測監控和超前預防作用，進一步整合既有監測資源、優化完善監測功能和手段，構建主要行車設備全覆蓋、關鍵作業過程全覆蓋、安全生產外部環境全覆蓋的電務安全監控技術體系（簡稱8D系統）。

8D系統總體涵蓋“人員管理”、“設備管理”兩大體系，“調度指揮、集中監測、過程盯控”三大功能，八大子系統模塊（8D）。八大子系統模塊如下:

1D:信號設備集中監測系統。包含信號集中監測、列控地面設備監測、安全數據網管、電務綜合監督系統等。

2D:車載設備監測系統。包含ATP動態監測系統（DMS）、LKJ設備運行監測系統（LMD）、機車信號遠程監測、CIR設備監測、GYK設備監測（GMD）。

3D:軌旁設備監測系統。包含道岔缺口綜合監測（含缺口視頻、油壓、油位、溫度、濕度、震動監測）、ZPW-2000室外監測、電纜在線監測、室外箱盒環境監測。

4D:作業卡控系統。包含LKJ版本監測預警系統、LKJ檢測作業質量卡控系統、信號檢修作業監控系統、機械室門禁控制、視頻監控（包含信號機械室、通信綜合、移動單兵視頻監測）、工機具清點卡控及機械室動環監控等。

5D:通信綜合網管系統。包含GSM-R系統網管、數據通信系統網管、傳輸系統網管、調度通信系統網管、數據網流量監測。

6D:通信設備監測系統。包含GSM-R網絡接口監測、光纖監測、動環監測、通信電源在線監測、鐵塔監測。

7D:電務安全生產指揮系統。包含施工盯控、生產調度、故障管理、問題庫管理、監測數據分析、應急處置指揮。

8D:CTC/TDCS查詢及綜合維護系統。

1D、2D、3D、5D、6D實現通信、信號設備的集中監測，4D實現生產作業過程盯控，7D、8D實現生產管理、安全管理、應急處置等調度指揮功能。

2 系統結構

2.1 總體結構

8D系統通過整合和完善既有電務設備的監測監控資源（8個子系統），統一電務設備數據的存儲，統一各子系統數據接口，統一信息處理平臺達到數據信息共享，實現安全生產全程監控、設備故障智能診斷、設備隱患綜合分析評判、應急處置可視化的調度指揮。其系統總體框架如圖1所示。

圖1 電務安全監控體系（8D系統）總體框圖Fig.1 Block diagram of the railway signal & telecom monitoring technology system (8D system)

2.2 邏輯結構

8D系統的邏輯結構如圖2所示，采用5個層次:數據采集層、數據預處理層、數據挖掘層、業務分析層和數據呈現層。

數據采集層:通過各類接口完成各類電務數據的采集、解析和匯總。

數據預處理層:完成對各類電務原始數據的清洗、轉換、標記和索引操作，將原始數據轉換為結構化數據。

數據挖掘層:根據應用功能需求實現對結構化數據的分析，包括聚合、關聯分析、事件提取、模式匹配等操作，形成結果數據；支撐數據業務分析層和數據呈現層的操作。

業務分析層:根據電務業務需要實現對設備的全生命周期管理、應急指揮、設備健康管理、作業盯控、通信信號一體化、車地閉環等各種業務的分析。

數據呈現層:將結果數據以圖形化、關聯性、線路、三維、網絡拓撲、地理空間等方式進行可視化呈現。

2.3 物理及網絡架構

各子系統接入不得影響既有系統的運行，通過各子系統的獨立接口服務器進行接入，通過硬件防火墻實現系統間的隔離，組建系統中心接口局域網。接口交換機接入核心交換機，實現中心局域網與接口局域網互聯互通。相關網絡設備和服務器設備的IP地址統一規劃分配。

其網絡架構如圖3所示。

圖2 電務安全監控體系（8D系統）邏輯結構圖Fig.2 Logical structure diagram of the railway signal & telecom monitoring technology system （8D system）

3 系統的主要功能

1）融合展示。全面集成融合信號設備集中監測、軌旁監測、車載設備監測、通信綜合網管、通信在線監測系統等，采用Hadoop分布式文件系統，為海量數據提供存儲，實現對電務設備數據的全面融合和綜合展示。

2）可視化展示。采用GIS技術，顯示管內所有車站站場的施工（維修）天窗作業，設備健康狀態，設備板卡工作狀態，應急處置的數據關聯、智能定位故障點或范圍，應急線路、應急工具、現場人員、備品備件、技術資料等可視化的展示。

3）全生命周期和資產的管理。系統對設備進行全生命周期管理，從設備的出廠、投入使用、使用環境、使用地點、使用時間與故障率的關系等，從中得出每類設備在不同運用環境下使用時間與設備可用性的關系曲線，根據關系曲線和使用要求獲得最佳性價比的設備最長使用壽命，達到全生命周期管理。通過對設備全生命周期的管理，實現對信號設備全方位的資產管理。

4）設備健康管理。系統結合設備監測到的趨勢變化、設備故障、設備履歷和設備問題庫等信息，經過綜合分析，對設備的“健康狀況”進行評判，當設備處于“亞健康”時，及時提出維修計劃建議。同時，根據系統的趨勢分析進行預判，為決策層提供維護、大更新發行等數據支持。

5）作業（施工）盯控。系統根據批準的天窗數和作業（施工）盯控的計劃，通過智能手持終端對作業（施工）的整個過程實行全面盯控。包括作業前和作業后的工具清點、作業過程是否合規、設備電氣特性是否恢復正常等進行全程的可視化跟蹤盯控。

6）車地閉環分析。系統通過對車載接收和軌道電路發送低頻比對、車載接收和地面應答器報文比對、車載MA和地面區段占用比對、車載MA范圍內有地面禁止信號、RBC發送的MA限速信息與車載ATP接收的MA限速信息一致性比對、軌道電碼化或移頻信息與車載設備信息分析，確定是地面設備還是車載設備故障。如圖4所示。

7）應急輔助功能。設備故障等應急事件發生時，定位故障點或范圍，同時關聯相應的應急線路、應急工具、現場人員、備品備件、技術資料等。在定位故障時，可根據故障處理流程自動定位故障點，當遇到未采集的判斷項時，支持人工測量輸入后，再自動進行故障分支判斷，直至最終定位故障點。

8）通信信號一體化分析。系統通過分析通信傳輸設備信號CTC網絡，通信安全數據網與列控中心、列控中心與鄰站列控中心、列控中心與TSRS、TSRS與RBC、安全數據網與聯鎖設備、聯鎖設備與RBC間的通訊狀態，實現通信信號一體化分析功能，達到定位是通信設備還是信號設備故障的目的。

9）信號子系統間接口分析。系統通過對列控中心、聯鎖系統、軌道電路、RBC系統、TSRS系統、TDCS/CTC系統等信號子系統接口間的關鍵數據進行比對及邏輯分析，實現安全風險提示，校核列車控制各子系統間同源信息的一致性，檢核列車控制各子系統間邏輯關系的一致性，檢查信息在各子系統間流轉的閉環性，實現各子系統接口安全分析。

圖4 車地閉環分析Fig.4 Analysis of train-ground closed loop

4 系統的關鍵技術

1）大數據技術。系統采用Hadoop分布式文件系統（Hadoop Distributed File System）能提供高吞吐量的數據訪問，適合大規模數據集方面的應用，為海量數據提供存儲。

2）網絡安全隔離技術。組建系統中心局域網:中心局域網和各個子網進行連接，避免各信號系統子網單獨的交叉；硬件方面:使用硬件防火墻進行網絡隔離，同時對每個子系統另設專用的接口服務器，從物理上多增加一層隔離；軟件方面:采用數據單向傳輸，系統只接收特定端口收到的數據，不給子系統發送數據，從而大大降低了安全風險。

通過上面的防護措施，不但可以保證8D系統本身的網絡安全，也可以保證其他電務系統不同網絡之間的網絡安全。

3）GIS地圖技術。地理信息系統（Geographic Information Systems，GIS）是多種學科交叉的產物，它以地理空間為基礎，采用地理模型分析方法，實時提供多種空間和動態的地理信息，是一種為地理研究和地理決策服務的計算機技術系統。8D系統采用GIS技術，在GIS地圖上顯示管內所有車站的實際位置，當車站有施工、天窗、應急或者報警時，這些狀態信息能在GIS地圖的車站上反映出來，同時也是展示車站詳細信息的入口，雙擊相應的車站即可查看車站的詳細信息。

4）智能化算法。將數據庫中歷史數據組織在一起，采用多元統計算法對一定組織形式，多種狀態的歷史數據分別進行學習，形成多個統計診斷模型。實時的輸入所有統計診斷模型，并與狀態庫中對應的狀態閾值進行比較，判定該實時數據隸屬于何種狀態以及隸屬該狀態的程度。根據判定的狀態，進行相應的顯示與處理。同時將判定結果和計算的實時數據更新到歷史數據庫中。

5 系統成果前景

1）8D系統研制成功后，形成一個互聯互通、信息共享的統一集成系統，為實現鐵路電務設備技術狀態的精細化管理、全壽命周期管理、大數據分析和狀態評價預警等提供公共平臺。

2）8D系統通過對大數據的分析，利用一些智能化的算法，提前發現設備劣化隱患，實時預警進行維修和更換，減少設備故障的次數；在設備故障時，實時定位故障點，保證了運輸的效率。

3）系統利用大數據分析技術，挖掘電務各子系統數據潛在的價值。不僅關注單個設備的好壞，還從整體上揭示設備運行的一些規律。根據大數據分析揭示的設備運用規律，實行精準維修，拓展電務設備維護的未知領域，大大提高現場的維護水平，大幅度減少維修的投入。提高設備維護的效率和勞動生產力，減輕維護人員的勞動強度。

4）8D系統可滿足各級電務管理人員的實際需求，實現對設備履歷、生產過程、設備質量和應急指揮的管理等功能。具有良好的實用性，系統投入使用后，社會效益顯而易見。

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