鐵路信號設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)平臺的研究

李 斌，陳 姝

(佳訊飛鴻（北京）智能科技研究院有限公司，北京 100044)

1 概述

1.1 信號大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)背景

鐵路信號設(shè)備是指揮列車運行、保證行車安全、提高運輸效率、改善行車組織方式、實現(xiàn)行車指揮現(xiàn)代化的關(guān)鍵設(shè)施，在鐵路運輸生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要的作用。

為提高信號設(shè)備維修管理水平，進一步深化信號設(shè)備維修智能化應(yīng)用，亟需建設(shè)信號大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)信號設(shè)備全壽命周期狀態(tài)管理，建立科學(xué)的分析評價體系，全面掌握信號設(shè)備工作狀態(tài)及運用情況，提高設(shè)備維修維護質(zhì)量，降低鐵路信號運營維護成本，提升信號設(shè)備的運輸安全保障能力。

1.2 鐵路信號設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)現(xiàn)狀分析

伴隨鐵路線網(wǎng)的建設(shè)和逐步完善，鐵路電務(wù)信號系統(tǒng)已經(jīng)逐步建成信號設(shè)備屬性信息、生產(chǎn)管理信息、監(jiān)測檢測信息、故障統(tǒng)計信息等多個信號領(lǐng)域的業(yè)務(wù)系統(tǒng)。各系統(tǒng)生成并積累了海量的數(shù)據(jù)信息，包括：信號設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)信息、設(shè)備故障報警信息以及維修施工作業(yè)記錄等。由于各系統(tǒng)間接口相對獨立，呈“煙囪”式分布，存在設(shè)備間、系統(tǒng)間接口和編碼的標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，專業(yè)間、工種間數(shù)據(jù)利用和共享不充分、數(shù)據(jù)存儲不集中等問題，導(dǎo)致無法建立電務(wù)信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，難以實現(xiàn)對信號設(shè)備設(shè)施進行全方位的狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、分析、評價等，迫切需要對現(xiàn)有信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源進行統(tǒng)一的融合管理，深入挖潛數(shù)據(jù)的價值，建設(shè)統(tǒng)一的信號設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)平臺，為信號設(shè)備設(shè)施運維管理提供多維分析、輔助決策等智能服務(wù)。

1.3 信號大數(shù)據(jù)平臺建設(shè)的必要性及建設(shè)目標(biāo)

2017 年中國鐵路總公司（簡稱“鐵總”）頒布的《鐵路信息化總體規(guī)劃》和《鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用實施方案》均明確提出，鐵路大數(shù)據(jù)應(yīng)用是實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的重要組成部分，是大數(shù)據(jù)理念、方法和技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的重要實踐。對于鐵路電務(wù)專業(yè)來說，構(gòu)建信號大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)電務(wù)專業(yè)數(shù)據(jù)資源的開放共享和開發(fā)利用，運用大數(shù)據(jù)高效處理大體量數(shù)據(jù)及發(fā)揮數(shù)據(jù)挖掘分析的技術(shù)優(yōu)勢，充分發(fā)掘和釋放數(shù)據(jù)資源的潛在價值。對提升鐵路信號專業(yè)管理水平、提高電務(wù)專業(yè)運營維護效率、保障鐵路運輸安全等各方面均具有重要意義。

以信號設(shè)備設(shè)施履歷信息為基礎(chǔ)，通過接入CSM、DMS、列車運行實時檢測、信號動態(tài)檢測、ATP 車載設(shè)備信息管理、器材檢修管理、信號安全生產(chǎn)管理等系統(tǒng)，并綜合采集信號各系統(tǒng)數(shù)據(jù)及施工作業(yè)記錄數(shù)據(jù)，充分利用大數(shù)據(jù)挖掘等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建全路統(tǒng)一的信號大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)融合、開放共享，深化信號設(shè)備設(shè)施運維的智能化，滿足鐵路電務(wù)專業(yè)各級用戶掌握信號設(shè)備全壽命周期狀態(tài)、建立信號設(shè)備狀態(tài)趨勢預(yù)測和分析預(yù)警分析評價體系的需求，提升信號設(shè)備科學(xué)化管理水平、安全風(fēng)險防控能力和運輸安全保障能力。

2 大數(shù)據(jù)平臺總體架構(gòu)

結(jié)合鐵總?cè)沸盘柎髷?shù)據(jù)平臺建設(shè)思路，按照“兩級部署，五級應(yīng)用”架構(gòu)進行設(shè)計。“兩級部署”即鐵總大數(shù)據(jù)平臺和鐵路局大數(shù)據(jù)平臺兩級部署，“五層應(yīng)用”即鐵總、鐵路局、電務(wù)段、車間、班組五級應(yīng)用。

信號大數(shù)據(jù)平臺采用統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、分析與計算框架。按照電務(wù)業(yè)務(wù)應(yīng)用特點，將信號大數(shù)據(jù)平臺分為3 層，即底層的大數(shù)據(jù)采集層、中間的大數(shù)據(jù)服務(wù)層和頂層的大數(shù)據(jù)應(yīng)用層。信號大數(shù)據(jù)平臺總體技術(shù)架構(gòu)如圖1 所示。

2.1 信號大數(shù)據(jù)采集

鐵總及鐵路局級大數(shù)據(jù)平臺均依托鐵路一體化信息集成平臺部署信號大數(shù)據(jù)應(yīng)用；從電務(wù)段級獲取信號設(shè)備技術(shù)履歷信息、集中監(jiān)測信息、器材入所檢修信息、生產(chǎn)調(diào)度作業(yè)信息、維修維護記錄、檢修作業(yè)記錄、故障信息記錄及其他日志/文檔/圖片/視頻類數(shù)據(jù)；從鐵路局獲取列控動態(tài)監(jiān)測信息、列車實時檢測信息、軌道車動態(tài)監(jiān)測信息、列控車載設(shè)備管理信息及其他日志/文檔/圖片類數(shù)據(jù)，以及與信號專業(yè)相關(guān)的其他信息；從鐵總獲取信號動態(tài)檢測、監(jiān)測信息，以及與信號專業(yè)相關(guān)的其他信息。

2.2 信號大數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

鐵總級大數(shù)據(jù)平臺：負責(zé)與鐵總級各系統(tǒng)進行信息交互，接收鐵路局上傳的格式化數(shù)據(jù)，進行分析并形成能夠輔助決策的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，同步將該分析結(jié)果下發(fā)至鐵路局大數(shù)據(jù)應(yīng)用；為鐵總級用戶查詢分析終端提供數(shù)據(jù)查詢、下載、統(tǒng)計、分析、預(yù)測、輔助決策等應(yīng)用服務(wù)。

鐵路局級信號大數(shù)據(jù)平臺：負責(zé)與鐵路局級及電務(wù)段各系統(tǒng)進行信息交互，并實時接收鐵總級大數(shù)據(jù)應(yīng)用的分析結(jié)果，為鐵路局級及下屬各電務(wù)段用戶查詢分析終端提供數(shù)據(jù)查詢、下載、統(tǒng)計、分析等應(yīng)用服務(wù)。

3 信號大數(shù)據(jù)平臺功能設(shè)計

3.1 平臺功能結(jié)構(gòu)

根據(jù)信號設(shè)備大數(shù)據(jù)應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求分析，系統(tǒng)功能設(shè)計包括信號設(shè)備全壽命周期信息管理、技術(shù)狀態(tài)關(guān)聯(lián)分析、報警信息管理統(tǒng)計、故障信息管理統(tǒng)計、設(shè)備信息綜合查詢、信號專業(yè)知識管理、運用質(zhì)量分析評價等主要功能。信號大數(shù)據(jù)平臺功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

3.2 安全方案

為滿足鐵路信號大數(shù)據(jù)平臺安全需求，安全方案體系參照《計算機信息系統(tǒng)安全保護等級劃分準(zhǔn)則》和《信息安全技術(shù)信息系統(tǒng)等級保護安全設(shè)計技術(shù)要求》的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范設(shè)計。

1) 安全防護等級

綜合考慮信號系統(tǒng)在鐵路運輸體系中的作用及信號設(shè)備設(shè)施運維管理的具體要求，根據(jù)《中國鐵路總公司網(wǎng)絡(luò)安全管理辦法》，采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)或業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)訪問控制技術(shù)、用戶身份認證/授權(quán)技術(shù)、數(shù)據(jù)加密技術(shù)，抵御網(wǎng)絡(luò)病毒和攻擊，提升系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的安全可靠性。

2) 平臺安全設(shè)計

在鐵路一體化信息集成平臺安全設(shè)計的基礎(chǔ)上，信號大數(shù)據(jù)平臺操作系統(tǒng)方面的安全設(shè)計需進行安全加固，包括但不限于限制存儲和運算服務(wù)器不必要的訪問端口、加強用戶層級和用戶權(quán)限的管理、采用必要的實時監(jiān)控技術(shù)和管理手段，并定期對操作系統(tǒng)、軟件、應(yīng)用軟件進行安全性檢查和安全加固，關(guān)閉不需要的服務(wù)和端口，杜絕已知的安全漏洞。

圖2 信號大數(shù)據(jù)平臺功能結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Signal big data platform functional structure diagram

3) 應(yīng)用數(shù)據(jù)安全設(shè)計

鐵路信號設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)大數(shù)據(jù)應(yīng)用在一體化集成平臺安全設(shè)計的基礎(chǔ)上，依托系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全機制的保障，對大數(shù)據(jù)平臺業(yè)務(wù)用戶也進行安全防護設(shè)計，包括但不限于用戶認證管理、層級認證管理，數(shù)據(jù)審查等方面的安全設(shè)計。應(yīng)用數(shù)據(jù)安全設(shè)計涵蓋數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層及數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜^程監(jiān)控和管理。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 大數(shù)據(jù)安全防護技術(shù)

1) 數(shù)據(jù)完整性防護

所有數(shù)據(jù)在接口端首先進行存儲和備份，然后進行數(shù)據(jù)傳輸處理，一旦數(shù)據(jù)傳輸失敗，數(shù)據(jù)可被重新獲取進行傳輸。采用通用的數(shù)據(jù)包完整性校驗手段，確保數(shù)據(jù)被完整傳輸。

2) 通信應(yīng)答機制

數(shù)據(jù)傳輸過程中建立通信確認機制，并對數(shù)據(jù)包進行編號，根據(jù)數(shù)據(jù)包編號進行數(shù)據(jù)應(yīng)答交互，一旦數(shù)據(jù)包未得到確認，則該包數(shù)據(jù)將被重新發(fā)送，直到收到確認信息。該通信安全設(shè)計保證了數(shù)據(jù)包的安全傳輸。

3) 數(shù)據(jù)包加密設(shè)計

信號大數(shù)據(jù)平臺必須保證信息的安全，防止系統(tǒng)信息被截取和解析。系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)傳輸前，首先對數(shù)據(jù)包進行加密操作，接收方收到數(shù)據(jù)后必須利用經(jīng)過授權(quán)的解密算法對數(shù)據(jù)進行解析，方能得到完整的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，該安全設(shè)計能夠保證業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的安全性。

4) 數(shù)據(jù)備份策略

信號大數(shù)據(jù)平臺必須建立數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)機制，對重要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、數(shù)倉文件、系統(tǒng)日志文件進行備份，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，通過可靠的數(shù)據(jù)恢復(fù)機制，利用備份數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

4.2 大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘一般是指從大量的信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)中，利用提前設(shè)置的各種綜合指標(biāo)特征，對信號系統(tǒng)生成的特定數(shù)據(jù)，采用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)等手段，通過定制化的機器算法，能夠深層次的挖掘信號系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)以及生產(chǎn)作業(yè)過程記錄等數(shù)據(jù)的特征信息，能夠輔助決策，并能圖形化顯示預(yù)警，報警等應(yīng)用信息。其中使用最多的兩種技術(shù)分別是分類法和關(guān)聯(lián)分析法。

1) 利用分類方法對設(shè)備健康狀況進行多方面評估

分類又稱為細分，是將大量的信號設(shè)備設(shè)施分成不同的類型，同一類型的設(shè)備擁有某些相似的屬性，如基礎(chǔ)屬性資料、檢修維修周期、設(shè)備安全運行時間等。通過信號設(shè)備細分，能夠準(zhǔn)確及時的把握現(xiàn)有設(shè)備設(shè)施的工作和運行狀況，針對不同信號設(shè)備設(shè)施，采用不同的檢修維修方式，保安全，提質(zhì)增效。

2) 利用關(guān)聯(lián)分析方法進行設(shè)備設(shè)施的交叉維修檢測，提高運維安全系數(shù)

利用關(guān)聯(lián)分析方法分析、評估、預(yù)警、預(yù)告信號設(shè)備設(shè)施故障相互的關(guān)聯(lián)關(guān)系，即通過尋找獨立系統(tǒng)或設(shè)備的故障因素，并建立故障預(yù)警、報警模型，對設(shè)備間或者系統(tǒng)級故障做出預(yù)測性分析告警，并對既往故障因素進行關(guān)聯(lián)，從而有效提高運維效率和安全系數(shù)。

4.3 多維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

多維數(shù)據(jù)可視化是指通過一些手段將高維的數(shù)據(jù)展示在二維的平面中。在進行探索性數(shù)據(jù)分析及對聚類或分類問題的驗證中有著重要的應(yīng)用。目前主流可視化技術(shù)包括以下內(nèi)容。

1) 多維直方圖：又稱多維質(zhì)量分布圖，是一種統(tǒng)計報告圖，由一系列高度不等的縱向條紋或線段表示數(shù)據(jù)分布的情況。

2) 盒狀圖：通常顯示數(shù)據(jù)內(nèi)部的變化。

3) 散布圖矩陣：在多變量概率統(tǒng)計中，散布矩陣是用來估計多維正態(tài)分布協(xié)方差的統(tǒng)計量。

4) 等高線圖：適用于連續(xù)屬性是且空間網(wǎng)格測量時。

5) 平行坐標(biāo)：用來繪制高維數(shù)據(jù)的屬性值，采用同一平行軸與垂直軸。

5 結(jié)束語

信號大數(shù)據(jù)平臺的設(shè)計與實現(xiàn)，在整合信號系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)鐵路信號設(shè)備設(shè)施的全生命周期電子履歷管理，提高信號設(shè)備設(shè)施檢修和維護質(zhì)量，推動電務(wù)運維工作模式從“計劃修”向“狀態(tài)修”過渡。后續(xù)工作繼續(xù)深化信號大數(shù)據(jù)分析挖掘與智能化的應(yīng)用，進一步研究電務(wù)專業(yè)需求，并挖掘信號設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)中海量數(shù)據(jù)的潛在價值，完善信號設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)綜合評價模型，實現(xiàn)對信號設(shè)備設(shè)施技術(shù)狀態(tài)的科學(xué)評價，保障鐵路運輸持續(xù)、安全、穩(wěn)定運行。