高鐵車站客運設備智能CPS運維平臺的研究

摘? 要：隨著我國高鐵運營里程不斷增加，各地高鐵車站中的客運設備規模、數量也呈現出了爆炸性的增加趨勢，各種智能客運設備的使用在提升旅客出行幸福感的同時，也給車站客運設備的運維工作帶來了極大的壓力。目前，客運設備運維仍停留在傳統的人工階段。表現為業務流程信息化程度不高、現場作業監控手段匱乏、整體運維效率低下。面對鐵路企業智能化運維手段缺失的問題。本文淺析了在運維工作中使用信息物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems）技術的可能性，通過建立具有CPS技術特征的智能運維平臺，實現設備的統一認證管理、運維人員的動態分配、設備狀態的智能感知、備用資源的調撥共享、維修決策的大數據支撐等功能，助力客運設備運維工作的效率提升與資源優化。

關鍵詞：信息物理系統（CPS）;客運設備;智能運維

中圖分類號：TP274? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0186-03

Abstract：With the continuous increase of high-speed railway operation mileage in China，the scale and quantity of passenger transport equipment in high-speed railway stations around the country are also increasing explosively. The use of various intelligent passenger transport equipment not only improves the happiness of passengers，but also brings great pressure to the operation and maintenance of station passenger transport equipment. At present，the operation and maintenance of passenger transport equipment is still in the traditional manual stage. It is manifested in low level of business process informatization，lack of on-site operation monitoring means and low efficiency of overall operation and maintenance. In the face of the lack of intelligent operation and maintenance means of railway enterprises，this paper analyzes the possibility of using the technology of CPS （Cyber-Physical Systems） in operation and maintenance work. By establishing an intelligent operation and maintenance platform with the technical characteristics of CPS，the unified certification management of equipment，dynamic allocation of operation and maintenance personnel，intelligent perception of equipment status，allocation and sharing of spare resources，and maintenance are realized The big data support and other functions of repair decision-making help to improve the efficiency and optimize resources of operation and maintenance of passenger transport equipment.

Keywords：Cyber-Physical Systems（CPS）;passenger transport equipment;intelligent operation and maintenance

0? 引? 言

新時代，高速鐵路已經發展成了集高新技術應用、跨專業合作、系統龐大的復雜體系，是中國現代化建設史上的重要里程碑。而高鐵車站的客運設備又是保障客運生產運輸組織順利運轉的基礎設備，其重要性不言而喻，這就需要鐵路設備運維企業以智能的設備感知、監控等技術手段去適應鐵路現代化發展的要求，為實現“交通強國”打牢技術基礎。

智能CPS運維平臺的研究從車站客運設備的使用狀況和設備運維業務流程等方面進行分析，從實現保證客運生產組織與旅客服務的閉環管理的角度出發，探討了運用CPS技術使客運設備的狀態數據產生價值的過程。

1? CPS技術的理論體系

與以往的數據倉庫技術不同，CPS對網絡空間與實體空間的相互依賴關系更加看重，具體體現在CPS的智能數據分析技術與設備的連通，即在實體空間與網絡空間之間保證數據實時地流動和網絡空間的構筑。根據CPS的技術特點，其體系架構可分為智能感知層（Smart Connection Level）、數據信息轉換層（Data-to-information Conversion Level）、網絡層（Cyber Level）、認知層（Cognition Level）、配置層（Configuration Level）共五層，即CPS的“5C”技術架構。

2? 智能CPS運維平臺的架構設計

智能CPS運維平臺主要由三部分構建組成：數據展示平臺、底層數據支持系統和健康診斷系統，平臺架構如圖1所示。

集成展示平臺：使用多維的可視化圖形技術，展示設備狀態數據、應用接口層流動數據。

底層數據支撐系統：建立智能高效的數據采集平臺，通過系統接收傳感器上的狀態信息，將信息傳送到數據采集服務器上，可實現對車站各類客運設備運行情況的實時監控。

健康診斷系統：全過程監測和分析設備的健康狀態，通過在系統中集成專業分析模塊實現設備診斷功能，同時，專家系統實現輔助決策，評價系統實現自學習改善。

3? 搭建智能CPS運維平臺的關鍵技術

智能CPS運維平臺采用云計算、物聯網、大數據挖掘、機器學習等技術手段。通過分組、存儲、檢索、加工、變換、仿真實驗等方法，對各類特征故障信號深入挖掘分析，完成對故障信號的智能數據建模，實現對監測數據的實時分析與決策。

3.1? 基于CPS技術的設備狀態監控原理

基于CPS技術的設備狀態監控原理是通過前端傳感器收集各種客運設備的狀態信息進行類比分析的過程。其中狀態信息是指從各種監測信號（如振動、聲學、溫度）當中采集到的可被量化的、可用于判斷設備屬性或狀態的指標。比如：可收集檢票閘機中疊票機構的異常故障機械振動信號，其中不同的異常震動信號頻率可與數據庫中不同故障的包絡譜頻率幅值進行對比。

3.2? 基于CPS技術的設備健康診斷算法

基于CPS技術的設備健康狀態診斷算法是實現設備智能運維中最為關鍵的核心技術。算法利用機器健康分析與設備的機器網絡接口（CPI）進行聯絡，建立如社交網絡般的優勢溝通網絡，一旦基礎設施在網絡層建立，機器就可以使用網絡接口登陸整個網絡實現信息的傳播和交流。同時，還必須構建一個算法對機器的狀態變化進行跟蹤，在海量信息中挖掘可用的增值信息，進行對等比較，并在下一層級中使用上層輸出的信息進行大數據的降噪、增強、組合、分析、歸類等處理手段來生成健康狀態模型，從而提高健康診斷與異常檢測的成功率，對設備實施更成功的健康管理，實現設備安全服役期限內的最大壽命使用。

基于CPS技術的設備健康診斷算法具體表現為兩個維度：數據的完整性和對象數量。兩個維度中又包含四類不同的算法實現，如圖2所示。

3.3? 基于大數據技術的分析與預測方法

首先，對數據進行可用性處理，主要包括六種大數據處理方式：工況分割、數據清洗與平滑、數據質量檢測、數據歸一化、數據樣本平衡、數據分割。

其次，對六種大數據數據處理方式產生的特征數據進行設備的衰退性特征提取，將提取的數據通過基于CPS的故障診斷算法進行大數據的定性和定量分析，實現數據的增值，并將其進行存儲。

最后，利用存儲的歷史數據對設備將來的特征值進行估算，實現預測故障發生時間和分析性能衰退趨勢的功能，從而查找到產生故障的根本原因。

4? 智能CPS運維平臺的遠程實現方案

實現旅服設備、客票設備、暖通設備、照明設備等客運設備的遠程監控是在本地智能CPS運維平臺的基礎上，結合新一代網絡傳輸技術，將運維平臺的數據實時傳遞至監控調度中心，通過系統的數據分析匯總，形成設備運行狀態報告，并將報告信息實時展現給系統管理人員;當設備存在故障，檢測數據異常，系統自動報警，并將報警信息通過APP、短信等渠道推送到不同的業務人員。遠程實現方案如圖3所示。

5? 結? 論

目前鐵路CPS的技術應用仍處于起步階段，但不可否認的是，CPS技術在未來擁有廣闊的發展前景。使用傳統的單元控制方式實現的鐵路信息系統（硬件加軟件）將逐漸被由使用CPS技術（在硬件加軟件的基礎上附帶高速的物聯網）的系統控制方式所代替。CPS的工業大數據挖掘和分析的結果，除了如本文中所述用于建設智能CPS運維平臺外，還可以廣泛應用于鐵路智能車站的系統研發設計、生產高效組織、設備節能環保等方面，以實現鐵路智能車站的智能設計、智能生產組織、智能綠色節能等智能化應用。更為鐵路企業降低運營成本，實施定量風險分析與控制，實現“交通強國”的偉大構想鋪平了道路。

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作者簡介：劉自飛（1991-），男，漢族，重慶人，分中心主任，工程師，學士學位，本科，研究方向：鐵路信息化。