高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析框架研究

韓春明，左自輝，張育賓

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路濟南局集團有限公司 臨沂車務段，山東臨沂 276000）

0 引言

聯(lián)調聯(lián)試作為高鐵建設的重要組成部分，對于驗證高鐵是否達到設計標準，以及是否滿足開通運營要求發(fā)揮著重要作用。經(jīng)過多年高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試工程實踐，我國已建立符合高速鐵路建設特點的聯(lián)調聯(lián)試成套技術體系[1]。通過聯(lián)調聯(lián)試，對各系統(tǒng)及接口關系進行測試、檢驗、調試、優(yōu)化以滿足標準要求，為高速鐵路順利開通、安全運行提供技術支撐[2]。

在新的技術發(fā)展時期，從服務高鐵高質量建設發(fā)展的角度，為落實國家大數(shù)據(jù)、人工智能、交通強國等戰(zhàn)略與鐵路運輸深度融合，開展高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析研究，有助于以更高的標準來系統(tǒng)謀劃和部署高鐵聯(lián)調聯(lián)試技術創(chuàng)新，為實現(xiàn)聯(lián)調聯(lián)試智能檢測、無人值守的目標奠定技術基礎，不斷提升我國高速鐵路技術創(chuàng)新水平。

1 高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析需求

開展高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析研究，首先要開展調研，研究當前聯(lián)調聯(lián)試檢測數(shù)據(jù)對大數(shù)據(jù)及智能化分析的應用需求。

1.1 軌道

（1）結合大數(shù)據(jù)深入挖掘軌道結構與輪軌力之間的關系，綜合軌道幾何平順、軌道結構、車輛狀態(tài)等實際因素融合分析，利用時域和頻域復合分析方法，對不同波長軌道不平順的數(shù)據(jù)特征進行分析，研究以不同速度級通過各種典型軌道結構時，動車組動力學響應檢測數(shù)據(jù)變化的特性和趨勢，得出軌道與車輛的力學傳遞規(guī)律。

（2）研究列車交會和隧道通過等工況下受空氣動力作用的影響動車組動力學響應的數(shù)據(jù)特征，以便對動車組動力學響應大值數(shù)據(jù)進行分類識別，更加準確地分析軌道不平順問題。

（3）梳理軌道結構、道岔動力性能等聯(lián)調聯(lián)試和綜合試驗數(shù)據(jù)，開展試驗數(shù)據(jù)橫向挖掘分析，對比試驗列車車型、試驗速度與軌道結構和道岔類型間的關系，揭示高速鐵路軌道、道岔特性在不同速度等級下的動態(tài)變化規(guī)律。

1.2 路基

梳理路基動力性能聯(lián)調聯(lián)試和綜合試驗數(shù)據(jù)，開展試驗數(shù)據(jù)橫向挖掘分析，對比試驗列車車型、試驗速度、路基填筑情況等與路基動荷載、動變形和振動加速度的關系，揭示高速鐵路路基動力性能特性在不同速度等級下的動態(tài)變化規(guī)律。

1.3 橋梁

梳理橋梁專業(yè)聯(lián)調聯(lián)試和綜合試驗數(shù)據(jù)，對比試驗列車車型、試驗速度、橋梁結構型式與橋梁振幅、加速度、應力、撓度等的關系，揭示高速鐵路橋梁動力性能特性在不同速度等級下的動態(tài)變化規(guī)律。

1.4 隧道氣動效應

梳理高速鐵路隧道氣動效應聯(lián)調聯(lián)試和綜合試驗數(shù)據(jù)，研究分析多因素綜合作用下對隧道氣動效應相關參數(shù)的影響，揭示隧道相關參數(shù)在不同因素影響下的變化規(guī)律。

1.5 列車空氣動力學

橫向比較不同速度線路之間不同線間距和隧道斷面對空氣動力學的主要影響，并對相同速度線路、不同隧道長度進行對比研究。分析隧道長度以及不同線路參數(shù)如坡度、曲線對空氣動力學特性的影響。

1.6 牽引供電系統(tǒng)

通過分析高壓側諧波含量和接觸網(wǎng)側諧波含量，研究列車和牽引供電系統(tǒng)運行的匹配問題；結合智能化測試系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)驗證層次化保護動作，記錄自愈重構功能全過程，對智能牽引供電系統(tǒng)故障測距精度、智能化數(shù)據(jù)采集的同步性、網(wǎng)絡報文正確性進行驗證。

1.7 接觸網(wǎng)

對弓網(wǎng)受流參數(shù)與工務軌道檢測參數(shù)開展融合數(shù)據(jù)分析，尤其是軌道不平順對弓網(wǎng)受流參數(shù)的影響程度分析等；利用聯(lián)調聯(lián)試中逐級提速檢測數(shù)據(jù)（主要是具有相關性的接觸線高度和弓網(wǎng)接觸力檢測數(shù)據(jù)），探索數(shù)據(jù)融合分析方法。

2 高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析體系框架

高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試是一個涉及鐵路各系統(tǒng)、各專業(yè)、各環(huán)節(jié)的綜合性、系統(tǒng)化、實時型試驗工程，聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析體系框架由技術體系框架、數(shù)據(jù)體系框架和標準體系框架3部分構成（見圖1）。

圖1 高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析體系框架

2.1 技術體系框架

技術體系框架是高速鐵路智能化數(shù)據(jù)分析體系框架的核心，分為智能檢測、綜合評價、智慧管理等三大領域，可為數(shù)據(jù)體系框架和標準體系框架的制定提供指導。技術體系框架見圖2。

圖2 技術體系框架

2.1.1 智能檢測

智能檢測分為智能化檢測技術和智能系統(tǒng)檢測方法2個方向。

（1）智能化檢測技術。指采用智能設備和智能技術，通過對被測對象的特定參數(shù)進行檢測，準確獲取其表征信息，以對被測對象進行定性判別或定量評判，表現(xiàn)為測試系統(tǒng)廣泛物聯(lián)、測試數(shù)據(jù)5G傳輸、設備位置北斗定位等。

（2）智能系統(tǒng)檢測方法。指針對高速鐵路特定智能系統(tǒng)采用的新技術、新工藝，根據(jù)相關設計規(guī)范及設計文件，制定出相應的測試內容、測試方法和評判標準。

2.1.2 綜合評價

綜合評價分為多專業(yè)綜合評價、全生命周期狀態(tài)評價2個方向。

（1）多專業(yè)綜合評價。結合各專業(yè)測試大數(shù)據(jù)，開展各專業(yè)數(shù)據(jù)的橫向及縱向對比，同時開展軌道、接觸網(wǎng)、隧道、通信等專業(yè)關鍵數(shù)據(jù)的融合分析，建立多專業(yè)綜合評價方法及指標。

（2）全生命周期狀態(tài)評價。指綜合聯(lián)調聯(lián)試及日常運營檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、專家系統(tǒng)等手段，實現(xiàn)基礎設施的故障智能診斷及趨勢變化分析，為基礎設施全生命周期健康管理提供技術支撐。

2.1.3 智慧管理

智慧管理分為檢測流程管理和項目統(tǒng)籌管理。

（1）檢測流程管理。指通過信息化管理平臺，對項目組織情況、試驗進度、測試結果、技術文件等進行可視化管理，實現(xiàn)聯(lián)調聯(lián)試的全過程管理。

（2）項目統(tǒng)籌管理。指將多個項目檢測流程進行歸納，按照精細化管理要求，整合管理資源，實現(xiàn)聯(lián)調聯(lián)試項目的立體化管理。

2.2 數(shù)據(jù)體系框架

數(shù)據(jù)體系框架以檢測數(shù)據(jù)管理為主線，針對技術體系框架中智能檢測、綜合評價、智慧管理等三大領域產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以及其他相關的內外部數(shù)據(jù)，定義了數(shù)據(jù)匯集、整合存儲和應用展示等服務，為技術體系框架提供數(shù)據(jù)驅動，為標準體系框架提供反饋指導。高速鐵路智能化聯(lián)調聯(lián)試數(shù)據(jù)體系框架自底向上分為匯集層、存儲層和應用層[3]（見圖3）。

圖3 數(shù)據(jù)體系框架

（1）匯集層主要用于匯集基礎資料及各專業(yè)檢測產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)，并按照標準數(shù)據(jù)接口進行數(shù)據(jù)預處理。

（2）存儲層基于數(shù)據(jù)服務平臺，將匯集層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行存儲、管理、備份，并對數(shù)據(jù)進行標準化、規(guī)范化處理，同時提供基礎數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)治理等服務。

（3）應用層采用“平臺+應用”的模式，通過接口統(tǒng)一、框架規(guī)范、數(shù)據(jù)共享的大數(shù)據(jù)平臺，圍繞融合分析、綜合評價、全生命周期管理等領域，提供各專業(yè)典型應用的云計算服務，并提供成果展示應用。

2.3 標準體系框架

標準體系框架由通用基礎與管理標準、高速鐵路智能化數(shù)據(jù)分析技術標準、平臺及支撐技術標準構成，為技術體系框架和數(shù)據(jù)體系框架的落地應用提供數(shù)據(jù)、技術、管理等方面的標準支撐。通用基礎與管理標準包含通用基礎標準、管理與服務標準；高速鐵路智能化數(shù)據(jù)分析技術標準包含智能建造標準、智能裝備標準、智能運營標準；平臺及支撐技術標準包含基礎平臺標準、網(wǎng)絡安全標準、數(shù)據(jù)中心標準、支撐技術標準。

3 高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析關鍵技術與發(fā)展模式

3.1 關鍵技術

（1）大數(shù)據(jù)管理技術。制定適用于我國高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試的現(xiàn)場數(shù)據(jù)管理辦法及總體設計和實施方案，包含數(shù)據(jù)系統(tǒng)的功能組成、數(shù)據(jù)框架、技術方案、網(wǎng)絡方案和安全控制等，以滿足高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試現(xiàn)場需求[4]。

（2）智能檢測技術。通過信號自動觸發(fā)、數(shù)據(jù)濾波、褶積和迭代等技術，基本實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動化處理；充分運用云計算、機器學習等技術，達成車上地面數(shù)據(jù)智能處理，提升檢測有效性和準確性，實現(xiàn)測試無人值守。

（3）數(shù)據(jù)分析技術。深度分析軌道、路基、橋梁、隧道、電力牽引供電等聯(lián)調聯(lián)試數(shù)據(jù)，通過試驗數(shù)據(jù)挖掘分析，揭示試驗列車車型、試驗速度與線路基礎設施的關系；將各專業(yè)測試數(shù)據(jù)進行橫向對比，類比檢測數(shù)據(jù)變化的特性和趨勢，形成綜合評判方法。

（4）數(shù)據(jù)傳輸技術。通過物聯(lián)網(wǎng)、5G技術實現(xiàn)車地數(shù)據(jù)實時同步傳輸，通過數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)各專業(yè)聯(lián)調聯(lián)試數(shù)據(jù)統(tǒng)一入庫、存儲、清洗、分析。

（5）線路狀態(tài)追蹤預測技術。綜合聯(lián)調聯(lián)試及日常運營檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，運用數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、專家系統(tǒng)等手段，實現(xiàn)基礎設施的故障智能診斷及趨勢變化分析。

（6）數(shù)據(jù)可視化技術。采用多圖聯(lián)動、BIM+GIS、時空校準等技術，打通綜合檢測領域的數(shù)據(jù)應用壁壘，通過數(shù)據(jù)全視圖，實現(xiàn)聯(lián)調聯(lián)試各測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)互通及可視化[5]。

（7）智能化系統(tǒng)檢測技術。針對高鐵采用的C3+ATO、智能牽引供電、智能綜合視頻、智能客運服務等智能技術，提出智能化系統(tǒng)的測試內容、測試方法、測試場景、測試流程、評判標準等，形成智能化系統(tǒng)檢測方案[6-7]。

3.2 發(fā)展模式

高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析是一個涉及各個專業(yè)的綜合性體系，其發(fā)展進程需要在一個統(tǒng)一的體系架構下合理推進，由信息化檢測向自動化檢測邁進，最終實現(xiàn)智能檢測（見圖4）。

圖4 高速鐵路聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析發(fā)展模式

4 結束語

聯(lián)調聯(lián)試智能化數(shù)據(jù)分析是涵蓋多個系統(tǒng)、多個專業(yè)的一整套檢測評估體系。隨著高速鐵路的智能化發(fā)展，根據(jù)其采用的新技術、新工藝，制定出與智能化發(fā)展相適應的測試內容、測試方法和評判標準，形成智能系統(tǒng)檢測方案；通過開展檢測結果融合分析，建立多專業(yè)綜合評價方法及指標；建立大數(shù)據(jù)分析平臺，實現(xiàn)測試數(shù)據(jù)存儲共享和集成展示。

通過5G、物聯(lián)網(wǎng)、北斗定位、人工智能等技術的深度應用，實現(xiàn)聯(lián)調聯(lián)試數(shù)據(jù)智能診斷分析。通過完善聯(lián)調聯(lián)試數(shù)據(jù)挖掘技術，并采用模式識別、規(guī)律發(fā)現(xiàn)、故障預測和聯(lián)合分析等手段，形成鐵路基礎設施全生命周期狀態(tài)評價，為優(yōu)化基礎設施維修策略提供數(shù)據(jù)支撐，科學指導線路養(yǎng)護維修。