鐵路車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統關鍵技術研究*

祁苗苗，蔣 薈，肖 齊，王華偉

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京100081；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081）

目前車輛運行安全監控系統設備（以下簡稱5T 設備）全路聯網應用7 711 套，其中車輛軸溫智能探測系統［1］（Train Hotbox Detection System，以下簡稱THDS 系統）設備6 656 套、鐵道車輛運行品質軌 旁 動 態 監 測 系 統［1］（Train Performance Detection System，以下簡稱TPDS）設備140 套、鐵道車輛滾動軸承故障軌旁聲學診斷系統［1］（Train Acoustic Detection System，以下簡稱TADS）設備93 套、貨車故障軌旁圖像檢測系統［1］（Train of Freight Failures Detection System，以下簡稱TFDS）設備419 套、動車組運行故障動態圖像檢測系統［1］（Trouble of Moving EMU Detection System，以下簡稱TEDS）設備154 套、客 車 故 障 軌 邊 圖 像 檢 測 系 統［1］（Train Coach Machine Vision Detection System，以下簡稱TVDS）設備249 套，為保障鐵路車輛運行安全發揮了重要作用。5T 設備的可靠、穩定運行和及時維修與檢定是5T 系統發揮安全保障作用的基礎，當前且尚未建立統一的5T 設備監控、評價、管理標準，缺乏運行狀態遠程監控技術手段，無法實現設備運行狀態綜合評判，因此，迫切需要建設車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統，制定統一的數據接口標準，接入各類5T 設備履歷信息、運行狀態信息等，實現全路5T 設備履歷集中管理、運行狀態遠程監控、故障分析閉環管理，為各級設備管理及運維人員提供技術支持，及時發現并處置5T 設備故障，充分發揮車輛運行安全監控系統安全保障作用。

1 總體方案

1.1 總體架構

車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統在國鐵集團、鐵路局集團公司兩級部署，實現國鐵集團、鐵路局集團公司、車輛（動車）段三級應用如圖1所示，系統依托物聯網、Webservice 服務、應用集成、數據融合、GIS 平臺、MQ 數據傳輸中間件等技術，利用5T 系統數據傳輸網絡，實時接入各類5T設備自檢信息以及5T 系統服務器狀態信息進行統一管理、集中展示和綜合分析，實現全路5T 設備履歷集中管理、運行狀態遠程監控、故障分析閉環管理，為5T 設備管理及運維人員提供專業的輔助決策支撐［2］。

圖1 系統總體架構

1.2 系統功能框架

根據應用需求，車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統由國鐵集團、鐵路局集團公司、車輛（動車）段級三級構成，系統總體功能架構如圖2 所示。其中車輛（動車）段級系統主要負責實時監控5T 設備運行狀態、故障預警處置反饋以及5T 設備履歷維護，鐵路局集團公司級系統主要負責局管內5T 設備運用質量管理評價、故障閉環處置管理、重點督辦工作檢查，國鐵集團級系統主要負責全路5T 設備運用質量管理評價、故障閉環處置管理、重點工作督辦。

圖2 車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統功能框架

1.3 數據接口方案

車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統通過建立統一的接口標準規范，利用數據庫共享、Webservice 服 務 等 方 式 與THDS、TPDS、TADS、TFDS、TEDS、TVDS、TCDS 等系統進行信息共享與交換。交互信息類型包括設備實時狀態信息見表1、設備履歷信息見表2、日常統計信息見表3。

表1 實時狀態信息接口

表2 設備履歷信息接口

表3 日常統計信息接口

2 關鍵技術

2.1 設備狀態遠程監控

5T 設備存在檢修維護工作量大、上道檢修困難等問題，為實現對設備運行狀態的遠程監控，在5T 設備測點機部署自檢軟件，實時檢測設備部件狀態并定時向鐵路局5T 服務器發送自檢報文，鐵路局5T 服務器接收并解析各類軌邊設備發送的運行狀態自檢報文，得到設備當前的運行狀態并記錄自檢異常信息，建立設備故障診斷知識庫，自動識別設備故障，實現設備故障遠程診斷和精準定位，指導現場設備的維修與檢定；同時，5T 服務器向監控終端復示最新的5T 設備運行狀態自檢異常信息，設備運維人員可通過監控終端對設備的運行狀態進行遠程在線監控；另外，設備管理人員可通過查詢、分析設備自檢異常歷史故障記錄及故障規律，指導設備檢修［3］。

2.1.1 設備自檢故障類型

5T 設備按照監測原理不同分為圖像監測設備、紅外線監測設備、力學監測設備、聲學監測設備，其自檢故障類型各不相同，其中TEDS、TVDS、TFDS 圖像監測設備主要檢測攝像頭、THDS 紅外線監測設備主要檢測紅外線探頭、TPDS 力學監測設備主要檢測力學傳感器、TADS 聲學監測設備主要檢測麥克通道，詳細檢測故障類型見表4。

表4 5T 設備自檢故障類型

2.1.2 設備狀態類別編碼

5T 設備狀態類別編碼用來標識設備關鍵部件運行狀態，是2 位設備部件編碼與3 位設備運行狀態編碼的組合。例如，TFDS 設備的攝像頭部件碼為“01”，則可以用“01001”表示“1 號攝像頭狀態異常”，“01002”表示“2 號攝像頭狀態異常”。

2.1.3 設備狀態自檢報文

設備狀態自檢報文由報頭和狀態檢測信息2部分構成，報文內容主要為5T 探測站服務器及所有軌邊設備狀態檢測信息。報頭信息為5T 探測站編碼及自檢時間，狀態檢測信息包括多個設備狀態類別編碼［3］。設備狀態自檢報文的格式可定義為：

｛5T 探測站編碼@自檢時間：｛設備編碼｛［，設備狀態類別編碼］｝m；｝n｝

當設備自檢狀態無異常時，則設備狀態類別碼僅為設備部件編碼；設備部件狀態異常時，設備狀態類別碼為設備部件編碼與異常部件狀態編碼的組合。以TFDS 設備為例，若攝像頭（部件碼01）所有設備部件均正常，則僅生成一個表示攝像頭狀態正常的設備狀態類別編碼01 即可；若攝像頭某幾個部件均出現故障時，則生成這些部件所對應的狀態分類編碼，例如001、002、003 號攝像頭均發生故障，對應的狀態自檢信息為：01001，01002，01003。

各測點設備將運行狀態自檢報文發送至探測站服器匯總，并定時向鐵路局集團公司中心服務器傳輸，參照大多數5T 探測站的接車頻率，定義每10 min 傳輸1 次。

2.1.4 探測站設備故障判別處理

在鐵路局集團公司5T 服務器部署探測站自檢解析程序，每10 min 讀取1 次5T 探測站自檢報文，通過解析自檢報文判定5T 探測站是否發生故障。若鐵路局5T 服務器超過15 min 未成功讀取探測站自檢報文，則鐵路局5T 服務器PING 探測站服務器，若能夠PING 通，則將故障定義為“測點軟件異常”；若不能PING 通，則將故障定義為“網絡通道異常”。

2.2 運行狀態綜合評判

利用模糊綜合評價算法，綜合做出5T 設備運用狀態綜合報警的評判模型，根據綜合評價結果更加有針對性地指導設備檢修，為5T 設備修程修制改革提供技術支持。通過研究發現，5T 設備運行狀態與自檢故障、故障停時、車號識別率、設備使用年限有較強的關聯關系，可作為5T 設備運用狀態一級評價指標，自檢故障指標下又可根據不同故障類型定義多個二級指標。

模糊評價算法可以按以下3 個步驟進行：

（1）對5T 設備運用狀態評價指標進行分層處理，并且基于AHP 層次分析法得到在評價指標各層級別的權重向量，進而確定5T 設備運用狀態是否超限的影響因素等級集合。

（2）利用正態分布函數分析5T 設備運用狀態評價指標與影響因素等級關系，建立5T 設備運用狀態影響因素的評價指標對于不同等級的影響力的隸屬度函數，得到評價指標與影響因素等級的模糊關系矩陣［4］。

（3）利用模糊算子處理每個層級評價指標的權重與模糊關系矩陣，生成綜合評價矩陣，得到5T設備運用狀態的最終評判結果。

模型—符號：

U：為5T 設備運用狀態評價指標集；

ui：為5T 設備運用狀態評價指標集內的一級指標子集i；

uij：為一級評價指標子集ui集內的二級指標子集j；

A：為5T 設備運用狀態一級評價指標的判斷矩陣；

Bi：為二級因素評價指標的判斷矩陣；

X：為5T 設備運用狀態一級評價指標下的權重向量；

xi：為二級因素評價指標的權重向量；

rij：為第i個影響因素對第j個等級的隸屬度；

V：為5T 設備運用狀態評價的評價等級集合；

Vi：為等級因素子集i；

λmax：為綜合評價矩陣的最大特征值；

CI：為綜合評價矩陣的一致性指標；

RI：為綜合評價矩陣的平均隨機一致指標；

CR：為綜合評價矩陣的一致性比率；

R：準則層的模糊評價等級矩陣；

Ri：為子準則層的模糊評價矩陣；

Wi：為5T 設備運用狀態過限單評價元素矩陣；

根據對5T 設備運用狀態過限影響因素的分析，設所要構造的判斷矩陣為A=(aij)，（aij元素的設定可參考9 標度法），構造判斷矩陣為式（1）：

同樣方法求得4 個二級指標的最大特征值和權 重 向 量 分 別 為λ1max，x1，λ2max，x2，λ3max，x3，λ4max，x4。

當a＞0.5 時，表示評價指標的影響力偏小，所以隸屬度函數為式（3）：

利用上述隸屬函數求出模糊關系矩陣，即單個評價元素的矩陣為式（4）：

帶入4 個權重向量，算得自檢故障、故障停時、車號識別率、設備使用年限4 個指標權重矩陣分別為w1，w2，w3，w4。

將模糊綜合評價矩陣R與準則層評價指標權重矩陣W相乘，得式（6）：

取最大值為綜合評判結果，G最大即為狀態正常，T最大則為狀態預警。

2.3 設備故障分級閉環管理

車輛（動車）段值班員可以通過鐵路車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統提示得到5T 設備的自檢異常和故障停機信息，并及時通知維修人員對故障5T 設備進行核實處理；維修人員核實完畢后，向車輛（動車）段值班員反饋處理結果，值班員確認處理結果后在系統中回填。由此在車輛（動車）段形成了對5T 設備的“預警→核實→處理”的閉環控制機制。車輛（動車）段對5T 設備自檢異常和故障停時的處置信息逐級上傳至鐵路局集團公司和國鐵集團級鐵路車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統，鐵路局、國鐵集團5T 設備主管人員通過系統監控終端監控和考核5T 設備核實處置情況。

此外，國鐵集團5T 設備主管人員可對長時間未處理的自檢異常、故障停機5T 設備進行逐級重點督辦，通過建立上級對下級5T 設備故障處置逐級檢查、逐級監督和逐級考核的把控機制，形成了上下互控、分級管理、重點監督、分級把控的國鐵集團、鐵路局集團公司和車輛（動車）段分級閉環管理模式，如圖3 所示。

圖3 設備故障分級閉環處置圖示

3 結束語

當前鐵路車輛運行安全監測設備綜合監控管理系統已在全路18 個鐵路局集團公司、23 個動車段、26 個客車段、40 個車輛段推廣應用，并取得了良好的應用效果。系統的應用實現了車輛運行安全監測設備履歷集中統一管理、設備故障遠程監控以及設備運行狀態智能評判，為各級設備管理及運維人員提供技術支持，及時發現并處置5T 設備故障，充分發揮車輛運行安全監控系統安全保障作用。目前該系統已經成為車輛運行安全監測設備監控及管理的主要技術手段，在保證鐵路車輛運行安全監控系統設備運行安全和提高設備運維質量等方面發揮了重要作用。