動車組安全規(guī)律分析系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

楊 晨

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

故障管理是動車組運維檢修的重要環(huán)節(jié)，隨著動車組數(shù)量的不斷增加，如何對故障數(shù)據(jù)進行有效運用，描述動車組及其部件的安全規(guī)律和服役狀態(tài)已成為重要的研究課題。同時，動車組健康管理、動車組修程修制優(yōu)化和動車組數(shù)字化精準維修等業(yè)務(wù)的開展，要求故障管理系統(tǒng)能夠快速、準確、及時地完成故障發(fā)生時相關(guān)信息的采集、處理和傳遞，全面提高故障分析水平[1]。

目前，運行于鐵路單位的故障管理系統(tǒng)包括動車組管理信息系統(tǒng)（EMIS，EMU Management Information System）、動車組車載信息無線傳輸系統(tǒng)（WTDS，Wireless Transmit Device System）、動車組運行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)（TEDS，Trouble of moving EMU Detection System）、動車組滾動軸承故障軌邊聲學(xué)診斷系統(tǒng)（TADS，Trackside Acoustic Detection System）及各單位自建的故障管理系統(tǒng)等[2-5]。其中，EMIS已基本實現(xiàn)了對多源故障的匯集，并對故障進行了有效地閉環(huán)管理，但其更側(cè)重于對故障處理結(jié)果的記錄，并未對故障相關(guān)數(shù)據(jù)進行全面運用，也無法對動車組及其部件的安全規(guī)律分析提供行之有效的決策支持。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，尤其是大數(shù)據(jù)、人工智能和機器學(xué)習方面的發(fā)展，為積累的歷史故障數(shù)據(jù)帶來了新的利用價值[6-7]。可利用數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)，為動車組健康管理及動車組修程修制優(yōu)化提

供切實可行的實施方向。基于此，本文依托動車組安全大數(shù)據(jù)平臺，以動車組故障管理為核心，對動車組運用檢修相關(guān)數(shù)據(jù)進行采集和存儲，設(shè)計了動車組安全規(guī)律分析系統(tǒng)的架構(gòu)和功能，提出了系統(tǒng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)。系統(tǒng)的建設(shè)可以為動車組運維管理人員提供有效的管理工具和輔助決策支持。

1.1 建設(shè)目標

本文從動車組海量運用、監(jiān)測及故障數(shù)據(jù)出發(fā)，研究多源數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、處理和分析技術(shù)。通過動車組安全規(guī)律分析系統(tǒng)的建設(shè)，準確地描述動車組運行過程中各種因素對動車組及其部件的失效規(guī)律和服役狀態(tài)的影響，輔助動車組的運行、維護和費用控制等決策的制定，提高動車組數(shù)字化精準維修水平，促進動車組設(shè)計、制造和維修技術(shù)的改進。

1.2 總體架構(gòu)

動車組安全規(guī)律分析系統(tǒng)依托動車組安全大數(shù)據(jù)平臺，系統(tǒng)整體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)源、平臺層、應(yīng)用層和用戶層，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)源：負責提供動車組及其部件的故障信息。

（2）平臺層：主要完成對數(shù)據(jù)源產(chǎn)生的動車組故障、動態(tài)履歷、線路工務(wù)和檢測監(jiān)測等數(shù)據(jù)進行自動抽取、存儲和匯集，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)提供的即時檢索服務(wù)、實時數(shù)據(jù)分發(fā)和共享服務(wù)，提升跨業(yè)務(wù)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)挖掘能力，對海量的故障相關(guān)數(shù)據(jù)開展分析，為系統(tǒng)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

（3）應(yīng)用層：對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，為用戶層提供動車組安全規(guī)律，發(fā)現(xiàn)動車組運行中的薄弱環(huán)節(jié)。

（4）用戶層：通過動車組安全規(guī)律指導(dǎo)動車組安全生產(chǎn)，提高動車組故障分析能力和安全管理水平。

1.3 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)綜合利用分布式存儲、分布式計算、數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，滿足多用戶、高并發(fā)和高可用的需求，集“易用性、伸縮性、開放性”于一體，同時，采用統(tǒng)一的應(yīng)用開發(fā)框架，定義標準的軟件開發(fā)測試規(guī)范、安全管理規(guī)范和運維規(guī)范，實現(xiàn)基于云化、分布式和服務(wù)化的技術(shù)架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)自底向上劃分為基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層、接口層和前端展示層。

1.3.1基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層通過虛擬化資源池，對基礎(chǔ)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源進行池化和虛擬化，為上層應(yīng)用與服務(wù)提供統(tǒng)一硬件資源調(diào)度和監(jiān)控管理，支持按需分配與彈性擴展，并通過標準化接口向上層提供計算、存儲等基礎(chǔ)服務(wù)，提高信息技術(shù)（IT，Information Technology）資源的易用性、敏捷性。通過服務(wù)器集群，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲與計算，緩解資源壓力，提升服務(wù)器整體性能。通過高穩(wěn)定、高帶寬的網(wǎng)絡(luò)鏈路，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高吞吐、高可用、低延時。

1.3.2平臺層

（1）數(shù)據(jù)平臺層面向數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù)，通過數(shù)據(jù)采集工具、分布式消息隊列、分布式文件系統(tǒng)、資源調(diào)度和平臺管理工具等多種手段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)抽取、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析挖掘；通過分布式協(xié)調(diào)調(diào)度服務(wù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)平臺的高效、穩(wěn)定運行；通過可視化管理界面，為數(shù)據(jù)平臺核心組件及整體環(huán)境提供性能展示、配置和預(yù)警功能。

（2）集成平臺層通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、內(nèi)存數(shù)據(jù)庫、安全認證及報表組件等，提供服務(wù)運行環(huán)境與模型管理，實現(xiàn)中間件服務(wù)，面向應(yīng)用開發(fā)，提供安全可靠的平臺支撐。通過基于內(nèi)存鍵值對的分布式內(nèi)存數(shù)據(jù)庫查詢方法，實現(xiàn)對大規(guī)模并發(fā)、高速數(shù)據(jù)訪問計算、實時數(shù)據(jù)處理等方面的高性能快速響應(yīng)；通過身份認證確認操作者身份和資源訪問權(quán)限；采用不同的數(shù)據(jù)加密策略實現(xiàn)數(shù)據(jù)安全保障；通過報表組件實現(xiàn)動車組故障統(tǒng)計分析功能。

1.3.3服務(wù)層

服務(wù)層通過統(tǒng)一認證、統(tǒng)一接口服務(wù)及數(shù)據(jù)集成服務(wù)等，實現(xiàn)前端應(yīng)用的服務(wù)集成。通過統(tǒng)一認證為用戶提供不同強度的安全認證手段和單點登錄門戶；通過統(tǒng)一接口服務(wù)實現(xiàn)負載均衡、緩存、日志、限流限額功能；通過數(shù)據(jù)集成服務(wù)對外提供標準、統(tǒng)一、規(guī)范的業(yè)務(wù)接口，實現(xiàn)應(yīng)用功能。

1.3.4前端展示層

前端采用基于HTML、CSS和JavaScript的Bootstrap框架，提供HTML與CSS規(guī)范，結(jié)合各類前端JS控件、報表控件，實現(xiàn)Web前端的簡潔、快速、高效開發(fā)，面向用戶實際需要，提供可視化分析結(jié)果。

2 系統(tǒng)功能

2.1 動車組基礎(chǔ)性安全規(guī)律分析

（1）動車組總體安全規(guī)律分析

以動車組運行故障數(shù)據(jù)為主，根據(jù)車型（批次）、走行公里、配屬、檢修歷史、故障發(fā)生時車組的高級修程、輪次、交路和區(qū)段等多個維度，建立不同維度動車組安全規(guī)律演化模型，對不同車型（批次）及系統(tǒng)進行基礎(chǔ)性安全規(guī)律分析。

（2）動車組慣性故障分析

慣性故障指動車組經(jīng)常性發(fā)生的故障，慣性故障的分析能夠發(fā)現(xiàn)故障頻發(fā)事件，通過更深入的分析，幫助查找設(shè)計、運用檢修過程中的缺陷和問題，有利于動車組技術(shù)的不斷優(yōu)化迭代。不同車型慣性故障字典不完全相同，但有“血緣關(guān)系”的動車組故障字典高度相似，針對動車組的慣性故障，描述并展示動車組慣性故障發(fā)生規(guī)律。

2.2 標志性事件的動車組安全規(guī)律分析

標志性事件指對動車組運用檢修產(chǎn)生較大影響的事件，如動車組提速、修程修制改革等，分別提取標志性事件發(fā)生前后的動車組故障數(shù)據(jù)，從單位、車型（批次）等維度，對動車組發(fā)生標志性事件的前后進行安全規(guī)律的綜合對比分析，從數(shù)據(jù)分析結(jié)果反映該事件對動車組安全的影響。

2.3 環(huán)境因素的動車組安全規(guī)律分析

高速鐵路具有地域跨度大、速度快、里程長和始末時間短等特點，不同線路條件、不同天氣均會對動車組故障產(chǎn)生影響。提取動車組開行、交路和天氣信息建立站站氣象信息庫，基于站站氣象信息庫對不同交路、不同城市、不同天氣環(huán)境因素對動車組各安全規(guī)律進行分析，主要包括基于線路的動車組安全規(guī)律分析、基于天氣（溫濕度、晴雨雪等）及多維環(huán)境因素的動車組安全規(guī)律分析。

2.4 運用檢修建議

針對故障數(shù)據(jù)及安全規(guī)律模型，對動車組及部件的運用檢修提出視情維修和預(yù)防性維修策略，達到降低維修成本的目的。

（1）動車組運用建議

針對運行數(shù)據(jù)、部件故障數(shù)據(jù)和部件更換數(shù)據(jù)等，分析動車組運用檢修內(nèi)容和運用開行需求，構(gòu)建運用方案優(yōu)化模型，輔助提升動車組運營品質(zhì)，提出動車組運用建議。

（2）動車組精準維修建議

匯總?cè)穭榆嚱M及部件的故障歷史、檢修歷史情況，以車型、部件和檢修項目等為維度，考慮動車組維修時機、維修間隔及維修成本等要素，在保障車輛可靠性的同時降低維修費用，提高檢修效率，給出精準維修建議。

（3）動車組設(shè)計制造建議

發(fā)現(xiàn)批次、部件等設(shè)計和產(chǎn)品優(yōu)化改進功能點，及時反饋給動車組及零部件造修企業(yè)進行深入研究，從設(shè)計制造角度實現(xiàn)動車組的改進和創(chuàng)新，提升乘客體驗和動車組運營效率。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 數(shù)據(jù)分布式存儲技術(shù)

動車組安全規(guī)律分析需要采集大量故障數(shù)據(jù)，包含圖片、聲音資源，而這些圖片和聲音的存儲多數(shù)是小文件，且大多數(shù)文件大小在幾十KB以內(nèi)。如果使用以GFS、HDFS為代表的適用于流式訪問大文件的分布式存儲系統(tǒng)存儲圖片，在元數(shù)據(jù)膨脹的情況下擴展性和性能方面均存在嚴重問題[8]。系統(tǒng)采用基于HDFS的Hbase作為簡單結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)分布式存儲方式，用于存儲海量圖片小文件，并具有系統(tǒng)層小文件合并、全局命名空間等多種優(yōu)勢。

3.2 多源數(shù)據(jù)融合處理技術(shù)

將各系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集至大數(shù)據(jù)平臺后，需要將原始數(shù)據(jù)進行清洗、轉(zhuǎn)換，采用除噪、補缺失值和除冗余值的方法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，并按照主題域存放各類數(shù)據(jù)，形成可供分析的數(shù)據(jù)集。在動車組制造運用領(lǐng)域，需要針對設(shè)計、工藝、制造和維修等不同維度的需求對數(shù)據(jù)進行拆解。在動車組運維業(yè)務(wù)領(lǐng)域，主要包括基于功能分類的結(jié)構(gòu)和基于部件裝配的結(jié)構(gòu)，兩者相互對應(yīng)，可互相轉(zhuǎn)化。為便于數(shù)據(jù)使用，在數(shù)據(jù)處理過程中，應(yīng)為各類數(shù)據(jù)創(chuàng)建便于統(tǒng)計分析的各類索引。

3.3 大數(shù)據(jù)機器學(xué)習技術(shù)

在安全規(guī)律分析過程中，需要使用大數(shù)據(jù)機器學(xué)習技術(shù)對安全規(guī)律模型進行訓(xùn)練與驗證，動車組安全大數(shù)據(jù)平臺為各類算法、模型的開發(fā)和運行、海量數(shù)據(jù)的分析存儲提供環(huán)境支撐。在模型中采用了各種機器學(xué)習算法，如差分整合移動平均自回歸模型、決策樹、支持向量機和隨機森林等，并采用準確率、精確度和召回率等統(tǒng)計指標對模型結(jié)果進行驗證。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

目前，動車組故障規(guī)律分析系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)完成，并以CRH380系列動車組為例，對CRH380系列動車組開行以來的數(shù)據(jù)進行特征提取與選擇、時間序列預(yù)測、關(guān)聯(lián)分析等，用可視化應(yīng)用功能實現(xiàn)、驗證、固化了各類安全規(guī)律分析成果，全方位地描述了CRH380動車組上線以來的安全服役狀態(tài)。CRH380系列動車組作為當前應(yīng)用最廣泛、運行地域最廣、涉及用戶單位最多、線路最多的動車組，其安全規(guī)律分析對于保證中國高鐵運營安全、降低運用維修成本、提高運用檢修效率等都具有重要意義。

5 結(jié)束語

本文依托動車組安全大數(shù)據(jù)平臺建立動車組安全規(guī)律分析系統(tǒng)，并介紹了系統(tǒng)架構(gòu)、功能組成、關(guān)鍵技術(shù)，同時以CRH380動車組為例開展驗證，取得了良好的效果。下一步，系統(tǒng)將擴大數(shù)據(jù)范圍，對動車組安全規(guī)律分析方法和預(yù)測模型在其他型號動車組和典型線路開展驗證和應(yīng)用工作，全面提升動車組安全管理水平。