基于SOA的高速鐵路電務維修輔助平臺設計與實現(xiàn)

劉致乾

(湖南中車時代通信信號有限公司，長沙 410129)

1 概述

國內(nèi)高速鐵路網(wǎng)的快速發(fā)展，列車速度隨之提高，運營范圍不斷擴大，西部地區(qū)高鐵建設也在全面進行。為確保高速鐵路運行的安全可靠，對電務部門維護工作質(zhì)量的要求越來越嚴格。電務部門面臨著管轄設備種類復雜，維修時間有限等方面問題，加之西部地區(qū)地理環(huán)境惡劣及現(xiàn)場作業(yè)信息化程度低，給電務維護工作帶來了更多的困難。

目前電務部門維修工作存在以下弊端:1）在電務基礎設備維修現(xiàn)場不能對維修的知識和經(jīng)驗進行有效總結(jié)，以便后期進行知識共享；2)電務部門難以與現(xiàn)場進行有效溝通，了解現(xiàn)場設備情況，因而無法及時給出相應的處理方法，大大降低維修效率；3)沒有統(tǒng)一、集成的平臺對維修工作進行管理，從而增加了管理人員的任務量，導致管理效率低下；4) 不能充分對生產(chǎn)作業(yè)進行管理和統(tǒng)計分析，使維修費用加大；5）各檢測子系統(tǒng)較為分散獨立，信息沒有充分共享[1]。

對于以上存在的問題和目前電務作業(yè)中出現(xiàn)的信息交互困難的情況，以電務維修任務為入手點，選用了面向服務架構 (Service Oriented Architecture，SOA)方法，同時利用知識庫和監(jiān)測數(shù)據(jù)挖掘等輔助技術，使高速鐵路電務維修輔助平臺系統(tǒng)能夠及時有效地輸出維護策略。

2 基于SOA的高速鐵路電務維修輔助平臺系統(tǒng)架構設計

面向服務架構(SOA)不是一種語言和技術，而是一種設計方法和思想[2]。其思想的表現(xiàn)就是將業(yè)務邏輯和功能分解成更小的邏輯和功能單元[3]。高速鐵路電務維修輔助平臺（簡稱平臺）主要涉及到SOA的兩大方面：1）軟件即服務（Software as a Service，SaaS），即將各項業(yè)務通過軟件集成并用Internet提供給客戶；2）平臺即服務（Platform as a Service，PaaS），即將操作系統(tǒng)和業(yè)務服務通過Internet 發(fā)送給客戶，并為客戶提供操作環(huán)境，將軟件即服務置于基礎設施。

平臺為了能夠更有效地進行組織和管理，需要將有關的功能進行明確定義，并將其準確對應于相關的應用服務程序。段、車間、工區(qū)等電務維修調(diào)度過程涉及到的生產(chǎn)單位均可看作面向服務的個體。這些個體分別負責各自的職能而形成了不同的分工和團體。在一個維修調(diào)度過程中，各項服務是通過這些個體形成的功能單元提供的，因此構成了基于SOA的電務維修體系，如圖1所示。從圖1中可以看出，這種服務體系是一種分布式的結(jié)構，各職能單元形成了既相互關聯(lián)又相互獨立的“松耦合”關系[4]。為替換當前的電務生產(chǎn)體系，平臺劃分了電務系統(tǒng)傳統(tǒng)作業(yè)過程，并利用工單等方式將維修調(diào)度過程中所涉及的生產(chǎn)單元進行整合處理。

圖1 基于SOA的電務維修體系Fig.1 The signaling maintenance system based on SOA

由圖1可知，3個不同級別的生產(chǎn)單位在服務體系中既可充當服務請求者，又可充當服務提供者。當上級部門（各鐵路局、中國國家鐵路集團有限公司）通過企業(yè)服務總線（ESB）向下發(fā)布作業(yè)計劃和生產(chǎn)目標時，各生產(chǎn)單位作為服務請求者接受；當上級部門需要了解近期工作進展和生產(chǎn)、管理效率時，各生產(chǎn)單位作為服務提供者匯報。平臺利用鐵路專用網(wǎng)絡保證鐵路信息安全。移動手持通過路局內(nèi)網(wǎng)中的中心服務器，將鐵路傳輸網(wǎng)（SDH/MSTP）與綜合管理服務器的相關服務進行快速、穩(wěn)定的訪問與連接[5]，以云共享的方式解決電務系統(tǒng)存在的數(shù)據(jù)和信息交互困難的問題。

2.1 電務維修輔助平臺的硬件組成架構

考慮到平臺是基于SOA的電務維修輔助系統(tǒng)，且重點對象是基層生產(chǎn)單位，因此將系統(tǒng)的硬件結(jié)構進行分級設置。分別是綜合管理服務器、中心服務器、PC客戶端、平板/手機客戶端、相關維修檢測工具等5級，具體架構如圖2所示。

圖2 電務維修輔助平臺的硬件組成框架Fig.2 Framework of the hardware of the auxiliary platform for signaling maintenance

綜合管理服務器：設置在電務段，用于集成不同的Web服務，并將維修知識庫進行存儲。

中心服務器：工作在電務段和車間。通過運行Web-service程序?qū)eb服務提供給服務請求者，并在內(nèi)網(wǎng)防火墻開放一個訪問端口，連接移動服務和移動端。

PC客戶端：各生產(chǎn)單位中均有設置，用其瀏覽器實現(xiàn)對中心服務器或綜合管理服務器的訪問。

平板/手機客戶端：作為客戶端運行于車間、工區(qū)，利用平板、手機等手持機具實現(xiàn)對中心服務器或綜合管理服務器的訪問。

相關維修檢測機具：用于維修作業(yè)，并向綜合管理服務器實時反饋監(jiān)測設備采集的信息。

2.2 電務維修輔助平臺的各功能模塊組成框架

平臺開發(fā)軟件時，選擇了移植性強，且安全、高效的JAVA語言，并采用耦合性低、重用性高的MVC的應用服務框架[6]。為了解平臺用戶對系統(tǒng)功能的需求，在不同電務段進行調(diào)查，并對結(jié)果進行研究歸納，總結(jié)出電務維修輔助平臺的需求框架，如圖3所示。

圖3 電務維修輔助平臺的需求框架Fig.3 Framework of the requirements for the auxiliary platform

3 電務維修輔助平臺關鍵技術研究

平臺以SOA為設計理念的同時，利用多種技術進行輔助作用，從而實現(xiàn)上文提到的各種功能需求。

3.1 基于維修知識的電務維修知識庫輔助技術

對知識進行管理，首先要對知識進行準確表示，即抽取知識的事實、關系及邏輯架構，將知識（如對象及概念等）及其之間的關聯(lián)用分級或推理規(guī)則表示[7]，有利于知識需求者對知識的理解。電務系統(tǒng)的設備維修工作主要分為日常維護、集中檢修、臨時任務和應急處理等[8]。對上述各工作類別，還要針對其維修作業(yè)的不同，進行更為具體的類別劃分，而不同分類的作業(yè)又有其各自的作業(yè)和卡控要求，并對應相應的知識類別。

系統(tǒng)歸納整理了電務維修知識庫所包含的工作分類、作業(yè)類別、作業(yè)要求、知識類別等內(nèi)容。對于數(shù)據(jù)庫的訪問，平臺選用適用性較強的JDBC實現(xiàn)，并利用框架表示法對維修知識進行表示，具體如圖4所示。

圖4 電務維修輔助平臺的知識庫框架Fig.4 Framework of the knowledge database of the auxiliary platform

3.2 維修現(xiàn)場消息的雙向推送技術

高速鐵路通常以電務工作人員的巡檢工作為依據(jù)，通過組織“維修天窗”來對管轄范圍內(nèi)的電務信號設備進行檢修、保養(yǎng)等作業(yè)，并有專業(yè)的負責人對工作進行復檢[9]。電務維修現(xiàn)場作業(yè)存在以下困難：1）維修人員信息的相互交流不夠便捷；2）維修過程出現(xiàn)困難或突發(fā)情況時不能有效進行指導；3）不便記錄現(xiàn)場作業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

為了解決上述困難，平臺采用雙向推送技術：1）針對現(xiàn)場作業(yè)溝通不便的情況，利用數(shù)據(jù)和圖像的方式實現(xiàn)信息的交互；2）針對操作缺乏指導的情況，平臺提供查詢問題庫供用戶使用，作業(yè)人員也可以通過在線向?qū)＜仪笾姆绞絹斫鉀Q技術上的問題；3）針對數(shù)據(jù)量大不便記錄的情況，平臺給工具設備配置二維碼，從而能夠及時記錄和在線更新現(xiàn)場作業(yè)設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度挖掘技術

電務系統(tǒng)管轄的各類信號設備數(shù)量很多。以高速鐵路為例，其電務設備維護工作由室內(nèi)設備維護、現(xiàn)場設備維護及車載設備維護3部分組成[10]。為給電務維修作業(yè)提供及時有效的輔助，平臺需要提前對大量數(shù)據(jù)進行加工處理，從中提取重要信息以便進行分析。

面對設備狀態(tài)監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)，平臺設置數(shù)據(jù)濾波模塊對采集的數(shù)據(jù)進行處理，設置特征提取模塊對故障信息進行提取。具體過程如下：利用信號處理技術對數(shù)據(jù)進行濾波，去除干擾和冗余部分。對過濾后的數(shù)據(jù)進行特征提取，該階段包括數(shù)據(jù)變換、特征選擇、特征簡約3步驟。通過特征提取，數(shù)據(jù)獲得待驗模式與知識庫中已有的設備檔案進行對比分析，知識庫根據(jù)分析結(jié)果進行特征匹配，從而識別設備當前所處的狀態(tài)，判斷存在的故障并給出處理方法。基本過程如圖5所示。

圖5 電務維修輔助平臺數(shù)據(jù)挖掘技術方案Fig.5 A technical plan for data mining by the auxiliary platform

4 電務維修輔助平臺的應用實例

為檢驗平臺是否可以有效可靠地運行，以蘭州鐵路局天水電務段為例，測試電務維護系統(tǒng)中集中檢修等項目的應用，重點測試第3章節(jié)提到的關鍵技術功能的實現(xiàn)情況。

4.1 維修知識庫的使用

維修知識庫的建立和使用對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)起著重要作用。利用系統(tǒng)創(chuàng)建的工單，如圖6所示。在包含維修信息的基礎上，將卡控要點也引入其中，從而提高電務維護作業(yè)的質(zhì)量，保證調(diào)度過程中作業(yè)人員的安全。

圖6 電務維修輔助平臺工單頁面Fig.6 Screenshot of a table of tasks created by the auxiliary platform

4.2 維修現(xiàn)場消息的雙向推送的應用

系統(tǒng)配置流服務器來輔助維修人員與后臺進行信息交流。用戶可以使用移動端通過鐵路專網(wǎng)向后臺反映現(xiàn)場情況，如圖7所示，與管理人員進行溝通和數(shù)據(jù)交互，從而得到專業(yè)的在線指導，有效提高作業(yè)效率。為便于以后對作業(yè)信息的調(diào)用和知識共享，服務器儲存作業(yè)過程中產(chǎn)生的圖片、數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

圖7 電務維修輔助平臺作業(yè)過程傳遞的信息Fig.7 The delivery of information by the auxiliary platform in the process of maintenance

4.3 維修統(tǒng)計及數(shù)據(jù)分析

電務維修輔助系統(tǒng)可以對不同電務設備維修的次數(shù)和故障類型進行統(tǒng)計，通過對設備維修數(shù)據(jù)的挖掘與分析，預測設備故障趨勢，并制定相應的檢修計劃，對潛在故障進行排除，節(jié)省維修成本，提高電務系統(tǒng)維護管理的效率。

5 結(jié)語

本文以電務維修任務為入手點，介紹一種基于SOA的高速鐵路電務維修輔助平臺設計。該平臺將傳統(tǒng)的電務作業(yè)體系分解成更小的、相互獨立、通過軟件保持低耦合度的功能單元，形成分布式的服務體系，能夠在高速鐵路電務維修任務中快速診斷出軌道電路、信號機等鐵路電務基礎設備的故障，并實現(xiàn)電務部門與維修現(xiàn)場的雙向推送，有效提高電務系統(tǒng)維護的管理效率，節(jié)省維修成本。該平臺已在中國鐵路蘭州局集團有限公司天水電務段進行現(xiàn)場測試應用，工程應用效果較好，能夠?qū)ΜF(xiàn)場電務維護和管理工作提供有效的指導，為該平臺向其他電務段的推廣應用提供依據(jù)。