鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命 周期管理系統研究

朱 槿，王華偉，劉宗洋，鄭 婷，馮麗敏

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司 北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2. 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)

鐵路貨運計量安全檢測監控系統在鐵路貨運安全管理領域應用十余年，已成為保障鐵路貨運行車安全的重要信息系統。貨運計量安全檢測設備的運行狀態、運用質量、管理水平對檢測數據采集、系統正常運行、行車安全保障具有至關重要的影響。貨運計量安全檢測設備是該系統的核心數據采集源頭，截至2021年，全路已安裝超偏載檢測裝置408臺、軌道衡776臺，為全路貨運安全保障提供了成熟高效的技術支撐。目前，貨運計量安全檢測設備的運用維護管理已基本實現信息化，但隨著鐵路貨運深化改革，現行技術手段已不能滿足貨運設備管理的需求，需要進一步面向設備全壽命周期實現精細化、智能化管理。因此，圍繞貨運計量安全檢測設備開展相關技術研究，構建相應信息系統提供全壽命周期管理、運用分析評價等應用服務，以提升設備管理質量和運輸安全保障水平。

1 鐵路貨運計量安全檢測設備管理現狀與建設目標

1.1 現狀分析

鐵路貨運計量安全檢測設備的管理模式經過多年運用已較為成熟穩定，通過梳理實踐經驗，設備管理現狀與存在問題總結如下。

（1）由于缺乏統一管理技術手段，未形成針對貨運計量安全檢測設備全壽命周期的精細化管理，設備全壽命周期中的事件信息維護不夠全面、部分歷史數據未完整保存、相關數據存儲分散、共享程度偏低，無法全面掌控設備從制造投產到報廢退役整個壽命周期的數據管理。

（2）中國國家鐵路集團有限公司(以下簡稱“國鐵集團”)和鐵路局集團公司制定的相關管理規則為設備管理提供了規范約束，建立的考核評價機制為保障設備運用維護質量發揮了監督促進作用，但缺乏技術手段提供相應的電子化支持，也無法針對設備運用進行深入的量化分析評價，從而提出更科學的管理決策[1]。

（3）鐵路局集團公司、車務站段、貨運中心等單位無法即時掌握設備的檢定、檢修、日常維護等工作計劃與實際執行情況，缺乏適時自動預警提示，不利于合理制定計劃、調配人力、物力開展相關工作。

1.2 建設目標

針對貨運計量安全檢測設備管理現狀及存在問題，基于鐵路貨運計量安全檢測監控系統，研究構建鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統，實現以下目標。

（1）建立全路貨運計量安全檢測設備電子履歷，實現覆蓋其全壽命周期的“一物一檔”精細化管理，根據《鐵路貨運計量安全檢測設備運用管理規則》要求，對貨運計量安全檢測設備全壽命周期中的安裝遷建、日常維護、檢定、檢修、故障、停用、報廢等事件進行統一管理[2]。

（2）制定設備運用管理考核評價指標體系及計算方法，以系統中的設備運行狀態、設備故障、設備運用檢測等信息為基礎，為全路多級各單位的設備運用管理人員提供對設備運用管理的量化考評分析。

（3）實時監測采集設備運行狀態參數，自動發現設備或部件故障，即時發出預警，提示相關人員準備進行檢修維護。通過對發生時機、原因等信息進行統計分析，形成對設備故障的預測預判。

2 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統設計

2.1 總體架構

鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統采用“兩級部署、多級應用”的方式，以鐵路貨運計量安全檢測監控系統的國鐵集團和各鐵路局集團公司兩級服務器部署為基礎，利用計量安全檢測設備采集自身技術狀態、運行故障、過車計量安全信息，通過車站數據集中器匯集上傳到服務器，并與人工錄入的設備全壽命周期事件信息，以及從鐵路主數據平臺、運輸集成平臺等外部系統接入的數據實現集成融合，面向國鐵集團、鐵路局集團公司、車務站段/貨運中心、車站等多級各單位用戶，提供設備全壽命周期履歷管理、設備監控、過車檢測、重點督辦等業務功能。鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統總體架構如圖1所示。

圖1 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統總體架構Fig.1 Overall architecture of life cycle management system for measurement safety inspection equipment of railway freight transportation

2.2 邏輯架構

系統邏輯架構由基礎設施層、數據采集層、數據處理層、系統應用層組成。鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統邏輯架構如圖2所示。

圖2 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統邏輯架構Fig.2 Logical architecture of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）基礎設施層。由維持系統正常運行的軟硬件組成，包括貨運計量安全檢測設備、網絡設施、服務器、應用終端等硬件設備，以及相應的數據采集程序、網絡軟件、數據庫、中間件等軟件及環境。

（2）數據采集層。以設備檢測、人工錄入、外部系統接口為源頭，為系統采集設備技術狀態、運行故障信息、檢修維護信息等全壽命周期各類事件信息以及鐵路主數據、確報數據、現車數據等結構化與非結構化數據資源。

（3）數據處理層。通過匯集不同來源的數據并開展數據治理，實現數據的標準化和規范化，集中規劃建立數據存儲空間，實現多源異構數據的有效融合[3]，為系統應用提供基礎數據支撐。

（4）系統應用層。運用數據處理結果為多級各單位的設備運用管理人員提供履歷管理、全壽命周期檔案、綜合看板、運用評價、設備畫像等應用服務。

2.3 數據構成

系統數據可分為業務數據、基礎數據、外部數據3類。

（1）業務數據。主要包括來自設備自檢上傳或系統分析評判得出的設備技術狀態、設備運行故障等信息，來自人工錄入的設備安裝遷建、檢定核查、檢修維護、停用報廢等事件信息，以及運用設備檢測采集的過車時間、車號、車速、超偏載量值等數據，是構成設備全壽命周期電子履歷的核心數據，是反映設備運用質量和開展科學評價的關鍵數據。

（2）基礎數據。主要包括設備測點字典、組織機構字典、功能業務字典、系統配置參數等，是確保通用數據集中統一、系統功能可靠運轉的基礎。

（3）外部數據。主要包括從鐵路主數據平臺集成的車型字典、站名字典等鐵路公共主數據，以及從運輸集成平臺接入的確報信息、現車信息等數據，可確保公共主數據的正確性、完整性和一致性，可擴展檢測數據關聯發到站、品名、編組、車次、車號、輛序、車種車型等信息，是提升數據綜合利用價值和保證系統業務功能可用、實用、易用的關鍵。

2.4 功能設計

系統以覆蓋設備全壽命周期的電子履歷管理為核心，以設備狀態監控、設備運用評價、輔助管理決策為重點，開展業務功能設計。鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統功能結構如圖3所示。

圖3 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統功能結構Fig.3 Functional structure of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）履歷管理。為管內貨運計量安全檢測設備建立“一物一檔”電子履歷，管理維護設備生產廠家、規格型號等靜態基本信息及其全壽命周期動態發生的安裝遷建、日常維護、檢定、檢修、故障、停用等事件信息，按時序和邏輯關系智能展示設備全壽命周期檔案。

（2）設備監控。實時監控管內貨運計量安全檢測設備的運行技術參數、聯網狀態、自檢故障等動態信息，發生故障即時給予預警提示，基于地圖展示設備分布及實時運行情況，對歷史故障異常提供查詢。

（3）過車檢測。運用管內設備采集途經貨物列車車輛的計量安全信息，動態監控展示列車車輛的檢測報警情況，對歷史檢測報警信息提供查詢。

（4）運用評價。對比不同設備的檢測數據和檢測精度，分析設備誤報警和車號識別情況，對設備運用質量做出相對評價[4]；自動生成對設備運用質量的量化考核，逐層揭示問題，逐級落實責任；探究常見故障及其成因與設備技術狀態、傳感器沖擊等因素的關系，對設備故障進行科學預測[5]。

（5）決策中心。以可視化方式形象展示設備管理的主要業務數據和關鍵指標[6]。關聯分析設備全壽命周期中的運用、故障、檢修、維護等維度數據，智能生成設備畫像，形成對設備的直觀評價。

（6）重點督辦。對設備運行故障和過車檢測報警自動生成督辦事項，督促相關單位迅速解決問題，加強設備運維管理與貨運安全保障力度。

（7）系統維護。根據實際情況對設備測點、組織機構、用戶、角色、權限等進行靈活配置管理，為系統的正常使用提供基本設置和保障。

3 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統實現

3.1 前后端技術

系統采用B/S架構搭建，通過IIS進行部署。

前端框架以漸進式輕量級的Vue.js為基礎，按照MVVM模式組織編碼，將頁面映射為利于重用、便于維護的組件樹[7]；界面展示使用Bootstrap框架，實現清新簡潔的樣式排版和響應式布局；通過商業級圖表庫Echarts實現數據可視化，直觀生成展示豐富多樣的可定制、可交互圖表。

后端框架以Asp.NET MVC為基礎，采用RESTful接口原則和標準HTTP方法請求資源，以JSON格式傳輸數據，主要通過WebService進行數據通信；使用Oracle持久化存儲數據，通過存儲過程、觸發器等實現部分業務邏輯。

3.2 業務流程

系統業務流程主要針對設備全壽命周期實施檔案化管理，從建設階段開始，貫穿整個運用階段，直至退役階段。鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理業務流程如圖4所示。

圖4 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理業務流程Fig.4 Business process of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）建設階段。設備安裝聯網后由設備管理人員建立電子履歷，維護生產廠家、規格型號等靜態信息并記錄安裝事件，同時系統根據編碼規則自動生成設備唯一編號。安裝測點形成字典獨立維護，若設備投入運用后發生遷建，設備與歷史安裝測點的對應關系將完整保存。

（2）運用階段。動態發生的設備檢修、日常維護、檢定核查和停用等事件信息由不同用戶進行管理維護，設備自行監控技術狀態和運行故障，自動檢測過車計量安全信息，對達到超偏載報警閾值的車輛向相關車站發出警示。

（3）退役階段。設備在系統中登記報廢后不再使用，數據停止采集檢測，設備履歷歸檔留存。

在設備全壽命周期中，所有信息基于設備唯一編號，根據數據時序和事件邏輯形成設備全壽命周期檔案[8]。系統綜合權衡各類事件信息，對未來何時應執行何種檢修、維護等作業進行智能提示，統計分析過車檢測和設備運用情況，通過運用指標排名、檢測精度對比、誤報警分析等實現科學評價，提取分析設備全壽命周期關鍵數據，生成設備畫像和綜合看板。

3.3 數據采集

系統所需數據主要通過設備檢測、人工錄入、外部接入的方式采集。

（1）設備檢測。利用設備傳感器和物聯網技術，對設備故障信息、技術狀態信息、過軌車輛信息和計量安全信息進行自動采集傳輸。鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統物聯網體系架構如圖5所示[9]。

圖5 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統物聯網體系架構Fig.5 IoT architecture of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

①感知層。傳感器采集設備技術狀態參數和車輛超偏載量值等信息，車號識別設備讀取車輛AEI標簽，通過RFID技術解碼車號、車型等車輛信息。信息傳輸到數據集中器，根據接口規范生成設備狀態、運行故障、過車檢測數據文件[10]。

②網絡層。傳感器組成自組織網絡，接入鐵路安全生產網，按照約定的網絡協議，數據傳輸中間件通過Message Queue技術，將數據文件傳輸至工控機，再先后上傳至鐵路局集團公司和國鐵集團服務器完成數據解析。

③應用層。對數據進行集中匯集和融合處理，提供設備監控、故障管理、過車檢測、設備運用評價等功能。

（2）人工錄入。系統為不同單位、不同崗位的用戶設定角色并授予不同業務權限和數據操作權限，通過不同功能對設備全壽命周期中的安裝遷建、檢定核查、故障檢修、日常維護、停用報廢等事件數據進行人工采集維護。

（3）外部接入。按照約定的數據接口和傳輸共享方式，從運輸集成平臺、鐵路主數據平臺等外部系統接入確報信息、現車信息、車型字典、站名字典等外部數據。

3.4 外部接口

系統與運輸集成平臺之間以文件方式接入車次、發到站、發到時間等確報信息，以Web Service方式接入車站、車號、車種車型等現車信息；與鐵路主數據平臺之間通過Web Service方式獲取站名字典、車型字典等公共主數據。數據傳輸共享采取數據加密、口令鑒別、數據校驗等措施確保數據合法安全與正確完整。鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統外部接口如圖6所示。

圖6 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統外部接口Fig.6 External interface of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

3.5 數據融合

全路貨運計量安全檢測設備數量眾多，生產廠家、規格型號各異，設備的數據采集和接口方式不盡相同，全路日均產生數據量巨大，同時存在著結構化和非結構化數據。針對數據多源異構的特點，鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統數據融合流程如圖7所示。

圖7 鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統數據融合流程Fig.7 Data fusion process of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）數據匯集。結構化數據包括設備基本信息、設備全壽命周期中的各類事件信息、計量安全檢測信息以及外部接入的主數據字典等；非結構化數據包括設備采集的圖片視頻、系統生成或用戶上傳的文件等。不同類型、不同業務的數據實時或離線采集至鐵路局集團公司服務器完成預處理，再集中匯集到國鐵集團服務器[11]。

（2）數據融合。通過校驗、清洗、抽取、轉換等方式進行精加工處理，實現數據的集成與標準化[12-13]， 按照設備全壽命周期管理事件分類進行數據存儲與融合，形成按設備基本信息、安裝遷建信息、運用信息、檢修信息、報廢信息等劃分的基礎數據組織，通過設備唯一編號實現數據貫通。

（3）數據應用。利用融合后的數據建立設備全壽命周期履歷，按照業務功能需求構建業務應用數據模型，按需共享給鐵路局集團公司級系統，為設備的智能化管理和質量分析評價提供基礎數據支撐。

4 結束語

鐵路貨運計量安全檢測設備全壽命周期管理系統的構建為全路貨運計量安全檢測設備建立電子履歷，貫穿設備全壽命周期將各類事件納入檔案化管理，優化完善設備運用管理業務流程，有利于規范設備相關信息的采集記錄和管理歸集，加速多級各單位相關信息的協同交流，實現數據的集成融合共享，充分盤活歷史數據，可提出更科學更準確的質量評價分析和管理輔助決策，從而提高設備運用管理維護效率與質量，降低運營安全風險和維護成本，加強鐵路貨運安全保障能力，全面提升鐵路貨運安全管理水平。