鐵路電務設備巡檢數據實時顯示動態分析系統設計

薛龐祥

（晉能控股煤業集團鐵路運營公司塔山鐵路分公司，山西 大同 037001）

0 引言

目前，我國重載鐵路設計、運行能力位居世界領先地位。2 萬t 運煤專用線擔負著國家能源保供的任務，為我國經濟社會發展發展作出了重要貢獻。電務段是鐵路系統的重要組成部分，包括信號和通信兩類專業，負責管理和維護地面信號機、道岔、軌道電路、計算機聯鎖和通信設備的正常運行。信號專業承載調度、控制、安全、監測等多種數據的傳輸。在“新基建”的背景下，以大數據、人工智能為代表的新技術體系成為各行各業的發展新動能。作為大數據體系架構中的“最后一公里”，數據可視化技術在鐵路行業有著廣闊的應用前景。電務設備巡檢數據實時性強、種類復雜，通過運用二維碼技術、數據庫操作和BI 工具對數據進行整理分析、同步上傳、可視化交互展示，使維修人員更方便地處理數據，更有效地利用數據，達到及時發現并處理問題的目的。

1 研究的必要性

鐵路行業作為一個歷史悠久的傳統行業，以往它的發展觀念更側重于通過硬件設施設備的不斷更新改造來提高運輸生產效率，信息化技術對于鐵路企業來說重視度并不高。近年來，隨著互聯網技術迅速發展，智能化、信息化技術成為了企業發展的強大助力。在這樣的背景下，大數據、人工智能等概念在鐵路行業開始迅速萌芽、發展。在這個過程中，傳統的硬件設備設施與現代化的數據處理方式相結合也是不可缺少的，鐵路企業也在不斷探索使用更加先進、更加可靠、更經濟適用的數據分析系統，來提高綜合管理水平，進而提升運輸效率。

設備基礎信息是否清楚，其運行狀態是否良好，關系著鐵路運輸的安全。比如在設備信息管理、檢修記錄管理、其他相關信息的統計及查詢方面，以往的人工操作、紙質材料管理等方式的效率較低、準確性不高，相關信息的更新與維護處理較為復雜；同時，對于運煤專用線，列車越來越快的運行速度和運煤總量使得鐵路安全壓力上漲，要實現鐵路設備設施的標準化管理要求需要進行的工作量變得越來越多，其中往往還伴隨著數據處理不方便、自動化程度低、相關信息的傳遞阻礙。重載貨運鐵路的站點多且站線長，軌旁設備的投運時間與使用周期都各有差異，這導致了設備檔案的更新，設備巡檢保養維修較為不便，如果沒有進行科學合理的管理，非常容易發生失修或者超期限運轉的現象，這將會引起鐵路運輸的風險。

如何改進鐵路設備巡檢數據處理方式，提高數據處理效率，減少非必要費用消耗、降低人力成本、降低安全風險，是鐵設備管理中亟待解決的問題。鐵路電務設備巡檢數據實時顯示動態分析系統實現了對巡檢數據進行整合分析、即時共享、可視化交互展現，使鐵路電務專業人員更直觀地分析數據，更有效地利用數據，進而及時發現并處理問題，大大提高設備管理效率和人員利用率。因此，研究和設計鐵路電務設備巡檢數據實時顯示動態分析系統對于提高鐵路設備管理效率具有重要意義。

2 相關技術路線研究

為了實現巡檢數據的實時顯示、動態分析目的，系統應能實現數據的采集、上傳、同步、分析和可視化等基本功能。巡檢數據來源于巡檢人員日常工作中對設備的檢修情況記錄，過去檢修人員通過填寫檢修記表和運行日志記錄數據，傳統的紙質資料處理數據效率低下，無法滿足鐵路信息化建設的要求。

設備運行數據的采集可以通過二維碼、手持終端和傳感器等方式。二維碼和手持終端是一個原理，都需要工人手動輸入巡檢數據，優點是數據格式不受限制，采集的巡檢情況數據內容全面，缺點是必須由工人手動輸入。二維碼本質上是個信息入口，我們日常生活中常見的二維碼一般是指QRcode，它是二維碼碼制中的一種，由日本DENSO WAVE 公司于1994年發明。目前，二維碼應用場景已覆蓋到生活的方方面面，使用方便快捷，在設備管理領域應用前景廣闊。傳感器通過物聯網技術對設備運行情況進行實時監控，使用優點是自動采集運行數據，缺點是受傳感器類別不同只能采集某一種信息，如溫濕度、開關切換位置、設備聲光報警等，無法覆蓋所有巡檢內容。

數據上傳、同步可以通過云存儲服務器和服務器兩種形式實現。云服務器無需提前購買硬件，即可迅速創建或釋放任意多臺服務器，其管理方式比物理服務器更簡單高效。

數據可視化主要旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達與溝通信息。數據可視化與信息圖形、信息可視化、科學可視化以及統計圖形密切相關。當前，在研究、教學和開發領域，數據可視化極為活躍而關鍵。“數據可視化”這條術語實現了成熟的科學可視化領域與較年輕的信息可視化領域的統一。實現數據可視化的工具一般有三類，分別為報表類、BI 類和編程類。BI 類是專為數據分析而生的，從連接數據到可視化輸出是一整套解決方案，應用軟件包括Power BI、Fine BI 和百度Sugar BI。百度Sugar BI 是百度智能云旗下產品，基于百度AI 能力，提供各種智能化功能。

3 系統架構

系統共分為三個部分，分別是設備二維碼巡檢數據采集模塊、云服務器數據同步上傳模塊和數據可視化模塊。將設備二維碼中的表單數據，通過數據API將存儲在云端的海量二維碼表單數據連接到百度智能云Sugar 平臺上創建數據大屏。項目使用到的主要工具是草料二維碼生成器和百度智能云Sugar BI。草料二維碼是一家專業的二維碼云服務提供商，提供自助式的二維碼制作、應用搭建和配套服務。Sugar BI是百度智能云推出的敏捷BI（商業智能）和數據可視化平臺，支持各種數據來源，通過拖拽圖表組件可實現搭建數據可視化頁面，組件豐富，低代碼編程。項目研究的關鍵部分是設備二維碼巡檢表單創建的和數據模型的創建和直觀的數據可視化頁面設計工作，系統整體架構如圖1 所示。

圖1 系統整體架構

3.1 數據采集、同步模塊

數據采集、同步模塊完成巡檢數據電子化轉換，這部分為可視化分析模塊提供了數據。采集部分基于用戶需求，完成二維碼表單的創建。

3.1.1 設備二維碼生成的設計

基于草料二維碼平臺制作設備二維碼，張貼在設備上。二維碼包含兩部份內容首頁和表單。二維碼首頁展示設備的名稱、設備類型、安裝地點、投用時間、設備編號、設備相關技術圖紙和資料等信息。表單用來采集巡檢數據，制作的表單應包含三部分信息，巡檢基礎信息、設備運行情況和巡檢過程的圖片、視頻證明材料。

1）巡檢基礎信息收集巡檢人信息、巡檢日期和巡檢地點，通過日期、地點、掃碼人功能組件添加至表單。

2）設備運行情況記錄巡檢是設備的運行情況，主要收集設備的故障報警信息、《鐵路技術管理規程》中規定的設備檢修內容，通過文本、下拉列表等功能組件添加至表單。

3）巡檢過程的圖片、視頻證明材料用于反應巡檢的真實性，防止偷懶作弊，通過添加圖片、視頻功能模塊添加至表單。

3.1.2 二維碼巡檢主要過程

1）巡檢時工作人員掃描設備上的二維碼，判斷用戶類型、權限。

2）若有相應權限則能查看設備基礎信息、填寫表單并查看表單歷史數據，若無用戶權限則只能查看設備基礎信息。

3）工作人員填寫巡檢相關信息，并提交，完成設備巡檢。

4）提交后后臺管理員收到提交申請，對相關信息確認無誤，審核通過。

3.1.3 數據同步模塊設計

草料提供了阿里云數據庫官方數據庫，同步后臺的數據,后續可以用數據分析軟件連接這個云數據庫。數據庫版本為Mysql 5.7 版，通過數據API 實現與可視化模塊的數據同步。數據庫中共包含以下數據表：table_dXX（表單數據表）、base_codeinfo（碼的基本信息表）、code_state（碼的狀態表）、base_auth_msg（填表人信息）、code_state_log（碼的狀態的更新日志），各數據表之間一些關鍵信息如code_id（碼的唯一標識）、auth_id（填表人唯一標識）、record_id（表單數據唯一標識）實現各表之間數據關聯，各數據表與二維碼一一對應。

3.2 數據可視化模塊

使用百度Sugar 智能數據分析軟件，Sugar 里豐富的可視化數據分析組件支持數據分析?？梢暬治隽鞒贪韵氯齻€步驟：整理數據、可視化組件設計、分享使用。

3.2.1 整理數據

1）創建數據模型，選擇需要連接的數據源，輸入數據模型名稱。進入到模型編輯頁面，頁面的左側會列出數據源中的所有數據表，拖動要分析的數據表至頁面中間區域。如這里需要分析設備巡檢完成情況，就需code_task_log 這個表，同時關聯上base_codeinfo來獲取碼的詳細信息，包括綜合巡檢結果、值班（巡檢）人、記錄時間等。

2）有時候需要轉換字段的數據類型，在度量和緯度之間轉換，轉換后能夠將字符串類型當成數字類型來處理、計算和展示。如數據表中日期字段為字符串類型，通過設置數據類型轉換字符串類型將轉換為日期類型。

3）新建計算度量，當需要分析的參數數據表中沒有時，使用MySQL 5.X 常用函數輸入表達式或表計算，新建計算度量完成分析。

4）添加篩選組件：篩選組件可以查看指定數據的情況。

3.2.2 可視化組件設計

電務信號設備大致分為兩類，室內設備和室外設備。

室內設備主要為聯鎖系統和電源屏，針對聯鎖系統、電源屏的設備運行數據、設備故障、設備報警信息等綜合運維信息進行可視化組件設計。根據數據種類繁多、結構復雜等特點，采用圓角環圖與表格組合設計、按時間段查詢設計及異常數據報警顯示三種可視化方法設計可視化應用組件。圓角環圖統計分析各設備總的巡檢數據量以及該設備正常、異常數據占比。表格需要詳細展示設備的各項運行參數，為了使可視化頁面更加簡潔，使用“圖表下鉆”功能顯示表格。“圖表下轉鉆”指在點擊本圖表的某一部分，可以打開一個新的圖表或超鏈接，進而參看與圖表此部分相關的詳細信息。

室外設備主要為轉轍機、信號機、軌道電路三大件。這里主要分析設備的電氣特性Ⅰ級測試記錄，在數據篩選器內對字段進行篩選，設置閾值，只有電壓、電流超出規定標準時才顯示該條巡檢記錄。

對每日掃碼量，總計掃碼量進行統計。每日掃碼量的統計是監督值班人員巡檢設備情況的重要手段，通過添加日期范圍控件的形式調度人員能夠在數據大屏上查詢到任意時間段內的巡檢情況。

3.2.3 分享使用

分享方式有兩種方式，分別為公開分享和IP 白名單訪問。公開分享是指對所有的互聯網用戶開放，用戶不需要使用Sugar BI 的賬號登錄，直接通過您公開分享url 鏈接地址就能在瀏覽器上直接訪問您開發的Sugar BI 可視化頁面，并且沒有任何的權限管理，所有用戶都可以訪問。公開分享有三種模式公開分享、加密公開分享和通過Token 驗證。IP 白名單訪問是指開啟IP 白名單后，發布的大屏僅允許在指定的IP 白名單范圍內訪問，如果您使用了非白名單IP 訪問當前大屏，將被拒絕訪問。

4 結語

本文基于二維碼技術和可視化工具提出了一套滿足鐵路電務設備巡檢實時顯示動態分析需求的解決方案，用于解決傳統的硬件設備設施與現代化的數據處理方式相結合的問題。基于本設計能夠實現設備巡檢數據采集、數據同步上傳和數據可視化分析功能。經過測試，系統處理巡檢數據速度提高至實時級別（500 ms 以內），數據大屏能夠反應各設備巡檢情況，極大地提高了設備管理效率和人員利用率。