基于信號集中監測數據的電務作業智能盯控系統研究

石 成， 岳 雷

鐵路信號集中監測系統（Centralized Signal Monitoring，CSM）是監測信號設備狀態，發現信號設備隱患，分析診斷信號設備故障，實現信號子系統接口信息安全監督，輔助和指導現場維修及故障處理，提高電務系統設備運用質量和維護水平的重要信號設備［1］。CSM 經過近30 年的發展，已經成為鐵路電務專業不可或缺的設備，CSM 所采集的設備數據也是最重要的數據資產之一。如何更好、高效地利用監測數據，已經成為近幾年來各方研究的重點。如楊向波等［2］提出了利用檢修盯控子系統來代替人工調閱和盯控，即在CSM 基礎上，結合檢修作業管理方法，實現對關鍵作業執行狀態進行自動盯控。

本文基于CSM 數據，從日常作業盯控的角度，進一步研究電務作業盯控的自動化和智能化，提出基于信號集中監測數據的作業智能盯控系統［3］（以下簡稱“智能盯控系統”），以實現作業盯控的全覆蓋。在提升盯控效率的同時，降低盯控人員勞動強度。該系統是對既有CSM 數據、作業卡控系統數據、生產調度指揮系統數據進行綜合分析的一種嘗試和研究，不僅要考慮其功能的實現，更要考慮網絡安全［4-6］等問題。

1 既有電務維修作業流程

要實現對電務維修作業的盯控，首先要梳理目前電務維修作業的整個流程［7］，然后才能有針對性地對某些環節進行盯控。既有電務維修作業流程見圖1。

圖1 既有電務維修作業流程

在電務維修作業過程中，有的路局使用釘釘群或微信群來傳遞各環節的相應照片，輔助進行作業環節的卡控，使卡控動作有據可查；也有的路局使用“電務作業卡控系統”卡控作業環節，雖取得了一定的成效，但由于該系統存在一些局限性，如不能自動獲取作業前后設備的電氣特性，只能依靠人工查看CSM 數據，確認存在問題是否得到整治，導致現場作業量大。尤其是高鐵線路往往是夜間維修，若存在多處同時作業的情況，則給盯控人員增加了極大的勞動量。所以通常站段把維修作業劃分為不同等級，日常只盯控重點作業，無法做到現場作業盯控的全覆蓋。

為此，本文提出智能盯控系統：基于既有的CSM系統、作業卡控系統和生產指揮系統，打通這三者的網絡安全壁壘，把三者數據進行融合，利用計算機算力，在作業盯控環節對各類數據進行自動、智能比對，實現對所有作業盯控全覆蓋，自動判斷作業過程是否合規、設備電氣特性是否正常等，把作業過程中未發現或引入的設備安全隱患消除在萌芽狀態。

2 智能盯控系統設計

2.1 系統結構

智能盯控系統結構見圖2，劃分為數據采集、數據存儲、數據應用、用戶展示等共4層。

圖2 智能盯控系統結構

1）數據采集層，分別從CSM 采集報（預）警、電氣特性日曲線、道岔動作電流/功率曲線、道岔扳動、信號開放、軌道占用、分路不良測試等數據信息［8］，從作業卡控系統采集作業單數據，從生產指揮系統采集施工/維修計劃、組織機構、人員、車站等數據信息。

2）數據存儲層，把采集的各類信息進行清洗、轉換、關聯、合并、標記、添加索引后，存儲在數據庫的各類庫表中，供數據應用層綜合分析使用。

3）數據應用層，根據不同場景，針對不同的施工/維修作業，按設備類型進行不同種類的分析，如作業期間對報警的分析、設備試驗分析、電氣特性分析、道岔動作電流/功率曲線分析等，并采用不同的算法進行綜合判斷。

4）用戶展示層，展示作業過程中發現的問題，如設備是否有作業痕跡，作業完成后電氣特性是否恢復正常，是否有超范圍的設備被維修等。

2.2 網絡結構

智能盯控系統的網絡結構見圖3。在采集CSM、作業卡控系統、生產指揮系統的數據時，采用“接口防火墻+接口服務器”［9-10］網絡隔離技術，保證數據采集的網絡安全。面向辦公網時，通過核心防火墻提供統一的對外服務。在不同的網絡邊界增加網絡隔離設備，通過隔離不同的網絡區域，保證系統安全。同時增加設置入侵檢測、入侵防御、日志審計、運維審計等安全模塊，形成安全管理中心，保證通信網絡、計算環境的安全。如有路局已經配有安全管理中心，并且通過了公安部的認證，則可利用該中心進一步節省投資。

圖3 智能盯控系統網絡結構

3 作業盯控內容及展示

3.1 道岔（轉轍機）類

1）分析作業期間道岔（轉轍機）動作次數、每次動作的時間和動作方向，以及道岔表示是否正常等。

2）分析作業結束前是否有連續2 次及以上的定位到反位、反位到定位的動作曲線，并對比道岔動作電流/功率曲線是否恢復正常。

3）對比作業開始前一段時間、作業結束前、結束30 min 后、結束3 h 后的道岔表示電壓差異，分析并記錄變化趨勢。

4） 統計作業期間道岔（轉轍機） 相關報（預）警。

3.2 軌道電路類

1）分析作業期間區段占用變化情況，占用/空閑時長等。

2） 作業結束后，分析區段是否存在異常占用。

3）分析作業開始前一段時間、作業結束前、結束30 min 后、結束3 h 后的軌道電壓差異，并記錄變化趨勢。

4）統計作業期間軌道電路相關報（預）警。

3.3 信號機類

1）分析作業期間信號機各燈位開放情況、開放時長。

2）分析信號機是否存在異常滅燈情況。

3）分析作業期間信號機是否有正常的排列進路、開放信號等。

4）對比作業開始前一段時間、作業結束前、結束30 min 后、結束3 h 后的1DJ、2DJ 電流，分析并記錄變化趨勢。

5）統計作業期間信號機相關報（預）警。

3.4 界面展示

智能盯控系統應實時盯控所有施工/維修作業，實時統計所有的已/未兌現作業單，以及展示作業單的分析結果，實時作業盯控示意見圖4。

圖4 實時作業盯控示意

點擊圖4 中“發現異常”的紅色圓圈，可展示分析出有異常的作業；點擊作業中涉及的設備，可展示該設備在作業過程中相關的盯控項；點擊設備關聯的日曲線信息，可查看作業過程中設備相關的電氣特性曲線。

針對每項作業，既可展示作業過程中所有的盯控內容，如鏈接展示工器具材料上/下道清點的照片，人員上/下道清點的照片，作業結束后電氣特性、作業過程留痕的分析結果等；又可關聯展示相關制度要求的盯控一覽表，包括計劃部分的作業開始、結束時間，影響范圍，作業內容，作業過程卡控的工器具材料清點、人員清點、地點確認，以及事后分析的會議記錄、聯絡記錄、標準化作業過程驗證等內容。

4 關鍵技術

4.1 網絡安全技術

智能盯控系統一方面根據網絡安全等級保護2.0 的技術規范，進行網絡安全建設；另一方面根據“基本要求”的第二級防護［11］，對安全計算環境、安全區域邊界、安全通信網絡、安全管理中心等進行安全加固，實施多層隔離、重點保護策略，構建網絡安全縱深防御體系。等級保護安全技術設計框架見圖5。

圖5 等級保護安全技術設計框架

1）安全計算環境。包含網絡設備、安全設備、數據庫、服務器、終端、應用系統等一系列操作系統、應用軟件的環境，通過對計算環境實施相應的安全策略和配置，保護系統安全。

2）安全區域邊界。在不同系統之間的邊界處進行安全控制，通過設置邊界設備并配置防護策略，實現邊界處安全。

3）安全通信網絡。通過對系統內網絡架構以及網絡傳輸進行相應策略配置，實現系統內網絡安全，保證系統的平穩可靠運行。

4）安全管理中心。統一對安全計算環境、安全通信網絡、安全區域邊界等進行管理，形成綜合體系。

4.2 曲線匹配算法

曲線匹配是一種用于計算機視覺和圖像處理的算法，可以用來比較2 條曲線的相似度。曲線匹配算法的基本思路是將2 條曲線通過平移、旋轉、縮放等方式對齊后，計算二者之間的距離。計算距離的方法有很多種，如歐式距離、曼哈頓距離、動態時間規整（Dynamic Time Warping，DTW）等。本文選用DTW，即按照距離最近原則，構建2 個長度不同的序列元素對應關系，并評估2 個序列的相似性。

DTW 的計算過程分為構建累積距離矩陣和尋找最短路徑2 部分，類似于動態規劃的過程。假設X序列為｛3，4，5｝，Y序列為｛1，4，2，6｝，相似度計算采用兩點間的絕對值來表示，計算過程如下。

Step 1 構建累積距離矩陣。首先形成一個3×4 的網格，其中行對應X序列，列對應Y序列，每個網格內元素代表對應點的累積距離。如圖6 所示，從左下角開始計算，左下角取值直接套用距離計算公式3-1=2；然后網格第1列從下往上開始，除了要計算對應點的距離外，還需加上下方相鄰網格的距離，進而實現距離的累積。同理，網格第1行從左至右，除了計算對應點距離之外，還需加上左方相鄰網格的距離。其余的網格除要計算對應點的距離外，還需找到左下方3 個點的最小值進行相加，以此類推，得到最終的累積距離矩陣。

圖6 積累距離矩陣

Step 2 尋找最短路徑。從圖6 最右側網格右上角開始，尋找左下方3 個點中距離最小的點。以此類推，通過回溯的方式找到最短路徑，得到最短距離。

在尋找最短路徑時，有3 個限制條件：①邊界條件，起點和終點分別為左下角和右上角；②連續性，只能和相鄰的點匹配，不能跨過某個點進行匹配；③單調性，路徑上的點隨著時間單調進行，不能往左回退。因此每個點的下一步路徑，只有可能存在于右上方的3個點當中。

正常情況下，道岔動作電流/功率曲線的波形基本保持不變，在維修作業完成后，如果道岔工況沒有恢復正常，則曲線的差異比較大。把正常情況下道岔動作電流/功率曲線和維修作業后的曲線，根據上述步驟計算得到最短路徑后，計算最短路徑之和，該值越小，說明曲線匹配度越好。

以某電務段為例，每天安排的作業計劃大概100 條。智能盯控系統上道后，可自動實時盯控所有作業，盯控人員只需關注異常情況即可，使作業任務從重點盯控到各層級的盯控全覆蓋，大大提高了現場的工作效率。

5 結束語

基于鐵路信號集中監測數據的作業智能盯控系統避免了人工盯控失誤、盯控不及時、勞動強度大等問題，不但大大提高了盯控的效率和準確度，還減輕了現場的勞動量，切實解決了現場問題。在試運行期間，經過多輪現場反饋和系統優化，有效避免了現場漏檢、漏修和假維修等行為，使自動盯控的項點更完備、更貼近現場，提升了設備維護的質量，值得推廣應用。