祁苗苗，蔣 薈，肖 齊，王華偉

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

目前車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備（以下簡稱5T 設(shè)備）全路聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用7 711 套，其中車輛軸溫智能探測系統(tǒng)［1］（Train Hotbox Detection System，以下簡稱THDS 系統(tǒng)）設(shè)備6 656 套、鐵道車輛運(yùn)行品質(zhì)軌 旁 動 態(tài) 監(jiān) 測 系 統(tǒng)［1］（Train Performance Detection System，以下簡稱TPDS）設(shè)備140 套、鐵道車輛滾動軸承故障軌旁聲學(xué)診斷系統(tǒng)［1］（Train Acoustic Detection System，以下簡稱TADS）設(shè)備93 套、貨車故障軌旁圖像檢測系統(tǒng)［1］（Train of Freight Failures Detection System，以下簡稱TFDS）設(shè)備419 套、動車組運(yùn)行故障動態(tài)圖像檢測系統(tǒng)［1］（Trouble of Moving EMU Detection System，以下簡稱TEDS）設(shè)備154 套、客 車 故 障 軌 邊 圖 像 檢 測 系 統(tǒng)［1］（Train Coach Machine Vision Detection System，以下簡稱TVDS）設(shè)備249 套，為保障鐵路車輛運(yùn)行安全發(fā)揮了重要作用。5T 設(shè)備的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行和及時(shí)維修與檢定是5T 系統(tǒng)發(fā)揮安全保障作用的基礎(chǔ)，當(dāng)前且尚未建立統(tǒng)一的5T 設(shè)備監(jiān)控、評價(jià)、管理標(biāo)準(zhǔn)，缺乏運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)手段，無法實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)綜合評判，因此，迫切需要建設(shè)車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，制定統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，接入各類5T 設(shè)備履歷信息、運(yùn)行狀態(tài)信息等，實(shí)現(xiàn)全路5T 設(shè)備履歷集中管理、運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障分析閉環(huán)管理，為各級設(shè)備管理及運(yùn)維人員提供技術(shù)支持，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置5T 設(shè)備故障，充分發(fā)揮車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)安全保障作用。

1 總體方案

1.1 總體架構(gòu)

車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)在國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司兩級部署，實(shí)現(xiàn)國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司、車輛（動車）段三級應(yīng)用如圖1所示，系統(tǒng)依托物聯(lián)網(wǎng)、Webservice 服務(wù)、應(yīng)用集成、數(shù)據(jù)融合、GIS 平臺、MQ 數(shù)據(jù)傳輸中間件等技術(shù)，利用5T 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)接入各類5T設(shè)備自檢信息以及5T 系統(tǒng)服務(wù)器狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)一管理、集中展示和綜合分析，實(shí)現(xiàn)全路5T 設(shè)備履歷集中管理、運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障分析閉環(huán)管理，為5T 設(shè)備管理及運(yùn)維人員提供專業(yè)的輔助決策支撐［2］。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能框架

根據(jù)應(yīng)用需求，車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)由國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司、車輛（動車）段級三級構(gòu)成，系統(tǒng)總體功能架構(gòu)如圖2 所示。其中車輛（動車）段級系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控5T 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、故障預(yù)警處置反饋以及5T 設(shè)備履歷維護(hù)，鐵路局集團(tuán)公司級系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)局管內(nèi)5T 設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量管理評價(jià)、故障閉環(huán)處置管理、重點(diǎn)督辦工作檢查，國鐵集團(tuán)級系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)全路5T 設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量管理評價(jià)、故障閉環(huán)處置管理、重點(diǎn)工作督辦。

圖2 車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)功能框架

1.3 數(shù)據(jù)接口方案

車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)通過建立統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，利用數(shù)據(jù)庫共享、Webservice 服 務(wù) 等 方 式 與THDS、TPDS、TADS、TFDS、TEDS、TVDS、TCDS 等系統(tǒng)進(jìn)行信息共享與交換。交互信息類型包括設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)信息見表1、設(shè)備履歷信息見表2、日常統(tǒng)計(jì)信息見表3。

表1 實(shí)時(shí)狀態(tài)信息接口

表2 設(shè)備履歷信息接口

表3 日常統(tǒng)計(jì)信息接口

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 設(shè)備狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控

5T 設(shè)備存在檢修維護(hù)工作量大、上道檢修困難等問題，為實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，在5T 設(shè)備測點(diǎn)機(jī)部署自檢軟件，實(shí)時(shí)檢測設(shè)備部件狀態(tài)并定時(shí)向鐵路局5T 服務(wù)器發(fā)送自檢報(bào)文，鐵路局5T 服務(wù)器接收并解析各類軌邊設(shè)備發(fā)送的運(yùn)行狀態(tài)自檢報(bào)文，得到設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)并記錄自檢異常信息，建立設(shè)備故障診斷知識庫，自動識別設(shè)備故障，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障遠(yuǎn)程診斷和精準(zhǔn)定位，指導(dǎo)現(xiàn)場設(shè)備的維修與檢定；同時(shí)，5T 服務(wù)器向監(jiān)控終端復(fù)示最新的5T 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自檢異常信息，設(shè)備運(yùn)維人員可通過監(jiān)控終端對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程在線監(jiān)控；另外，設(shè)備管理人員可通過查詢、分析設(shè)備自檢異常歷史故障記錄及故障規(guī)律，指導(dǎo)設(shè)備檢修［3］。

2.1.1 設(shè)備自檢故障類型

5T 設(shè)備按照監(jiān)測原理不同分為圖像監(jiān)測設(shè)備、紅外線監(jiān)測設(shè)備、力學(xué)監(jiān)測設(shè)備、聲學(xué)監(jiān)測設(shè)備，其自檢故障類型各不相同，其中TEDS、TVDS、TFDS 圖像監(jiān)測設(shè)備主要檢測攝像頭、THDS 紅外線監(jiān)測設(shè)備主要檢測紅外線探頭、TPDS 力學(xué)監(jiān)測設(shè)備主要檢測力學(xué)傳感器、TADS 聲學(xué)監(jiān)測設(shè)備主要檢測麥克通道，詳細(xì)檢測故障類型見表4。

表4 5T 設(shè)備自檢故障類型

2.1.2 設(shè)備狀態(tài)類別編碼

5T 設(shè)備狀態(tài)類別編碼用來標(biāo)識設(shè)備關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)，是2 位設(shè)備部件編碼與3 位設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)編碼的組合。例如，TFDS 設(shè)備的攝像頭部件碼為“01”，則可以用“01001”表示“1 號攝像頭狀態(tài)異常”，“01002”表示“2 號攝像頭狀態(tài)異?！?。

2.1.3 設(shè)備狀態(tài)自檢報(bào)文

設(shè)備狀態(tài)自檢報(bào)文由報(bào)頭和狀態(tài)檢測信息2部分構(gòu)成，報(bào)文內(nèi)容主要為5T 探測站服務(wù)器及所有軌邊設(shè)備狀態(tài)檢測信息。報(bào)頭信息為5T 探測站編碼及自檢時(shí)間，狀態(tài)檢測信息包括多個設(shè)備狀態(tài)類別編碼［3］。設(shè)備狀態(tài)自檢報(bào)文的格式可定義為：

｛5T 探測站編碼@自檢時(shí)間：｛設(shè)備編碼｛［，設(shè)備狀態(tài)類別編碼］｝m；｝n｝

當(dāng)設(shè)備自檢狀態(tài)無異常時(shí)，則設(shè)備狀態(tài)類別碼僅為設(shè)備部件編碼；設(shè)備部件狀態(tài)異常時(shí)，設(shè)備狀態(tài)類別碼為設(shè)備部件編碼與異常部件狀態(tài)編碼的組合。以TFDS 設(shè)備為例，若攝像頭（部件碼01）所有設(shè)備部件均正常，則僅生成一個表示攝像頭狀態(tài)正常的設(shè)備狀態(tài)類別編碼01 即可；若攝像頭某幾個部件均出現(xiàn)故障時(shí)，則生成這些部件所對應(yīng)的狀態(tài)分類編碼，例如001、002、003 號攝像頭均發(fā)生故障，對應(yīng)的狀態(tài)自檢信息為：01001，01002，01003。

各測點(diǎn)設(shè)備將運(yùn)行狀態(tài)自檢報(bào)文發(fā)送至探測站服器匯總，并定時(shí)向鐵路局集團(tuán)公司中心服務(wù)器傳輸，參照大多數(shù)5T 探測站的接車頻率，定義每10 min 傳輸1 次。

2.1.4 探測站設(shè)備故障判別處理

在鐵路局集團(tuán)公司5T 服務(wù)器部署探測站自檢解析程序，每10 min 讀取1 次5T 探測站自檢報(bào)文，通過解析自檢報(bào)文判定5T 探測站是否發(fā)生故障。若鐵路局5T 服務(wù)器超過15 min 未成功讀取探測站自檢報(bào)文，則鐵路局5T 服務(wù)器PING 探測站服務(wù)器，若能夠PING 通，則將故障定義為“測點(diǎn)軟件異常”；若不能PING 通，則將故障定義為“網(wǎng)絡(luò)通道異常”。

2.2 運(yùn)行狀態(tài)綜合評判

利用模糊綜合評價(jià)算法，綜合做出5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)綜合報(bào)警的評判模型，根據(jù)綜合評價(jià)結(jié)果更加有針對性地指導(dǎo)設(shè)備檢修，為5T 設(shè)備修程修制改革提供技術(shù)支持。通過研究發(fā)現(xiàn)，5T 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與自檢故障、故障停時(shí)、車號識別率、設(shè)備使用年限有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可作為5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)一級評價(jià)指標(biāo)，自檢故障指標(biāo)下又可根據(jù)不同故障類型定義多個二級指標(biāo)。

模糊評價(jià)算法可以按以下3 個步驟進(jìn)行：

（1）對5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分層處理，并且基于AHP 層次分析法得到在評價(jià)指標(biāo)各層級別的權(quán)重向量，進(jìn)而確定5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)是否超限的影響因素等級集合。

（2）利用正態(tài)分布函數(shù)分析5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)與影響因素等級關(guān)系，建立5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)影響因素的評價(jià)指標(biāo)對于不同等級的影響力的隸屬度函數(shù)，得到評價(jià)指標(biāo)與影響因素等級的模糊關(guān)系矩陣［4］。

（3）利用模糊算子處理每個層級評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重與模糊關(guān)系矩陣，生成綜合評價(jià)矩陣，得到5T設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)的最終評判結(jié)果。

模型—符號：

U：為5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)集；

ui：為5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)評價(jià)指標(biāo)集內(nèi)的一級指標(biāo)子集i；

uij：為一級評價(jià)指標(biāo)子集ui集內(nèi)的二級指標(biāo)子集j；

A：為5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)一級評價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣；

Bi：為二級因素評價(jià)指標(biāo)的判斷矩陣；

X：為5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)一級評價(jià)指標(biāo)下的權(quán)重向量；

xi：為二級因素評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重向量；

rij：為第i個影響因素對第j個等級的隸屬度；

V：為5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)評價(jià)的評價(jià)等級集合；

Vi：為等級因素子集i；

λmax：為綜合評價(jià)矩陣的最大特征值；

CI：為綜合評價(jià)矩陣的一致性指標(biāo)；

RI：為綜合評價(jià)矩陣的平均隨機(jī)一致指標(biāo)；

CR：為綜合評價(jià)矩陣的一致性比率；

R：準(zhǔn)則層的模糊評價(jià)等級矩陣；

Ri：為子準(zhǔn)則層的模糊評價(jià)矩陣；

Wi：為5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)過限單評價(jià)元素矩陣；

根據(jù)對5T 設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)過限影響因素的分析，設(shè)所要構(gòu)造的判斷矩陣為A=(aij)，（aij元素的設(shè)定可參考9 標(biāo)度法），構(gòu)造判斷矩陣為式（1）：

同樣方法求得4 個二級指標(biāo)的最大特征值和權(quán) 重 向 量 分 別 為λ1max，x1，λ2max，x2，λ3max，x3，λ4max，x4。

當(dāng)a＞0.5 時(shí)，表示評價(jià)指標(biāo)的影響力偏小，所以隸屬度函數(shù)為式（3）：

利用上述隸屬函數(shù)求出模糊關(guān)系矩陣，即單個評價(jià)元素的矩陣為式（4）：

帶入4 個權(quán)重向量，算得自檢故障、故障停時(shí)、車號識別率、設(shè)備使用年限4 個指標(biāo)權(quán)重矩陣分別為w1，w2，w3，w4。

將模糊綜合評價(jià)矩陣R與準(zhǔn)則層評價(jià)指標(biāo)權(quán)重矩陣W相乘，得式（6）：

取最大值為綜合評判結(jié)果，G最大即為狀態(tài)正常，T最大則為狀態(tài)預(yù)警。

2.3 設(shè)備故障分級閉環(huán)管理

車輛（動車）段值班員可以通過鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)提示得到5T 設(shè)備的自檢異常和故障停機(jī)信息，并及時(shí)通知維修人員對故障5T 設(shè)備進(jìn)行核實(shí)處理；維修人員核實(shí)完畢后，向車輛（動車）段值班員反饋處理結(jié)果，值班員確認(rèn)處理結(jié)果后在系統(tǒng)中回填。由此在車輛（動車）段形成了對5T 設(shè)備的“預(yù)警→核實(shí)→處理”的閉環(huán)控制機(jī)制。車輛（動車）段對5T 設(shè)備自檢異常和故障停時(shí)的處置信息逐級上傳至鐵路局集團(tuán)公司和國鐵集團(tuán)級鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)，鐵路局、國鐵集團(tuán)5T 設(shè)備主管人員通過系統(tǒng)監(jiān)控終端監(jiān)控和考核5T 設(shè)備核實(shí)處置情況。

此外，國鐵集團(tuán)5T 設(shè)備主管人員可對長時(shí)間未處理的自檢異常、故障停機(jī)5T 設(shè)備進(jìn)行逐級重點(diǎn)督辦，通過建立上級對下級5T 設(shè)備故障處置逐級檢查、逐級監(jiān)督和逐級考核的把控機(jī)制，形成了上下互控、分級管理、重點(diǎn)監(jiān)督、分級把控的國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)公司和車輛（動車）段分級閉環(huán)管理模式，如圖3 所示。

圖3 設(shè)備故障分級閉環(huán)處置圖示

3 結(jié)束語

當(dāng)前鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備綜合監(jiān)控管理系統(tǒng)已在全路18 個鐵路局集團(tuán)公司、23 個動車段、26 個客車段、40 個車輛段推廣應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果。系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備履歷集中統(tǒng)一管理、設(shè)備故障遠(yuǎn)程監(jiān)控以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)智能評判，為各級設(shè)備管理及運(yùn)維人員提供技術(shù)支持，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處置5T 設(shè)備故障，充分發(fā)揮車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)安全保障作用。目前該系統(tǒng)已經(jīng)成為車輛運(yùn)行安全監(jiān)測設(shè)備監(jiān)控及管理的主要技術(shù)手段，在保證鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行安全和提高設(shè)備運(yùn)維質(zhì)量等方面發(fā)揮了重要作用。