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(jīng)緯信息技術(shù)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(shù)研究所，北京 100081)

鐵路貨運計量安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)在鐵路貨運安全管理領(lǐng)域應(yīng)用十余年，已成為保障鐵路貨運行車安全的重要信息系統(tǒng)。貨運計量安全檢測設(shè)備的運行狀態(tài)、運用質(zhì)量、管理水平對檢測數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)正常運行、行車安全保障具有至關(guān)重要的影響。貨運計量安全檢測設(shè)備是該系統(tǒng)的核心數(shù)據(jù)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(shù)支撐。目前，貨運計量安全檢測設(shè)備的運用維護管理已基本實現(xiàn)信息化，但隨著鐵路貨運深化改革，現(xiàn)行技術(shù)手段已不能滿足貨運設(shè)備管理的需求，需要進一步面向設(shè)備全壽命周期實現(xiàn)精細化、智能化管理。因此，圍繞貨運計量安全檢測設(shè)備開展相關(guān)技術(shù)研究，構(gòu)建相應(yīng)信息系統(tǒng)提供全壽命周期管理、運用分析評價等應(yīng)用服務(wù)，以提升設(shè)備管理質(zhì)量和運輸安全保障水平。

1 鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備管理現(xiàn)狀與建設(shè)目標

1.1 現(xiàn)狀分析

鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備的管理模式經(jīng)過多年運用已較為成熟穩(wěn)定，通過梳理實踐經(jīng)驗，設(shè)備管理現(xiàn)狀與存在問題總結(jié)如下。

（1）由于缺乏統(tǒng)一管理技術(shù)手段，未形成針對貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期的精細化管理，設(shè)備全壽命周期中的事件信息維護不夠全面、部分歷史數(shù)據(jù)未完整保存、相關(guān)數(shù)據(jù)存儲分散、共享程度偏低，無法全面掌控設(shè)備從制造投產(chǎn)到報廢退役整個壽命周期的數(shù)據(jù)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(guān)管理規(guī)則為設(shè)備管理提供了規(guī)范約束，建立的考核評價機制為保障設(shè)備運用維護質(zhì)量發(fā)揮了監(jiān)督促進作用，但缺乏技術(shù)手段提供相應(yīng)的電子化支持，也無法針對設(shè)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(wù)站段、貨運中心等單位無法即時掌握設(shè)備的檢定、檢修、日常維護等工作計劃與實際執(zhí)行情況，缺乏適時自動預警提示，不利于合理制定計劃、調(diào)配人力、物力開展相關(guān)工作。

1.2 建設(shè)目標

針對貨運計量安全檢測設(shè)備管理現(xiàn)狀及存在問題，基于鐵路貨運計量安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)，研究構(gòu)建鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)，實現(xiàn)以下目標。

（1）建立全路貨運計量安全檢測設(shè)備電子履歷，實現(xiàn)覆蓋其全壽命周期的“一物一檔”精細化管理，根據(jù)《鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備運用管理規(guī)則》要求，對貨運計量安全檢測設(shè)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(tǒng)一管理[2]。

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

（3）實時監(jiān)測采集設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)，自動發(fā)現(xiàn)設(shè)備或部件故障，即時發(fā)出預警，提示相關(guān)人員準備進行檢修維護。通過對發(fā)生時機、原因等信息進行統(tǒng)計分析，形成對設(shè)備故障的預測預判。

2 鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)采用“兩級部署、多級應(yīng)用”的方式，以鐵路貨運計量安全檢測監(jiān)控系統(tǒng)的國鐵集團和各鐵路局集團公司兩級服務(wù)器部署為基礎(chǔ)，利用計量安全檢測設(shè)備采集自身技術(shù)狀態(tài)、運行故障、過車計量安全信息，通過車站數(shù)據(jù)集中器匯集上傳到服務(wù)器，并與人工錄入的設(shè)備全壽命周期事件信息，以及從鐵路主數(shù)據(jù)平臺、運輸集成平臺等外部系統(tǒng)接入的數(shù)據(jù)實現(xiàn)集成融合，面向國鐵集團、鐵路局集團公司、車務(wù)站段/貨運中心、車站等多級各單位用戶，提供設(shè)備全壽命周期履歷管理、設(shè)備監(jiān)控、過車檢測、重點督辦等業(yè)務(wù)功能。鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

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

2.2 邏輯架構(gòu)

系統(tǒng)邏輯架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、系統(tǒng)應(yīng)用層組成。鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2所示。

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

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層。由維持系統(tǒng)正常運行的軟硬件組成，包括貨運計量安全檢測設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、服務(wù)器、應(yīng)用終端等硬件設(shè)備，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序、網(wǎng)絡(luò)軟件、數(shù)據(jù)庫、中間件等軟件及環(huán)境。

（2）數(shù)據(jù)采集層。以設(shè)備檢測、人工錄入、外部系統(tǒng)接口為源頭，為系統(tǒng)采集設(shè)備技術(shù)狀態(tài)、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(shù)據(jù)、確報數(shù)據(jù)、現(xiàn)車數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源。

（3）數(shù)據(jù)處理層。通過匯集不同來源的數(shù)據(jù)并開展數(shù)據(jù)治理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的標準化和規(guī)范化，集中規(guī)劃建立數(shù)據(jù)存儲空間，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效融合[3]，為系統(tǒng)應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

（4）系統(tǒng)應(yīng)用層。運用數(shù)據(jù)處理結(jié)果為多級各單位的設(shè)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(shè)備畫像等應(yīng)用服務(wù)。

2.3 數(shù)據(jù)構(gòu)成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)3類。

（1）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。主要包括來自設(shè)備自檢上傳或系統(tǒng)分析評判得出的設(shè)備技術(shù)狀態(tài)、設(shè)備運行故障等信息，來自人工錄入的設(shè)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(shè)備檢測采集的過車時間、車號、車速、超偏載量值等數(shù)據(jù)，是構(gòu)成設(shè)備全壽命周期電子履歷的核心數(shù)據(jù)，是反映設(shè)備運用質(zhì)量和開展科學評價的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。主要包括設(shè)備測點字典、組織機構(gòu)字典、功能業(yè)務(wù)字典、系統(tǒng)配置參數(shù)等，是確保通用數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一、系統(tǒng)功能可靠運轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)。

（3）外部數(shù)據(jù)。主要包括從鐵路主數(shù)據(jù)平臺集成的車型字典、站名字典等鐵路公共主數(shù)據(jù)，以及從運輸集成平臺接入的確報信息、現(xiàn)車信息等數(shù)據(jù)，可確保公共主數(shù)據(jù)的正確性、完整性和一致性，可擴展檢測數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)發(fā)到站、品名、編組、車次、車號、輛序、車種車型等信息，是提升數(shù)據(jù)綜合利用價值和保證系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能可用、實用、易用的關(guān)鍵。

2.4 功能設(shè)計

系統(tǒng)以覆蓋設(shè)備全壽命周期的電子履歷管理為核心，以設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備運用評價、輔助管理決策為重點，開展業(yè)務(wù)功能設(shè)計。鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.3 Functional structure of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）履歷管理。為管內(nèi)貨運計量安全檢測設(shè)備建立“一物一檔”電子履歷，管理維護設(shè)備生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號等靜態(tài)基本信息及其全壽命周期動態(tài)發(fā)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(guān)系智能展示設(shè)備全壽命周期檔案。

（2）設(shè)備監(jiān)控。實時監(jiān)控管內(nèi)貨運計量安全檢測設(shè)備的運行技術(shù)參數(shù)、聯(lián)網(wǎng)狀態(tài)、自檢故障等動態(tài)信息，發(fā)生故障即時給予預警提示，基于地圖展示設(shè)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(nèi)設(shè)備采集途經(jīng)貨物列車車輛的計量安全信息，動態(tài)監(jiān)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(shè)備的檢測數(shù)據(jù)和檢測精度，分析設(shè)備誤報警和車號識別情況，對設(shè)備運用質(zhì)量做出相對評價[4]；自動生成對設(shè)備運用質(zhì)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(shè)備技術(shù)狀態(tài)、傳感器沖擊等因素的關(guān)系，對設(shè)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(shè)備管理的主要業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和關(guān)鍵指標[6]。關(guān)聯(lián)分析設(shè)備全壽命周期中的運用、故障、檢修、維護等維度數(shù)據(jù)，智能生成設(shè)備畫像，形成對設(shè)備的直觀評價。

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

（7）系統(tǒng)維護。根據(jù)實際情況對設(shè)備測點、組織機構(gòu)、用戶、角色、權(quán)限等進行靈活配置管理，為系統(tǒng)的正常使用提供基本設(shè)置和保障。

3 鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 前后端技術(shù)

系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)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(chǔ)，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(xiàn)清新簡潔的樣式排版和響應(yīng)式布局；通過商業(yè)級圖表庫Echarts實現(xiàn)數(shù)據(jù)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(chǔ)，采用RESTful接口原則和標準HTTP方法請求資源，以JSON格式傳輸數(shù)據(jù)，主要通過WebService進行數(shù)據(jù)通信；使用Oracle持久化存儲數(shù)據(jù)，通過存儲過程、觸發(fā)器等實現(xiàn)部分業(yè)務(wù)邏輯。

3.2 業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程主要針對設(shè)備全壽命周期實施檔案化管理，從建設(shè)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(shè)備全壽命周期管理業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

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

（1）建設(shè)階段。設(shè)備安裝聯(lián)網(wǎng)后由設(shè)備管理人員建立電子履歷，維護生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號等靜態(tài)信息并記錄安裝事件，同時系統(tǒng)根據(jù)編碼規(guī)則自動生成設(shè)備唯一編號。安裝測點形成字典獨立維護，若設(shè)備投入運用后發(fā)生遷建，設(shè)備與歷史安裝測點的對應(yīng)關(guān)系將完整保存。

（2）運用階段。動態(tài)發(fā)生的設(shè)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(shè)備自行監(jiān)控技術(shù)狀態(tài)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(guān)車站發(fā)出警示。

（3）退役階段。設(shè)備在系統(tǒng)中登記報廢后不再使用，數(shù)據(jù)停止采集檢測，設(shè)備履歷歸檔留存。

在設(shè)備全壽命周期中，所有信息基于設(shè)備唯一編號，根據(jù)數(shù)據(jù)時序和事件邏輯形成設(shè)備全壽命周期檔案[8]。系統(tǒng)綜合權(quán)衡各類事件信息，對未來何時應(yīng)執(zhí)行何種檢修、維護等作業(yè)進行智能提示，統(tǒng)計分析過車檢測和設(shè)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(xiàn)科學評價，提取分析設(shè)備全壽命周期關(guān)鍵數(shù)據(jù)，生成設(shè)備畫像和綜合看板。

3.3 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)所需數(shù)據(jù)主要通過設(shè)備檢測、人工錄入、外部接入的方式采集。

（1）設(shè)備檢測。利用設(shè)備傳感器和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對設(shè)備故障信息、技術(shù)狀態(tài)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(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)如圖5所示[9]。

圖5 鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)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(shè)備技術(shù)狀態(tài)參數(shù)和車輛超偏載量值等信息，車號識別設(shè)備讀取車輛AEI標簽，通過RFID技術(shù)解碼車號、車型等車輛信息。信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)集中器，根據(jù)接口規(guī)范生成設(shè)備狀態(tài)、運行故障、過車檢測數(shù)據(jù)文件[10]。

②網(wǎng)絡(luò)層。傳感器組成自組織網(wǎng)絡(luò)，接入鐵路安全生產(chǎn)網(wǎng)，按照約定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸中間件通過Message Queue技術(shù)，將數(shù)據(jù)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(wù)器完成數(shù)據(jù)解析。

③應(yīng)用層。對數(shù)據(jù)進行集中匯集和融合處理，提供設(shè)備監(jiān)控、故障管理、過車檢測、設(shè)備運用評價等功能。

（2）人工錄入。系統(tǒng)為不同單位、不同崗位的用戶設(shè)定角色并授予不同業(yè)務(wù)權(quán)限和數(shù)據(jù)操作權(quán)限，通過不同功能對設(shè)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(shù)據(jù)進行人工采集維護。

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

3.4 外部接口

系統(tǒng)與運輸集成平臺之間以文件方式接入車次、發(fā)到站、發(fā)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(xiàn)車信息；與鐵路主數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸共享采取數(shù)據(jù)加密、口令鑒別、數(shù)據(jù)校驗等措施確保數(shù)據(jù)合法安全與正確完整。鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)外部接口如圖6所示。

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

3.5 數(shù)據(jù)融合

全路貨運計量安全檢測設(shè)備數(shù)量眾多，生產(chǎn)廠家、規(guī)格型號各異，設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和接口方式不盡相同，全路日均產(chǎn)生數(shù)據(jù)量巨大，同時存在著結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。針對數(shù)據(jù)多源異構(gòu)的特點，鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合流程如圖7所示。

圖7 鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合流程Fig.7 Data fusion process of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）數(shù)據(jù)匯集。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括設(shè)備基本信息、設(shè)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(shù)據(jù)字典等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包括設(shè)備采集的圖片視頻、系統(tǒng)生成或用戶上傳的文件等。不同類型、不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)實時或離線采集至鐵路局集團公司服務(wù)器完成預處理，再集中匯集到國鐵集團服務(wù)器[11]。

（2）數(shù)據(jù)融合。通過校驗、清洗、抽取、轉(zhuǎn)換等方式進行精加工處理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成與標準化[12-13]， 按照設(shè)備全壽命周期管理事件分類進行數(shù)據(jù)存儲與融合，形成按設(shè)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(chǔ)數(shù)據(jù)組織，通過設(shè)備唯一編號實現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通。

（3）數(shù)據(jù)應(yīng)用。利用融合后的數(shù)據(jù)建立設(shè)備全壽命周期履歷，按照業(yè)務(wù)功能需求構(gòu)建業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)模型，按需共享給鐵路局集團公司級系統(tǒng)，為設(shè)備的智能化管理和質(zhì)量分析評價提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

4 結(jié)束語

鐵路貨運計量安全檢測設(shè)備全壽命周期管理系統(tǒng)的構(gòu)建為全路貨運計量安全檢測設(shè)備建立電子履歷，貫穿設(shè)備全壽命周期將各類事件納入檔案化管理，優(yōu)化完善設(shè)備運用管理業(yè)務(wù)流程，有利于規(guī)范設(shè)備相關(guān)信息的采集記錄和管理歸集，加速多級各單位相關(guān)信息的協(xié)同交流，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集成融合共享，充分盤活歷史數(shù)據(jù)，可提出更科學更準確的質(zhì)量評價分析和管理輔助決策，從而提高設(shè)備運用管理維護效率與質(zhì)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。