铁路客站设备运用监控系统设计及实现

刘家涛

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

为提高旅客服务质量、推进铁路智能化建设、满足车站管理要求、降低车站运营维护成本，节约车站设备能耗，对客运设备的智能化运营维护和实时在线监控提出了更高的要求。国内外学者对设备监控与管理进行了不同维度的研究。孟金林[1]对铁路集装箱中心场站区的照明控制进行了设计及研究，变就地控制为远程控制，降低了照明控制人员的劳动强度。王晓晖等人[2]应用LoRa 技术对照明控制系统进行设计和应用，但系统应用范围较小，不适合照明设备分散的照明系统的控制。Guo.T[3]基于CIMS 设计了地铁环境设备监测系统，并对地铁环境设备的监测进行仿真测试，对机电设备的监测提供了有效支撑。蔡友宏[4]、孙锦全[5]、王冰[6]等人基于NB-IoT 云平台对环境监测系统进行研究，提出了基于IoT 技术的物联网设备监控方案，并在环境监测中进行应用，证明了基于IoT 技术的物联网设备监测的可行性。魏鹏[7]、吴振华[8]对客运车站、地铁BAS 系统的安全可靠性进行研究，并对BAS 设备的节能控制方案做了深入研究，对车站和地铁的设备管理有较大改进，能够减少车站能耗，但未结合应用业务进行精细化控制，未能最大限度降低设备的能耗。邹慧丽[9]研究了基于CoAP 协议的物联网服务平台，并对监测平台进行了详细的设计，对于设备的集成监控提供了借鉴。LiDa Xu[10]在文章中讲述了物联网技术对于设备监控的重要性。上述学者从不同维度和应用场景对设备管理进行了研究，但仅对一类或几类设备进行系统的设计和研究。本系统结合铁路实际业务需求，应用智联网/ 物联网、大数据、云计算、人工智能、自动控制和数据挖掘等前沿技术，以铁路客站设备的运用维修智能化为目标，建设一套全路统一、集约高效的铁路客站设备运用监控系统，对客站设备进行全面管理与控制，实现设备实时监控和维护保养，延长设备使用寿命，提高客运设备的安全性、稳定性和可靠性，确保客运运营组织安全，提高旅客服务质量，实现节能降耗、减员增效，对铁路的绿色、高效、安全发展有重大意义。

1 设计内容

1.1 搭建统一平台

搭建统一的铁路客站设备运用监控与管理平台，满足客站设备运用监控系统两级部署三级应用的需要，为客站设备运用与维护管理提供支撑，同时为设备安全运行、信息共享和综合管理提供运行环境。

1.2 制定标准规范

制定各类设备的数据采集方案及接口规范，并汇集到大数据标准规范中，通过网络互联实现铁路综合信息网与专网、车站自组局域网之间的互通，满足客站设备的信息采集和传输，实现中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）、铁路局集团有限公司（简称：铁路局）、车站之间的信息交换，为铁路大数据深度分析、挖掘和应用提供有力支撑。

1.3 设备运维保养和状态监测

研究设备运行机理和机制，运用单因素法、交叉分析法研究影响设备运行的各个参数和影响程度，建立模型。研发设备状态自感知、自诊断、自决策和协同互动的客站设备运用监控系统软件，涵盖设备运维保养、状态监测、能效管控、统计分析和系统管理等功能，实现设备的全寿命周期管理，实现故障预测与状态监控的智能化管理，逐步建立 “状态修” 模式的客站设备维修保养体系，及时消除故障隐患，确保设备质量良好、安全可靠。

1.4 建立预测模型

利用信息融合、大数据、物联网和数据挖掘等新兴技术，采集并分析设备设施运行状态，并以设备核心部件技术参数和故障历史数据为基础，建立相关模型进行分析，形成对设备成本、质量、故障率和能源能耗的统计分析及趋势预测，让设备管理人员准确掌握设备运行状态。

1.5 完善管理办法

研究制定配套的设备管理办法和系统管理办法，促进客站设备维护和管理的流程再造。

2 系统设计

2.1 总体架构

铁路客站设备运用监控系统以各类设备监测为基础，采用计算机网络及信息集成技术，在国铁集团和铁路局搭建客站设备运用监控与管理平台，通过系统设备接口，实现客票、旅服、机电等设备状态信息的实时采集，实现国铁集团- 铁路局- 车站的三级联网应用。铁路客站设备运用监控系统体系结构图，如图1 所示。

2.2 物理结构

客站设备运用监控系统在国铁集团和铁路局设立服务器集群（包括数据库服务器、应用服务器和接口服务器），借助铁路信息网将车站获取到的客站设备状态信息与运用维护信息同步和上传，同时通过网闸、防火墙或安全平台等安全防护措施，实现与客票系统、旅服系统和视频监控系统的数据交换。

2.3 逻辑架构

铁路客站设备运用监控系统逻辑结构主要包括感知层、传输层、数据分析层和应用层4 部分，系统逻辑结构图，如图2 所示。

（1）感知层：通过增加状态采集模块对站段级的客票设备、旅服设备、机电设备、列车设备、环境参数、空间布局和服务需求等信息进行采集。

（2）传输层：通过传感网、接入网实现对感知层数据的传输，最终连入骨干网形成一个整体。

（3）数据分析层：实现数据的接入、存储、融合、处理和分析等，最终为应用层提供服务。

图1 铁路客站设备运用监控系统体系结构图

图2 系统逻辑结构图

（4）应用层：为系统提供支撑，并为用户提供业务功能。

2.4 功能设计

铁路客站设备运用监控系统主要是通过对设备的状态监测和维护管理实现设备的全寿命周期管理，体现在设备从开始投入使用，经过基础数据管理阶段、运行阶段、检定阶段、 维修阶段、 效益分析阶段直至报废处置的全寿命管理过程。系统业务功能设计，如图3 所示。

图3 系统业务功能设计图

（1）基础数据管理阶段主要包含基础履历与备品备件，是其他阶段的基础数据来源。基础履历涉及设备的新增、移动、变更和移除等功能；备品备件是对客运设备关键部件流转过程的管理，涉及计划制定、入库、盘点、出库、调拨、配送和折旧等过程。

（2）运行阶段是指设备使用的过程，状态监测包含设备的在线监测、运行记录、报警处置以及运行趋势分析；能效管控包含制定设备控制策略、生成控制计划、对设备进行智能控制及能效的采集。

（3）检定阶段主要执行设备的维护保养和日常巡检。维护保养中需要结合车站设备管理的文件以及设备的使用情况制定保养标准，根据标准自动生成保养计划，并为保养人员派发保养工单，最后形成可供查询的保养记录；日常巡检与维护保养类似，主要涉及巡检标准、巡检计划和巡检记录等内容。

（4）维修阶段主要是指对设备的维修管理，按照目的不同分为计划维修、状态维修、日常维修。

（5）效益分析阶段是对设备的质量与能耗进行分析。质量分析主要包括故障分析、厂商评估、成本分析、运维费用分析以及设备寿命预测等；能耗分析中包含能耗统计分析、能耗预测、能源计费、能耗质量评估等。

（6）报废阶段是指对不能使用的设备处理的过程。

3 系统实现

系统采用前后端分离技术，应用Spring Boot 框架，基于IntelliJ IDEA 2018 开发平台开发。

3.1 系统平台实现

3.1.1 前端技术实现

前端使用主流的渐进式框架VUE.JS。与其它大型框架不同的是，VUE 被设计为可以自底向上逐层应用。VUE 的核心库只关注视图层，应用简单，便于与第三方库或既有项目整合。另一方面，当与现代化的工具链以及各种支持类库结合使用时，VUE也完全能够为复杂的单页应用提供驱动。

3.1.2 后端技术实现

后端采用Rest 服务提供灵活接口方式，设备状态信息采集采用高吞吐量的分布式发布订阅消息中间件kafka，满足设备运行过程中产生的大量数据存储和分发。任务调度采用开源作业调度框架Quartz，支持设备巡检、保养、故障闭环处理等计划任务的动态生成和灵活配置。持久层框架采用Mybatis，支持定制化SQL、存储过程以及高级映射。避免了几乎所有的JDBC 代码和手动设置参数带来的麻烦。项目中使用注解来配置和映射原生信息，将接口和Java的POJOs 映射成数据库中的数据记录，开发简单，可读性强。实现SQL 灵活，可以实现操作数据库的所有需求，便于统一管理和优化。

3.1.3 业务流程实现

系统平台业务贯穿客运设备全寿命周期全流程，涵盖设备采购、动静态履历、状态监测、智能控制、运维保养、报废等多个业务流程，同时每个业务中包括计划、工单生成、派发、执行、回填、统计分析等多项工作流的闭环管理。技术实现采用Activity 工作流的业务协同技术，协调各种组织、设备资源和信息系统进行有序工作，实现系统工作流闭环管理，以及设备运用计划、巡检维保、备品备件等各业务环节间的协同联动，确保设备管理业务流程的协同高效。

3.1.4 数据处理

系统涉及设备数量多，数据量大，数据实时性要求高，在接口数据处理过程中利用模式识别、数据描述等数据挖掘形式处理数据。主要有如下环节：大数据采集，大数据预处理，大数据存储及管理，大数据分析及挖掘，大数据展现和应用（大数据检索、大数据可视化、大数据应用）。

数据采集过程采用分布式高速缓存技术，保证数据采集实时、稳定、完整。数据处理过程中对数据应用二级数据结构模型进行抽取，对冗余数据过滤 “去噪”，提取有效数据。数据存储过程中，采用异构数据融合技术，数据索引技术对数据进行分布式存储，并对数据进行分布式访问控制、证书验证等确保数据的安全[11]。

3.2 设备物联接口实现

铁路客站设备种类多、厂商多、技术异构、接口及通信协议不兼容等问题非常突出。系统与各类设备的接口逻辑关系，如图4 所示。

总体上，设备监控系统接口存在如下问题：

（1）接口数量多，且分布不同的网络；

（2）每种设备不同厂商的接口内容不一致；

（3）不同协议接口部署环境差异大，需要部署多台服务器运行不同接口；

（4）接口内容五花八门，需要重复研发；

（5）接口协议各异。

针对铁路客站设备运用监控系统接口存在的上述问题，设计基于物联网架构的设备物联网平台，兼容各类设备接口协议，且对同一类接口协议的设备采用JSON 格式{key ：value} 规范其接口数据格式，接口扩展性增强。在接口技术的实现过程中，利用现代信息技术，物联网感知技术，结合车站业务数据，设计物联网设备接入平台，实现车站各类设备的智能化监控。物联网平台采用模块化接口协议簇，支持TCP/IP、OPC、Webservice、Modbus、XML 文件等标准协议的接入，平台还可针对特殊设备进行自定义接口协议。

图4 接口关系逻辑图

对每一类设备来说，机电设备主要采用Modbus、TCP/IP、OPC 等协议，客票设备主要采用探针程序和TCP/IP 承载+XML 扩展协议接入物联网平台，对于其他平台数据的接口采用WebService 和Http 协议接入物联网平台。物联网平台接口协议，如图5 所示。

图5 中，物联网平台通过自适应接口与终端设备或应用程序通信，获取设备信息，并以数据包形式进入MQTT 消息队列，互联网网关IoTGW（Internet of Things Gate Way）对消息队列中的数据信息进行拆包、解包和入库。

图5 物联网平台接口协议

4 系统应用及应用效果

4.1 系统应用

系统在中国铁路广州局集团有限公司（简称：广铁集团）- 长沙南站采用两级部署方案，实现长沙南站设备的集中管控和能耗管理。

在广铁集团部署数据库集群、Web、Web-APP、日志集中和物联网采集平台服务器，主要完成物联网网关（IOT）数据交换汇聚、数据存储、日志集中管理、物联网平台接口提供、Web-APP 服务发布等任务。

在长沙南站，分别在办公网、客票网、旅服网和私有网（局域网）部署服务器，完成终端设备的状态采集和IOT 网关部署。

各个网络在车站与铁路局间的通信均采用双向过滤安全隔离设备，确保网络安全。应用方案，如图6 所示。

4.2 应用效果

系统使用后，有效降低了车站的人力成本。各区域的照明开关控制人员、电梯防护人员、检票防护人员岗均可根据情况减少人员配置。设备常规巡检次数可以适当减少，降低设备运维人员的劳动强度。

结合车站业务需求，综合考虑其他影响因素，在保证正常作业运行基础上，对车站照明、导向屏进行策略控制，减少设备运行时间，延长设备使用寿命，达到节能降耗效果。主要效果包含有以下几个方面：

（1）延长设备寿命，系统使用后，夜间对站台导向屏进行控制调节，减少亮屏时间6 h/ 天～7 h/ 天，降低能耗的同时，也延长了导向屏的使用寿命。智能照明控制策略应用后，照明回路平均约可关闭4 h/ 天～6 h/ 天，对于LED 照明来说，能延长其使用寿命约17% ～25%。

图6 广铁-长沙南应用方案网络拓扑

（2）节能降耗效果显著，综合考虑时控（季节性等）、环境亮度（传感器等）因素，自动控制车站区域照明和导向屏。当车站某区域无作业时，适时的控制照明关闭，减少回路空运时间，节能效果显著。

5 结束语

铁路客站设备运用监控系统采用三级管理架构，对车站客票系统、旅客服务系统、机电设备进行全面监控，为每一台设备建立档案，实时在线采集设备运用过程的动静态参数，做到了设备全寿命周期管理。接口技术实现中采用物联网平台技术缩短部署时间，支持不同物联网感知设备的快速、安全、无缝接入，实现不同种类物联网前端设备的统一管理，实现用 户与设备、设备与设备之间的互联互通互动，提高设备管理水平和管理质量，节约车站人力成本，降低车站能源消耗。