关键行车设备综合监测系统研究.pdf
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1、第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 4 1-0 6 关键行车设备综合监测系统研究杨 锟(国能包神铁路集团有限责任公司,内蒙古 包头 0 1 4 0 1 0)摘 要:在研究国内铁路关键行车设备监测系统现状的基础上,总结分析目前存在的主要问题,结合我国铁路实际运营维护需求,提出了基于物联网平台和微服务架构实现的铁路关键行车设备综合监测系统,分别从感知层、网络层、平台层和应用层进行了研究和设计,提供了设备服务、告警服务、数据服务等业务应用,实现了关键行车设备“可测”、感知设备“可管”、感知
2、数据“可视”,并完成试点车站的部署与功能验证,有效提升了铁路安全运营水平,提高了铁路行业的整体运营效率。关键词:铁路;行车设备监测;运营维护;物联网平台;微服务架构中图分类号:U 2 8 4.9 2 文献标志码:A d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 3.0 5.0 0 8R e s e a r c h o n I n t e g r a t e d M o n i t o r i n g S y s t e m o f K e y R u n n i n g E q u i p m e n tYANG K u n(G u o n
3、 e n g B a o s h e n R a i l w a y G r o u p C o.,L t d.,B a o t o u 0 1 4 0 1 0,C h i n a)A b s t r a c t:O n t h e b a s i s o f s t u d y i n g t h e c u r r e n t s i t u a t i o n o f t h e m o n i t o r i n g s y s t e m f o r k e y r a i l w a y r u n n i n g e q u i p m e n t i n C h i n a,t
4、 h e p a p e r s u mm a r i z e s a n d a n a l y z e s t h e e x i s t i n g m a i n p r o b l e m s.C o m b i n e d w i t h t h e a c t u a l o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e n e e d s o f C h i n as r a i l w a y s,i t p u t s f o r w a r d a n i n t e g r a t e d m o n i t o r i n g
5、 s y s t e m f o r k e y r a i l w a y r u n n i n g e q u i p m e n t b y m e a n s o f I n t e r n e t o f T h i n g s p l a t f o r m a n d m i c r o-s e r v i c e a r c h i t e c t u r e,a n d c o n d u c t s r e s e a r c h a n d d e s i g n f r o m p e r c e p t i o n l a y e r,n e t w o r k l
6、 a y e r,p l a t f o r m l a y e r a n d a p p l i c a t i o n l a y e r r e s p e c t i v e l y.T h e s y s t e m c a n p r o v i d e b u s i n e s s a p p l i c a t i o n s s u c h a s e q u i p m e n t s e r v i c e,a l a r m s e r v i c e a n d d a t a s e r v i c e,a n d r e a l i z e“m e a s u
7、 r a b l e”k e y r u n n i n g e q u i p m e n t,“m a n a g e a b l e”s e n s i n g e q u i p m e n t a n d“v i s i b l e”s e n s i n g d a t a.T h e d e p l o y m e n t a n d f u n c t i o n a l v e r i f i c a t i o n o f p i l o t s t a t i o n s h a v e b e e n c o m p l e t e d,e f f e c t i v
8、e l y i m p r o v i n g t h e r a i l w a y s a f e t y o p e r a t i o n l e v e l a n d r a i s i n g t h e o v e r a l l o p e r a t i o n e f f i c i e n c y o f t h e r a i l w a y i n d u s t r y.K e y w o r d s:r a i l w a y;m o n i t o r i n g o f r u n n i n g e q u i p m e n t;o p e r a t
9、i o n a n d m a i n t e n a n c e;i n t e r n e t o f t h i n g s p l a t f o r m;m i c r o-s e r v i c e a r c h i t e c t u r e收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 6基金项目:重载铁路车站关键行车设备自动检测与监测技术应用研究(G J NY-2 0-2 4 2)第一作者:杨 锟(1 9 8 3),男,工程师。随着我国铁路行业的飞速发展,传统靠计划和大量人工的巡检和检测作业已无法适应对于安全和管理水平的要求。近年来,铁路行车安全监测设备不断在轨边和车上部署1,但仍存
10、在感知信息采集不全面、不及时等问题;感知设备管理不精细、感知数据融合应用不充分等问题;系统之间的感知数据无法充分共享和互联互通等诸多问题。为此,本文提出了基于物联网平台2和微服务架构实现的铁路关键行车设备综合监测系统,提供了设备服务、告警服务、数据服务等业务应用3,从而实现了行车设备“可测”、感知设备“可管”、感知数据“可视”的目标。1 关键行车设备监测系统的现状研究铁路关键行车设备包括轨道、道岔、转辙机、信号机、接触网、电源屏、继电器等室内外设备,国内在铁路行车设备感知群建设方面已取得大量的研究成果,各专业已建成包括信号设备集中监测系统、供电6 C系统、断轨监测系统等4,综合检测车、专业检测
11、车等动态检测设备被广泛采用,实现了基础设施的周期性检测。但既有监测系统的感知信息主要是以基于设备外部部署传感器的方式获取,无法捕获设备内部部件和运行状态的感知信息,不能全面、真实反映设备的工作状态,因此难以实现更精准的故障定位和状态修。主要存在以下问题:(1)设备设施的感知信息采集还不全面、不精细,第6 0卷第5期2 0 2 3年9月难以实现行车设备部件级故障定位,解决故障的时效性及精准度受到影响,亟需通过更全面、更精细的信息采集,以辅助准确、快速的故障定位。比如设备内部电气部件、机械部件等无法实现感知,需要人工进行故障定位。对于道岔尖轨、基本轨等伸缩形变和接触网承力索、坠砣等设施位移变化还无
12、法实现感知,需要通过人工方式巡检排查。(2)由于感知层采集的信息尚不全面及时,现有大量检测工作仍然依靠人工巡检,存在运维人员劳动强度大、巡检效率低等问题,需要采取有效方法降低一线员工劳动强度,提升作业效率。(3)缺乏跨专业、跨设备感知数据的关联能力,对综合性问题及专业结合部问题尚无快速有效的解决手段,无法实现对结合部设备故障原因进行及时高效的定位,迫切需要感知关联方法。(4)感知系统庞杂,各专业、各厂家感知系统并存,难以实现各系统之间的信息互通,管理内容庞杂,且终端设备众多,操作界面不统一,管理模式不能相互兼容,不仅在建设过程中重复投资,浪费资源,而且造成维护管理人员使用困难,无法实现感知系统
13、的统一集中监控和维护管理,管理效率难以提高,因此,需要配备大量人员进行分析查看,存在漏报隐患情况。(5)现有监测系统多为分散建设,部署独立的软硬件资源,多为2级架构,采集端和中心侧的资源都无法有效共享,缺乏统一的平台5,重复建设成本高,难以实现感知信息的融合,迫切需要采用先进成熟的平台化思路,形成感知采集端统一接入、综合的中心化处理架构,实现统一管理与应用。为此,本文提出了基于物联网平台和微服务架构实现的铁路关键行车设备综合监测系统,集成业务系统的多维数据6,从而实现行车设备“可测”、感知设备“可管”、感知数据“可视”的目标。2 系统架构方案的研究基于物联网平台和微服务架构实现的铁路关键行车设
14、备综合监测系统,由下至上分为感知层、网络层、平台层与应用层,系统架构如图1所示。(1)感知层:行车设备和工作环境信息的收集和获取,结合既有监测系统的数据接入,是整个系统的数据来源。(2)网络层:网络层将感知层采集到的信息传递给平台层,还负责将平台层下发的命令传递给感知层,具有链接效应。网络层使用边缘智能网关,作为底层感知层数据接入与上层平台层的数据交互桥梁,支持有线和无线网络传输信息。(3)平台层:使用物联网平台,主要提供连接管理、设备管理、数据存储、开放接口等功能,用于接入和管理感知层传输来的数据和信息,同时物联网平台通过开放数据和能力,支撑应用层的系统开发。(4)应用层:将采集到的设备和环
15、境数据依据管理需求进行处理,实现设备的可管、数据的可视。图1 铁路关键行车设备综合监测系统架构3 系统关键技术的研究3.1 关键行车设备传感部署工艺与传感信息采集技术的研究 对车站转辙机、信号机、轨道电路、电源屏、继电器、道岔尖轨、基本轨、芯轨、翼轨、曲线钢轨、接触网电连接线、吊弦线、承力索、坠砣等行车设备设施,开展新型传感器及采集装置的技术研究,通过在设备的关键部位部署多类型高精度传感器,基于内嵌式感知捕获技术,采集位移量、电气特征、环境温湿度等设备的室外运用状态信息,弥补既有监测系统室外采集盲点,结合室内既有的逻辑电路信息,实现对设备的工作状态、运行环境数据的实时采集与全面状态监测7,扩大
16、了铁路工电供专业领域的监测范围,加快推进了关键行车设备综合感知、精细化管理的步伐。室外感知数据通过有线R S 4 8 5、无线Z i g b e e协议等方式接入到边缘智能网关,实现对多类型传感器的数据采集,并通过滤波、隔离、A/D等电路实现模拟信号的转换,采用4 G/5 G的传输方式,将感知数据上报至专用物联网平台。以信号机为例,铁路信号机感知设备群架构如图2所示。(1)通过温湿度、振动传感器的部署,实现信号机X B箱和机构的环境状态;(2)在信号机机构内,加装红外、光强、电流传感24关键行车设备综合监测系统研究 杨 锟器,实现灯泡发光强度、点灯单元输出电流、灯泡与定焦盘的接触电阻等信息的实
17、时采集。(3)通过数据采集器采集数据,采用标准化的协议,接入边缘智能网关,实时将监测数据上报至平台。图2 铁路信号机感知设备群架构信号机内部传感器通过与既有线缆及点位进行捆扎固定,采用双绞屏蔽线缆与机构内置采集装置互联,采集装置箱盒固定于机构隔板,如图3所示。图3 信号机采集部署3.2 设备感知信息传输技术的研究边缘智能网关作为底层感知系统数据接入与上层专用物联网平台的交互桥梁,需具备对车站行车设备各感知系统协议的兼容能力、采集数据预处理能力、业务数据的整合以及与专用物联网平台的通信能力。围绕室内、室外关键区域部署边缘智能网关,实现对转辙机、轨道电路、信号机、继电器、电源屏、道岔及坠砣的监测数
18、据接入,其中道岔、轨道电路、信号机的采集器通过电力载波接入网关,继电器、电源屏、坠砣的采集器通过R S 4 8 5总线接入网关,网关采用4 G/5 G将数据回传到平台,最大限度降低线缆铺设的工作量。边缘智能网关硬件架构如图4所示,支持的接口和功能包括:(1)R J 4 5千兆网口,与P L C载波通信板、5 G物联模块板通信;(2)通信模组接口,支持W i F i、Z i g b e e、4 G、5 G无线接入;(3)R S 4 8 5通信接口,与坠砣采集板、继电器、电源屏采集模块通信;(4)R S 4 2 2通信接口,具备与集中监测站机通信的条件;(5)P L C载波通信接口,与轨道电路、信
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