龚 利

（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）

铁路机务信息化已经在机车调度、运用安全、检修、整备、设备、验收等领域得到实现，铁路技术人员研发了许多机务应用系统，也积累了一定的技术和经验[1-2]，如各铁路局集团公司（简称：铁路局）机务段使用的机车整备信息管理系统，对整备流程实现了有效的监控，提高了机车运用效率。但此类机务信息系统均未能实现全路层面的整体应用，系统间各自为战、互不联通、名称各异、标准不一，无法形成规模效应，导致了全路机务信息系统发展不平衡的现状[3]。

本文在中国国家铁路集团有限公司（简称：国铁集团）和铁路局层面建立机务信息集成交换平台，整合各机务系统，构建铁路智能机务信息系统。

1 系统数据架构

智能机务信息系统数据架构可以分为5个层次，分别是数据采集层、数据传输层、数据共享层、数据分析层和数据应用层，如图1所示。

图1 智能机务信息系统数据架构图

1.1 数据采集层

按照信息采集规范性、系统操作易用性、人机交互友好性的原则，铁路智能机务信息系统应充分利用信息自动采集技术，通过各类传感器、摄像头、二维码、射频识别（RFID，Radio Frequncy Identification）、智能穿戴等技术手段实现对机车、关键零部件、作业者、生产设备等对象身份、状态和过程信息的采集、监测、识别和控制，以方便操作、提高效率，避免数据错误、遗漏和延迟等问题[4]。

1.2 数据传输层

充分利用GSM-R、3G/4G、北斗短报文、WLAN、4GTDLTE等无线传输技术建成全面覆盖的无线网络，同时利用基于消息队列（MQ，Message Queue）技术的铁路统一传输平台，对铁路信息网中各专业应用系统提供统一的传输服务。通过建设共享、便捷、高速的无线和有线通信网络，达到信息快速、可靠传输和共享的目的。

1.3 数据共享层

系统遵照统一的机务信息系统基础数据信息编码规范和数据协议接口规范，通过共享平台数据接口，将基础编码、机车、机务运行信息、乘务员、机车电子履历等基础数据库与运用安全、整备、检修、验收、设备等多个业务系统的数据库进行整合，使其成为一个实现数据共享、互联互通的高效机务数据平台。

1.4 数据分析层

应用大数据、商业智能、数据挖掘等技术，对机务大数据进行加工与整合，实现不同业务领域之间的交叉分析与前瞻分析[5]。对于机务特有业务分析模型和算法，可通过算法实现并行化等手段来满足大数据处理需求，提高算法实施应用性能。为机务生产作业、经营管理以及战略决策提供分析与决策支撑。

1.5 数据应用层

提供地理信息系统（GIS，Geographic Information System）、指标报表、定制服务、信息推送、可视化展现、多维分析等功能，满足各级机务用户的应用操作需求。

2 智能机务信息系统总体框架

结合机务信息系统的发展现状、发展规划及发展目标，智能机务信息系统总体框架可分为机务综合平台、基础系统、业务系统及专家系统4个部分，其下细分为17个子系统，如图2所示。

图2 智能机务信息系统总体框架图

智能机务信息系统是基于国铁集团、铁路局、机务段的3级系统，还涉及机车和配件造修企业。智能机务信息系统与运输信息集成平台、电务、车辆、物资、统计等其它系统应有信息共享接口，统一设计硬件平台、系统软件平台，运行于铁路信息网内，并提供外网访问入口。

2.1 综合平台

2.1.1 综合查询子系统

国铁集团与各铁路局分别搭建了铁路机务管理信息综合查询子系统，为国铁集团、铁路局及机务段等各级用户提供了完整的机务综合信息查询和辅助决策服务。综合查询子系统具有电子地图、综合统计分析、基础编码维护、共享资料查询、办公管理、用户及权限管理、互联网访问接入等功能。

2.1.2 数据共享接口

通过共享数据库、MQ 或Web服务等方式，在国铁集团、铁路局、机务段3级实现与铁路运输信息集成平台、调度、电务车载、车号自动识别、车辆5T、供电6C、统计、物资、劳资、财务等系统的数据共享。

2.1.3 数据库

包括基础编码数据库、机车基础数据库、乘务员基础数据库、车载信息数据库、机务运行信息数据库、机车检修计划信息数据库、机车电子履历信息数据库、机务设备数据库、机车质量信息数据库、机车故障及临修数据库、机油消耗台账数据库、机车车载安全装备信息数据库、机车乘务员劳时统计数据库、救援列车出动台账数据库等。

2.2 基础系统

2.2.1 中国机车远程监测与诊断（CMD）系统

CMD 系统功能主要包括以下几点。

（1）机车实时数据和历史数据的信息采集、传输以及地面专家故障诊断分析等功能，能够支持机车运用精细化指挥和管理技术，实现机车实时定位，动态追踪人车图（乘务员、机车、运行图）功能。

（2）构建安全风险实时防控体系，对在途机车设备进行远程状态监测、诊断和故障排除，定位机车故障并确定修程，预估机车运行质量状态，提高机车整备检修效率。

（3）建立机车质量客观评价体系，实现机车安全风险实时防控。实现LKJ、TCMS、6A 等信息的集成和数据挖掘，为运用、管理和维修提供数据支撑[6]。

2.2.2 机务运行信息自动采集系统

机务运行信息自动采集系统对CMD系统运行信息、车号识别系统定位信息、运安系统指纹出退勤（出入寓）信息、LKJ 记录文件以及铁路运输信息集成平台中列车运行线、列车运行时刻、确报等共享信息进行自动采集和整合，并实时上传机务运行信息数据库和电子报单数据库，为运输调度、机务运安、机车整备系统提供机车及乘务员定位、人车图绑定、超劳预警等数据支持。

2.2.3 机车电子档案管理系统

机车电子档案管理系统实现对机车及高价互换配件的全寿命周期管理和机车技术综合管理，建立与运用、检修、整备等相关信息的链接，形成机车全生命周期大履历系统。系统实现了以机车为基础的机车-部件-检修管理模式，对机车从生产、运用、检修到报废全过程进行跟踪记录，符合铁路局一车一档的要求。系统充分利用先进的数据管理模式和控制手段，追踪机车档案历史，记录机车全部运用信息，保证机车档案信息的完整，部件记录的准确和全面，提高了机车运用的安全性[7]。

2.2.4 机车及动车组司机管理系统

机车及动车组司机管理系统实现机车及动车组司机的基础数据库维护、驾驶证换证、年鉴管理和劳时统计分析等功能,有效地提高了司机劳动效率。

2.3 业务系统

2.3.1 机务运用安全管理系统

机务运用安全管理系统是一套提供了机车运用、乘务及机车安全管理等业务功能的综合系统，实现了对机车乘务员各作业环节及状态的全过程监控。该系统的建立对于优化机务段运用安全管理水平、防止系统漏洞 、实现规范管理 和强基达标的目标效果显著。

2.3.2 机车整备管理系统

机车整备管理系统是为实现机车网络化大整备格局、顺利实施轮乘制、保证机车长交路、加强轮乘制条件下机车运用及质量管理，提供地检、外勤、维修（临修、碎修、小辅修）、保洁、保养、燃整、数据整备等多项整备职能的管理信息系统[8]。该系统实现了对机车整备作业过程的监控与管理,同时对整备作业过程中的检修数据和检修信息进行记录与分析,提高了机车整备质量[9]。

2.3.3 机车检修管理系统

机车检修管理系统遵照机车换件修和主要零部件专业化集中修的要求，实现大功率机车检修段和机车中修段检修生产的网络化、信息化管理，对记名检修、机车部件（配件）检测试验进行重点卡控，保证合格配件上车，为恢复机车基本质量提供保障。

2.3.4 机车验收管理系统

机车验收管理系统与机车检修、整备管理系统紧密衔接，实现验收部门在机车及其部件检修和零部件产品质量方面进行监督管理。有利于机车检修质量的提高，同时，也是实现机车验收工作标准化的需要。

2.3.5 机务设备管理系统

机务设备管理系统是一套实现了设备技术管理、通过能力查定、设备检修管理以及设备鉴定、评定等功能的系统。该系统以机车设备全生命周期的管理为基础，实现了机务设备、物资及资本运转的管理。对于提高机务部门运用及检修的工作效率和工作质量，降低运营生产成本具有重要的意义[10]。

2.3.6 机务燃料管理系统

机务燃料管理系统实现油库现场自动化监测和控制、燃油收存耗发自动化计量、在途油罐车及段内油罐车的占用追踪、加油车位置定位及远程发油数据监测、燃油化验分析、燃油（电）热力分析、自动生成统计报表、油库远程视频监控等的信息化、网络化管理。

2.3.7 机务救援指挥系统

机务救援指挥系统包含电子地图、远程指挥、日常演练、出动台账等功能，共享各类信息资源，基于大量成功案例，为铁路事故救援提供信息和辅助决策支持。

2.4 专家系统

2.4.1 TCMS专家系统

列车控制管理系统（TCMS）专家系统，结合CMD系统，基于对机车车载数据自动转储和深度分析，具备故障自动清洗、智能数据关联分析、深度故障诊断、故障预警预测、海量专家知识库等功能。TCMS专家系统的智能化诊断和预警功能可全面支撑机车精准检修与安全运行。

2.4.2 6A专家系统

机车车载安全防护系统（6A）专家系统是一套具备机务领域专家水平知识与经验的系统。该系统利用人类专家的知识和方法来处理机车的相关问题，可根据机车历史数据,故障经验案例等先验知识,将机车数据进行自身历史数据的纵向对比，多子系统之间互相关联综合判断，多车之间同工况横向比较，结合概率统计等方法，给出智能推理和决策。解决了机车运用过程中比较突出的安全防护问题，对保障铁路机车的运行安全有着重要意义,有效地提高了我国机车安全防护系统的整体水平。

2.4.3 JK11430型机车走行部车载监控专家系统

JK11430型机车走行部车载监控专家系统是一套基于模式识别技术，以实现对机车走行部主要组件（轴承、传动齿轮以及轮对踏面等）监测信息的趋势判断分析、地面数据诊断、数据健康管理、维修指导以及技术管理等功能的系统。该系统提供了机车走行部的故障诊断手段，提高了数据分析和故障判定、处置的能力，为机车走行部的状态检修和安全运行发挥重要作用。

3 关键技术

3.1 物联网技术

铁路机务物联网基于各种设备条件，利用智能传感器、RFID等信息感知设备，按约定协议，通过网络连接各种铁路对象，进行信息交换和通信，搭建一套高效智能感知识别系统以实现对铁路对象的智能化识别、追踪、定位和管控，是实现智能铁路的重要支撑。目前，和谐型机车上大量装备智能传感器和摄像头，机务段地面系统广泛应用RFID、遥感、二维码、智能穿戴等技术和装备，加之日趋完善的网络等各方面的条件已经大致满足了物联网在铁路行业的推广和应用，能够从整体上提升铁路业务管控水平，发挥物联网对实际业务的基础支撑作用，充分释放铁路应用创新潜能[11]。

例如，根据国铁集团要求，机务专业在机车出入段闸楼等地点加装车号识别设备，将采集到的机车出入段信息纳入统一的铁路车号自动识别信息系统中，与编组站出发/到达和分界站采集的机车车号信息共同形成机车轨迹，构建完整的机车运行数据链。系统建设以来，先后在约60个机务段安装了集中控制管理系统设备和500多套自动识别设备，在全路机车上安装了电子标签。通过与运用安全系统、整备系统、检修系统以及CMD系统等的数据整合，实现了机车的全运行轨迹的追踪，保证了机务信息数据链的完整。

3.2 云计算技术

云计算技术通过多节点并行计算、分布式存储、资源虚拟化等技术以及自助管理计算、存储资源等能力，实现了弹性及高效的公共信息资源处理方式，使用者通过实际需求，分配相应的计算及资源，获得动态可扩充的信息处理能力和应用服务。

进入高速发展的铁路信息化时代，带来的不仅是路网安全等级与精细维护要求的大幅提升，也带来了指数级增长的数据和更大的数据处理压力，对铁路机务信息化管理也带来了巨大的挑战和压力，传统的基于大型机的数据中心，离散的信息管理模式已无法应对当下铁路信息化需求[12]。构建铁路智能机务信息系统，需要处理的机务业务包括机车运行状态、机车电子履历、机车检修、设备、安全和机车乘务员等方面的数据，运用机器智能学习、数据分析、专家系统和自动决策等多种方法，从原始海量数据中挖取相关信息，提炼出信息中蕴涵的知识，发现准确规律，提供智能化管理、控制和服务。对海量信息的智能挖掘和快速处理需要巨大的存储能力和计算能力，云计算的海量数据分布式存储和并行处理能力为实现人工智能提供了重要的途径[13-14]。

4 结束语

机务信息化以机车的管理为核心内容，是铁路信息化非常重要的组成部分。本方案围绕人车图3要素，全方面整合机务信息资源，实现与其它相关信息系统的有效衔接，达到提升效率、节约成本、缩减流程、提升安全风险管控水平的目的，满足机车造、修、管、用各业务需求。系统在扩大运输能力、优化资源配置、提高运输效率、保障运输安全、提升管理水平、改进服务质量、增加经济效益等方面发挥显著作用，为铁路跨越式发展提供技术支撑与保障。

目前机务运用安全管理系统、机车整备管理系统、JK11430专家系统、6A专家系统和CMD系统等已经在全路各机务段广泛应用，提升了机务信息化水平，提高了管理和生产效率，取得了良好的效果。机车电子档案管理系统、机车信息自动采集系统、TCMS专家系统等虽起步较晚，但也在部分铁路局机务段试点应用，取得了一定成效。这些系统的运用极大地方便了机务段技术科人员分析处置机车状况，从整体上提升铁路机务业务处理水平。