朱 槿，王华伟，刘宗洋，郑 婷，冯丽敏

(1. 中国铁道科学研究院集团有限公司 北京经纬信息技术有限公司，北京 100081；2. 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)

铁路货运计量安全检测监控系统在铁路货运安全管理领域应用十余年，已成为保障铁路货运行车安全的重要信息系统。货运计量安全检测设备的运行状态、运用质量、管理水平对检测数据采集、系统正常运行、行车安全保障具有至关重要的影响。货运计量安全检测设备是该系统的核心数据采集源头，截至2021年，全路已安装超偏载检测装置408台、轨道衡776台，为全路货运安全保障提供了成熟高效的技术支撑。目前，货运计量安全检测设备的运用维护管理已基本实现信息化，但随着铁路货运深化改革，现行技术手段已不能满足货运设备管理的需求，需要进一步面向设备全寿命周期实现精细化、智能化管理。因此，围绕货运计量安全检测设备开展相关技术研究，构建相应信息系统提供全寿命周期管理、运用分析评价等应用服务，以提升设备管理质量和运输安全保障水平。

1 铁路货运计量安全检测设备管理现状与建设目标

1.1 现状分析

铁路货运计量安全检测设备的管理模式经过多年运用已较为成熟稳定，通过梳理实践经验，设备管理现状与存在问题总结如下。

（1）由于缺乏统一管理技术手段，未形成针对货运计量安全检测设备全寿命周期的精细化管理，设备全寿命周期中的事件信息维护不够全面、部分历史数据未完整保存、相关数据存储分散、共享程度偏低，无法全面掌控设备从制造投产到报废退役整个寿命周期的数据管理。

（2）中国国家铁路集团有限公司(以下简称“国铁集团”)和铁路局集团公司制定的相关管理规则为设备管理提供了规范约束，建立的考核评价机制为保障设备运用维护质量发挥了监督促进作用，但缺乏技术手段提供相应的电子化支持，也无法针对设备运用进行深入的量化分析评价，从而提出更科学的管理决策[1]。

（3）铁路局集团公司、车务站段、货运中心等单位无法即时掌握设备的检定、检修、日常维护等工作计划与实际执行情况，缺乏适时自动预警提示，不利于合理制定计划、调配人力、物力开展相关工作。

1.2 建设目标

针对货运计量安全检测设备管理现状及存在问题，基于铁路货运计量安全检测监控系统，研究构建铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统，实现以下目标。

（1）建立全路货运计量安全检测设备电子履历，实现覆盖其全寿命周期的“一物一档”精细化管理，根据《铁路货运计量安全检测设备运用管理规则》要求，对货运计量安全检测设备全寿命周期中的安装迁建、日常维护、检定、检修、故障、停用、报废等事件进行统一管理[2]。

（2）制定设备运用管理考核评价指标体系及计算方法，以系统中的设备运行状态、设备故障、设备运用检测等信息为基础，为全路多级各单位的设备运用管理人员提供对设备运用管理的量化考评分析。

（3）实时监测采集设备运行状态参数，自动发现设备或部件故障，即时发出预警，提示相关人员准备进行检修维护。通过对发生时机、原因等信息进行统计分析，形成对设备故障的预测预判。

2 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统设计

2.1 总体架构

铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统采用“两级部署、多级应用”的方式，以铁路货运计量安全检测监控系统的国铁集团和各铁路局集团公司两级服务器部署为基础，利用计量安全检测设备采集自身技术状态、运行故障、过车计量安全信息，通过车站数据集中器汇集上传到服务器，并与人工录入的设备全寿命周期事件信息，以及从铁路主数据平台、运输集成平台等外部系统接入的数据实现集成融合，面向国铁集团、铁路局集团公司、车务站段/货运中心、车站等多级各单位用户，提供设备全寿命周期履历管理、设备监控、过车检测、重点督办等业务功能。铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统总体架构如图1所示。

图1 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统总体架构Fig.1 Overall architecture of life cycle management system for measurement safety inspection equipment of railway freight transportation

2.2 逻辑架构

系统逻辑架构由基础设施层、数据采集层、数据处理层、系统应用层组成。铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统逻辑架构如图2所示。

图2 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统逻辑架构Fig.2 Logical architecture of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）基础设施层。由维持系统正常运行的软硬件组成，包括货运计量安全检测设备、网络设施、服务器、应用终端等硬件设备，以及相应的数据采集程序、网络软件、数据库、中间件等软件及环境。

（2）数据采集层。以设备检测、人工录入、外部系统接口为源头，为系统采集设备技术状态、运行故障信息、检修维护信息等全寿命周期各类事件信息以及铁路主数据、确报数据、现车数据等结构化与非结构化数据资源。

（3）数据处理层。通过汇集不同来源的数据并开展数据治理，实现数据的标准化和规范化，集中规划建立数据存储空间，实现多源异构数据的有效融合[3]，为系统应用提供基础数据支撑。

（4）系统应用层。运用数据处理结果为多级各单位的设备运用管理人员提供履历管理、全寿命周期档案、综合看板、运用评价、设备画像等应用服务。

2.3 数据构成

系统数据可分为业务数据、基础数据、外部数据3类。

（1）业务数据。主要包括来自设备自检上传或系统分析评判得出的设备技术状态、设备运行故障等信息，来自人工录入的设备安装迁建、检定核查、检修维护、停用报废等事件信息，以及运用设备检测采集的过车时间、车号、车速、超偏载量值等数据，是构成设备全寿命周期电子履历的核心数据，是反映设备运用质量和开展科学评价的关键数据。

（2）基础数据。主要包括设备测点字典、组织机构字典、功能业务字典、系统配置参数等，是确保通用数据集中统一、系统功能可靠运转的基础。

（3）外部数据。主要包括从铁路主数据平台集成的车型字典、站名字典等铁路公共主数据，以及从运输集成平台接入的确报信息、现车信息等数据，可确保公共主数据的正确性、完整性和一致性，可扩展检测数据关联发到站、品名、编组、车次、车号、辆序、车种车型等信息，是提升数据综合利用价值和保证系统业务功能可用、实用、易用的关键。

2.4 功能设计

系统以覆盖设备全寿命周期的电子履历管理为核心，以设备状态监控、设备运用评价、辅助管理决策为重点，开展业务功能设计。铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统功能结构如图3所示。

图3 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统功能结构Fig.3 Functional structure of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）履历管理。为管内货运计量安全检测设备建立“一物一档”电子履历，管理维护设备生产厂家、规格型号等静态基本信息及其全寿命周期动态发生的安装迁建、日常维护、检定、检修、故障、停用等事件信息，按时序和逻辑关系智能展示设备全寿命周期档案。

（2）设备监控。实时监控管内货运计量安全检测设备的运行技术参数、联网状态、自检故障等动态信息，发生故障即时给予预警提示，基于地图展示设备分布及实时运行情况，对历史故障异常提供查询。

（3）过车检测。运用管内设备采集途经货物列车车辆的计量安全信息，动态监控展示列车车辆的检测报警情况，对历史检测报警信息提供查询。

（4）运用评价。对比不同设备的检测数据和检测精度，分析设备误报警和车号识别情况，对设备运用质量做出相对评价[4]；自动生成对设备运用质量的量化考核，逐层揭示问题，逐级落实责任；探究常见故障及其成因与设备技术状态、传感器冲击等因素的关系，对设备故障进行科学预测[5]。

（5）决策中心。以可视化方式形象展示设备管理的主要业务数据和关键指标[6]。关联分析设备全寿命周期中的运用、故障、检修、维护等维度数据，智能生成设备画像，形成对设备的直观评价。

（6）重点督办。对设备运行故障和过车检测报警自动生成督办事项，督促相关单位迅速解决问题，加强设备运维管理与货运安全保障力度。

（7）系统维护。根据实际情况对设备测点、组织机构、用户、角色、权限等进行灵活配置管理，为系统的正常使用提供基本设置和保障。

3 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统实现

3.1 前后端技术

系统采用B/S架构搭建，通过IIS进行部署。

前端框架以渐进式轻量级的Vue.js为基础，按照MVVM模式组织编码，将页面映射为利于重用、便于维护的组件树[7]；界面展示使用Bootstrap框架，实现清新简洁的样式排版和响应式布局；通过商业级图表库Echarts实现数据可视化，直观生成展示丰富多样的可定制、可交互图表。

后端框架以Asp.NET MVC为基础，采用RESTful接口原则和标准HTTP方法请求资源，以JSON格式传输数据，主要通过WebService进行数据通信；使用Oracle持久化存储数据，通过存储过程、触发器等实现部分业务逻辑。

3.2 业务流程

系统业务流程主要针对设备全寿命周期实施档案化管理，从建设阶段开始，贯穿整个运用阶段，直至退役阶段。铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理业务流程如图4所示。

图4 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理业务流程Fig.4 Business process of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）建设阶段。设备安装联网后由设备管理人员建立电子履历，维护生产厂家、规格型号等静态信息并记录安装事件，同时系统根据编码规则自动生成设备唯一编号。安装测点形成字典独立维护，若设备投入运用后发生迁建，设备与历史安装测点的对应关系将完整保存。

（2）运用阶段。动态发生的设备检修、日常维护、检定核查和停用等事件信息由不同用户进行管理维护，设备自行监控技术状态和运行故障，自动检测过车计量安全信息，对达到超偏载报警阈值的车辆向相关车站发出警示。

（3）退役阶段。设备在系统中登记报废后不再使用，数据停止采集检测，设备履历归档留存。

在设备全寿命周期中，所有信息基于设备唯一编号，根据数据时序和事件逻辑形成设备全寿命周期档案[8]。系统综合权衡各类事件信息，对未来何时应执行何种检修、维护等作业进行智能提示，统计分析过车检测和设备运用情况，通过运用指标排名、检测精度对比、误报警分析等实现科学评价，提取分析设备全寿命周期关键数据，生成设备画像和综合看板。

3.3 数据采集

系统所需数据主要通过设备检测、人工录入、外部接入的方式采集。

（1）设备检测。利用设备传感器和物联网技术，对设备故障信息、技术状态信息、过轨车辆信息和计量安全信息进行自动采集传输。铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统物联网体系架构如图5所示[9]。

图5 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统物联网体系架构Fig.5 IoT architecture of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

①感知层。传感器采集设备技术状态参数和车辆超偏载量值等信息，车号识别设备读取车辆AEI标签，通过RFID技术解码车号、车型等车辆信息。信息传输到数据集中器，根据接口规范生成设备状态、运行故障、过车检测数据文件[10]。

②网络层。传感器组成自组织网络，接入铁路安全生产网，按照约定的网络协议，数据传输中间件通过Message Queue技术，将数据文件传输至工控机，再先后上传至铁路局集团公司和国铁集团服务器完成数据解析。

③应用层。对数据进行集中汇集和融合处理，提供设备监控、故障管理、过车检测、设备运用评价等功能。

（2）人工录入。系统为不同单位、不同岗位的用户设定角色并授予不同业务权限和数据操作权限，通过不同功能对设备全寿命周期中的安装迁建、检定核查、故障检修、日常维护、停用报废等事件数据进行人工采集维护。

（3）外部接入。按照约定的数据接口和传输共享方式，从运输集成平台、铁路主数据平台等外部系统接入确报信息、现车信息、车型字典、站名字典等外部数据。

3.4 外部接口

系统与运输集成平台之间以文件方式接入车次、发到站、发到时间等确报信息，以Web Service方式接入车站、车号、车种车型等现车信息；与铁路主数据平台之间通过Web Service方式获取站名字典、车型字典等公共主数据。数据传输共享采取数据加密、口令鉴别、数据校验等措施确保数据合法安全与正确完整。铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统外部接口如图6所示。

图6 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统外部接口Fig.6 External interface of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

3.5 数据融合

全路货运计量安全检测设备数量众多，生产厂家、规格型号各异，设备的数据采集和接口方式不尽相同，全路日均产生数据量巨大，同时存在着结构化和非结构化数据。针对数据多源异构的特点，铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统数据融合流程如图7所示。

图7 铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统数据融合流程Fig.7 Data fusion process of life cycle management system for the measurement safety inspection equipment

（1）数据汇集。结构化数据包括设备基本信息、设备全寿命周期中的各类事件信息、计量安全检测信息以及外部接入的主数据字典等；非结构化数据包括设备采集的图片视频、系统生成或用户上传的文件等。不同类型、不同业务的数据实时或离线采集至铁路局集团公司服务器完成预处理，再集中汇集到国铁集团服务器[11]。

（2）数据融合。通过校验、清洗、抽取、转换等方式进行精加工处理，实现数据的集成与标准化[12-13]， 按照设备全寿命周期管理事件分类进行数据存储与融合，形成按设备基本信息、安装迁建信息、运用信息、检修信息、报废信息等划分的基础数据组织，通过设备唯一编号实现数据贯通。

（3）数据应用。利用融合后的数据建立设备全寿命周期履历，按照业务功能需求构建业务应用数据模型，按需共享给铁路局集团公司级系统，为设备的智能化管理和质量分析评价提供基础数据支撑。

4 结束语

铁路货运计量安全检测设备全寿命周期管理系统的构建为全路货运计量安全检测设备建立电子履历，贯穿设备全寿命周期将各类事件纳入档案化管理，优化完善设备运用管理业务流程，有利于规范设备相关信息的采集记录和管理归集，加速多级各单位相关信息的协同交流，实现数据的集成融合共享，充分盘活历史数据，可提出更科学更准确的质量评价分析和管理辅助决策，从而提高设备运用管理维护效率与质量，降低运营安全风险和维护成本，加强铁路货运安全保障能力，全面提升铁路货运安全管理水平。