高速列车谱系化数据管理平台 设计与构建
面向PHM的高速列车谱系化产品技术平台开发和实践
Vol.42No.1January ，2021中国铁道科学CHINA RAILWAY SCIENCE第42卷，第1期2021年1月面向PHM 的高速列车谱系化产品技术平台开发和实践王军（中国中车股份有限公司，北京100039）摘要：为实现不同速度等级、不同运用环境下高速列车的快速设计、快速制造以及保证谱系产品的健康运营和管理，提出并构建由数据平台、设计平台、制造平台和健康管理平台组成的面向故障预测与健康管理（PHM ）的高速列车谱系化产品技术平台。
首先，剖析高速列车谱系化与健康管理平台的融合机制，集成零部件研制与使用阶段的研发数据；其次，从技术架构设计和逻辑架构设计2个方面，基于数据挖掘、模块化、元模型、定制设计以及PHM 等技术，开发面向PHM 的高速列车谱系化产品技术平台；最后，以时速200~400km 的CRH 6，CRH380A ，CR300AF ，CR400AF 动车组系列产品为例，对平台进行工程实践，验证该平台的有效性。
结果表明：该平台能够提升产品的研制效率，满足市场的多样化需求，并保障复杂环境下高速列车的健康运营，提升高速列车的运用效率和运营品质。
关键词：高速列车；谱系化；健康管理；故障预测；PHM ；开发实践中图分类号：U270.2文献标识码：Adoi ：10.3969/j.issn.1001-4632.2021.01.10自2004年，国家启动推进铁路技术装备现代化、确定“引进先进技术、联合设计生产、打造中国品牌”的总体方针以来，我国高速列车历经了10余年的跨越式发展，取得一系列技术创新成果，目前已形成运营速度为200~350km ·h -1的CRH 1，CRH 2，CHR 3，CRH 5，CRH380，CR400和CR300等多个系列的车型［1］。
至2019年底，中国高铁总运营里程达3.5万km ，在线高速列车达3500标准列，运营里程和列车保有量均占世界2/3以上。
高速列车群运营安全保障仿真模拟试验平台设计
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２ １ 平 台接 口 ．
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第 ３ 卷 ２
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综 合监 控 预警
预警 规则 设置 安全预 警 预 警信 息管 理
信息 查询
广管 珲 限 设置
平 台维 护
据维 护
微观 ｌ ＿维 ｌ 三维Ｉ 视频ｌ 多图ｌ 钟 Ｈ 展现 Ｉ 展现 Ｉ 展现Ｉ 展现 Ｉ 联动 Ｉ 同步
图 ６ 平台功能
１ 信息共享 ）
基金项 目：国家 “ 十一五”科技支撑计划项 目 （０ ９ Ａ １ Ａ ０６ ；北京交通大学 自主研究课题 （ Ｃ ２ ０ Ｚ ０ ２ ２ ０Ｂ Ｇ ２ １ —） Ｒ Ｓ ０８Ｚ ０）
作者简介 ：王艳辉 （９４ ） １７一 ，男 ，河北保定人 ，副教授，博 士。
铁路运输信息集成平台数据服务管理系统设计与实现
文章编号：1005-8451（2017）08-0016-04收稿日期：2017-03-15作者简介：王 军，高级工程师；钱 琳，高级工程师。
铁路运输信息集成平台数据服务管理系统设计与实现王 军1，钱 琳2（1.中国铁路总公司 信息化部，北京 100844；2.中国铁路信息技术中心，北京 100844）摘 要：通过建设铁路运输信息集成平台数据服务管理系统，规范运输信息集成平台数据共享，提升数据应用水平，支持相关大数据应用。
系统采用分层设计原理，流程化控制策略，标准化服务接口，基于集成平台运输大数据，形成了一套标准化和规范化的服务管理和应用体系，为铁路运输业务部门提供多种方式的数据服务，同时满足数据安全和监控方面的要求，实现了跨专业数据共享和信息综合应用。
关键词：数据服务；集成平台；服务管理；信息共享 中图分类号：U29∶TP39 文献标识码：AData service management system of railway transportation informationintegration platformWANG Jun 1, QIAN Lin 2( 1. Informatization Department, China Railway, Beijing 100844, China;2. China Railway Information Technology Center, Beijing 100844, China )Abstract: The data service management system of railway transportation information integration platform was constructed to standardize the data sharing of transportation information integration platform, enhance the level of data application, support the big data applications. Based on the big data of integrated platform, a set of standardized service management and application system was formed by using hierarchical design principle, process control strategy and standardized service interface. The system provided a variety of data services for the railway transportation department, at the same time, met the data security and monitoring requirements, implemented the cross professional data sharing and information comprehensive application.Keywords: data service; integration platform; service management; information sharing铁路运输信息集成平台[1]（简称：集成平台）经过3年多的建设，实现了客票、货票、现在车、装卸作业、列车到发、运行线等运输生产数据和机车、车辆（动车）、机车乘务员等运力资源数据[2]在集成平台上的统一接入和优化整合[3]。
高端装备择五大领域重点突破
八大举措护航高端装备择五大领域重点突破2012-06-19来源：中国工业报《高端装备制造业“十二五”发展规划》近日正式对外发布。
《规划》提出“十二五”期间，我国高端装备制造业发展要坚持整体推进与重点跨越相结合的原则，选择最有基础和条件的重点方向作为突破口，集中力量重点推进，促进航空装备、卫星及应用、轨道交通装备、海洋项目装备和智能制造装备等重点领域率先发展。
A、突破五个关键领域完成22项重点任务《规划》提出，培育发展高端装备制造业是关系国家综合实力、技术水平和工业基础的一项长期的重点任务。
“十二五”期间，航空装备、卫星及应用、轨道交通装备、海洋项目装备和智能制造装备产业发展的重点任务是：（一）航空装备一一大型客机。
以满足国内中心城市点对点、点对枢纽机场的市场需求为目标，以市场需求量大的150 座级为切入点，按照安全、经济、舒适和环保的要求，研制具有国际竞争力的150座级的C919 单通道干线飞机，逐步形成产业化能力。
开展未来型号前期研究。
----- 支线飞机。
加快4对21-700型涡扇支线飞机研制，2012年前后取得中国适航当局的型号合格证和生产许可证，形成产业化能力，实现批量交付；2013年取得国外适航证书。
同时，针对不同用户需求开展改进改型，适时启动加长型、公务型、货运型飞机研制，实现系列化。
加快新舟60系列的改进改型和市场推广；适时启动新型支线飞机研制。
----- 通用飞机和直升机。
在具有产业基础的地区，优先发展社会效益好、市场需求大和经济价值高的通用飞机，加快研制生产大型灭火和水上应急救援飞机，重点支持大中型特种飞机、中/重型直升机和高端公务机的发展，鼓励有条件的企业发展6座（含）以下轻小型通用飞机、水上飞机、无人机、特种飞行器和2吨（含）以下直升机，充分利用已有7在研成熟通用飞机平台，通过不断改进、改型以及升级来满足用户需求。
----- 航空发动机。
建立和完善航空发动机创新发展的工业体系，突破大型客机发动机关键核心技术，增强创新能力。
面向智能高铁安全保障的知识图谱构建及应用关键技术
实证分析与验证
数据收集
收集相关的数据集，包括高铁安全事故数据 、高铁运营数据等。
实验结果分析
对实验结果进行分析，包括执行时间、准确 率等方面的分析。
实验设计
设计实验方案，包括实验环境、实验方法、 实验指标等。
结果对比
将实验结果与其他方法进行对比，评估方法 的优劣。
05
关键技术三：知识图谱在智能高铁安全 保障中的应用
3. 预警机制设计：通过 知识图谱对高铁各环节 的安全状况进行实时监 控，一旦发现异常情况 ，立即启动预警机制， 及时通知相关人员处理 。
安全决策支持应用
总结词：通过知识图谱为高铁安全管理 人员提供智能化决策支持，提高决策的 科学性和准确性。
3. 实时决策支持：通过知识图谱对高铁 安全形势进行实时分析，为决策者提供 实时、动态的决策支持和建议。
总结词：通过知识图谱实现高铁 设备、运营过程的安全监控和巡 检工作的智能化管理，提高监控 和巡检的效率和准确性。
1. 监控系统集成：将知识图谱与 高铁监控系统集成，实现对高铁 设备、运营过程的实时监控和数 据采集。
3. 异常检测与报警：通过知识图 谱对监控数据进行实时分析，一 旦发现异常情况，立即启动报警 机制，通知相关人员处理。
制定统一的数据格式标准，以便不同来源的数据能够相互兼容，减 少数据整合的难度和成本。
数据清洗与预处理技术
缺失值处理
对于存在缺失值的数据，采用插值、删除或回归等方法进行处理 ，以避免对后续分析造成影响。
异常值检测
通过统计、聚类或机器学习等方法，检测并处理异常值，以避免 对数据造成污染。
数据格式转换
将不同格式的数据进行转换，以满足后续分析或模型训练的要求 。
研究方法
分布式高铁动车组PHM大数据架构设计与实现
分布式高铁动车组PHM大数据架构设计与实现赵珂;王伟;姜喜民;刘光俊【摘要】在高铁动车组的故障预测与健康管理系统设计中,采用传统数据库或单一的大数据平台难以达到系统精确预测故障的业务功能设计的准确度要求,PHM大数据架构设计需综合考虑海量数据的膨胀、数据协议的复杂度、在线机理模型的变化以及机器学习的训练等因素.本文基于多组件的大数据生态技术分层架构体系进行设计与实现,详细阐述了高铁动车组的故障预测与健康管理大数据平台架构设计的方法和实现过程.【期刊名称】《软件》【年(卷),期】2018(039)012【总页数】5页(P90-94)【关键词】大数据架构;轨迹回放;流计算;负载均衡;实体主机【作者】赵珂;王伟;姜喜民;刘光俊【作者单位】昆明理工大学城市学院,云南昆明 650051;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛 266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛 266111【正文语种】中文【中图分类】TP391在高铁动车组的车载故障预测与健康管理系统（Prognostic and Health Management，PHM）中难以实时实现多工况机理模型关联对比分析、长时序分析、多平台数据融合分析。
因此路局服务站和主机厂检修维护只能采用线下PHM 大数据平台实现高铁动车组的实时监控与在线决策的方法来实时掌控运营中的高铁动车组状态和故障情况。
PHM大数据平台使用移动通信网络或互联网实时与非实时两种方式采集车地数据传输系统/高铁检修服务系统/数据离线采集系统/线路资源系统等多系统平台的数据进行智能诊断和信息分析[1]。
只有综合利用车载数据、地面监控数据才能构建更为高效的高铁动车组的地面PHM系统。
本文基于分布式大数据平台架构设计满足实时监控、在线规则引擎配置与计算、离线分析和数据挖掘，构建各业务部门各种业务机理模型和分析平台。
技术选型需综合考虑项目实施工期、工程师大数据技能、业务应用要求、计算效率、安全性、高可用、Nosql、结构化与非结构化、可扩展算法等，并满足PHM监控、流计算、海量数据聚合计算、长时序查询、在线挖掘、在线规则引擎与离线分析挖掘，而使用关系型数据库（Relational Database Management System，RMDBS）或大规模并行处理数据库（Massivel y Parallel Processor，MPP）都很难满足应用多样性要求。
国家铁路局关于印发《“十四五”铁路标准化发展规划》的通知
国家铁路局关于印发《“十四五”铁路标准化发展规划》的通知文章属性•【制定机关】国家铁路局•【公布日期】2021.12.21•【文号】国铁科法〔2021〕47号•【施行日期】2021.12.21•【效力等级】部门规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】铁路正文国家铁路局关于印发《“十四五”铁路标准化发展规划》的通知国铁科法〔2021〕47号局属各单位:为贯彻落实《国家标准化发展纲要》《交通强国建设纲要》，推进“十四五”时期铁路标准化工作，充分发挥标准化在推进铁路治理体系和治理能力现代化中的基础性、引领性作用, 推动铁路高质量发展，支撑交通强国建设，国家铁路局编制了《“十四五”铁路标准化发展规划》。
现印发给你们, 请遵照执行。
国家铁路局2021年12月21日“十四五”铁路标准化发展规划标准是经济活动和社会发展的技术支撑，是国家基础性制度的重要方面。
标准化在推进国家治理体系和治理能力现代化中发挥着基础性、引领性作用。
为促进铁路标准化工作全面发展，根据《国家标准化发展纲要》《交通强国建设纲要》和铁路发展规划的要求，结合铁路改革发展实际需要，制定本规划。
一、发展现状和形势要求“十三五”期间，铁路标准化工作深入贯彻国家标准化发展要求，在保障铁路建设运营安全，提升工程建设、技术装备和服务质量，促进铁路科技创新和产业升级等方面发挥了重要支撑作用。
1. 铁路标准体系进一步优化完善。
服务铁路改革发展，发挥标准在质量控制、安全保障、技术创新、环境保护等方面的技术支撑作用，构建了结构合理、衔接配套、覆盖全面、适应经济社会发展和铁路建设需要的铁路标准体系。
“十三五”期间发布铁道国家标准和铁道行业标准600余项，强化标准高质量供给，有效满足行业需求。
现有铁路标准体系中，在装备制造领域，已完成动车组、大型养路机械、列车运行控制系统及安全核心设备、接触网系统及关键零部件、铁路客货运输设备等成套标准，基本满足铁路技术装备和运输服务需要，在关键部件设备质量和系统稳定性方面发挥了重要技术支撑作用，有力促进了技术装备安全可靠性水平的提升；在工程建设领域，标准以世界领先的高速铁路成套建造技术为龙头，涵盖高速、城际、客货共线、重载、市域（郊）、磁浮等各类铁路和铁路专用线，覆盖铁路工程勘察、设计、施工、验收、投资控制全过程，各专业标准衔接配套。
基于过程元模型的高速列车谱系化产品研发设计方法
1 高速列车过程元模型构建 高速 列车设 计 研发 过 程 通 过项目定 义 启动，项目由一
系列任务组 成，任务以具 有一定 逻辑关 系的活 动实现。高 速列车设计研发过程中项目、任务和活动是构成过程的主
4结语本文提出基于过程元模型驱动的高速列车谱系化产品设计方法构建了高速列车研发设计过程元模型通过过程元的组合将需求元模型需求实例产品元模型产品实例等静态数据串联起来形成一个动态的数据流和研发过程实现高速列车研发设计流程的规范化表达和设计过程柔性化有效了实现基于需求驱动高速列车谱系化产品快速设计缩短了设计研发周期
工业技术 DOI：10.16660/ki.1674-098X.2019.14.091
科技创新导报 2019 NO.14
Science and Technology Innovation ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱerald
基于过程元模型的高速列车谱系化产品 研发设计方法①
徐宏伟1 宋红1 张海柱2 赵晓春3 李恒奎1 (1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司科技发展部 山东青岛 266111；2.西南交通大学机械工程学院先进设计与制造研究所
过 程 元 模 型 分为 3 个层 次 进 行描 述，即过 程 元（元 类）、过程 元模型（类）、过程 元模型实例（具体研发 过 程）。过 程 元 元 类 通 过 赋值 组合 形成 过 程 元 模 型，将过 程 元 模 型 进 行具 体 赋 值得 到 过 程 元 模 型实例，即 高速 列车 具体设计研发过程，各层次之间的关系如图1所示。
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Open Journal of Transportation Technologies 交通技术, 2018, 7(6), 381-389Published Online November 2018 in Hans. /journal/ojtthttps:///10.12677/ojtt.2018.76046Design and Construction of High-SpeedTrain Pedigree Data Management PlatformQinglong Wei1, Ailin Yang1, Na Wang1, Yongzhi Jiang21Zhongche Tangshan Locomotive & Rolling Stock Co., Ltd., Beijing2State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu SichuanReceived: Oct. 18th, 2018; accepted: Oct. 31st, 2018; published: Nov. 7th, 2018AbstractThe data warehouse of high speed EMU pedigree is subject oriented, integrated, time-varying and relatively stable, and is a collection of high-speed train space data and non-spatial data. At present, the platform of high-speed train genealogized development has been built based on genealogical theory, and the integrated platform of eight subsystems is constructed, including the virtual visua-lization and rapid process file generation. The data management platform of high speed EMU pe-digree is the basis for the smooth and efficient operation of the integrated platform. Based on the theoretical research of high speed EMU pedigree, this paper designs and constructs a data man-agement platform for high speed EMU pedigree. Overall architecture of this platform is introduced, and the module composition and the functions, user interfaces and uses of each module are com-bed, which provide a foundation for the operation and management of high speed EMU pedigree platforms.KeywordsHigh-Speed EMU, Pedigree, Data Warehouse, Data Management高速列车谱系化数据管理平台设计与构建魏庆龙1，杨爱林1，王娜1，蒋咏志21中车唐山机车车辆有限公司科技管理部，北京2西南交通大学牵引动力国家重点实验室，四川成都收稿日期：2018年10月18日；录用日期：2018年10月31日；发布日期：2018年11月7日魏庆龙等摘要高速列车谱系化数据仓库是面向主题的、集成的、时变的、相对稳定的，并集合了高速列车空间数据和非空间数据。
如今的高速列车谱系化研制平台已经在谱系化理论的基础上，构建了虚拟可视化、快速工艺文件生成等八项子系统为核心的一体化平台。
高速列车谱系化数据管理平台是该一体化平台流畅、高效运行的基础。
本文基于高速列车谱系化相关理论研究，设计并构建了高速列车谱系化数据管理平台。
系统阐述了平台的整体架构、模块组成以及各个模块的功能，界面和用途，为高速列车谱系化平台的运行和管理提供了基础支撑。
关键词高速列车，谱系化，数据仓库，数据管理Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 前言数据仓库是面向主题的、集成的、稳定而随时间不断变化、用来支持管理人员决策的数据集合。
它是近年来为联机分析处理(OLAP, Online Analytical Processing)、数据挖掘等处理提供海量数据存储、数据组织的容器和解决数据集成问题的关键技术。
经历引进消化吸收再创新之后，我国高速铁路已经在“四纵四横”的基础上，建成了具有中国特色的高速铁道网络[1]。
在一带一路的倡导下，我国在现有高速动车组研制平台的基础上，构建了需求多样化，设计一体化，技术体系可定制化，标准体型国际化的高速动车组设计制造平台[2] [3] [4]。
高速列车谱系化数据仓库是面向主题的、集成的、时变的、相对稳定的，并集合了高速列车空间数据和非空间数据[5] [6]，它可以将多个异种的、自治的、分布的信息源有机的组织起来，并提供对空间数据和非空间数据简便、有效的访问，为决策分析提供数据[7] [8] [9] [10]。
谱系化的研究最早开始于60至70年代，Sutherland在系统中提出利用约束作为辅助手段生成零件，但缺少约束定义和修改几何模型，因此，模型的修改为一个单行过程，当模型生成之后约束无法反过来限制模型随谱系化理论不断完善，因此谱系化方法广泛运用于实践中。
目前，谱系化理论研究主要代表有两个：1) Jae Yeol Lee提出的利用图表示的基于知识的几何推理法；2) Xiao Shan Gao提出的约束传播法。
国内这几年来对谱系化建模的研究也逐渐成熟，此类方法多利用软件的二次开发功能，实现对三维几何模型的简单化生成。
中南大学的周咏翔、谭灿枚等以基于编程环境下的二次开发，结合数据库技术，对货车转向架进行了谱系化设计系统的开发。
中北大学的史丽娱等提到在软件中建模时，要对零件模型的几何约束和尺寸约束进行定义。
随着高速列车快速发展，谱系化理论成为解决高速列车设计中需求多样化重要的工具。
文献[11]已经对高速列车谱系化数据仓库系统研究进行了系统的阐述，本文基于高速列车谱系化相关理论研究和数据仓库系统的研究，设计并构建了高速列车谱系化数据管理平台。
文章系统阐述了平台的整体架构、模块组成以及各个模块的功能，界面和用途，为高速列车谱系化平台的运行和管理提供了基础支撑。
魏庆龙等2. 高速列车谱系化数据管理平台架构高速列车数据内容繁杂、涉及领域广泛、数据量庞大，目前仍是以分散、多源、异构、语义不一致等存在，没有达到为决策支持提供有效数据源的水平，因此结合谱系化高速列车平台采用数据仓库技术、面向对象思想、空间数据库等关键技术将现有的多域高速列车数据有机地集成起来，并发挥其应有的共享作用，进行相应的OLAP分析和数据挖掘等处理，最终以友好的管理界面显示给数据管理者。
为此需要开发相应的数据管理平台用以支持高速列车谱系化一体化设计平台。
数据管理平台的基本架构如图1所示，主要包括数据管理可视化界面和数据管理功能模块，功能模块包括需求数据管理模块、需求元模型数据管理模块、产品结构树数据管理模块、产品元模型管理模块、映射规则数据管理模块、指标体系数据管理模块、产品生命周期数据管理模块等。
数据管理者通过可视化管理界面操作各功能模块，实现对各类数据的管理操作，包括数据的新增项目、数据的录入、错误数据清理、数据备份等管理和维护工作。
Figure 1. Basic structure of the data management platform图1. 数据管理平台的基本架构这些功能模块的所有操作都通过接口直接影响数据仓库中的基础数据，包括设计、生产以及产品整个生命周期相关的基础数据，这些数据是谱系化一体化平台功能模块的基础，支撑整个一体化平台的运作。
服务与谱系化平台的最终用户，如设计师、生成人员、试验人员等。
数据安全对于企业尤其重要性，因此数据管理者需要有足够的权限才可进行管理操作。
3. 高速列车谱系化数据仓库接口需求数据仓库是面向主题的、集成的、稳定而随时间不断变化、用来支持管理人员决策的数据集合。
同时数据仓库也是联机分析处理(OLAP, Online Analytical Processing)、数据挖掘等处理提供海量数据存储、数据组织的容器和解决数据集成问题的关键技术。
由于数据仓库是数据管理平台的操作对象，因此需要魏庆龙等具有友好的、完整的接口。
数据仓库系统的一般体系结构如图2所示。
Figure 2. General architecture of the data warehouse system图2. 数据仓库系统的一般体系结构数据仓库系统的体系结构一般包括四个部分：1) 底层多种数据源，一般情况下，这些数据源可以是关系数据库或其他如平面文件、XML文档等在内的数据类型。
2) 各种数据源通过ETL (Extract-Transform-Load)，即数据抽取(Extract)、转换(Transform)、清洗(Cleansing)、装载(Load)。
谱系化高速列车数据源众多，ETL是保证数据一致性，实现跨多平台、多系统整合数据库，最大可能提高数据质量的关键技术。
ETL按照统一的规则从数据源抽取出所需的数据，经过数据清洗和转换，其间可能还要进行过滤(Filtering)、汇总(Summary)，或与其它数据源的信息合并(Merging)，最终按照预先定义好的数据仓库模型，将数据加载到数据仓库中，是数据仓库实施成败的关键。
3) 经过ETL处理的数据进入企业级数据仓库，企业相关部门，如设计、制造、试验等可以通过数据集市(Data marts)，建立满足特定需求的数据存储，形成一个小型的部门级数据仓库。