地鐵工程運(yùn)營期全自動(dòng)駕駛維護(hù)

莫志剛， 駱漢賓

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

全自動(dòng)駕駛(Full Automatic Ope ration，F(xiàn)AO)是指將列車駕駛員執(zhí)行的工作完全交由自動(dòng)化的、高度集中控制的列車運(yùn)行系統(tǒng)完成。全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通常具備列車自動(dòng)喚醒、啟動(dòng)和休眠、自動(dòng)出入停車場、自動(dòng)清洗、自動(dòng)行駛、自動(dòng)啟停車、自動(dòng)開關(guān)車門等功能，并具有常規(guī)運(yùn)行、降級運(yùn)行和災(zāi)害工況等多重運(yùn)行模式[1]。文獻(xiàn)[2]中，將軌道交通自動(dòng)化分為GOA0 (Grade of Automation)～GOA4共5個(gè)等級，軌道交通自動(dòng)化等級如表1所示，GOA3，GOA4為全自動(dòng)駕駛模式。城市軌道交通全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)利用現(xiàn)代通信、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)技術(shù)，全面提升軌道交通的可靠性、安全性、可用性、可維護(hù)性，提高運(yùn)行效率及整體自動(dòng)化水平，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的最佳化運(yùn)行。

1 概 述

我國城市軌道交通發(fā)展迅速，截至2017年末，全國城市軌道交通運(yùn)營里程達(dá)到3965 km；全國有31個(gè)城市建設(shè)軌道交通，總在建里程近4000 km[3]。隨著線網(wǎng)的加密，客流負(fù)荷增大，對軌道交通的建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)提出了更高的要求，跟蹤、發(fā)展全自動(dòng)駕駛技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)的必要性和迫切性。

全自動(dòng)駕駛模式運(yùn)用列車自動(dòng)控制系統(tǒng)(Automatic Train Control，ATC)[4,5]和綜合監(jiān)控系統(tǒng)(Integrated Supervisory Control System，ISCS)[6,7]，并結(jié)合人工監(jiān)視、干預(yù)機(jī)制，在落實(shí)列車高精度運(yùn)行的同時(shí)，減少不必要的人為操作失誤。ISCS通過建立運(yùn)營預(yù)案，在緊急情況下快速反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)車輛、信號、通信系統(tǒng)，以及車站、區(qū)間的完善診斷、故障定位及報(bào)警功能等方面，提高對災(zāi)害、事故等的應(yīng)急處理能力，保證全自動(dòng)駕駛模式的實(shí)現(xiàn)、線路正常運(yùn)營、乘客人身安全，并以提高整個(gè)線路體系防災(zāi)及車輛通過能力為根本目的。ISCS是基于集成技術(shù)的、服務(wù)于軌道交通運(yùn)營與管理的、實(shí)時(shí)和安全的自動(dòng)化系統(tǒng)，集成系統(tǒng)的建設(shè)可按集成度及安全度的不同劃分不同層次模型，標(biāo)準(zhǔn)定義的集成模型一般包括過程集成模型、信息交換集成模型和資源集成模型等。

全自動(dòng)駕駛模式下的ISCS集成系統(tǒng),應(yīng)按嚴(yán)格意義上的全集成模型進(jìn)行建設(shè)。目前逐步推廣應(yīng)用的行車綜合自動(dòng)化系統(tǒng)(Trafficcontrol Integrated Automation System，TIAS)是一種全集成應(yīng)用系統(tǒng)。TIAS系統(tǒng)在原有集成互聯(lián)BAS(Building Automation Syste)，PSCADA(Supervisory Control And Data Acquisition)等系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將信號系統(tǒng)中的列車自動(dòng)監(jiān)督系統(tǒng)(Automatic Train Supervision，ATS)、車輛等系統(tǒng)進(jìn)行有效集成，形成以行車指揮為核心的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。其集成范圍如圖1所示。

圖1 全自動(dòng)駕駛集成范圍

在全自動(dòng)駕駛模式中，由于系統(tǒng)集成度和復(fù)雜度的增加，可能的故障點(diǎn)和故障類型也越來越多。同時(shí)現(xiàn)有各專業(yè)的狀態(tài)監(jiān)測和維護(hù)也沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)備監(jiān)測信息不夠全面，監(jiān)測及報(bào)警信息分散，各系統(tǒng)之間也不能共享監(jiān)測信息，形成“信息化孤島”，不便于事故的快捷分析。鑒于全自動(dòng)無人駕駛系統(tǒng)中應(yīng)用的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)，有必要對各集成系統(tǒng)的維護(hù)維修診斷功能進(jìn)行合理的集成，同時(shí)基于統(tǒng)一的維修診斷集成系統(tǒng)平臺[8,12]運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立以狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、數(shù)據(jù)分析、維護(hù)管理為目標(biāo)的綜合維護(hù)診斷系統(tǒng)。

2 全自動(dòng)駕駛的綜合維護(hù)診斷需求

全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的綜合維修診斷系統(tǒng)需要具有較完善的自診斷能力，包括對中心、車站、軌旁、車載以及車-地通信等設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)督和故障報(bào)警，同時(shí)能夠?qū)嵤┻h(yuǎn)程故障報(bào)警和維護(hù)信息的綜合管理分析能力。具體體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

(1)狀態(tài)監(jiān)測：系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)并及時(shí)報(bào)警，并提供詳細(xì)的故障位置、設(shè)備編號、故障類型等，同時(shí)提供快捷的維護(hù)輔助決策。

(2)故障診斷：系統(tǒng)能夠輔助快速定位故障，并迅速執(zhí)行維護(hù)作業(yè)。通過分析故障特征，結(jié)合歷史專家經(jīng)驗(yàn)，采用故障樹分析手段形成故障特征庫。故障發(fā)生后可以直接調(diào)取故障特征庫查閱相關(guān)參數(shù)的異常變化，實(shí)現(xiàn)快速故障定位。

(3)預(yù)防性維修：為減少故障維修的概率，以相關(guān)維修標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，通過大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析策略提供指導(dǎo)性的維修策略。

(4)預(yù)測性維修：運(yùn)用保存在企業(yè)基礎(chǔ)信息系統(tǒng)(綜合監(jiān)控、車輛運(yùn)行、企業(yè)級實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫等)中的設(shè)備原始海量運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)中的多元回歸、主分量分析等技術(shù)，在相似性理論支持下，轉(zhuǎn)化成動(dòng)態(tài)的設(shè)備在線模型。通過大數(shù)據(jù)分析平臺、故障預(yù)測分析系統(tǒng)，將動(dòng)態(tài)設(shè)備模型計(jì)算生成的實(shí)時(shí)預(yù)估值和設(shè)備測點(diǎn)的實(shí)測值進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果發(fā)布設(shè)備早期故障狀態(tài)預(yù)警。

(5)維修跟蹤：為維護(hù)過程提供一個(gè)發(fā)現(xiàn)問題—處理問題—解決問題—問題反饋的閉環(huán)跟蹤工作機(jī)制。

(6)資產(chǎn)管理：全生命周期內(nèi)對設(shè)備的使用、維修與報(bào)廢進(jìn)行監(jiān)測和處理，及時(shí)更新資產(chǎn)的使用情況。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

按照前述基本需求，結(jié)合基于全集成的全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)中的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整個(gè)維護(hù)診斷系統(tǒng)可以劃分為設(shè)備層、服務(wù)層、監(jiān)測層、決策層。各層次結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 綜合維修系統(tǒng)架構(gòu)

(1)設(shè)備層：數(shù)據(jù)采集層是所有被集成系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)的基本來源。對于已經(jīng)納入綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的各專業(yè)如供電、機(jī)電專業(yè)可以直接通過內(nèi)部軟總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享；對于其他輔助系統(tǒng)，如計(jì)軸、微機(jī)監(jiān)測、電源屏等，則可以設(shè)置采集器進(jìn)行接口通信轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)。接口位置一般在各子系統(tǒng)的維修終端提供的網(wǎng)絡(luò)端口或者下位主機(jī)的維護(hù)數(shù)據(jù)端口。

(2)服務(wù)層：系統(tǒng)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)服務(wù)功能的管理、歷史數(shù)據(jù)和操作記錄的存放及歸檔管理，并通過API(Application Programming Interface)或SQL(Structured Query Language)接口實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的接口；同時(shí)為支持大數(shù)據(jù)分析，該層與Hadoop集群之間采用文件接口方式實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移，以便實(shí)現(xiàn)維護(hù)大數(shù)據(jù)的挖掘分析功能。

(3)監(jiān)測層：應(yīng)用監(jiān)測層是綜合維護(hù)維修系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由監(jiān)測工作站、應(yīng)用分析工作站以及移動(dòng)終端組成，并分別執(zhí)行相應(yīng)的功能。監(jiān)測工作站主要負(fù)責(zé)所有運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)視和報(bào)警顯示、報(bào)表生成、操作記錄等；同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)維護(hù)管理如維護(hù)計(jì)劃、工單管理、備件管理、資產(chǎn)狀態(tài)更新等管理性工作；應(yīng)用分析工作站主要完成事故事后分析和故障預(yù)測分析，包括大數(shù)據(jù)分析結(jié)果展示。

(4)決策層：決策層主要完成重大事故故障的輔助決策和應(yīng)急指揮，協(xié)調(diào)多方力量參與解決，以及日常安全管理。

在綜合維修診斷系統(tǒng)中，為方便統(tǒng)一管理和共享各系統(tǒng)的維護(hù)信息，維護(hù)診斷系統(tǒng)的各層之間采用內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)軟總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)單元技術(shù)的可靠數(shù)據(jù)交換機(jī)制；同時(shí)為了保證數(shù)據(jù)的安全和可靠性，對于關(guān)鍵設(shè)備如實(shí)時(shí)服務(wù)器、本地歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器采取熱備冗余配置方式，在任意時(shí)間只有一臺服務(wù)器處于主用狀態(tài)，另一臺服務(wù)器處于備用狀態(tài)，主用服務(wù)器和備用服務(wù)器之間始終保證數(shù)據(jù)的同步和一致性，在應(yīng)用監(jiān)測層任何應(yīng)用可以從任意一臺服務(wù)器請求數(shù)據(jù)。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

按照如上架構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)綜合維修診斷系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流如圖3所示。

圖3 綜合維修診斷系統(tǒng)的應(yīng)用數(shù)據(jù)流

(1)維修實(shí)時(shí)服務(wù)器

實(shí)時(shí)服務(wù)器整合原信號系統(tǒng)的維修支持系統(tǒng)(Maintenance Support System, MSS) 和綜合監(jiān)控專業(yè)的設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)，均采用冗余配置。通過維護(hù)網(wǎng)收集來自信號專業(yè)(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖Computer Interlock, CI)、軌旁設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)、軌旁電子單元(Line Electronic Unit, LEU)、電源、計(jì)軸、微機(jī)監(jiān)測的信息；通過ATC網(wǎng)收集來自信號專業(yè)的車載控制器的信息；通過ISCS網(wǎng)絡(luò)收集來自ISCS設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、車輛的運(yùn)行狀態(tài)信息、智能網(wǎng)絡(luò)電源控制器信息、以及軟件模塊的運(yùn)行狀態(tài)；通過ATC網(wǎng)、ISCS網(wǎng)、維護(hù)網(wǎng)來監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)運(yùn)行狀態(tài)等信息。

(2)歷史服務(wù)器

配置的磁盤陣列用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的報(bào)警數(shù)據(jù)、維護(hù)數(shù)據(jù)、操作記錄等數(shù)據(jù)。磁盤陣列采用冗余配置，并可將歷史數(shù)據(jù)導(dǎo)出至外部存儲(chǔ)設(shè)備以便長期保存。

(3)維護(hù)工作站

位于維修中心的維護(hù)工作站，通過網(wǎng)絡(luò)連接到實(shí)時(shí)服務(wù)器，獲取供電、機(jī)電、車輛、信號(計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖、區(qū)域控制器(Zone Control，ZC)、車載控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(Data Communication System，DCS)、LEU)、電源、計(jì)軸、微機(jī)監(jiān)測等外部設(shè)備狀態(tài)，提供報(bào)警顯示和維護(hù)操作的人機(jī)界面；位于控制中心網(wǎng)管室的網(wǎng)管工作站，通過網(wǎng)絡(luò)連接到維修實(shí)時(shí)服務(wù)器，獲取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)，提供報(bào)警顯示和維護(hù)操作的人機(jī)界面。位于控制中心網(wǎng)管室的工程師站，實(shí)現(xiàn)設(shè)備軟件管理功能，提供報(bào)警顯示和維護(hù)操作的人機(jī)界面。位于各設(shè)備集中站信號設(shè)備室、維護(hù)部、項(xiàng)目部、停車場車載維護(hù)部、停車場信號設(shè)備室、控制中心網(wǎng)管室的維護(hù)工作站，通過網(wǎng)絡(luò)連接到實(shí)時(shí)服務(wù)器，獲取信號設(shè)備及內(nèi)部設(shè)備狀態(tài)，提供報(bào)警顯示和維護(hù)操作的人機(jī)界面。

3.3 預(yù)測性維修分析

在傳統(tǒng)的綜合維修系統(tǒng)中，設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視與故障報(bào)警是其主要功能。隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，在深度集成的系統(tǒng)中，大量的直接或間接性的實(shí)時(shí)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總在一起并歸入歷史數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，這就為預(yù)測維修奠定了較好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。因此，基于狀態(tài)預(yù)測的設(shè)備動(dòng)態(tài)預(yù)警是一種新穎的維修方式。

在城市軌道交通領(lǐng)域中，適用于故障預(yù)測分析的設(shè)備主要有車輛、軌道線路、通風(fēng)設(shè)備、供電、信號以及IT設(shè)備，其一般具備傳感器測點(diǎn)或監(jiān)測的條件；監(jiān)測數(shù)據(jù)具備連續(xù)性，且數(shù)據(jù)具有波動(dòng)的特性。對于該類設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)警一般按照如下處理流程進(jìn)行。

(1)模型建立：針對采集到的大量設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)建立監(jiān)測模型，以便計(jì)算模型預(yù)測實(shí)時(shí)狀態(tài)，并分析模型預(yù)測實(shí)時(shí)狀態(tài)與正常狀態(tài)的對比，確定模型預(yù)測與正常狀態(tài)的權(quán)值關(guān)系。

(2)狀態(tài)預(yù)估：根據(jù)相似性原理計(jì)算模型的實(shí)時(shí)預(yù)估值。每個(gè)測點(diǎn)的實(shí)時(shí)預(yù)估值取決于該監(jiān)測點(diǎn)的歷史運(yùn)行規(guī)律和其他間接監(jiān)測點(diǎn)的關(guān)聯(lián)相似度。

(3)動(dòng)態(tài)預(yù)警：基于預(yù)測模型計(jì)算生成的狀態(tài)預(yù)估值形成動(dòng)態(tài)的報(bào)警帶，通過實(shí)時(shí)預(yù)估的變化發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的異常征兆。

通過故障預(yù)測模型，相較于傳統(tǒng)的固定報(bào)警上限的狀態(tài)監(jiān)測，可以根據(jù)設(shè)備所有關(guān)聯(lián)監(jiān)測點(diǎn)建立模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備劣化狀態(tài)的早期預(yù)警，以便檢修人員提前制定檢修計(jì)劃，及時(shí)對設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)檢修，使設(shè)備恢復(fù)正常的運(yùn)行狀態(tài)，減少設(shè)備故障造成的損失。

按照上述思路，收集某空調(diào)風(fēng)機(jī)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測報(bào)警分析。根據(jù)監(jiān)測設(shè)備對象特性，我們收集空調(diào)風(fēng)機(jī)的電機(jī)軸承震動(dòng)、軸承溫度和風(fēng)機(jī)電流，建立各測點(diǎn)的預(yù)估模型，然后投入仿真運(yùn)行，如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)預(yù)警曲線

圖4中藍(lán)色曲線代表模型預(yù)測結(jié)果，灰色曲線代表動(dòng)態(tài)報(bào)警區(qū)間。風(fēng)機(jī)經(jīng)歷了正常運(yùn)行階段、故障初期狀態(tài)、故障高發(fā)階段，直至超過報(bào)警限值導(dǎo)致停機(jī)故障。在正常運(yùn)行階段，預(yù)測結(jié)果基本都處于動(dòng)態(tài)預(yù)警帶內(nèi)部；在故障隱性階段，預(yù)測結(jié)果偶爾超出預(yù)警帶；在故障顯性階段，預(yù)測結(jié)果大部分超出預(yù)警帶，整個(gè)仿真運(yùn)行與實(shí)際結(jié)果基本一致。

從仿真運(yùn)行結(jié)果可知，基于模型預(yù)測的動(dòng)態(tài)預(yù)警能夠?yàn)闄z修人員提供一定的預(yù)防處理時(shí)間，如果處理得當(dāng)，可以避免嚴(yán)重的故障發(fā)生，降低故障對運(yùn)營的影響。

4 結(jié) 語

隨著全自動(dòng)駕駛技術(shù)的不斷推廣應(yīng)用，基于全集成的綜合維修診斷系統(tǒng)為設(shè)備維修診斷提供了更深入、更全面的分析手段，打破了以往各專業(yè)維修診斷的信息化孤島，實(shí)現(xiàn)了各專業(yè)維修診斷數(shù)據(jù)的整合和共享，提高了維修診斷效率。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，將故障預(yù)測和健康管理技術(shù)應(yīng)用于軌道交通系統(tǒng)的維修診斷系統(tǒng)，建立以綜合維護(hù)管理為目標(biāo)的城市軌道交通系統(tǒng)健康維護(hù)體系是下一個(gè)研究熱點(diǎn)。

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