基于改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)故障智能運(yùn)維

趙宇航 徐永能 劉英舜 陳新

摘 ? 要：要確保城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)最大限度發(fā)揮其自身的功能，就必須定期對(duì)其現(xiàn)有的，可能發(fā)生的或一定條件下轉(zhuǎn)化生成的故障實(shí)施有效監(jiān)控，結(jié)合可靠性與安全性相關(guān)理論的分析研究，在最短時(shí)間內(nèi)找到最優(yōu)解決方案，排除故障，確保交通參與者的安全，讓信號(hào)系統(tǒng)與城軌系統(tǒng)有效配合，給城市軌道交通運(yùn)營(yíng)帶來(lái)最佳經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞：故障檢測(cè) ?可靠性 ?人-機(jī)-環(huán)境 ?軌道交通信號(hào)

中圖分類號(hào)：U239.5 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0001-02

“若要富，先修路”，交通的便利與否直接制約著當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)發(fā)展，一條好的交通干線可以帶動(dòng)周圍一大片地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在近5年以來(lái)，我國(guó)在軌道交通領(lǐng)域迅速發(fā)展，隨著地鐵、輕軌的大規(guī)模建設(shè)，信號(hào)系統(tǒng)技術(shù)上取得重大突破。城市軌道信號(hào)系統(tǒng)不斷向精密化，數(shù)字化，集成化方向發(fā)展，對(duì)其功能的完善與有效的運(yùn)維難度也不斷加大[1]，對(duì)于實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行自動(dòng)化管理，對(duì)提高城市交通管理現(xiàn)代化水平具有重要意義。

1 ?城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)構(gòu)成

在軌道交通系統(tǒng)中采用與之對(duì)應(yīng)的交通信號(hào)系統(tǒng)，不僅能夠最大程度保證列車行駛安全，避免追尾事故發(fā)生，還能有效縮短行車間隔，加大車次密度，從而從整體上提高列車運(yùn)行效率，加快軌道交通建設(shè)與增大運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

在城市里，軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的組成相對(duì)簡(jiǎn)單，主要是列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC，Automatic Train Control），它是列車自動(dòng)駕駛，跟蹤以及調(diào)度控制的系統(tǒng)。ATC系統(tǒng)又分為三個(gè)子系統(tǒng)，一是列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)ATP（Automatic Train Protection），它是信號(hào)系統(tǒng)的安全核心，能夠進(jìn)行超速防護(hù)，檢測(cè)列車的位置等;二是列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)ATS（Automatic Train Supervision），監(jiān)督控制列車運(yùn)行，在調(diào)度人員調(diào)度全線列車時(shí)提供輔助;三是列車自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)ATO（Automatic Train Operation），根據(jù)ATS的指令來(lái)自動(dòng)控制列車的平穩(wěn)運(yùn)行，如控制列車在每個(gè)區(qū)間的速度值平穩(wěn)過(guò)渡，提高旅客舒適度和列車運(yùn)行效率[2]。此外，還有軌道電路，信號(hào)機(jī)，行車調(diào)度指揮中心相應(yīng)的的信號(hào)設(shè)備等，也屬于城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的范疇。信號(hào)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要有相應(yīng)智能運(yùn)維系統(tǒng)的故障維護(hù)作為保證。

2 ?故障預(yù)測(cè)方法分析

為了對(duì)故障進(jìn)行有效控制，以保證在故障產(chǎn)生之前就能對(duì)其遏止。在近幾年，傳統(tǒng)的方法是對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)特征提取算法獲取有效特征離線訓(xùn)練模型，然后基于歷史數(shù)據(jù)對(duì)未來(lái)時(shí)刻的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)。

因此基于歷史數(shù)據(jù)所預(yù)測(cè)得到的設(shè)備狀態(tài)信息將會(huì)無(wú)法精確描述當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)需要檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的同時(shí)，考慮使用新產(chǎn)生的傳感器數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型來(lái)更新模型參數(shù)，以適應(yīng)當(dāng)前設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)此可以采用滑動(dòng)窗口實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備的在線檢測(cè)和模型的在線更新。

3 ?信號(hào)系統(tǒng)發(fā)展展望

故障檢測(cè)預(yù)測(cè)和診斷基于已有信號(hào)設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，在未來(lái)，如果信號(hào)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)上有所改進(jìn)，那將會(huì)大大降低對(duì)政府投入的運(yùn)維成本，從根本上保障信號(hào)系統(tǒng)的可靠性與安全性，從這個(gè)意義上講，之前所用的一切故障檢測(cè)預(yù)測(cè)的方法，都是為了維持信號(hào)設(shè)備的可靠性。為了保障系統(tǒng)可靠度，消除或減少信號(hào)系統(tǒng)本身存在的事故隱患，應(yīng)盡量少使用串聯(lián)系統(tǒng)，實(shí)在不得已使用也應(yīng)該盡量減少構(gòu)成系統(tǒng)單元數(shù)或提高單元內(nèi)最薄弱環(huán)節(jié)的可靠度。系統(tǒng)的構(gòu)成有并聯(lián)系統(tǒng)、表決系統(tǒng)、混聯(lián)系統(tǒng)類型的工作儲(chǔ)備系統(tǒng)，也有旁聯(lián)系統(tǒng)類型的非工作儲(chǔ)備系統(tǒng)。如果系統(tǒng)單元壽命都可近似看成指數(shù)分布，可以考慮在整個(gè)系統(tǒng)框架下設(shè)計(jì)工作儲(chǔ)備系統(tǒng)，在儲(chǔ)備系統(tǒng)的每個(gè)分支系統(tǒng)選擇旁聯(lián)系統(tǒng)，理論計(jì)算可得，這樣的組合，能得到很高的系統(tǒng)可靠性。對(duì)于各子系統(tǒng)內(nèi)部的旁聯(lián)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一般要確保在信號(hào)設(shè)備實(shí)際發(fā)生故障之前，檢測(cè)裝置就能夠預(yù)警，通過(guò)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)置提前切換到下一待機(jī)工作的非故障子單元，從而能夠?qū)溆玫拇龣C(jī)工作子單元接入系統(tǒng)，保證系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定的工作。最后，在系統(tǒng)或單元故障發(fā)生時(shí)需要遵循故障導(dǎo)向安全原則。為確保系統(tǒng)可靠性，在不斷提高自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)的軌道交通信號(hào)系統(tǒng)框架下，為減少系統(tǒng)偏差，在故障分析，決策層增加一個(gè)人-機(jī)并聯(lián)的冗余系統(tǒng)，只有當(dāng)人機(jī)的決策結(jié)果一致或誤差范圍在可接受范圍內(nèi)，指令才能夠從系統(tǒng)輸出，這樣就更加能確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定，高效，經(jīng)濟(jì)地運(yùn)作。

對(duì)城軌信號(hào)系統(tǒng)可靠性的分析具有重要的意義，在實(shí)際中，信號(hào)承包商需要對(duì)其承包的城軌信號(hào)系統(tǒng)項(xiàng)目進(jìn)行量化風(fēng)險(xiǎn)，并得出一份量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告，里面包含故障樹(shù)模型的輸入輸出，所錄入的數(shù)據(jù)，最小割集表，事件樹(shù)模型等。信號(hào)承包商還要提出設(shè)計(jì)的量化計(jì)算，模型和分析，來(lái)證明已達(dá)到指定的量化目標(biāo)。在全線所有系統(tǒng)通過(guò)驗(yàn)收并正式投入運(yùn)營(yíng)后，信號(hào)承包商應(yīng)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行定期可靠性檢驗(yàn)測(cè)試，檢驗(yàn)信號(hào)系統(tǒng)是否達(dá)到了平均無(wú)故障時(shí)間目標(biāo)。

4 ?結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)高效，動(dòng)態(tài)，與外部環(huán)境協(xié)調(diào)適應(yīng)的系統(tǒng)。有必要運(yùn)用系統(tǒng)工程的原則和方法，在深入研究三者各自性能的基礎(chǔ)上，綜合考慮人-機(jī)-環(huán)境三大要素的關(guān)系，從整體的角度把握整個(gè)系統(tǒng)，把構(gòu)成整體系統(tǒng)的不同子系統(tǒng)有機(jī)銜接起來(lái)，通過(guò)三者間的信息傳遞、加工和控制，形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜系統(tǒng)，使他們之間的關(guān)系協(xié)調(diào)并最優(yōu)，最大限度發(fā)揮系統(tǒng)組成部分功能。

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