川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)條件及方案研究

徐 越，朱 明，蔡 亮，陳 勇，鄒少文

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

川藏鐵路具有高寒、高海拔、缺氧、氣候條件惡劣等特點(diǎn)，是復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)的典型代表[1-2]。川藏線路環(huán)境復(fù)雜，已突破現(xiàn)行信號(hào)集中監(jiān)測(cè)技術(shù)條件，目前亟需針對(duì)川藏高原、復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路特點(diǎn)開(kāi)展新型信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)條件與方案研究，研究成果對(duì)于后續(xù)川藏鐵路智能運(yùn)維設(shè)備研發(fā)，運(yùn)維體制的完善具有指導(dǎo)意義。

1 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)條件

川藏鐵路雅安至林芝段地理環(huán)境復(fù)雜，沿線車(chē)站平均海拔3 000多m，生活條件惡劣，不適合運(yùn)維人員長(zhǎng)期駐守[3]。依靠現(xiàn)有的電務(wù)維修體制無(wú)法保證信號(hào)設(shè)備正常巡檢及維護(hù)，也無(wú)法保證維護(hù)人員安全[4]。為制定滿足川藏鐵路需求的信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)方案，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料、運(yùn)維單位需求進(jìn)行分析研究、同時(shí)征求信號(hào)運(yùn)維研發(fā)單位意見(jiàn)，得出川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)具備以下技術(shù)條件。

1）識(shí)別高原地區(qū)各信號(hào)設(shè)備工作規(guī)律、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特性，滿足高原信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)功能要求。

2）利用智能維護(hù)系統(tǒng)替代維護(hù)人員診斷、分析工作，以減輕高原地區(qū)維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度、提升維護(hù)質(zhì)量。

3）信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)具備高原地區(qū)信號(hào)設(shè)備全生命周期健康管理功能。

4）為減輕高原地區(qū)信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的安裝實(shí)施勞動(dòng)強(qiáng)度、提升安裝實(shí)施質(zhì)量，信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)宜采用工廠定型化安裝模式。

5）信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)滿足高可靠、高可用和少維護(hù)的需求。

6）信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)采用新技術(shù)手段，滿足遠(yuǎn)程維護(hù)的需求。

7）信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)具備接入川藏鐵路綜合維護(hù)平臺(tái)的條件。

2 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)功能需求

2.1 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)智能化功能需求

川藏鐵路惡劣的氣候與地理環(huán)境，運(yùn)維人員無(wú)法按照常規(guī)運(yùn)維要求對(duì)川藏線進(jìn)行周期巡檢、維護(hù)與維修。這要求川藏線信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)具有自主的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、安全監(jiān)督、綜合分析與維護(hù)指導(dǎo)等智能運(yùn)維功能，及時(shí)發(fā)現(xiàn)與消除故障隱患，以實(shí)現(xiàn)川藏鐵路惡劣環(huán)境下減員增效的建設(shè)目標(biāo)。

1）狀態(tài)監(jiān)測(cè)

川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)借助信號(hào)系統(tǒng)自身設(shè)備采集的模擬量、開(kāi)關(guān)量實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，同時(shí)具備系統(tǒng)接口監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警功能。運(yùn)維系統(tǒng)還應(yīng)具備信號(hào)設(shè)備的可視化界面，實(shí)現(xiàn)在線可視化運(yùn)維管理。為實(shí)現(xiàn)運(yùn)維系統(tǒng)的集中管理，川藏鐵路可在成都鐵路局與青藏公司分別設(shè)置智能運(yùn)維中心，智能運(yùn)維中心根據(jù)電子地圖數(shù)據(jù)生成線路拓?fù)鋱D，在大屏上顯示軌道區(qū)段、道岔、信號(hào)機(jī)、車(chē)站等線路靜態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示地面信號(hào)設(shè)備與車(chē)載信號(hào)設(shè)備動(dòng)態(tài)信息。如：RBC、CTC、TSRS、聯(lián)鎖、軌旁設(shè)備、信號(hào)安全數(shù)據(jù)網(wǎng)、通信網(wǎng)絡(luò)、車(chē)載ATP、ATO等設(shè)備工作狀態(tài)，并將這些狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息實(shí)時(shí)上傳至信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)私有云，用于系統(tǒng)自診斷分析以及電務(wù)運(yùn)維人員調(diào)閱、查看信號(hào)系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2）安全監(jiān)督

信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)能自主監(jiān)督設(shè)備間交互的業(yè)務(wù)信息，且具有跨系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析與結(jié)合部分析的功能。 監(jiān)督關(guān)鍵信號(hào)設(shè)備間業(yè)務(wù)信息，對(duì)交互數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)監(jiān)督及邏輯分析，識(shí)別存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，消除安全隱患，安全監(jiān)督功能要實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析：信號(hào)各子系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析及跨專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)分析。如列控中心、聯(lián)鎖與CTC信息一致性比對(duì)，信號(hào)與供電結(jié)合部分析、地面與車(chē)載結(jié)合部分析、信號(hào)與通信結(jié)合部分析。

3）綜合分析

基于私有云數(shù)據(jù)，智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)能利用數(shù)據(jù)挖掘、深度學(xué)習(xí)等成熟技術(shù)對(duì)運(yùn)維大數(shù)據(jù)分類(lèi)處理，參照設(shè)備所處生命周期、工作環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)等設(shè)定閾值。信號(hào)系統(tǒng)專(zhuān)家與研發(fā)人員根據(jù)設(shè)備故障案例制定運(yùn)維系統(tǒng)自主判定規(guī)則，建立故障綜合分析模型庫(kù)、故障預(yù)警與預(yù)防性維修策略庫(kù)。運(yùn)維系統(tǒng)綜合分析模塊通過(guò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練形成專(zhuān)家系統(tǒng)，當(dāng)信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)參數(shù)出現(xiàn)超過(guò)常態(tài)波動(dòng)范圍的數(shù)據(jù)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警并給出維護(hù)建議[5]。運(yùn)維系統(tǒng)綜合分析模塊最終實(shí)現(xiàn)電務(wù)設(shè)備健康評(píng)估、剩余壽命預(yù)測(cè)、RAMS指標(biāo)分析與維護(hù)指導(dǎo)。

4）智能診斷與維護(hù)指導(dǎo)

通過(guò)智能診斷與維護(hù)指導(dǎo)將信號(hào)系統(tǒng)由目前的故障修、計(jì)劃修轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)修，最終實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的不間斷運(yùn)行。信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)綜合分析模塊篩選出運(yùn)行狀態(tài)不良設(shè)備，及時(shí)發(fā)出故障預(yù)警或報(bào)警，并將可能的故障點(diǎn)、故障類(lèi)型及維修建議信息推送至車(chē)站維修終端及相關(guān)維護(hù)人員。電務(wù)調(diào)度核實(shí)正確的情況下，啟動(dòng)應(yīng)急搶修過(guò)程，協(xié)調(diào)人、車(chē)、物到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。運(yùn)維人員通過(guò)手持智能終端搜索最近的工具及備品備件，根據(jù)系統(tǒng)提供處理流程及步驟，維修人員進(jìn)行故障隱患排除與故障修復(fù)。維修完畢快速建立設(shè)備故障維修檔案。

2.2 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)特殊功能需求

川藏鐵路特殊地理環(huán)境和氣候條件使得運(yùn)維人員難以長(zhǎng)期駐守和進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)，為減少川藏鐵路運(yùn)維工作人員數(shù)量，提高維護(hù)效率，實(shí)現(xiàn)部分車(chē)站的無(wú)人化運(yùn)維，川藏鐵路亟需引入智能巡檢、遠(yuǎn)程操控及基于BIM的數(shù)字化運(yùn)維等特殊功能。

1) 遠(yuǎn)程操控

川藏鐵路部分車(chē)站為無(wú)人值守站，無(wú)人值守車(chē)站信號(hào)設(shè)備面臨軟件版本升級(jí)與更換、安全巡檢、設(shè)備重啟、設(shè)備定期檢修與故障診斷等問(wèn)題。通過(guò)引入遠(yuǎn)程操控技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維中心對(duì)無(wú)人值守站的統(tǒng)一管理、信號(hào)設(shè)備軟件升級(jí)與更換、設(shè)備重啟、故障診斷和設(shè)備健康狀態(tài)評(píng)估。川藏鐵路運(yùn)維系統(tǒng)遠(yuǎn)程操控技術(shù)在減員增效、提高維護(hù)效率與降低維護(hù)成本方面具有重要意義。

2) 智能巡檢

川藏鐵路現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)設(shè)備巡檢是一項(xiàng)難題，川藏線無(wú)人值守站亟需引進(jìn)智能巡檢功能。智能運(yùn)維中心通過(guò)遠(yuǎn)程控制技術(shù)控制智能機(jī)器人沿特定巡檢路線實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的周期巡視，并對(duì)個(gè)別設(shè)備重點(diǎn)監(jiān)控。此外，無(wú)人值守站智能巡檢設(shè)備應(yīng)能接收智能運(yùn)維中心命令，完成設(shè)備重啟、板卡更換、軟件升級(jí)等日常運(yùn)維操作。

3) 基于BIM的數(shù)字化運(yùn)維

BIM建筑信息模型服務(wù)于項(xiàng)目設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)維管理等生命周期。川藏鐵路交付的BIM模型可服務(wù)于竣工后的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維，如：基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、設(shè)備維護(hù)、設(shè)備資產(chǎn)管理與應(yīng)急管理。川藏鐵路BIM模型可存儲(chǔ)于電腦與手持終端，運(yùn)維工作人員根據(jù)需要隨時(shí)隨地查看設(shè)備運(yùn)維屬性信息，如：設(shè)備歸屬站段與運(yùn)維部門(mén)、設(shè)備型號(hào)、設(shè)備啟用日期、設(shè)備維修記錄等。根據(jù)設(shè)備運(yùn)維信息，現(xiàn)場(chǎng)工作人員根據(jù)掌握的信息快速制定維修方案、排除故障隱患。BIM技術(shù)在運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用將提高養(yǎng)護(hù)管理的精細(xì)化水平，加速實(shí)現(xiàn)鐵路運(yùn)維養(yǎng)護(hù)管理的數(shù)字化、信息化與自動(dòng)化。

3 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)功能架構(gòu)

3.1 信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)備層功能結(jié)構(gòu)

川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)備層次結(jié)構(gòu)如圖1所示，它分為三級(jí)三層，具體內(nèi)容如下。

“三級(jí)”為國(guó)鐵集團(tuán)公司、鐵路局集團(tuán)公司與電務(wù)段。

“三層”為國(guó)鐵集團(tuán)運(yùn)維子系統(tǒng)、鐵路局電務(wù)運(yùn)維子系統(tǒng)和智能運(yùn)維站級(jí)設(shè)備。

為滿足運(yùn)維系統(tǒng)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析處理、智能診斷的功能需求，需要以路局集團(tuán)公司為單位建立數(shù)據(jù)中心。通過(guò)運(yùn)維專(zhuān)用網(wǎng)連通國(guó)鐵集團(tuán)與下屬路局集團(tuán)公司數(shù)據(jù)中心，搭建運(yùn)維數(shù)據(jù)云平臺(tái),以實(shí)現(xiàn)鐵路監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與智能診斷結(jié)果共享，提升運(yùn)維整體智能化水平。

根據(jù)車(chē)站環(huán)境與生活條件設(shè)置站級(jí)運(yùn)維設(shè)備，川藏線規(guī)模較大且生活便利的車(chē)站設(shè)置有綜合維修工區(qū)，此時(shí)信號(hào)設(shè)置智能維護(hù)分機(jī)，規(guī)模較小或無(wú)人值守站則設(shè)置維護(hù)分機(jī)終端。無(wú)人值守站維護(hù)分機(jī)終端采集室內(nèi)設(shè)備工作狀態(tài)及軌旁信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，并將該信息傳送至鄰站智能維護(hù)分機(jī)，最終匯聚至路局智能運(yùn)維中心。通過(guò)智能運(yùn)維中心與有人值守站智能維護(hù)分機(jī)可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守站信號(hào)設(shè)備日常運(yùn)維工作。

3.2 信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)邏輯層結(jié)構(gòu)

信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)在邏輯層次分為三層，分別為電務(wù)數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理解析層、數(shù)據(jù)顯示與智能分析層，分別實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)采集、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)圖表化顯示、綜合監(jiān)督、設(shè)備智能診斷、故障預(yù)警、結(jié)合部分析、質(zhì)量分析及遠(yuǎn)程操控。川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)邏輯層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方案

4.1 信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

川藏線正線為雅安—林芝段，地理環(huán)境復(fù)雜、海拔高，大部分車(chē)站設(shè)在海拔3 000～4 000 m地區(qū)，生活條件惡劣，不適合設(shè)工區(qū)或派維護(hù)人員長(zhǎng)期駐守。因此，需要構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)、云技術(shù)、智能機(jī)器人、BIM等新技術(shù)的智能維護(hù)平臺(tái)，以滿足信號(hào)設(shè)備的維護(hù)需要，平臺(tái)具備信號(hào)設(shè)備故障預(yù)警、遠(yuǎn)程維護(hù)和智能診斷等功能[6-8]。在智能維護(hù)平臺(tái)的支撐下，考慮在生活便利的車(chē)站派人值守，其余車(chē)站做到人工監(jiān)控與無(wú)人值守。

圖1 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)備層功能結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Functional structure diagram of equipment layer of signaling operation and maintenance system of Sichuan-Tibet railway

圖2 川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)邏輯層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of logic layer of signaling operation and maintenance system of Sichuan-Tibet railway

監(jiān)測(cè)信息包括轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、站內(nèi)區(qū)段占用/空閑檢查設(shè)備等末端設(shè)備。車(chē)載設(shè)備通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)及RBC設(shè)備將狀態(tài)信息傳輸至車(chē)站信號(hào)一體化設(shè)備。

在設(shè)置CBI的車(chē)站配套設(shè)置信號(hào)智能維護(hù)系統(tǒng)分機(jī)，僅設(shè)目標(biāo)控制器的車(chē)站只設(shè)置查詢(xún)終端，工區(qū)及車(chē)間設(shè)置查詢(xún)終端。智能運(yùn)維平臺(tái)主機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)接口從CBI接收管轄范圍內(nèi)各站軌旁設(shè)備監(jiān)測(cè)信息、車(chē)載設(shè)備狀態(tài)信息、網(wǎng)絡(luò)信息，并將信息上傳至電務(wù)段總機(jī)系統(tǒng)，最終匯總至川藏鐵路綜合維護(hù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，并與其他專(zhuān)業(yè)監(jiān)測(cè)信息的共享。

4.2 信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)備配置方式

川藏鐵路信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)分車(chē)站運(yùn)維設(shè)備、工區(qū)運(yùn)維設(shè)備、路局中心設(shè)備組成。

1）中心設(shè)備設(shè)置

成都鐵路局與青藏公司的ATO中心設(shè)置智能維護(hù)分機(jī)，它與無(wú)線閉塞中心及臨時(shí)限速服務(wù)器均有接口，實(shí)現(xiàn)中心設(shè)備監(jiān)測(cè)信息的交互。成都鐵路局與青藏公司調(diào)度中心設(shè)置智能維護(hù)中心，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)督、維護(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、綜合分析、處理、智能診斷、維護(hù)指導(dǎo)、遠(yuǎn)程控制與BIM維護(hù)管理等功能。

2）工區(qū)與車(chē)間設(shè)備設(shè)置

川藏鐵路采用綜合維修模式，川藏鐵路新設(shè)壽安、康定、昌都等信號(hào)車(chē)間，新設(shè)朝陽(yáng)湖（川藏）、康定、雅江、巴塘等信號(hào)工區(qū)，各車(chē)間與工區(qū)分別設(shè)置智能運(yùn)維查詢(xún)終端。

3）站內(nèi)設(shè)備設(shè)置

川藏鐵路雅安（不含）至昌都（含）段：天全、康定、雅江、理塘、巴塘、貢覺(jué)、昌都7站為信號(hào)系統(tǒng)主控站，主控站設(shè)置信號(hào)智能維護(hù)分機(jī)，智能運(yùn)維分機(jī)通過(guò)車(chē)站列控聯(lián)鎖一體化設(shè)備實(shí)現(xiàn)車(chē)站軌旁設(shè)備、車(chē)載設(shè)備與列控設(shè)備等信息的采集。上述7個(gè)站以外的其他車(chē)站為被控站，被控站僅設(shè)置智能運(yùn)維查詢(xún)終端。

5 結(jié)束語(yǔ)

川藏鐵路信號(hào)運(yùn)維系統(tǒng)通過(guò)采用大數(shù)據(jù)處理、智能分析、遠(yuǎn)程控制、智能巡檢與BIM技術(shù)，可極大的提高設(shè)備運(yùn)維的自動(dòng)化、信息化與智能化水平，將有效解決高原地區(qū)電務(wù)設(shè)備養(yǎng)護(hù)維修難題。另外，川藏鐵路信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)具有安全保障能力強(qiáng)、運(yùn)維效率高、設(shè)備配置少、成本低等優(yōu)勢(shì)，滿足復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)鐵路的運(yùn)維需求，是新型智能運(yùn)維系統(tǒng)在高原山區(qū)鐵路的重要實(shí)踐，意義重大。