城市軌道交通線網(wǎng)設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警方案研究

蔡宇晶，張 銘，高 凡，鐘建峰

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著城市軌道交通發(fā)展，各大城市快速呈現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化趨勢(shì)，對(duì)線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)綜合效益提升和安全保障能力提出了更高要求。各大城市軌道交通運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)證明，線網(wǎng)設(shè)施設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)是城市軌道交通安全運(yùn)營(yíng)的前提條件[1-2]。已有統(tǒng)計(jì)資料表明，設(shè)施設(shè)備故障是引發(fā)城市軌道交通事故和故障的主要原因，占所有事故和故障起因約70%以上的比例[3]。

城市軌道交通線網(wǎng)設(shè)施設(shè)備包括車輛、供電、環(huán)境與建筑設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS，Building Automatic System）、通信系統(tǒng)、信號(hào)系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)（AFC，Automatic Fare Collection system）、火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)（FAS，automatic Fire Alarm System）、站臺(tái)門等[4-5]。傳統(tǒng)的線網(wǎng)監(jiān)視模式逐一對(duì)單一實(shí)體設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視[6]，通過串行通信協(xié)議（MODBUS 等）獲取各條線路機(jī)電設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，真實(shí)顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)屬性。對(duì)于各線路調(diào)度人員此模式可以詳細(xì)掌握線路運(yùn)營(yíng)內(nèi)各類設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，但線網(wǎng)層面更多關(guān)注的是影響到實(shí)際運(yùn)營(yíng)安全的報(bào)警事件，及時(shí)調(diào)動(dòng)全線網(wǎng)資源進(jìn)行應(yīng)急處理，如把精力過多放在單一的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化，無疑對(duì)各項(xiàng)資源都是一種過度消耗。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)城市軌道交通監(jiān)測(cè)預(yù)警的研究已經(jīng)取得了一定成果。王征通過分析城市軌道交通設(shè)施設(shè)備故障綜合評(píng)估預(yù)警需求，建立一套從單因素預(yù)警指標(biāo)、設(shè)施設(shè)備綜合子系統(tǒng)到線路綜合系統(tǒng)的三級(jí)綜合評(píng)估預(yù)警指標(biāo)體系[7]；李俊輝等人通過構(gòu)建城市軌道交通車站安全預(yù)警指標(biāo)體系及其閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌車站安全狀況進(jìn)行預(yù)警分析[8]；李曼等人通過分析閘機(jī)客流、通道客流等因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成基于方程的關(guān)聯(lián)預(yù)警分析流程[9]；謝征宇通過對(duì)樞紐視頻監(jiān)控采集點(diǎn)間的關(guān)聯(lián)度和客流參數(shù)預(yù)測(cè)方法的研究，提出基于空間的客流參數(shù)預(yù)測(cè)算法和基于時(shí)空的客流參數(shù)預(yù)測(cè)模型[10]。通過對(duì)上述相關(guān)文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要側(cè)重于研究預(yù)警指標(biāo)體系，安全評(píng)估體系，對(duì)于設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)如何從單一狀態(tài)采集監(jiān)視到分級(jí)分類展示預(yù)警信息的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)體系和應(yīng)急聯(lián)動(dòng)方面研究較少。

本文通過研究已有線網(wǎng)監(jiān)視模式和應(yīng)急管理模式（人工報(bào)送的“被動(dòng)”應(yīng)急模式），針對(duì)能夠通過監(jiān)測(cè)設(shè)備感知到的應(yīng)急事件，如車站火災(zāi)報(bào)警、車站照明失電等，采取主動(dòng)監(jiān)測(cè)應(yīng)急模式。通過分析線網(wǎng)綜合監(jiān)控專業(yè)、信號(hào)專業(yè)、通信專業(yè)等各設(shè)備數(shù)據(jù)的采集監(jiān)視、邏輯處理、報(bào)警服務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)流程，形成基于“數(shù)據(jù)采集?邏輯判斷?故障報(bào)警?應(yīng)急值守”4 步驟的監(jiān)測(cè)預(yù)警方案，提前判斷出影響運(yùn)營(yíng)安全應(yīng)急事件的發(fā)生，幫助運(yùn)營(yíng)單位主動(dòng)協(xié)調(diào)應(yīng)對(duì)各類突發(fā)事件，及時(shí)處理潛在的故障威脅。

1 監(jiān)測(cè)預(yù)警方案

線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)下的各線路、各專業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)經(jīng)過采集處理，通過計(jì)算服務(wù)平臺(tái)輸出符合業(yè)務(wù)邏輯需求的報(bào)警點(diǎn)，傳送至報(bào)警服務(wù)存儲(chǔ)更新，在報(bào)警客戶端區(qū)分不同級(jí)別不同類型的報(bào)警點(diǎn)展示。

1.1 數(shù)據(jù)采集

采集線網(wǎng)各專業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，采集的源數(shù)據(jù)包括城市軌道交通每條線路的綜合監(jiān)控、信號(hào)、通信集中告警和車輛等專業(yè)的設(shè)備信息[11]。每個(gè)專業(yè)下細(xì)分各類系統(tǒng)，如供電系統(tǒng)、FAS、BAS 同屬于綜合監(jiān)控專業(yè)，源系統(tǒng)將需要采集的數(shù)據(jù)封裝至相應(yīng)的接口服務(wù)器，接入承載網(wǎng)的防火墻對(duì)流入承載網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全檢查，通過防火墻之后傳輸至接入交換機(jī)，接入交換機(jī)與匯聚交換機(jī)連接，匯聚交換機(jī)處理來自接入層設(shè)備的所有通信量，并最終將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通設(shè)有多條地鐵線路，每條線路各專業(yè)的設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)程度不同，接入原則也不同。單條線路的控制中心建有綜合監(jiān)控系統(tǒng)和通信集中告警系統(tǒng)時(shí)，統(tǒng)一從綜合監(jiān)控系統(tǒng)和通信集中告警系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；反之，則單獨(dú)與FAS、電力監(jiān)控系統(tǒng)、BAS、站臺(tái)門系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、時(shí)鐘系統(tǒng)和無線系統(tǒng)等專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行接口，采集數(shù)據(jù)。

1.2 邏輯計(jì)算

邏輯計(jì)算過程獨(dú)立于報(bào)警服務(wù)，構(gòu)建計(jì)算服務(wù)邏輯處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯處理與報(bào)警服務(wù)的松耦合管理。計(jì)算服務(wù)平臺(tái)針對(duì)從源系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對(duì)監(jiān)測(cè)到的設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算邏輯處理。通過MQ 消息中間件接收數(shù)據(jù)，在計(jì)算服務(wù)平臺(tái)中配置邏輯表達(dá)式進(jìn)行運(yùn)算處理。

1.2.1 計(jì)算過程

輸入數(shù)據(jù)包含實(shí)時(shí)接收的設(shè)備狀態(tài)點(diǎn)數(shù)據(jù)，需要配置的參數(shù)值數(shù)據(jù)以及運(yùn)算邏輯數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫(kù)中通過配置計(jì)算邏輯表達(dá)式存儲(chǔ)報(bào)警業(yè)務(wù)邏輯規(guī)則，計(jì)算服務(wù)平臺(tái)通過Redis 緩存方式接收所有計(jì)算邏輯表達(dá)式。平臺(tái)實(shí)時(shí)接收設(shè)備狀態(tài)點(diǎn)數(shù)據(jù)自動(dòng)匹配業(yè)務(wù)表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算處理，如經(jīng)計(jì)算后符合報(bào)警業(yè)務(wù)規(guī)則，則自動(dòng)輸出報(bào)警點(diǎn)數(shù)據(jù)。

1.2.2 時(shí)鐘同步機(jī)制

部分專業(yè)設(shè)備報(bào)警點(diǎn)需要設(shè)定時(shí)間限制范圍。時(shí)鐘同步周期性發(fā)送報(bào)警時(shí)間范圍參數(shù)及當(dāng)前時(shí)間參數(shù)至計(jì)算服務(wù)平臺(tái)，計(jì)算服務(wù)平臺(tái)如需處理時(shí)間范圍限制的報(bào)警計(jì)算，依托時(shí)鐘同步傳送的時(shí)間參數(shù)判斷設(shè)備報(bào)警傳送時(shí)間是否符合報(bào)警時(shí)間范圍區(qū)間，最終將符合需求的報(bào)警點(diǎn)傳送給報(bào)警服務(wù)。

計(jì)算服務(wù)平臺(tái)邏輯架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 計(jì)算服務(wù)平臺(tái)邏輯架構(gòu)

1.3 報(bào)警服務(wù)

1.3.1 報(bào)警服務(wù)端

通過ActiveMQ 方式接收計(jì)算服務(wù)平臺(tái)已經(jīng)判斷好的業(yè)務(wù)報(bào)警點(diǎn)，分發(fā)給各個(gè)客戶端。記錄每個(gè)客戶端調(diào)度人員對(duì)報(bào)警的確認(rèn)、消除等操作，再將最新數(shù)據(jù)分發(fā)給客戶端，保證多個(gè)客戶端報(bào)警數(shù)據(jù)展示同步。

1.3.2 報(bào)警客戶端

接收服務(wù)端傳送的報(bào)警消息，分級(jí)分類展示報(bào)警消息，供線網(wǎng)調(diào)度人員接收處置。

1.3.3 消息傳送形式

報(bào)警服務(wù)端和報(bào)警客戶端之間的消息傳送均采用ActiveMQ 方式，報(bào)警服務(wù)端通過發(fā)布/訂閱方式向客戶端分發(fā)消息，確保每個(gè)報(bào)警客戶端都能夠接收到消息；報(bào)警客戶端通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式向服務(wù)端傳送消息。消息傳遞，如圖3 所示。

圖3 消息傳送

消息傳送操作分為4 類：初始化操作，新報(bào)警消息操作，報(bào)警確認(rèn)操作和報(bào)警恢復(fù)操作。

（1）初始化操作。報(bào)警客戶端初始運(yùn)行時(shí)需要向報(bào)警服務(wù)端發(fā)送初始化消息，通知報(bào)警服務(wù)有新客戶端開啟，報(bào)警服務(wù)端接收到消息后將當(dāng)前存在的報(bào)警發(fā)送給所有報(bào)警客戶端。

（2）新報(bào)警消息操作。報(bào)警服務(wù)端接收到計(jì)算服務(wù)平臺(tái)傳遞的新消息，將新報(bào)警消息入數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)向客戶端發(fā)布新消息，客戶端接收訂閱消息，展示報(bào)警數(shù)據(jù)。

（3）報(bào)警確認(rèn)操作。報(bào)警客戶端確認(rèn)報(bào)警消息，向報(bào)警服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)操作。報(bào)警服務(wù)是更新數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)報(bào)警表該條報(bào)警記錄確認(rèn)狀態(tài)，同時(shí)將確認(rèn)消息發(fā)布給所有報(bào)警客戶端，所有客戶端界面進(jìn)行報(bào)警的確認(rèn)展示。

（4）報(bào)警恢復(fù)操作。報(bào)警服務(wù)端接收到計(jì)算服務(wù)平臺(tái)傳遞的某一條已存在報(bào)警的恢復(fù)信息后，數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)報(bào)警表更新該條報(bào)警狀態(tài)為已恢復(fù)，同時(shí)向所有報(bào)警客戶端發(fā)布恢復(fù)消息，所有客戶端界面不再顯示該報(bào)警信息。

2 分級(jí)分類預(yù)警研判

針對(duì)監(jiān)測(cè)到的各條線路所有設(shè)備故障狀態(tài)，全部啟動(dòng)應(yīng)急處置流程顯然是不現(xiàn)實(shí)的。通過對(duì)我國(guó)各大城市軌道交通運(yùn)營(yíng)流程的調(diào)研，分析其監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)類型以及突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案類型，提出一套分級(jí)分類預(yù)警研判規(guī)則，劃分一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)報(bào)警等級(jí)，對(duì)不同級(jí)別的預(yù)警制定不同級(jí)別的響應(yīng)方案。針對(duì)低級(jí)別、風(fēng)險(xiǎn)可控的事故預(yù)警，僅報(bào)送至線網(wǎng)調(diào)度員，調(diào)度員依據(jù)實(shí)際情況決定處置方案；針對(duì)高級(jí)別、嚴(yán)重影響車站安全運(yùn)營(yíng)的預(yù)警，直接啟動(dòng)應(yīng)急處置流程，調(diào)配相應(yīng)資源快速開展應(yīng)急指揮流程，最大程度地降低突發(fā)事件帶來的損失。

（1）一級(jí)預(yù)警。嚴(yán)重影響車站運(yùn)營(yíng)，涉及到行車安全、乘客安全級(jí)別的報(bào)警。大致包括：環(huán)控專業(yè)突發(fā)事件預(yù)警（車站火災(zāi)預(yù)警等）、行車專業(yè)突發(fā)事件預(yù)警（道岔故障、集中站信號(hào)失電、中心通信中斷等）、電力專業(yè)突發(fā)事件預(yù)警（車站照明失電、主變電站失電、觸網(wǎng)失電等）以及其他類型預(yù)警（車站大客流事件等）。響應(yīng)方案：報(bào)送至報(bào)警客戶端，同時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急處置流程。

（2）二級(jí)預(yù)警。影響行車或設(shè)備正常工作的報(bào)警。例如扶梯急停故障、整側(cè)屏蔽門無法開啟或關(guān)閉、車站閘機(jī)大面積故障等。響應(yīng)方案，報(bào)送至報(bào)警客戶端，報(bào)警消息置頂，直至線網(wǎng)調(diào)度人員確認(rèn)報(bào)警，進(jìn)行相應(yīng)處置。

（3）三級(jí)預(yù)警。一般的設(shè)備故障或電氣特性超限。響應(yīng)方案：報(bào)送至報(bào)警客戶端，提示線網(wǎng)調(diào)度人員查看處置。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過分析網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式下設(shè)備數(shù)據(jù)故障預(yù)警需求，構(gòu)建“數(shù)據(jù)采集?邏輯判斷?故障報(bào)警?應(yīng)急值守”4 步驟監(jiān)測(cè)預(yù)警方案，實(shí)現(xiàn)多線路、多專業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和分級(jí)預(yù)警，為突發(fā)事件應(yīng)急處置提供數(shù)據(jù)支撐和輔助決策依據(jù)，為城市軌道交通線網(wǎng)運(yùn)營(yíng)下如何實(shí)現(xiàn)大量設(shè)備數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測(cè)及預(yù)警研判提供一種研發(fā)模式。方案已經(jīng)在天津市軌道交通應(yīng)急指揮中心系統(tǒng)中初步應(yīng)用，經(jīng)驗(yàn)證，系統(tǒng)信息采集更新時(shí)間及報(bào)警響應(yīng)更新時(shí)間均在1 s 以內(nèi)，具有可靠性，能在保證設(shè)備全面監(jiān)測(cè)的同時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)營(yíng)中的故障隱患，幫助運(yùn)營(yíng)公司主動(dòng)應(yīng)對(duì)設(shè)備運(yùn)營(yíng)事故，為車站安全運(yùn)營(yíng)提供輔助決策數(shù)據(jù)支持。本文對(duì)于設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警后的故障診斷維修方面還缺乏研究，后期需要進(jìn)一步研究設(shè)備運(yùn)維處置模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期的運(yùn)營(yíng)管理。