城市軌道交通信號系統(tǒng)智能運維

宋小鵬

（中鐵通信信號勘測設(shè)計院有限公司，北京 100036）

0 引 言

《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中指出智慧城軌藍圖根據(jù)“1-8-1-1”的布局結(jié)構(gòu)鋪畫，即繪制智能城市軌道交通的發(fā)展藍圖，建立智能客運服務(wù)、智能交通機構(gòu)、智能能源系統(tǒng)、智能列車運營、智能技術(shù)與設(shè)備、智能基礎(chǔ)設(shè)備、智能運維安全以及智能網(wǎng)絡(luò)管理等8個系統(tǒng)，建設(shè)城市軌道云和大數(shù)據(jù)平臺，擬定整套屬于我國的智能城市軌道技術(shù)標準系統(tǒng)[1]。在8大系統(tǒng)中，智能運維保障系統(tǒng)的建立目標是在保障系統(tǒng)安全穩(wěn)定的同時，平穩(wěn)提高運維智能化和安全化運行的水平。一是需建設(shè)信號系統(tǒng)自身的智能運維體系；二是建立與智能調(diào)度系統(tǒng)協(xié)調(diào)聯(lián)動的運行保障體系，通過資源的動態(tài)監(jiān)控、完善配置、精確調(diào)度以及協(xié)同運行提高城市軌道交通的運行效率與安全控制水平；三是開發(fā)互聯(lián)智能運維分析決策體系，將設(shè)備故障預(yù)估和健康管理相結(jié)合，完成設(shè)備全壽命周期管理，提高設(shè)備安全運行能力。

1 信號運維難點分析

大型城市軌道交通建設(shè)具備網(wǎng)絡(luò)化的特點，即線網(wǎng)運營里程長、運營場景復(fù)雜、客流特征復(fù)雜、運行交路復(fù)雜、客流短時沖擊強以及設(shè)備服役負荷強等，由此帶來超高的需求，體現(xiàn)在安全保障要求高、乘客服務(wù)需求高以及企業(yè)運營成本高。上述特點為城市軌道交通的進一步高質(zhì)量發(fā)展帶來諸多難題，具體如下。

1.1 安全管控閉環(huán)難

網(wǎng)絡(luò)化運營條件下，地鐵系統(tǒng)存在巨量設(shè)備設(shè)施、客流密度大、隨機性強、動態(tài)的風險因素耦合關(guān)系以及豐富的風險傳播途徑等問題，造成風險因素的早期感知、提前辨別、預(yù)測和警示能力不夠。特殊情況依靠被動報告，主動防御控制能力還需進一步提高，運行安全“知-辨-治-控-救”的閉環(huán)管理模式很難達到，易形成“小故障、大影響”的局面。

1.2 系統(tǒng)運維協(xié)同難

由于傳統(tǒng)線路“一線一中心”的設(shè)計建設(shè)模式，不同專業(yè)系統(tǒng)的煙囪式分散建立，信號系統(tǒng)自身故障信息封閉，信息傳輸依賴于人工操作，對于故障下整體運營和綜合調(diào)度所產(chǎn)生的影響，缺乏自主分析和處理，不便于整體軌道交通的順利安全運營[2]。

1.3 巨型系統(tǒng)維護難

在運營和維護方面，地鐵擁有大量的設(shè)備和設(shè)施，在狀況檢驗、維修處理等方面仍然主要依靠人工作業(yè)，智能化程度較低，缺乏對維修數(shù)據(jù)的深度挖掘及分析能力，難以實現(xiàn)狀態(tài)的預(yù)測預(yù)警和全壽命周期維修策略的優(yōu)化。維修模式仍以“故障修+計劃修”為主，且設(shè)備運維與資產(chǎn)管理聯(lián)動不足，資產(chǎn)價值屬性與物理屬性不一致，難以支撐資產(chǎn)管理。上述問題導致企業(yè)維修成本較高、維修資源共享低、維修資產(chǎn)與需求無聯(lián)動、維修模式難以由“周期修”和“故障修”向“網(wǎng)絡(luò)化集約化狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變。

1.4 可視界面統(tǒng)一難

功能和模式分散、標準不同，這些都是維修工作人員對系統(tǒng)實行維修時重要的不利因素。各個廠家供應(yīng)的維修系統(tǒng)在功能、人機界面、操作方式等方面不能夠兼容，這就為運行部門的設(shè)施維修以及對工作人員的分工和培訓造成了一定的阻礙。

2 信號智能運維功能規(guī)劃

轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的發(fā)展模式，將新一代發(fā)展思想理念和智慧技術(shù)引入地鐵，構(gòu)建信號智能運維體系。智能化運維是實現(xiàn)智能地鐵的關(guān)鍵，以預(yù)測與健康管理（Prognostic and Health Management，PHM）等技術(shù)為基礎(chǔ)，完成地鐵設(shè)備設(shè)施的自我感知、自我診斷及自我決策，準確、精細、精準地掌控狀態(tài)惡化機理和演化規(guī)律，創(chuàng)建動態(tài)掌控、風險預(yù)警、維護評估與資產(chǎn)控制的封閉鏈，在整個生命周期內(nèi)維持可靠性，并減少運營和維護成本[3-6]。智能化運維的關(guān)鍵性能包括智能傳感診斷、智能分析預(yù)警、智能運維操作以及智能資產(chǎn)聯(lián)動，完成維護管理從經(jīng)驗支持向數(shù)據(jù)支持的轉(zhuǎn)化，維修模式從“故障維修”、“計劃維修”轉(zhuǎn)為“狀態(tài)維修”、“預(yù)測修”，形成軌道交通網(wǎng)絡(luò)集約維護新模式。

2.1 智能感知診斷

智能感知診斷通過視頻分析、圖像智能識別、邊緣計算等技術(shù)對設(shè)備服役數(shù)據(jù)進行實時感知，包含運行健康感知、身份感知、位置感知以及運行環(huán)境感知等。在此基礎(chǔ)上，自動辨識評價設(shè)備設(shè)施健康狀態(tài)、主動診斷報警設(shè)備設(shè)施的故障病害，并通過建筑信息模型（BuildingInformation Modeling，BIM）技術(shù)等實現(xiàn)可視化管理與狀態(tài)的可視化查看，及時了解設(shè)施的健康狀況，為智能維護奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 智能分析預(yù)警

智能分析警告是基于感知和診斷信息的深度發(fā)現(xiàn)，從故障數(shù)量、位置、頻次等維度分析狀態(tài)演化機理與規(guī)律，將設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)與行車數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)以及不同設(shè)備設(shè)施狀態(tài)間數(shù)據(jù)等進行多源數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，分析劣化趨勢、預(yù)測健康狀態(tài)、評估使用壽命、辨識與預(yù)警安全風險并建立相應(yīng)的知識庫，在此基礎(chǔ)上對維修策略、維修計劃等進行智能編制與優(yōu)化，掌握設(shè)備設(shè)施劣化機理與規(guī)律，分析故障原因，提高維修決策水平，為預(yù)防性維修作業(yè)提供參考。

2.3 智慧維修作業(yè)

智慧維修評價基于設(shè)備實時運行數(shù)據(jù)、健康狀態(tài)分析預(yù)警數(shù)據(jù)以及維修決策數(shù)據(jù)實現(xiàn)一鍵故障報修、電子作業(yè)派發(fā)、維修資源綜合配置優(yōu)化以及遠程維修處置與監(jiān)視等功能，可以實現(xiàn)設(shè)備運維的物料管理、工單管理、故障代碼管理、設(shè)備履歷管理、人員崗位管理以及工藝標準管理等，提高運維效率和質(zhì)量。維修作業(yè)完成后，管理人員可根據(jù)作業(yè)后的設(shè)備運行狀態(tài)對作業(yè)質(zhì)量進行跟蹤與評價，實現(xiàn)質(zhì)量控制管理[7-10]。

2.4 智能資產(chǎn)聯(lián)動

智能資產(chǎn)聯(lián)動統(tǒng)一材料、設(shè)備的粒度和資產(chǎn)管理，建立相應(yīng)的編碼，有效支撐物資的采購、訂單管理、倉儲管理、供應(yīng)商管理、物料管理以及需求領(lǐng)用管理，高效支持資產(chǎn)在整個生命周期內(nèi)的購買、使用、庫存、折舊、報廢以及更新改造等精細化管理需求，實現(xiàn)零部件智能化跟蹤優(yōu)化、資產(chǎn)革新改良措施智能化編制與完善等，為企業(yè)資產(chǎn)保值、增值創(chuàng)造條件。

3 信號智能運維平臺架構(gòu)

3.1 線網(wǎng)級

信號在線監(jiān)測包括運維保障一體化綜合管理、車載運維數(shù)據(jù)分析診斷、道岔健康監(jiān)測管理以及關(guān)鍵設(shè)備和接口的檢測（例如ATP/ATO設(shè)備（圖1、圖2）、ATS設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、測速儀等）。通過開展關(guān)鍵設(shè)備在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析，挖掘設(shè)備隱患，評估系統(tǒng)可靠性，對故障進行預(yù)警和應(yīng)急處理，從而實現(xiàn)運維綜合管理一體化，降低運行和維護成本，提升設(shè)備可靠性。

圖1 ATO設(shè)備

圖2 ATP結(jié)構(gòu)

在云端配置數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，用于存儲海量數(shù)據(jù)，包括各線路信號狀態(tài)數(shù)據(jù)、模擬量數(shù)據(jù)、運營管理數(shù)據(jù)等。在云端配置應(yīng)用服務(wù)器，用于承擔線網(wǎng)核心數(shù)據(jù)處理業(yè)務(wù)。在云端配置線路接口服務(wù)器，用于與信號相關(guān)子系統(tǒng)、站機設(shè)備進行數(shù)據(jù)接口對接，承擔線路數(shù)據(jù)預(yù)處理等相關(guān)業(yè)務(wù)。配置一臺線網(wǎng)級運維保障操作終端，為用戶提供線網(wǎng)級交互終端，用于人機交互。此外，為滿足信息安全等級保護的要求，配置相應(yīng)防火墻。

3.2 線路級

在設(shè)備集中站、車輛段/停車場設(shè)置智能運維站機系統(tǒng)，與道岔缺口監(jiān)測、電源屏、計軸、全電子聯(lián)鎖、微機監(jiān)測以及視頻監(jiān)控等系統(tǒng)進行對接，以獲取所需數(shù)據(jù)。在控制中心設(shè)置線路服務(wù)器，與控制中心電源屏接口進行連接，獲取控制中心電源屏數(shù)據(jù)；與控制中心網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機接口進行連接，獲取控制中心視頻錄像數(shù)據(jù)；與控制中心環(huán)境監(jiān)測接口進行連接，獲取控制中心環(huán)境數(shù)據(jù)。通過線路服務(wù)器對本線路所獲取的數(shù)據(jù)進行存儲和分析，并通過防火墻與線網(wǎng)信號智能運維平臺進行連接，上傳平臺所需的線路運維數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 論

利用大數(shù)據(jù)、云平臺對線網(wǎng)進行智能運維控制是城市軌道交通系統(tǒng)的運行基礎(chǔ)，這一運維模式彌補了傳統(tǒng)設(shè)備人工控制的不足，在運行模式上實現(xiàn)了較大的突破。實踐證明，通過該方式對故障數(shù)據(jù)進行采集與分析，能夠自動檢測該設(shè)備出現(xiàn)故障的具體位置，既提高了精確度，又提升了運維效率。由此可知，隨著城市化進程的推進，城市軌道交通智能運維系統(tǒng)將會實現(xiàn)全新的發(fā)展。