城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)研究與應(yīng)用

馬 龍

信號(hào)系統(tǒng)作為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)指揮系統(tǒng)的神經(jīng)中樞,其維護(hù)能力日益成為保證運(yùn)營(yíng)正常的重要因素。目前已開通和在建的城軌項(xiàng)目中,各線路信號(hào)系統(tǒng)一般都單獨(dú)配置維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（MSS）,單獨(dú)運(yùn)營(yíng)維護(hù),互相獨(dú)立,存在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息分散,維護(hù)人員、備品備件、維護(hù)工具資源無(wú)法共享等問(wèn)題。隨著地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)需求加大,以及大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅猛發(fā)展,搭建基于大數(shù)據(jù)智能分析的信號(hào)MSS平臺(tái),實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)內(nèi)信號(hào)資源共享,提升搶險(xiǎn)搶修及時(shí)性和處置合理性,準(zhǔn)確實(shí)施科學(xué)有效的維修策略,顯得尤為重要。

1 信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)普遍配置了較為完備的維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對(duì)全線信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)集中監(jiān)視和故障報(bào)警,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備的使用情況、故障報(bào)警和定位、統(tǒng)計(jì)故障、管理維修派單作業(yè)等。

傳統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般采用“中心、車站”二級(jí)結(jié)構(gòu)；“中心級(jí)”主要是在維修中心設(shè)置網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和維護(hù)工作站等；“車站級(jí)”則是在控制中心、車站、車輛基地等配置相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、維護(hù)監(jiān)測(cè)采集設(shè)備和維護(hù)工作站,實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備運(yùn)行工作狀態(tài)和主要電氣性能的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。當(dāng)設(shè)備的工作狀態(tài)出現(xiàn)異?；螂姎庑阅芷x預(yù)定界限時(shí),會(huì)及時(shí)報(bào)警,相關(guān)報(bào)警信息將通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳至維修中心進(jìn)行集中處理和存儲(chǔ),并在維修中心、信號(hào)工區(qū)的維護(hù)工作站中進(jìn)行故障顯示和報(bào)警提示,根據(jù)故障報(bào)警信息向維修工下發(fā)維修單。傳統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)雖然可以實(shí)現(xiàn)本線路信號(hào)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警,但缺乏故障的預(yù)警和有效的維修指導(dǎo)［1］,已不能完全滿足運(yùn)營(yíng)的需求。

1）系統(tǒng)功能方面,僅支持計(jì)劃修和故障修,維護(hù)數(shù)據(jù)需人工處理,無(wú)法實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警,設(shè)備維修周期難估算。

2）運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面,各線路信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備種類繁多,維護(hù)難度增大,個(gè)人維護(hù)經(jīng)驗(yàn)存在差異,缺乏有效的維護(hù)指導(dǎo),且只能在夜間停運(yùn)時(shí)間維護(hù),維護(hù)質(zhì)量和效率參差不齊。

3）資源共享方面,各線路運(yùn)營(yíng)維護(hù)互相獨(dú)立,無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源共享,增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

1.2 智能維護(hù)監(jiān)測(cè)技術(shù)

雖然國(guó)內(nèi)北京、上海、廣州、深圳等多個(gè)城市均在開展智能運(yùn)維的建設(shè),中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)、上海地鐵、城市軌道交通列車通信與運(yùn)行控制國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室等都相繼發(fā)布了智能運(yùn)維指導(dǎo)文件,但各地地鐵受限于智能運(yùn)維發(fā)展較晚,信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)性能評(píng)估體系尚不完善,檢測(cè)新裝備技術(shù)的應(yīng)用也需要進(jìn)一步配套相應(yīng)的評(píng)估方法,特別是檢測(cè)評(píng)估技術(shù)發(fā)展的不充分,造成當(dāng)前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)積累不足,以及相關(guān)因素狀態(tài)參數(shù)的缺失,在現(xiàn)階段仍然無(wú)法形成全面、有效的設(shè)施設(shè)備智能化診斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)能力,更難以產(chǎn)生智能決策應(yīng)用［2-5］。

本文在充分吸收各地信號(hào)智能運(yùn)維發(fā)展經(jīng)驗(yàn),吸納成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上,結(jié)合鄭州地鐵的實(shí)際運(yùn)維需求,設(shè)計(jì)了符合鄭州地鐵的信號(hào)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

2 智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)與應(yīng)用

智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采集各線路信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)信息,依托線網(wǎng)大數(shù)據(jù)智能分析平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)沉淀、挖掘、分析及邏輯處理,實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備的壽命統(tǒng)計(jì)分析、運(yùn)行趨勢(shì)分析、故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和故障隱患發(fā)掘,并生成信號(hào)設(shè)備的專家經(jīng)驗(yàn),建立人工智能故障模型,給出各線路信號(hào)設(shè)備的故障預(yù)警、故障報(bào)警、報(bào)警顯示、故障診斷、故障溯源,同時(shí)給出合理有效的維修指導(dǎo)策略。

信號(hào)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能方面,除了實(shí)現(xiàn)基本的設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障實(shí)時(shí)報(bào)警外,還可提供預(yù)防性告警和維修指導(dǎo)策略；在結(jié)構(gòu)方面,將線路級(jí)別的智能維護(hù)監(jiān)測(cè)擴(kuò)展到線網(wǎng)級(jí),實(shí)現(xiàn)對(duì)線網(wǎng)內(nèi)信號(hào)設(shè)備的狀態(tài)維修。智能維護(hù)監(jiān)測(cè)分為線路級(jí)和線網(wǎng)級(jí)2個(gè)層次,其功能架構(gòu)見圖1。

圖1 智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 線網(wǎng)級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)

線網(wǎng)級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)主要包括云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)智能分析平臺(tái)、應(yīng)用層和展示層。

1）云平臺(tái)。各線路維修中心服務(wù)器接入線網(wǎng)云平臺(tái),并上傳數(shù)據(jù)信息。

2）大數(shù)據(jù)智能分析平臺(tái)。一是從云平臺(tái)獲取各線路原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行預(yù)處理（信息抽取和清洗、數(shù)據(jù)聚集和表現(xiàn)、數(shù)據(jù)挖掘、結(jié)果分析和人工智能算法建模等）,并結(jié)合信號(hào)設(shè)備的工作原理和規(guī)律［6］,形成各類信號(hào)設(shè)備的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、故障模型。其中專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)包括人工維護(hù)的典型案例、信號(hào)設(shè)備的仿真及數(shù)值算法分析,可捕捉監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的突變、波動(dòng)、趨勢(shì)變化等異常信息。專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)和故障模型下發(fā)到線路級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),用于指導(dǎo)各線路的故障預(yù)警、故障診斷和溯源以及維護(hù)指導(dǎo)［7］。二是將預(yù)處理過(guò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提供給線網(wǎng)應(yīng)用層和展示層,用于線網(wǎng)維修中心調(diào)度大廳的全景圖展示、各線路數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、應(yīng)急指揮、信號(hào)設(shè)備分析和健康管理等。

3）應(yīng)用層。根據(jù)大數(shù)據(jù)智能分析平臺(tái)預(yù)處理過(guò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),分設(shè)備類型對(duì)線網(wǎng)內(nèi)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、故障隱患發(fā)掘、可靠性評(píng)估、故障統(tǒng)計(jì)分析、設(shè)備壽命分析、維修指導(dǎo)等。應(yīng)用層主要由監(jiān)測(cè)中心、健康中心、應(yīng)急指揮中心等模塊組成：①監(jiān)測(cè)中心可監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)、性能指標(biāo)、歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化、實(shí)時(shí)故障診斷與報(bào)警信息；②健康中心根據(jù)設(shè)備固有浴盆曲線、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、歷史故障統(tǒng)計(jì)分析、歷史維修記錄等因素,綜合評(píng)判設(shè)備健康度,從而預(yù)測(cè)設(shè)備使用壽命,篩選出運(yùn)行狀態(tài)不良的設(shè)備,及時(shí)給出故障報(bào)警,提供預(yù)防性維修指導(dǎo),并將故障報(bào)警和維修建議信息發(fā)送到線路級(jí)維護(hù)工作站,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的事前狀態(tài)修；③應(yīng)急指揮中心結(jié)合故障報(bào)警/預(yù)警信息,將故障對(duì)應(yīng)的處置流程下發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)人員,用于加快指導(dǎo)事故處理,高效調(diào)度后續(xù)增援力量,并根據(jù)設(shè)備狀態(tài)判斷后續(xù)發(fā)展態(tài)勢(shì)。

4）展示層。在線網(wǎng)維修大廳的中央顯示屏上顯示全線網(wǎng)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)、業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)狀態(tài)以及核心指標(biāo)。同時(shí)在線網(wǎng)維修大廳內(nèi),可針對(duì)同類信號(hào)設(shè)備設(shè)置維護(hù)工作站,負(fù)責(zé)線網(wǎng)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定及設(shè)備維護(hù)指導(dǎo),分為轉(zhuǎn)轍機(jī)專家工作站、列車自動(dòng)監(jiān)控（ATS）設(shè)備專家工作站、列車自動(dòng)防護(hù)（ATP）設(shè)備專家工作站、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）設(shè)備專家工作站、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）設(shè)備專家工作站、電源設(shè)備專家工作站等［8］。

2.2 線路級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)

線路級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在傳統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的基礎(chǔ)上,增加監(jiān)測(cè)采集設(shè)備和模塊,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)設(shè)備多維度、高精度的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集,縮小數(shù)據(jù)采集的顆粒度,為大數(shù)據(jù)智能分析提供可靠完善的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；結(jié)合線網(wǎng)級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)的專家經(jīng)驗(yàn)、故障模型,預(yù)測(cè)即將可能出現(xiàn)的故障,根據(jù)各子系統(tǒng)運(yùn)行日志、設(shè)備狀態(tài)時(shí)序監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)故障溯源,并給出合理的維修指導(dǎo)。

2.2.1 在線監(jiān)測(cè)

要實(shí)現(xiàn)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的故障預(yù)警、故障定位、故障溯源等,需在傳統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集信息的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同種類信號(hào)設(shè)備、不同信號(hào)設(shè)備部件的工作特性,增加相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)感知模塊和采集模塊,完成關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和全過(guò)程信息鏈的構(gòu)建,智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需采集的信息見表1。

表1 智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息采集

2.2.2 智能分析

在各線路維修中心設(shè)置智能分析服務(wù)器,可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1）故障診斷及報(bào)警。系統(tǒng)采集及監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備狀態(tài),及時(shí)給出報(bào)警,同時(shí)以曲線、報(bào)表、設(shè)備圖等形式,提供豐富的維護(hù)界面,便于用戶調(diào)閱及維護(hù)。

2）故障預(yù)警。線路級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)收到專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)及設(shè)備故障模型后,與本線設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行對(duì)比分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)本線路信號(hào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)趨勢(shì)預(yù)測(cè),達(dá)到預(yù)先告警、提前維護(hù)管理的目的。

3）故障溯源和定位。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)本線路信號(hào)設(shè)備工作狀態(tài)和主要電氣性能的故障監(jiān)測(cè)報(bào)警功能,根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)、故障樹模型和推理機(jī)機(jī)制,可對(duì)信號(hào)設(shè)備故障進(jìn)行捕捉,并通過(guò)故障樹檢索進(jìn)一步判定故障原因。同時(shí)結(jié)合三維視景功能,見圖2,實(shí)現(xiàn)故障設(shè)備可視化顯示,節(jié)約搶修時(shí)間［9］。

圖2 智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)三維視景

4）維修指導(dǎo)。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備故障原因,給出合理的維修指導(dǎo)；也可根據(jù)線網(wǎng)健康中心提供的設(shè)備健康狀況,為預(yù)防性維修提供指導(dǎo)。同時(shí),維修指導(dǎo)可在信號(hào)設(shè)備室、信號(hào)工區(qū)、維修中心的維護(hù)工作站上顯示,也可根據(jù)需要下發(fā)到維護(hù)人員的移動(dòng)維護(hù)終端設(shè)備上顯示。

2.3 數(shù)據(jù)流程圖

智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程見圖3。維護(hù)監(jiān)測(cè)采集模塊實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)信息,并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給智能分析服務(wù)器。當(dāng)設(shè)備的工作狀態(tài)異常時(shí)及時(shí)報(bào)警。除在維護(hù)工作站上進(jìn)行顯示和報(bào)警外,智能分析服務(wù)器還將該監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和報(bào)警信息通過(guò)云平臺(tái)上傳到大數(shù)據(jù)智能分析平臺(tái)。由大數(shù)據(jù)智能分析平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后,生成專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)和故障模型,用于智能分析服務(wù)器實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警、故障溯源和定位,并給出科學(xué)的維修指導(dǎo)。

圖3 智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程

應(yīng)用層的監(jiān)測(cè)中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)、性能及歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)變化,健康中心通過(guò)設(shè)備全生命周期的分析,對(duì)可能出現(xiàn)的設(shè)備故障提前預(yù)警,并給出維修指導(dǎo),預(yù)警和報(bào)警信息可同步傳輸至線路級(jí)的維護(hù)工作站。應(yīng)用層將設(shè)備狀態(tài)信息、關(guān)鍵設(shè)備指標(biāo)等信息發(fā)送給展示層,用于線網(wǎng)指揮大廳內(nèi)的大屏顯示。

2.4 方案應(yīng)用

鄭州地鐵已開展維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)智能化的相關(guān)研究,并與信號(hào)系統(tǒng)供貨商在既有5號(hào)線開展試點(diǎn)應(yīng)用,在車站新增道岔缺口監(jiān)測(cè)設(shè)備、道岔組合繼電器時(shí)序采集模塊等,通過(guò)智能分析可準(zhǔn)確定位故障點(diǎn),并結(jié)合道岔電路圖展現(xiàn)的方式,實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)可視化展示,給出合理的維修指導(dǎo)意見。

目前鄭州地鐵正在建設(shè)基于大數(shù)據(jù)云平臺(tái)的線網(wǎng)指揮中心（COCC）,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建線網(wǎng)級(jí)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。同時(shí)鄭州地鐵既有線在設(shè)計(jì)時(shí)已預(yù)留有與COCC的接口,在建10號(hào)線、12號(hào)線等線路均按照本文所述智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)［10-11］。

3 總結(jié)

本文在傳統(tǒng)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,引入大數(shù)據(jù)和智能分析技術(shù),建立智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行智能化管理,實(shí)現(xiàn)各線路信號(hào)設(shè)備的故障預(yù)警、故障診斷、故障溯源及維修指導(dǎo),提升運(yùn)營(yíng)管理維修水平精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化,搶險(xiǎn)搶修及時(shí)性、合理性,維修策略有效性、科學(xué)性。

目前鄭州地鐵信號(hào)智能維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)仍處于初期的平臺(tái)搭建階段,只有積累大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、擴(kuò)充數(shù)據(jù)類型、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)信息特點(diǎn),才能建立完善的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)及故障模型,從而實(shí)現(xiàn)故障的預(yù)警、溯源和維修指導(dǎo)。后續(xù)還需打通與移動(dòng)維護(hù)終端、網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)調(diào)度、資產(chǎn)管理網(wǎng)、其他專業(yè)系統(tǒng)等的接口,實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)相協(xié)同、線路間資源和經(jīng)驗(yàn)共享、多專業(yè)協(xié)同應(yīng)急指揮,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)線網(wǎng)的智能運(yùn)維。