城市軌道交通信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)安全架構(gòu)與部署

周紀(jì)武 管文麗 丁偉 王笑 余建

摘要 在城市軌道交通建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大的背景下，其信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜，無(wú)形中增大了維護(hù)管理難度。而軌道交通企業(yè)現(xiàn)有的“以計(jì)劃修為主、故障修為輔”的維護(hù)管理模式，不僅效率低，而且實(shí)施效果也不太理想，越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代軌道交通的發(fā)展要求。而隨著智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，為城市軌道交通信號(hào)運(yùn)維工作指明了新的發(fā)展方向?；诖耍瑸樘岣叱鞘熊壍澜煌ㄐ盘?hào)運(yùn)維系統(tǒng)的智能化水平，文章針對(duì)城市軌道交通的信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)安全架構(gòu)及部署進(jìn)行了分析及研究，旨在為推動(dòng)城市軌道交通發(fā)展做貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞 軌道交通;信號(hào);智能運(yùn)維;安全架構(gòu)

中圖分類號(hào) U284.92;TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）05-0019-03

0 引言

通過(guò)對(duì)大連地鐵1號(hào)線進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求等幾方面。針對(duì)需求，廣泛收集及查閱相關(guān)資料，并開(kāi)展相應(yīng)技術(shù)的可行性研究及論證，依據(jù)實(shí)際需求，建立相應(yīng)的、合理的評(píng)估體系，確定出系統(tǒng)所需的各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)，如技術(shù)指標(biāo)參數(shù)、功能指標(biāo)參數(shù)、性能指標(biāo)參數(shù)等。

1 軌道交通信號(hào)系統(tǒng)的運(yùn)維現(xiàn)狀

1.1 線網(wǎng)級(jí)監(jiān)測(cè)功能不完善

對(duì)于城市軌道交通而言，各線路上目前已經(jīng)具備了一些信號(hào)設(shè)備在線監(jiān)測(cè)功能，然而信息收集覆蓋不全面、監(jiān)測(cè)技術(shù)不完善、新老線路標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、各維護(hù)子系統(tǒng)不聯(lián)通等問(wèn)題依然未得到有效解決，不僅導(dǎo)致整個(gè)線路網(wǎng)的信號(hào)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的跟蹤、分析及管控等工作效率低下且效果不良，而且集成化統(tǒng)管能力也比較弱，最終造成應(yīng)急響應(yīng)和應(yīng)急處理滯后[1]。

1.2 維修周期制定不合理

目前，城市軌道交通企業(yè)的維護(hù)管理模式為“以計(jì)劃修為主、故障修為輔”的模式，并按照定期計(jì)劃?rùn)z修安排進(jìn)行設(shè)備檢修。這種維護(hù)管理模式比較固定，缺乏彈性，導(dǎo)致?tīng)顟B(tài)良好的設(shè)備產(chǎn)生過(guò)度檢修，而有隱患的設(shè)備卻不能及時(shí)排除隱患，從而會(huì)惡化設(shè)備工況，甚至引發(fā)更大的故障。

1.3 故障處置過(guò)程不可控

傳統(tǒng)運(yùn)維管理模式下，故障處理基本是依靠人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查、數(shù)據(jù)收集及分析、故障判斷等，對(duì)人為經(jīng)驗(yàn)依賴比較大，不僅工作效率低、工作量大，而且不確定因素也多。比如，以道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備為例，日常運(yùn)營(yíng)中，維修人員難以進(jìn)入正線中，對(duì)設(shè)備工況信息掌握不及時(shí)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通常需要15～30 min才能現(xiàn)場(chǎng)確定故障位置，耗時(shí)比較長(zhǎng)。另外，在獲得調(diào)度申請(qǐng)后，技術(shù)人員進(jìn)行故障修復(fù)耗時(shí)也比較長(zhǎng)，無(wú)形中增大了搶修成本。

2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)在對(duì)地鐵信號(hào)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的同時(shí)，利用智能數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)綜合分析、診斷信號(hào)系統(tǒng)的健康狀況、存在的故障和潛在風(fēng)險(xiǎn)，并結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)信息技術(shù)為信號(hào)維護(hù)工作提供方便、快捷的支持，充分提高設(shè)備可用性，降低維護(hù)難度和維護(hù)成本。

系統(tǒng)功能包括：

2.1 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌旁基礎(chǔ)設(shè)備（轉(zhuǎn)轍機(jī)、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸、電源屏/UPS/蓄電池）、車載、聯(lián)鎖、ATS、FTM、ZC各子系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行狀況、列車運(yùn)營(yíng)工況及環(huán)境溫濕度，同時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作電流、表示電壓等電氣特性參數(shù)的測(cè)試。

包含站場(chǎng)圖、車輛運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵繼電器開(kāi)關(guān)量、道岔定反位、設(shè)備房間溫濕度、電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)、道岔表示電壓、各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)報(bào)警信息[2]。

2.2 故障診斷與預(yù)警

自動(dòng)識(shí)別并定位故障設(shè)備。對(duì)預(yù)警和報(bào)警信息進(jìn)行分級(jí)篩選，按緊急程度分級(jí)，并可人工調(diào)整設(shè)置。

包含故障預(yù)警、故障報(bào)警、歷史報(bào)警查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、檢修屏蔽等。

2.3 智能分析與處理

分日、月、年或任選時(shí)間段對(duì)設(shè)備運(yùn)用情況、故障情況及設(shè)備性能等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為狀態(tài)預(yù)警、故障輔助處理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

包括統(tǒng)計(jì)分析、道岔曲線分析、道岔時(shí)序圖、日志下載、性能分析、電氣測(cè)試、日志分析。

2.4 大數(shù)據(jù)與智能學(xué)習(xí)

數(shù)據(jù)中心對(duì)信號(hào)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)據(jù)深度分析及二次開(kāi)發(fā)，以達(dá)到預(yù)維修的目的。實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)總覽、設(shè)備工況監(jiān)測(cè)、針對(duì)故障和預(yù)警推送處置指導(dǎo)等功能，并最終將生成的運(yùn)維研判結(jié)果經(jīng)防火墻推送至應(yīng)用中心用戶終端工作站，指導(dǎo)運(yùn)營(yíng)維護(hù)及故障處置?；诖髷?shù)據(jù)分析的預(yù)測(cè)性維護(hù)，合理組織維護(hù)計(jì)劃，提高設(shè)備可用性，降低維護(hù)難度和維護(hù)成本。

3 軌道交通信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)安全架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能運(yùn)維系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成（如圖1）：采集中心、應(yīng)用中心、數(shù)據(jù)中心[3]。

采集中心完成感知層數(shù)字量和模擬量信息采集，主要包括采集傳輸CBTC實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及常規(guī)設(shè)備信息（包括電源屏、計(jì)軸設(shè)備），并通過(guò)增設(shè)微機(jī)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)掌握信號(hào)軌旁基礎(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，如全面監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)轍機(jī)啟動(dòng)/動(dòng)作電流、表示/動(dòng)作電壓轉(zhuǎn)轍機(jī)定反位的物理識(shí)別、屏蔽門站聯(lián)電源、關(guān)鍵開(kāi)關(guān)量、設(shè)備房間溫濕度等參數(shù)。

應(yīng)用中心通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接，將采集中心數(shù)據(jù)進(jìn)行接收儲(chǔ)存并轉(zhuǎn)發(fā)至遠(yuǎn)程云平臺(tái)，通過(guò)該中心的轉(zhuǎn)儲(chǔ)，保障了信號(hào)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的安全，同時(shí)保障了云平臺(tái)大數(shù)據(jù)處理的需求。

數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)程海量收集線路的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用智能數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，并結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)，推動(dòng)開(kāi)展數(shù)據(jù)智能分析篩選，形成故障預(yù)警感知，精確定位故障點(diǎn)，并基于數(shù)據(jù)支撐推送故障合理化處置建議。其核心理念是基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)測(cè)性維護(hù)。

3.2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

采集中心采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在應(yīng)用中心經(jīng)安全網(wǎng)絡(luò)傳輸對(duì)采集數(shù)據(jù)執(zhí)行匯總轉(zhuǎn)儲(chǔ)處理，數(shù)據(jù)中心對(duì)信號(hào)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)據(jù)深度分析及二次開(kāi)發(fā)，以達(dá)到預(yù)維修的目的。

3.2.1 采集中心

采集中心軟件包括智能運(yùn)維服務(wù)端采集程序、智能運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)，均部署在既有CMS備用服務(wù)器。完成現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的接收和匯總。經(jīng)網(wǎng)閘將匯總數(shù)據(jù)單向擺渡至應(yīng)用中心。

3.2.2 應(yīng)用中心

應(yīng)用中心軟件為ActiveMQ消息中間件程序，運(yùn)行模式為轉(zhuǎn)發(fā)模式。接收來(lái)自采集中心的匯總數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)傳輸至天津數(shù)據(jù)中心應(yīng)用服務(wù)器。

3.2.3 數(shù)據(jù)中心

數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用服務(wù)器搭載ActiveMQ消息中間件程序、智能運(yùn)維數(shù)據(jù)中心采集程序、智能運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)、數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)（如圖2）。

ActiveMQ消息中間件程序，運(yùn)行模式為接收模式，數(shù)據(jù)源來(lái)自大連應(yīng)用中心ActiveMQ。

智能運(yùn)維數(shù)據(jù)中心采集程序，從ActiveMQ消息中間件程序消息隊(duì)列獲取采集數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)開(kāi)展數(shù)據(jù)深度分析。將處理結(jié)果推送到數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)的同時(shí)也會(huì)存儲(chǔ)至智能運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)。

數(shù)據(jù)可視化平臺(tái)，提供訪問(wèn)接口給終端工作站，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)故障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)總覽、設(shè)備工況監(jiān)測(cè)、搶修處置指導(dǎo)等功能[4]。

3.3 基于云平臺(tái)的大數(shù)據(jù)分析處理研究

依托于該項(xiàng)目的研究，搭建大連地鐵信號(hào)智能運(yùn)維大數(shù)據(jù)平臺(tái)，通過(guò)建立數(shù)據(jù)中心，遠(yuǎn)程海量收集線路的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用智能數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提供診斷建議，并結(jié)合移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)提供技術(shù)支持和服務(wù)。其核心理念是基于大數(shù)據(jù)分析的預(yù)測(cè)性維護(hù)?？茖W(xué)合理安排維護(hù)工作，提高設(shè)備可用性，降低維護(hù)難度和維護(hù)成本，完成故障診斷及報(bào)警的提示功能。以“降本增效，提高效率”為準(zhǔn)則，極大優(yōu)化指揮調(diào)度、資源協(xié)調(diào)、應(yīng)急搶險(xiǎn)等運(yùn)維管理工作。

提高運(yùn)營(yíng)可靠性、信號(hào)系統(tǒng)安全性以及提高檢修效率、檢修質(zhì)量，降低人員投入、減少管理成本，為地鐵的安全運(yùn)營(yíng)提供保障，逐步實(shí)現(xiàn)“故障修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)變的總體目標(biāo)。

系統(tǒng)基于云端服務(wù)方式部署數(shù)據(jù)中心，云端共享，單個(gè)項(xiàng)目建設(shè)費(fèi)用低，且免維護(hù)，由被動(dòng)響應(yīng)式服務(wù)向主動(dòng)式服務(wù)轉(zhuǎn)變，系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)配套微服務(wù)架構(gòu)，可拓展性和可變化性強(qiáng)。

3.4 信號(hào)內(nèi)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程安全透?jìng)魇侄窝芯?/p>

通過(guò)在信號(hào)內(nèi)網(wǎng)中配置一臺(tái)接口服務(wù)器，在數(shù)據(jù)中心配置兩臺(tái)接入公域網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)器，在信號(hào)內(nèi)網(wǎng)與公域網(wǎng)之間布置一臺(tái)網(wǎng)閘。利用網(wǎng)閘雙主機(jī)系統(tǒng)之間無(wú)物理連接、邏輯連接、信息傳輸協(xié)議連接的特點(diǎn)，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)由信號(hào)內(nèi)網(wǎng)至公域網(wǎng)單向以文件的形式進(jìn)行無(wú)協(xié)議擺渡，從邏輯上隔離、阻斷了對(duì)信號(hào)內(nèi)網(wǎng)具有潛在安全威脅的一切連接。在網(wǎng)閘實(shí)現(xiàn)安全傳輸?shù)幕A(chǔ)上，通過(guò)在接口服務(wù)器與天津兩臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器上安裝消息中間件（ActiveMQ），并做相應(yīng)配置，從而實(shí)現(xiàn)將現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)由信號(hào)內(nèi)網(wǎng)安全透?jìng)髦撂旖驍?shù)據(jù)中心。實(shí)現(xiàn)10 M上傳帶寬，<100 ms數(shù)據(jù)延遲[5]。

3.5 數(shù)據(jù)流程圖

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)。

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。

3.6 應(yīng)急指揮調(diào)度

在應(yīng)急智慧調(diào)度系統(tǒng)中，不僅可以有效儲(chǔ)存各類故障問(wèn)題及相應(yīng)的應(yīng)急處理方案，而且也可以利用三維仿真模型對(duì)預(yù)案的應(yīng)用過(guò)程進(jìn)行模擬、對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。當(dāng)出現(xiàn)緊急事件的時(shí)候，可以通過(guò)相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案建立對(duì)應(yīng)模型，以便確定故障的位置及影響范圍等，隨后也可以生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的預(yù)案流程，最后維護(hù)管理人員可根據(jù)預(yù)案及時(shí)、合理的調(diào)配物資及人員等，從而降低故障影響。

3.7 全生命周期數(shù)據(jù)管理

根據(jù)設(shè)備全生命運(yùn)行情況建立全生命周期數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)庫(kù)，其中應(yīng)集合設(shè)備編碼、設(shè)備型號(hào)、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、投運(yùn)日期及預(yù)期使用年限等基本數(shù)據(jù)，同時(shí)，也應(yīng)將設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)等動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)收錄其中。

4 結(jié)論

綜上所述，信號(hào)系統(tǒng)是保障城市軌道交通安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要條件，因此，在日常運(yùn)維管理中必須做好信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)管理，保障信號(hào)系統(tǒng)的性能良好。同時(shí)，軌道交通企業(yè)也必須順應(yīng)時(shí)代發(fā)展，積極引入智能化技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等構(gòu)建完善的智能維護(hù)管理系統(tǒng)，進(jìn)一步提高信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)管理水平，進(jìn)而推動(dòng)城市軌道交通實(shí)現(xiàn)更加穩(wěn)健的發(fā)展。

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