地鐵信號系統(tǒng)智慧運維研究

楊勇

（深圳地鐵運營集團有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引言

城市軌道交通對信號設(shè)備的日常維護要求比較高，關(guān)系到列車運行的安全。但是目前各個信號系統(tǒng)供應(yīng)商提供的產(chǎn)品，彼此兼容性并不高，不同的線路都相對獨立地進行運維工作，需要在人員投入以及線網(wǎng)整體運維設(shè)備等方面進行優(yōu)化。不同線路的信號系統(tǒng)每天都收集大量的數(shù)據(jù)，但是這些數(shù)據(jù)卻沒有得到較好的分析利用，計劃維修以及實時監(jiān)測依然是當前信號系統(tǒng)營運維護的主要手段。因此，為了實現(xiàn)地鐵信號系統(tǒng)的智慧運維，需要推進信號系統(tǒng)的綜合化、網(wǎng)絡(luò)化以及智能化發(fā)展。

1 智慧運維需求分析

城市道路安全仍然是道路交通發(fā)展的核心問題之一。根據(jù)目前對城市軌道交通信號系統(tǒng)和設(shè)備的研究，存在系統(tǒng)抗風險能力不足、對采集數(shù)據(jù)分析利用不夠的問題，工作和模型以及各種標準碎片化。交通保障系統(tǒng)只在信號系統(tǒng)設(shè)計本身的基礎(chǔ)上進行，忽略了故障分析。資料完全依賴手工錄入，導(dǎo)致服務(wù)不及時，對整個系統(tǒng)的運作造成不良影響。一旦發(fā)生故障，可能影響綜合調(diào)度功能的運行，不利于軌道交通的安全運行。此外，只記錄系統(tǒng)本身的運行狀況，忽視系統(tǒng)的深入分析，無法進行智能預(yù)警和自動分析，影響了系統(tǒng)安全性的提高。此外，由于維修系統(tǒng)標準不同，不同廠家改進后的維修系統(tǒng)可能會出現(xiàn)功能、接口和操作方法的兼容性問題，從而影響軌道運輸設(shè)備的安全性和配置。

綜上所述，為了保證軌道信號系統(tǒng)的可靠運行和整個軌道運動的安全，需要對信號測量系統(tǒng)進行更深入的研究和合理的設(shè)計。首先，報警通信系統(tǒng)應(yīng)具有集中的故障監(jiān)測、評估、診斷和預(yù)警功能，能夠及時發(fā)現(xiàn)自動化信號系統(tǒng)及其設(shè)備故障的風險，減少信號系統(tǒng)故障對城市交通系統(tǒng)的影響。廣泛收集和分析系統(tǒng)運作數(shù)據(jù)和員工表現(xiàn)數(shù)據(jù)，以可視化方式管理數(shù)據(jù)，了解報警系統(tǒng)及其設(shè)備的運作情況。其次，數(shù)據(jù)分析方法為信號系統(tǒng)及其設(shè)備的管理決策提供了可靠的依據(jù)。最后，設(shè)計了統(tǒng)一的測量標準，使制造商能夠根據(jù)系統(tǒng)運行標準進行機器接口設(shè)計。

2 智慧運維應(yīng)用現(xiàn)狀

人工智能在信號系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用，主要采用機械學習和深度學習的技術(shù)增強對日常運行數(shù)據(jù)的分析，自動生成的異?？梢钥刂凭W(wǎng)絡(luò)身份驗證規(guī)則。這個過程就是在人的大腦中模擬數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化處理規(guī)則、原因分析和異常生成，逐步適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)運行條件。

2.1 智慧運維的特點

知識淵博的智慧運維具有預(yù)測故障的能力，可以通過規(guī)則演化的不斷優(yōu)化，有效地預(yù)測可能發(fā)生的故障，并提出解決方案。在測量數(shù)據(jù)處理中，采用智能測量方法代替人工分析，可以減少處理過程中可能出現(xiàn)的空白，降低人工成本，提高系統(tǒng)運行自動化水平和測量質(zhì)量。

2.2 智慧運維應(yīng)用

目前，用于智慧運維的深度學習算法已廣泛應(yīng)用于機器視覺、語言翻譯、語音識別等領(lǐng)域。例如，自動駕駛儀通過機械視覺和環(huán)境感知來控制速度和方向，表明人工智能已經(jīng)變得更加成熟。

在城市道路報警系統(tǒng)中，智能化操作的應(yīng)用主要體現(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng)的運行中，包括數(shù)據(jù)采集仿真、開關(guān)采集、實時狀態(tài)顯示、報告編寫、故障報警等基本功能?？梢酝ㄟ^專家決策、找出缺陷和定位以及添加數(shù)據(jù)收集模塊來進行更精確的數(shù)據(jù)分析?，F(xiàn)有的服務(wù)管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r提供應(yīng)急管理和診斷，但有關(guān)的研究和應(yīng)用仍然不足。

3 智慧運維方案研究

在城市道路信號處理系統(tǒng)中，重點是對車站和內(nèi)外站的檢測儀器進行維護。研究在地鐵中建立智能信號系統(tǒng)測量平臺的可行性，提供所有線路設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)和通信中心以及從線路網(wǎng)絡(luò)中心進行線路運行保障方案的整體協(xié)調(diào)和管理。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

地鐵信號信息平臺提供中央線路網(wǎng)和測量中心線路接入。在保障覆蓋層層面，場站技術(shù)檢測儀器直接采集國內(nèi)供電設(shè)備和外軌設(shè)備狀態(tài)信息，控制中心在線采集列車信息。線性測量支持設(shè)備通過主網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中心。線性網(wǎng)絡(luò)和測量中心再將顯示終端進行分類，最后對匯總數(shù)據(jù)進行分配。終端安裝在車站信號網(wǎng)絡(luò)、報警/停車單元和控制中心中，用于收集和控制信息，包括外部設(shè)備、線路上收集的信息與網(wǎng)絡(luò)中每個顯示器的顯示和網(wǎng)格終端同步，線性終端接收和處理來自網(wǎng)絡(luò)測量中心的信息。

3.2 接口方案

根據(jù)對智能測量信號系統(tǒng)以及整個信號網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控與維護系統(tǒng)平臺的需求分析，通過具有不同線性報警系統(tǒng)的外部接口進行數(shù)據(jù)傳輸。接口分為內(nèi)部線性計算中心和終端，以及外部線性終端和報警子系統(tǒng)接口。在智能平臺與地鐵報警系統(tǒng)的接口，與ATS 系統(tǒng)的接口主要來自ATS 子系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫版本、列車編號ZC 和CI 系統(tǒng)接口負責接收列車信息有關(guān)繁忙地區(qū)、箭頭位置等的資料。接口主信號集線器，箭頭，軌道電路，緊湊型停止按鈕設(shè)備運行模式設(shè)置；與電源設(shè)備的接口-電源采集一次系統(tǒng)提供電流、電壓參數(shù)、各模塊的工作參數(shù)等。通過內(nèi)部接口的線性電平終端，將1 號系統(tǒng)數(shù)據(jù)加載到網(wǎng)絡(luò)中心，然后中心將數(shù)據(jù)處理結(jié)果發(fā)送給線性終端。

3.3 關(guān)鍵技術(shù)

線性操作中心需要從用戶獲得大量數(shù)據(jù)，并按類別存儲、查看、讀取和分析，使用人工智能存儲大數(shù)據(jù)和深入學習。大數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的作用：一方面可以保存海量的服務(wù)數(shù)據(jù)，方便用戶隨時查閱歷史數(shù)據(jù)，為大規(guī)模數(shù)據(jù)分析提供可靠的數(shù)據(jù)源；另一方面，數(shù)據(jù)存儲和維護中心在應(yīng)用層發(fā)生故障時，提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。分布式文件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)長期存儲后，將數(shù)據(jù)存儲技術(shù)引入數(shù)據(jù)中心的過程是接收中間消息并傳輸數(shù)據(jù)的客戶端；同時從數(shù)據(jù)中心和應(yīng)用程序中提取必要的數(shù)據(jù)，供上層應(yīng)用進行數(shù)據(jù)分析。深入學習可以解釋為準備大量的數(shù)據(jù)樣本以揭示數(shù)據(jù)特征?；谏疃葘W習技術(shù)的數(shù)據(jù)分析，可以為現(xiàn)場信號系統(tǒng)設(shè)備的健康狀況評估提供有效的支持。在數(shù)據(jù)分析中，引入深入學習的概念是既定規(guī)則的一部分，使系統(tǒng)能夠獲得更多尚未手動獲得的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)從了解現(xiàn)有數(shù)據(jù)到預(yù)測未來趨勢的轉(zhuǎn)變。在研究了大量的歷史維度信息后，系統(tǒng)將得到更精確的預(yù)測。

以箭頭運動電流分析過程為例，基于深度學習技術(shù)，與傳統(tǒng)箭頭運動數(shù)據(jù)流進行比較。傳統(tǒng)的箭頭運動控制分析允許設(shè)定時間獲得運動電流，比較標準運動電流范圍，直接判斷運動電流是否正常。雖然這種方法可以實時跟蹤箭頭的移動，但不能作為預(yù)防性維修的附加指南。數(shù)據(jù)分析方法基于深度學習技術(shù)，通過在標準動作流中訓(xùn)練大量數(shù)據(jù)樣本，根據(jù)數(shù)據(jù)樣本的變化規(guī)律，訓(xùn)練更符合光束運動和標準匹配區(qū)域的變化。在準備密集數(shù)據(jù)采樣時，可以確定該箭頭組在正常條件下的運動電流范圍，為日常維修提供實用的參考。在取樣準備過程中，可以包括時間、濕度等客觀參數(shù)。對其進行分析，以進一步調(diào)整指針的運動電流范圍。如果收集到的數(shù)據(jù)數(shù)次偏離課程，可進行現(xiàn)場檢查，以確定是否存在設(shè)備磨損、老化等現(xiàn)象。此外，還可以對同一網(wǎng)絡(luò)中相同類型的交換機進行分析，從而對在不同條件之下，設(shè)備的工作情況進行深度的了解，制定更加科學有效的控制和維護策略。人工智能與傳統(tǒng)的服務(wù)方式相比，在彌補實地數(shù)據(jù)收集不足的基礎(chǔ)上，充分用于預(yù)測未來的健康狀況，并對預(yù)防性服務(wù)提出建議。

3.4 保障平臺

網(wǎng)絡(luò)支撐平臺是利用人工智能計算機技術(shù)和專家系統(tǒng)對所獲得的數(shù)據(jù)進行故障診斷，實現(xiàn)對信號的全生命周期控制，并以圖表和報告的形式顯示分析或預(yù)警結(jié)果。有關(guān)車輛的資料會送交總站。該平臺包括數(shù)字模塊、應(yīng)急數(shù)據(jù)處理模塊、可靠性評估模塊、運行數(shù)據(jù)分析模塊和故障分析模塊。其中，數(shù)字模塊的功能是對信號系統(tǒng)及其設(shè)備的基本數(shù)據(jù)進行數(shù)字處理，保證數(shù)據(jù)的完整性和可靠性，為設(shè)備的使用和操作提供依據(jù)。

應(yīng)急數(shù)據(jù)處理模塊旨在對故障信息進行專家評估和應(yīng)急處理?？煽啃栽u估模塊的主要功能是根據(jù)警報系統(tǒng)的功能分析其可靠性。交通運行數(shù)據(jù)分析模塊是對報警系統(tǒng)設(shè)備維護信息的統(tǒng)計分析。故障分析模塊是故障信息的分析和表示，包括信息搜索、輸入等。計算機界面實時顯示列車運行圖和信號設(shè)備運行詳細信息。此外，物料管理模塊負責管理報警系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備的備件，以及支持新增、修改、刪除、批量導(dǎo)入和導(dǎo)出數(shù)據(jù)，支持無人看管的倉儲空間和智能物料管理。環(huán)境監(jiān)測模塊可實現(xiàn)實時工作環(huán)境監(jiān)測、多維環(huán)境數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計，并提供專家診斷和預(yù)警。

4 智慧運維的主要功能

智慧軌道信號測量系統(tǒng)旨在實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時控制、智能診斷、安全風險預(yù)測和生命周期分析控制、設(shè)備維護內(nèi)容和時間的確定，根據(jù)智能監(jiān)測診斷結(jié)果，制定有針對性的維修計劃，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)或設(shè)備故障，并進行維修和更換?？紤]到設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟性，對設(shè)備進行購置和折舊、運行費用和全面報廢，以及全生命周期信息化和運營服務(wù)智能化。除了上述功能外，安全風險挖掘預(yù)測系統(tǒng)還增加了智能診斷和風險預(yù)測功能，并采用了計算機人工智能、大數(shù)據(jù)處理技術(shù)等，實現(xiàn)對信號及其系統(tǒng)的全面控制，提高系統(tǒng)的整體抗風險能力。

4.1 可視化實時在線監(jiān)測

地鐵信號系統(tǒng)是一個智能測量平臺。線性網(wǎng)絡(luò)中心通過執(zhí)行基本的維護和管理功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可視化管理。大屏幕顯示軌道段、車站、箭頭、信號機等的靜態(tài)數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)中心與線路信號系統(tǒng)建立正常通信后，ATS 與ATP 系統(tǒng)提供列車運行位置、加油位置、箭頭位置等信息。通過可視化界面，可以將線路從網(wǎng)絡(luò)層快速定位到特定位置，幫助操作員分析故障對操作環(huán)境的影響，促進網(wǎng)絡(luò)人員快速轉(zhuǎn)發(fā)，并提供人員通信，減少信號故障對線路運行的影響。

4.2 信號系統(tǒng)健康管理

智能信號系統(tǒng)平臺控制整個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，確定設(shè)備的硬件屬性及其運行參數(shù)。監(jiān)控數(shù)據(jù)以終端圖的形式實時顯示，通過故障診斷機制、設(shè)備故障檢查和故障及時報警，將故障和維護信息發(fā)送到線路服務(wù)終端。

在深入研究大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，就設(shè)備的生命周期、工作條件和標準參數(shù)等方面得出了機器本身的確定規(guī)則。在完成準備并滿足設(shè)備缺陷預(yù)警能力建設(shè)需求后，可將現(xiàn)有監(jiān)測機制完善為平臺的新功能模塊。在此平臺上，建立了關(guān)鍵設(shè)備故障預(yù)警系統(tǒng)，進行了異常振蕩預(yù)警，類似專家分析修改服務(wù)建議，以確保數(shù)據(jù)在現(xiàn)場標準之外的處理和恢復(fù)。醫(yī)療警報系統(tǒng)管理機制可以覆蓋警報系統(tǒng)的整個生命周期，通過實時狀態(tài)監(jiān)測和故障趨勢預(yù)警相結(jié)合提供警報指導(dǎo)。

4.3 可靠性模型仿真分析

信號系統(tǒng)本身就是一種糾錯機制，能夠提供可靠的故障保護，但是信號系統(tǒng)目前還缺乏較為完整的分析模型來進行具體的故障原因分析。因此，在此背景之下，要逐步建立完整可靠的信號系統(tǒng)模型，對故障進行模擬演示，更加快速、精確地分析故障的類型。在此基礎(chǔ)上，制定有效的解決策略，進一步保障信號系統(tǒng)的可靠性。

在覆蓋系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，建立完整可靠的分析模型，反映系統(tǒng)設(shè)備的一切過時和正常運轉(zhuǎn)的狀態(tài)，由此分析出的數(shù)據(jù)將與實際運轉(zhuǎn)狀態(tài)中的數(shù)據(jù)無限接近。通過對歷史數(shù)據(jù)的分析，可以優(yōu)化大量的數(shù)據(jù)測量和現(xiàn)場日志，作為可靠性分析的重要參考。通過理論到模擬分析，可以提前預(yù)估信號系統(tǒng)實際的運行狀況。在模擬運行中，觀察分析在實際運行當中會出現(xiàn)什么樣的問題，對信號系統(tǒng)進行進一步的優(yōu)化完善。

4.4 提高系統(tǒng)抗風險的能力

智能操作系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)控制、智能診斷和風險預(yù)測、信號故障報警，包括對指針、信號、外部網(wǎng)絡(luò)、電纜等非工業(yè)智能設(shè)備、數(shù)字音頻軌道電路的控制，移動閉環(huán)以及控制信號系統(tǒng)的整個生命周期。此外，采用人工智能方法進行數(shù)據(jù)采集分析，實現(xiàn)信號設(shè)備安全風險的智能診斷預(yù)警，消除干擾并分析異常參數(shù)。一旦出現(xiàn)異常趨勢，應(yīng)及時進行程序報警和維護，同時不斷完善數(shù)據(jù)分析、智能診斷、可靠的數(shù)據(jù)和可靠的診斷結(jié)果，為設(shè)備故障預(yù)防和日常維護決策提供可靠依據(jù)，使操作人員充分了解設(shè)備的運行狀況和可能出現(xiàn)的故障。

5 結(jié)語

通過分析智慧運維技術(shù)在未來發(fā)展的趨勢，以及當下城市軌道信號系統(tǒng)對于運維的需求，提出了將智慧運維理念應(yīng)用到城市軌道信號系統(tǒng)當中的方案。通過對各條線路進行綜合自動化的管理，建成線網(wǎng)級的城市軌道交通運維平臺，可以智能化預(yù)測系統(tǒng)故障，使信號系統(tǒng)保持在一個長期可靠的狀態(tài)。