地鐵信號智能運維管理子系統(tǒng)工程設(shè)計

趙文天

（北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京 100045）

1 概述

隨著地鐵運營里程的快速增加，在運的信號系統(tǒng)和設(shè)備數(shù)量不斷增多，給信號運維部門帶來巨大維保壓力，加之既有設(shè)備隨著使用年限增加，故障率增高，更加大了運維負擔；傳統(tǒng)維護監(jiān)測系統(tǒng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)種類和數(shù)量有限，覆蓋面小，標準化和集成度較低，且故障多以報警為主，不能實現(xiàn)設(shè)備故障診斷和故障預(yù)測等智能分析；目前的運維管理水平多停留在紙面和口頭，缺乏信息化、流程化和標準化，難以適應(yīng)遠期運維壓力的增加。由此，對信號系統(tǒng)維護技術(shù)提升和管理水平提高的需求日益迫切。

2020年，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，綱要提出的智慧城軌建設(shè)藍圖將“智能運維安全”作為八大體系之一。由此可見，智能運維是今后城軌運維技術(shù)發(fā)展的重要方向。[1-2]

目前，已有較多文章討論線網(wǎng)級多專業(yè)智能運維平臺的技術(shù)方案[3-4]，但是方案多停留在系統(tǒng)架構(gòu)層面，對各個專業(yè)的智能運維具體需求分析較少，難以達到信號系統(tǒng)初步設(shè)計和用戶需求書的編制需求；同時，一些規(guī)劃地鐵數(shù)量不多的城市短時間內(nèi)對線網(wǎng)級智能運維平臺需求不大，又需要在信號等保障運營安全的關(guān)鍵系統(tǒng)上增加智能化功能以加強維護維修，提高運維和管理水平。

綜上，本文重點研究單線路信號系統(tǒng)配置智能運維管理子系統(tǒng)的工程設(shè)計方案。

2 工程設(shè)計

信號智能運維管理子系統(tǒng)并非成熟系統(tǒng)，正處于快速發(fā)展階段，目前并無針對性的國家及行業(yè)標準進行規(guī)范。因此本文結(jié)合北京、上海[5]、成都、長春等地智能運維系統(tǒng)的工程實踐經(jīng)驗，依據(jù)規(guī)劃綱要的遠景目標，結(jié)合行業(yè)最新技術(shù)發(fā)展，將系統(tǒng)功能設(shè)計為4大模塊如圖1所示，即維護監(jiān)測、智能分析、運維管理和移動端智能運維。系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2.1 維護監(jiān)測

《鐵路信號集中監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)條件》（QCR 442-2020）對傳統(tǒng)維護監(jiān)測的內(nèi)容和功能做出規(guī)定，該規(guī)范僅包含常規(guī)監(jiān)測功能[6-8]，本文不再贅述。

智能運維對傳統(tǒng)維護監(jiān)測的補充增強主要體現(xiàn)在：

1）傳統(tǒng)維護監(jiān)測僅監(jiān)測轉(zhuǎn)轍機動作功率、電流、表示電壓等，但是由于轉(zhuǎn)轍機控制電路的復(fù)雜性，依據(jù)以上監(jiān)測信息，難以發(fā)現(xiàn)道岔動作過程中各個繼電器的故障。智能運維通過增加對道岔繼電器動作時序采集，實現(xiàn)電路動作回放和時序邏輯分析，從而對道岔故障精確定位，提高故障排查效率。

2）傳統(tǒng)維護監(jiān)測僅對信號設(shè)備室環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測，難以反映每個機柜內(nèi)部實際溫濕度情況，且不滿足信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級保護三級對設(shè)備室物理環(huán)境的要求[9]。智能運維增加對每個機柜內(nèi)部溫濕度的監(jiān)測，具體定位到溫濕度異常的機柜，并通過設(shè)置水浸傳感器、漏水檢測線等對設(shè)備室關(guān)鍵漏水點進行監(jiān)測，滿足三級等保的規(guī)范要求。

3）傳統(tǒng)維護監(jiān)測不關(guān)注信號各子系統(tǒng)的服務(wù)器/工控機物理硬件的性能是否出現(xiàn)問題，也不關(guān)注操作系統(tǒng)底層軟件的故障報警，因此難以預(yù)警服務(wù)器硬件和底層軟件的故障。智能運維通過增加對工控機關(guān)鍵硬件，如CPU、內(nèi)存、I/O等性能監(jiān)測，增加對底層軟件，如文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、Java虛擬機(JVM)及C#公共語言運行時(CLR)的異常監(jiān)測，對于滿負荷、超負荷運行以及性能下降等故障提前預(yù)警。

4）此外，通過增加對各個信號子系統(tǒng)設(shè)備的監(jiān)測項目，將原來分散的數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖、關(guān)系圖等圖形化方式整合，從而為維護人員提供更加全面、詳細、種類豐富的監(jiān)測信息，實現(xiàn)集成可視化監(jiān)測，也為大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等數(shù)據(jù)科學(xué)技術(shù)在信號智能運維領(lǐng)域的應(yīng)用提供更加強大的數(shù)據(jù)支撐。

2.2 智能分析

傳統(tǒng)維護監(jiān)測僅實現(xiàn)故障報警，不能實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的智能分析和預(yù)測，對維護人員的輔助作用差，導(dǎo)致維修效率低。智能運維通過數(shù)據(jù)科學(xué)手段分析采集數(shù)據(jù)，提示設(shè)備狀態(tài)處于健康、故障或亞健康狀態(tài)，如圖3所示，并給出維修建議。

智能分析主要包括兩個方面：故障智能分析和綜合智能分析。

2.2.1 故障智能分析

1）故障診斷

系統(tǒng)診斷設(shè)備由健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣收蠣顟B(tài)，自動定位故障處所和原因，以故障原理圖、位置圖方式顯示故障，診斷結(jié)果包含故障位置、故障狀態(tài)、故障維護建議等，輔助維護人員實現(xiàn)故障修。

2）故障預(yù)測

采用大數(shù)據(jù)等分析方法，實現(xiàn)對設(shè)備歷史運行趨勢的跟蹤及分析。當運行趨勢呈現(xiàn)劣化或異常過程，特性指標偏離標準值或經(jīng)驗值，設(shè)備由健康狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閬喗】禒顟B(tài)，系統(tǒng)進行異常報警，及時提示維護人員干預(yù)，系統(tǒng)給出維修策略和維修建議，以輔助維護人員實現(xiàn)狀態(tài)修。對于無需短時間內(nèi)盡快處置的亞健康狀態(tài)設(shè)備，系統(tǒng)給出維修計劃，輔助維護人員實現(xiàn)計劃修，避免欠維修和過維修。

2.2.2 綜合智能分析

1）指標統(tǒng)計分析

通過對運維數(shù)據(jù)的多維度統(tǒng)計性挖掘分析，識別各設(shè)備的同比環(huán)比、關(guān)聯(lián)對比等差異情況，為后續(xù)的決策支持提供數(shù)據(jù)支撐。如按時間序列的故障次數(shù)統(tǒng)計分析圖表、按照設(shè)備樹形結(jié)構(gòu)展開的故障次數(shù)統(tǒng)計分析圖表、重復(fù)故障現(xiàn)象/設(shè)備/原因的統(tǒng)計分析圖表、各類輸出數(shù)據(jù)結(jié)果的同比及環(huán)比分析等。

2）人員行為分析

通過對運營、維護人員的行為進行數(shù)據(jù)量化的采集、跟蹤及分析，挖掘人員行為的規(guī)律特點以及在運營、維修場景下該行為規(guī)律可能的潛在影響及制約，從而優(yōu)化行為規(guī)范，實現(xiàn)運營、維修的效率提升。如維護人員檢修質(zhì)量及效率分析、故障處置及閉環(huán)監(jiān)督行為分析、日常系統(tǒng)操作習(xí)慣分析等。

2.3 運維管理

地鐵信號系統(tǒng)的安全運行離不開對設(shè)備的維護維修，運維管理是保證維護維修工作高效可靠進行的關(guān)鍵。當前信號系統(tǒng)運維管理模式，包括計劃修和故障修。計劃修一般是針對信號系統(tǒng)各設(shè)備原理和特點，制定相應(yīng)的養(yǎng)護、小修、中修、大修、更換計劃，維護人員按照計劃對信號設(shè)備的電氣特性、機械特性、配線、功能、外觀、安裝等實施維護作業(yè)；故障修是針對突發(fā)故障，一例一案應(yīng)急維修處置。信號設(shè)備維護方式分為自主維護和委外維護。信號維修管理機構(gòu)一般設(shè)置在車輛段或控制中心，信號工班根據(jù)線路特點設(shè)置于正線、控制中心、車輛段、停車場等地點，并在車輛段設(shè)置綜合檢修、ATC檢修等專門工班。

信號維護人員可依托信息化系統(tǒng)進行維修作業(yè)管理，但設(shè)備、監(jiān)測和維修信息人工錄入，僅在信息化系統(tǒng)內(nèi)部流轉(zhuǎn)，不與信號系統(tǒng)接口，難以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)更新、故障報警記錄和維修作業(yè)成果信息同步，信息傳遞脫節(jié)，難以形成有效閉環(huán)管理；甚至部分維護環(huán)節(jié)依靠文字記錄和口頭傳達，過程復(fù)雜繁瑣，需要投入較大人力成本，管理效率低，容易出現(xiàn)錯漏，難以追溯責任。

智能運維通過對設(shè)備和管理的信息化、流程化和標準化，避免信息孤島的形成，打通設(shè)備信息、監(jiān)測信息與維修信息，在信息融合的基礎(chǔ)上，建立標準流程，創(chuàng)新管理手段，構(gòu)建高效的信號運維管理系統(tǒng)，提高信號運維管理的信息化、自動化和智能化水平。運維管理主要功能設(shè)計如下。

2.3.1 全生命周期設(shè)備管理（設(shè)備信息）

1）設(shè)備臺賬管理

設(shè)備臺帳包括工程竣工后交接的所有設(shè)備、備品備件、專用測試設(shè)備、儀器儀表、工具等，按照運營單位資產(chǎn)管理碼進行編號并粘貼或安裝帶二維碼信息的標簽或銘牌，并在管理系統(tǒng)中記錄所屬系統(tǒng)、設(shè)備名稱等全生命周期設(shè)備履歷信息，實現(xiàn)信號設(shè)備的信息化管理。

2）設(shè)備更新管理

系統(tǒng)跟蹤管理設(shè)備生命周期，累計設(shè)備的運行時間或動作次數(shù)，作為預(yù)告設(shè)備生命周期和更換設(shè)備的依據(jù)，以便提示設(shè)備更新。

3）備品備件管理

根據(jù)設(shè)備臺賬中備品備件子賬目，分析庫存及消耗，針對備件或搶險物資處于庫存預(yù)警或有大中修計劃時，動態(tài)分析采購數(shù)量。系統(tǒng)累計備品備件的存儲時間，當存儲時間接近存儲測試周期時產(chǎn)生預(yù)告，避免備品備件失效。系統(tǒng)應(yīng)將備品備件與在線設(shè)備臺帳相關(guān)聯(lián)，當備件在現(xiàn)場替換后更新設(shè)備履歷。

4）技術(shù)資料管理

技術(shù)資料包括交付運營管理的全部竣工資料及在運營過程中發(fā)生的變更技術(shù)文件，提供查詢、調(diào)閱和更新功能，實現(xiàn)技術(shù)資料的全生命周期管理。

2.3.2 故障/異常報警管理（監(jiān)測信息）

系統(tǒng)能查看報警的總體情況，具備歸類統(tǒng)計、下載及打印功能，支持按選擇時間段、設(shè)備類型、報警類型等多維度查詢功能，便于維護人員查詢故障報警記錄；具備設(shè)置設(shè)備停用、設(shè)備不合格及設(shè)備長期盯控的功能。

2.3.3 維修管理（維修信息）

1）維修計劃管理

根據(jù)維護管理需要，系統(tǒng)自動形成各年的年修計劃并可自動分解生成每月和每周的維護計劃。綜合每周的維護計劃和維修工區(qū)班制以及規(guī)定的維護人員的班次等因素，自動生成日檢計劃。系統(tǒng)根據(jù)維修計劃生成維修作業(yè)工單。

2）維修作業(yè)管理

維修作業(yè)工單包括巡檢、日檢、周檢、月檢、故障應(yīng)急處理、配合作業(yè)、臨時作業(yè)等工單，系統(tǒng)自動生成或人工發(fā)起工單，通過移動端或智能運維工作站推送給相應(yīng)工區(qū)維護人員。工單內(nèi)提供維修參考步驟及說明，可輸入文字、拍照、錄像反饋維修結(jié)果。

3）維修成本管理

系統(tǒng)根據(jù)維修作業(yè)所包括的任務(wù)工時計算累計人力工時，并結(jié)合投入的材料、機械、設(shè)備等，核算維修作業(yè)成本。

2.4 移動端智能運維

在傳統(tǒng)維護監(jiān)測系統(tǒng)中，維護人員去現(xiàn)場前只能通過維修工區(qū)工作站手動下載或用紙筆記錄設(shè)備故障信息，攜帶專用筆記本和維修工具在設(shè)備現(xiàn)場維修和在地測試，無法實現(xiàn)通過移動端（手機端或?qū)Ｓ闷桨咫娔X）設(shè)備實時獲取設(shè)備狀態(tài)、監(jiān)測維修效果、獲取技術(shù)支持等，維修作業(yè)效率低，存在返工的可能。

智能運維系統(tǒng)通過接入公網(wǎng)移動信號，維護人員利用配置的移動端設(shè)備智能運維APP，如圖4所示，實現(xiàn)移動端在線智能運維。移動端智能運維主要功能設(shè)計如下。

1）設(shè)備狀態(tài)查詢：可通過點選設(shè)備示意圖或掃描現(xiàn)場實際設(shè)備二維碼，查詢?nèi)€設(shè)備維護監(jiān)測的實時數(shù)據(jù)、故障/異常報警及智能分析的結(jié)果。

2）設(shè)備臺賬管理：現(xiàn)場設(shè)備拆除、更換、軟件升級等設(shè)備臺賬更新維護。

3）維修作業(yè)管理：工單的查詢、填報[10]、交接等。

4）遠程維護支持：廠家技術(shù)支持人員與維護人員音視頻雙向?qū)崟r溝通聯(lián)系，在視頻畫面中標注指導(dǎo)、推送多媒體信息；經(jīng)維修管理人員授權(quán)，廠家技術(shù)支持人員可遠程獲得系統(tǒng)數(shù)據(jù)，協(xié)助現(xiàn)場故障處理。

5）技術(shù)資料查詢：設(shè)備安裝檢修視頻、技術(shù)圖紙、運維手冊、變更文件等的調(diào)閱。

3 應(yīng)用效果分析

以某市地鐵為例，采用智能運維管理子系統(tǒng)后，統(tǒng)計道岔轉(zhuǎn)轍機平均故障間隔（MCBF）、車載設(shè)備運營可靠度、主要故障頻率減少情況，如圖5～7所示。

轉(zhuǎn)轍機MCBF及車載設(shè)備運營可靠度顯著增加，主要設(shè)備故障頻率有較明顯降低。經(jīng)統(tǒng)計，信號系統(tǒng)故障平均修復(fù)延時由20 min降低至5～10 min。

參考某市地鐵統(tǒng)計數(shù)據(jù)[11]，智能運維在降低運維人員投入方面也有較大作用，如圖8所示。

由于各地信號智能運維項目落地時間較短，應(yīng)用項目較少，能獲得的統(tǒng)計數(shù)據(jù)有限。但從以上有限的數(shù)據(jù)中可以得出，利用智能運維管理子系統(tǒng)，維護人員可以提前預(yù)知故障隱患，對已發(fā)生故障進行定位和診斷，機器智能分析故障數(shù)據(jù)輔助甚至代替人工故障分析，從而降低故障發(fā)生頻率，減少信號維護人員投入，使信號系統(tǒng)運維的信息化、自動化和智能化水平大幅提高。

4 結(jié)語

智能運維技術(shù)在信號系統(tǒng)的研究和應(yīng)用是近幾年新的技術(shù)發(fā)展方向。本文提出對單線路信號系統(tǒng)配置智能運維管理子系統(tǒng)的工程設(shè)計，結(jié)合北京、上海、成都、長春等地工程實踐經(jīng)驗，較為全面地設(shè)計系統(tǒng)功能和構(gòu)成，應(yīng)用效果良好，信號系統(tǒng)運維的信息化、自動化和智能化水平大幅提高。本文為今后軌道交通信號系統(tǒng)初步設(shè)計、用戶需求書編制以及線網(wǎng)級智能運維平臺信號方案細化提供參考，也為軌道交通智能運維系統(tǒng)相關(guān)標準的形成盡綿薄之力。