智能城軌設(shè)備維修管理及告警系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

俞 銘，劉 琴，葛 淼

（國電南京自動(dòng)化股份有限公司，江蘇 南京 211100）

0 引言

2020年3月12日，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，為我國今后一個(gè)時(shí)期城市軌道交通提升城軌設(shè)備維護(hù)智能化程度、提升運(yùn)維效率指明了方向。隨著我國高速鐵路、城市軌道交通運(yùn)營規(guī)模的迅速擴(kuò)大和“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，整個(gè)行業(yè)對(duì)于保障運(yùn)營安全、提高服務(wù)質(zhì)量及降低運(yùn)營成本顯現(xiàn)出巨大的剛性需求，軌道交通運(yùn)維業(yè)務(wù)日益成為全行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)［1］。軌道交通供電設(shè)備種類繁多，運(yùn)維復(fù)雜，高、中、低壓各等級(jí)設(shè)備眾多，交流、直流混合，運(yùn)行負(fù)荷波動(dòng)大，同時(shí)這些設(shè)備常年運(yùn)行于以高溫、高濕為代表的惡劣環(huán)境。隨著線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，線路和車站的不斷增加，設(shè)備數(shù)量成倍地增加；另一方面，隨著設(shè)備的長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，逐漸老化，運(yùn)維檢修壓力增大，性能和狀態(tài)都大不如前，這些因素都給運(yùn)維管理帶來了很大挑戰(zhàn)［2］。目前，針對(duì)如此巨量的設(shè)備，受制于以往的信息化程度和技術(shù)局限，地鐵行業(yè)常用的管理方式存在不足。因此，按照規(guī)范的運(yùn)維工作標(biāo)準(zhǔn)來確保相關(guān)設(shè)備設(shè)施正常、高效地運(yùn)行，是軌道交通安全、穩(wěn)定、高效經(jīng)濟(jì)運(yùn)營的決定性因素。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能城軌設(shè)備維修管理及告警系統(tǒng)用B/S結(jié)構(gòu)，采用TCP/IP協(xié)議。系統(tǒng)設(shè)備管理在中心部署數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及維管服務(wù)，由各站根據(jù)各自的授權(quán)完成設(shè)備信息的在線監(jiān)測、設(shè)備管理和維護(hù)。在實(shí)際研發(fā)過程中，將該系統(tǒng)與綜合監(jiān)控進(jìn)行解耦，既保證數(shù)據(jù)有效交互時(shí)的安全性，又不局限于綜合監(jiān)控的數(shù)據(jù)，從而使接入更靈活。系統(tǒng)通過交換機(jī)與地鐵主干網(wǎng)交換機(jī)相連，通過通信專業(yè)提供的專業(yè)傳輸通道，獲取控制中心、各個(gè)車站相關(guān)機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)的故障及狀態(tài)信息，再發(fā)送至中心維管系統(tǒng)服務(wù)器，服務(wù)器將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)將報(bào)警信息發(fā)送至各維管工作站。車站維管工作站根據(jù)授權(quán)完成自身設(shè)備信息的管理和維護(hù)，各車站配置一臺(tái)維管服務(wù)器用于完成本車站的設(shè)備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理。本設(shè)計(jì)適用于將維管系統(tǒng)看作較為核心的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，并由中心集中管理各車站分治管理。系統(tǒng)中各站的設(shè)備管理及維護(hù)由各站獨(dú)立完成，每個(gè)站根據(jù)授權(quán)只負(fù)責(zé)維護(hù)自己的設(shè)備信息，管理范圍明確，中心負(fù)責(zé)權(quán)限授權(quán)并可管理維護(hù)整個(gè)線路的所有設(shè)備信息。本系統(tǒng)從軟件架構(gòu)上分為5個(gè)層次：設(shè)備感知層、接入層、平臺(tái)層、服務(wù)層和展示層。(1）設(shè)備感知層：各子系統(tǒng)擁有的原始設(shè)備數(shù)據(jù)，是本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源頭，主要包括通信傳輸、PIS、PA、CCTV、UPS電源、AFC、電梯、照明、屏蔽門等系統(tǒng)及設(shè)備；(2）接入層：通過數(shù)據(jù)采集、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)隔離等功能實(shí)現(xiàn)與相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信。(3）平臺(tái)層：對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)建模，為服務(wù)層提供各類技術(shù)支撐。(4）服務(wù)層：服務(wù)層根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)則，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交互及協(xié)作聯(lián)動(dòng)后臺(tái)服務(wù)。(5）展示層：維修管理系統(tǒng)高級(jí)功能，包括設(shè)備故障監(jiān)測、臺(tái)賬與健康度展示、故障預(yù)測、駕駛艙、專家知識(shí)庫。

2 業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

2.1 在線監(jiān)測

系統(tǒng)具備強(qiáng)大的跨平臺(tái)能力，提供基本數(shù)據(jù)采集、站內(nèi)在線監(jiān)測全景數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)瀏覽、告警功能、各在線監(jiān)測功能故障信息的分級(jí)告警提示功能。系統(tǒng)首先能及時(shí)準(zhǔn)確﹑持續(xù)不斷地收集現(xiàn)場故障信息；其次，對(duì)收集的產(chǎn)品故障信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出故障原因并制定糾正措施；最后，保證糾正措施的實(shí)施，并對(duì)實(shí)施效果進(jìn)行跟蹤及驗(yàn)證［3］。系統(tǒng)具有圖形化在線監(jiān)測分析功能，包括：數(shù)據(jù)趨勢分析、多閾值告警分析、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析等。數(shù)據(jù)展示［4］：一次接線圖、報(bào)表、曲線等。專用分析功能：色譜數(shù)據(jù)分析工具，大衛(wèi)三角形分析、立方體圖示法分析及比值法分析結(jié)果顯示。

2.2 故障預(yù)警

根據(jù)電力設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，故障特點(diǎn)，建立電力設(shè)備的故障預(yù)測模型，依據(jù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)電力設(shè)備可能產(chǎn)生的故障進(jìn)行預(yù)測，便于指導(dǎo)運(yùn)維人員提前掌握電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并制定經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)備檢修計(jì)劃。模型報(bào)警規(guī)則可以任意組合設(shè)定，增強(qiáng)運(yùn)維判斷條件和規(guī)則，防止測點(diǎn)意外跳變引起誤報(bào)警。同時(shí)，也可以在報(bào)警規(guī)則里增加專家的知識(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化模型的運(yùn)維功能。系統(tǒng)具有故障模型的編輯與管理功能，可以結(jié)合歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)故障預(yù)警模型進(jìn)行再訓(xùn)練，提高算法的預(yù)測精度。

2.3 流程自動(dòng)化

系統(tǒng)中的關(guān)鍵操作、消息通知、流程管理抽象為維管事務(wù)數(shù)據(jù)模型，任務(wù)流引擎將一組維管事務(wù)數(shù)據(jù)模型組織起來，以完成某個(gè)有序的過程。維管事務(wù)數(shù)據(jù)模型定義了任務(wù)的觸發(fā)順序和觸發(fā)條件，任務(wù)流引擎可以保證每個(gè)維管事務(wù)數(shù)據(jù)模型可以由一個(gè)或多個(gè)軟件相關(guān)系統(tǒng)完成，也可以由一個(gè)或一組人完成，還可以由一個(gè)或多個(gè)人與軟件系統(tǒng)協(xié)作完成。極大地提升了系統(tǒng)運(yùn)行的高流暢性和多元性，可滿足不同用戶的定制需求。

2.4 健康度評(píng)估

系統(tǒng)具備設(shè)備狀態(tài)評(píng)估功能，依據(jù)專業(yè)、設(shè)備等特性建立供電專業(yè)設(shè)備狀態(tài)評(píng)估模型，主要從設(shè)施設(shè)備故障發(fā)生次數(shù)、平均無故障運(yùn)行時(shí)間、故障發(fā)生率等重點(diǎn)指標(biāo)及故障類型等維度進(jìn)行分析，完成基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)收集及運(yùn)行質(zhì)量的科學(xué)評(píng)價(jià)，以此真實(shí)反映設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀況。具備設(shè)備故障預(yù)判功能，支持以“環(huán)比”“同比”方式，實(shí)現(xiàn)同類數(shù)據(jù)不同相進(jìn)行對(duì)比、同類數(shù)據(jù)不同站進(jìn)行對(duì)比、同類數(shù)據(jù)不同時(shí)刻進(jìn)行對(duì)比，對(duì)超過平均限值、歷史最高值的情況進(jìn)行設(shè)備預(yù)判。

2.5 設(shè)備臺(tái)賬

系統(tǒng)提供設(shè)備臺(tái)賬信息的錄入、更新、查詢和統(tǒng)計(jì)功能。設(shè)備臺(tái)賬包括設(shè)備基本信息、技術(shù)參數(shù)信息、備品備件信息等，應(yīng)記錄設(shè)備類別、設(shè)備名稱、規(guī)格型號(hào)、設(shè)備編號(hào)、使用日期、所屬站點(diǎn)、安放位置、使用狀態(tài)、生產(chǎn)廠家、軟件升級(jí)記錄、設(shè)備定值單、各元器件更換記錄等信息(臺(tái)賬信息根據(jù)設(shè)備類型不同有所區(qū)別）。設(shè)備臺(tái)賬內(nèi)容包含但不限于：(1）應(yīng)支持建立完善的設(shè)備信息管理庫。設(shè)備履歷信息，包括設(shè)備名稱、分類、壽命、設(shè)備編碼、設(shè)備調(diào)度編號(hào)、設(shè)備所屬位置、所屬部門、設(shè)備銘牌信息、資產(chǎn)系統(tǒng)編碼、上電時(shí)間、啟用時(shí)間、技術(shù)參數(shù)、元器件、圖片信息、歷史故障(故障現(xiàn)象、故障原因及通用處置措施）等。設(shè)備銘牌信息、上電時(shí)間、啟用時(shí)間、技術(shù)參數(shù)需系統(tǒng)建成后由人工一次性維護(hù)。(2）設(shè)備動(dòng)態(tài)信息，包括質(zhì)保期、運(yùn)行數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、保護(hù)整定值、檢修歷史信息、故障應(yīng)急處置情況等。試驗(yàn)數(shù)據(jù)由試驗(yàn)人員在平臺(tái)手動(dòng)填寫試驗(yàn)報(bào)告數(shù)據(jù)，同時(shí)在平臺(tái)進(jìn)行掃描版試驗(yàn)報(bào)告存檔；質(zhì)保期以接管時(shí)間為起點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，出質(zhì)保時(shí)間根據(jù)實(shí)際時(shí)間人工維護(hù)；元器件、備件信息，包含名稱、供應(yīng)商、型號(hào)、元器件編碼。臺(tái)賬內(nèi)容，包括設(shè)備履歷臺(tái)帳、線路計(jì)量儀器臺(tái)帳、安全工具臺(tái)帳、運(yùn)行類表記、變電運(yùn)行巡視分析報(bào)告結(jié)果、變電檢修試驗(yàn)報(bào)告；存儲(chǔ)形式以電子版數(shù)據(jù)臺(tái)賬、掃描版蓋章臺(tái)賬存儲(chǔ)。

2.6 知識(shí)庫管理

從設(shè)備運(yùn)行底層數(shù)據(jù)出發(fā)提取單個(gè)設(shè)備和設(shè)備類型的靜態(tài)畫像、分析動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)設(shè)備的海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、去噪、融合、分析抽取出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性構(gòu)建設(shè)備指紋，將多環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)深度融合，最終生成智能檢修策略，形成設(shè)備健康主動(dòng)智慧防御機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能感知、智慧分析、智能診斷；解決傳統(tǒng)運(yùn)維對(duì)故障預(yù)見性不足，只能采用計(jì)劃性維修或事后維修模式，維修工作缺少針對(duì)性，工作量大、效率低、成本高、發(fā)現(xiàn)問題周期長，暴露問題不足，造成大量的人力物力的浪費(fèi)的問題；提升運(yùn)維效率和軌道交通運(yùn)行的安全性。系統(tǒng)可根據(jù)專家知識(shí)庫制定不同故障的維修規(guī)程，可以對(duì)維修規(guī)程和維修注意事項(xiàng)管理和維護(hù)。維修規(guī)程是針對(duì)設(shè)備維管工作進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化；維修規(guī)程關(guān)聯(lián)具體設(shè)備的具體故障，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)可自動(dòng)或手動(dòng)彈出，指導(dǎo)維修工作人員進(jìn)行設(shè)備維修。

3 難點(diǎn)攻克分析

3.1 采用LSTM和EDA的軌交設(shè)備劣化拐點(diǎn)分析方法

設(shè)備維修對(duì)于保證城市軌道交通系統(tǒng)的正常工作和安全運(yùn)行具有重要意義。目前軌道系統(tǒng)中最常用的設(shè)備檢查策略主要是故障維修和定期檢修。若設(shè)備突發(fā)故障，且故障響應(yīng)延遲，造成維修不及時(shí)，最嚴(yán)重的可能是影響整條線路的正常運(yùn)營。如何根據(jù)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)，分析潛在的故障隱患和預(yù)警，及時(shí)排查和預(yù)防，降低維修成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)備無停機(jī)運(yùn)行，是安全運(yùn)營保障系統(tǒng)面臨的主要問題。

針對(duì)上述問題，系統(tǒng)提出了基于LSTM和EDA的軌交設(shè)備劣化拐點(diǎn)分析方法，該方法先對(duì)設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行探索性數(shù)據(jù)分析(EDA），完善數(shù)據(jù)缺失值和異常值，修正數(shù)據(jù)；并基于隨機(jī)森林對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行特征選擇和簡化；再將設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成由樣本、時(shí)間步、特征組成的三維數(shù)據(jù)，構(gòu)建LSTM預(yù)測模型，進(jìn)行設(shè)備故障分析與預(yù)測。該方法可行性強(qiáng)，利用故障案例庫中的歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備故障預(yù)測分析，預(yù)測設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)期，及早對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性維修，為科學(xué)的維修管理提供依據(jù)，大大提高了設(shè)備的可靠性，同時(shí)也降低了設(shè)備的管理成本，避免設(shè)備故障造成運(yùn)營損失。

3.2 基于事件觸發(fā)機(jī)制的軌道交通機(jī)電設(shè)備異常監(jiān)測技術(shù)

軌道交通領(lǐng)域的設(shè)備類型、品牌繁多，而不同類型的設(shè)備又具有不同的信息元。監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)警信息時(shí)，無法統(tǒng)一完整地給出所有設(shè)備類型和故障告警閾值的集合，如何根據(jù)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示故障隱患和預(yù)警，及時(shí)排查和預(yù)防，降低維修成本，是安全運(yùn)營保障系統(tǒng)面臨的主要問題。系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)方式，設(shè)計(jì)了一整套包含設(shè)備、設(shè)備類型、事件、事件觸發(fā)條件、邏輯關(guān)系運(yùn)算、條件輸入輸出對(duì)象，通過對(duì)象之間的關(guān)聯(lián)和監(jiān)聽對(duì)象屬性變化，實(shí)現(xiàn)多類型設(shè)備多類型故障的在線監(jiān)測功能。本方法允許用戶定義事件的觸發(fā)條件和各觸發(fā)條件之間的邏輯運(yùn)算關(guān)系，然后再將事件與設(shè)備類型相關(guān)聯(lián)，最后根據(jù)設(shè)備類型創(chuàng)建具體設(shè)備。程序監(jiān)聽到具體設(shè)備對(duì)象屬性變化后，判斷該設(shè)備類型相關(guān)聯(lián)的事件觸發(fā)條件是否滿足，依據(jù)判斷的結(jié)果推送故障信息。從而實(shí)現(xiàn)多類型設(shè)備多類型故障的在線監(jiān)測功能。

(1）將事件的觸發(fā)條件抽象為獨(dú)立的單元，每一個(gè)觸發(fā)條件具有一個(gè)輸入和輸出。觸發(fā)條件的輸入可以是系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，也可以是外部接口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，需要填入該條件引用的數(shù)據(jù)；觸發(fā)條件的輸出是程序根據(jù)輸入值、表達(dá)式右值、表達(dá)式判斷出的結(jié)果，其結(jié)果只有兩種情況滿足1或不滿足0。

(2）將事件與觸發(fā)條件相關(guān)聯(lián)。事件與觸發(fā)條件的關(guān)系是1∶N，一個(gè)或者多個(gè)觸發(fā)條件之間的邏輯關(guān)系共同定義了一個(gè)事件，觸發(fā)條件之間的邏輯關(guān)系滿足時(shí)事件觸發(fā)，從而靈活配置出各種復(fù)雜的事件。

(3）將設(shè)備類型與事件相關(guān)聯(lián)。設(shè)備類型與事件之間的關(guān)系是1∶N，一種設(shè)備類型可以關(guān)聯(lián)多種事件。

(4）設(shè)備是設(shè)備類型的具體實(shí)例。某一設(shè)備任意事件觸發(fā)后，都將在被推送到在線監(jiān)測中用于提示用戶設(shè)備發(fā)生故障。

(5）程序監(jiān)聽到具體設(shè)備對(duì)象屬性變化后，判斷該設(shè)備類型相關(guān)聯(lián)的事件觸發(fā)條件是否滿足，依據(jù)判斷的結(jié)果推送故障信息。

4 結(jié)語

系統(tǒng)為了解決軌道交通智能運(yùn)維的問題，將傳統(tǒng)的周期性計(jì)劃轉(zhuǎn)變?yōu)榛跍y試分析的狀態(tài)和基于評(píng)估先驗(yàn)的預(yù)知，將傳統(tǒng)以人工為主的運(yùn)維管理轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化、信息化的智能監(jiān)測維護(hù)方式。采用深度學(xué)習(xí)、人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備故障預(yù)測和設(shè)備健康評(píng)估，解決了傳統(tǒng)運(yùn)維對(duì)故障預(yù)見性不足的問題；通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)、建立專家知識(shí)庫和設(shè)備數(shù)字中臺(tái)等手段，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備全生命周期的監(jiān)視與管理，解決了海量設(shè)備帶來的大量有價(jià)值數(shù)據(jù)未被采集和有效利用、不能有效指導(dǎo)設(shè)備檢修、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)難分析的困局；通過工作流引擎實(shí)現(xiàn)了高效的工單管理和維修流程管控，解決了傳統(tǒng)派工流程不規(guī)范、溯源和結(jié)果審查困難、維修進(jìn)度難以跟蹤的弊病。