王毅

一種故障偵測技術(shù)在地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王毅*

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)簡介

地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)(ISCS)屬于城市軌道交通系統(tǒng)機(jī)電設(shè)備綜合自動化的范疇，提供統(tǒng)一的軟硬件平臺，對被集成和互聯(lián)的各個系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控管理，提高城市軌道交通的服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)營管理水平。作為保證地鐵正常運(yùn)營的重要系統(tǒng)，當(dāng)災(zāi)害來臨時，能否在第一時間發(fā)現(xiàn)故障源頭，最大限度地縮短故障時間，保證地鐵運(yùn)營不中斷意義重大。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用分層分布式控制結(jié)構(gòu)，由中心級、車站級和現(xiàn)場設(shè)備級3層網(wǎng)絡(luò)組成。中心級與車站級通過主干網(wǎng)連接。由于中心級監(jiān)控系統(tǒng)是對全線進(jìn)行監(jiān)視和控制，存儲了線路全部數(shù)據(jù)信息，并對全線設(shè)備具有指令控制權(quán)限，因此將故障偵測系統(tǒng)連接在中心信息管理容錯服務(wù)器上?？刂浦行木C合監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

地鐵綜合監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)基于C/S通信方式，冗余、相互獨(dú)立的交換式100M/1000Mb/s工業(yè)級光纖以太網(wǎng)，符合IEEE 802.3z及IEEE 802.3u標(biāo)準(zhǔn)，采用TCP/IP協(xié)議，各集成和互連的系統(tǒng)將數(shù)據(jù)都發(fā)送到綜合監(jiān)控系統(tǒng)的通信前置處理機(jī)(FEP)，由通信前端處理機(jī)負(fù)責(zé)接受和發(fā)送控制中心的相關(guān)系統(tǒng)信息。

2 故障偵測技術(shù)

故障偵測是指系統(tǒng)組件在一個指定的時間段內(nèi)，部分組件失效導(dǎo)致無法正常工作，進(jìn)而引起的進(jìn)程失效信息能被偵測的機(jī)制。目前故障偵測技術(shù)應(yīng)用比較廣泛的有主動檢測、心跳輪詢和網(wǎng)絡(luò)控制。

主動檢測技術(shù)的原理是在一個定義的時間段內(nèi)，每過一個周期性時間單位，對被監(jiān)測對象進(jìn)行一次主動監(jiān)測。如果監(jiān)測對象發(fā)出反饋信息，說明進(jìn)程運(yùn)行良好，反之則為進(jìn)程失效。

圖1 控制中心綜合監(jiān)控系統(tǒng)圖

心跳輪詢技術(shù)是在采用TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，檢測方和被檢測方通過單獨(dú)一方或者多方同時發(fā)送心跳數(shù)據(jù)包的方式，確定對方網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)是否出現(xiàn)故障。心跳輪詢技術(shù)是對網(wǎng)絡(luò)上的各個節(jié)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)節(jié)點(diǎn)被刪除、插入或者改變時，能迅速對刷新后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)整。若沒有收到的心跳包超過一定界限，系統(tǒng)會認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)故障。

網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)(Network Control System，NCS)是以通信網(wǎng)絡(luò)作為控制器、執(zhí)行器及傳感器之間的通信媒介，通過實(shí)時網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)而成的反饋控制系統(tǒng)。它采用了計算機(jī)、自動化、網(wǎng)絡(luò)通信等多種技術(shù)手段，具有集成化、網(wǎng)絡(luò)化、分布化及節(jié)點(diǎn)智能化的特點(diǎn)。

主動檢測和心跳輪詢技術(shù)的代碼混合在分布協(xié)議代碼之中，不是獨(dú)立的協(xié)議模塊，無法在系統(tǒng)化的環(huán)境下進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用，比較適合在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)單一或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備數(shù)量少的條件下配置。由于綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜，中心、車站和車輛段的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互相連接，并且中心、車站和車輛段的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部還有逐層連接的設(shè)備，種類和數(shù)量眾多，因此適合采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為故障偵測系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

控制器通過網(wǎng)絡(luò)連接系統(tǒng)的各個組成部分，如傳感器、控制對象等，控制對象位于系統(tǒng)的終端，控制器、傳感器和控制對象三者有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成了整個網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)

3 故障偵測系統(tǒng)方案

3.1 方案設(shè)計

故障偵測系統(tǒng)連接在綜合監(jiān)控系統(tǒng)控制中心的中心信息管理容錯服務(wù)器上，對其連接服務(wù)器的軟件運(yùn)行情況和設(shè)備工作性能進(jìn)行周期檢測，將反饋信息傳輸?shù)绞录治瞿K。當(dāng)系統(tǒng)模塊檢測出故障時，事件分析模塊發(fā)出報警信號，提示工作人員排查故障。

故障偵測系統(tǒng)的核心組件是故障觀測器。其原理是以網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)為平臺，建立一個具有不確定性的離散時間數(shù)學(xué)模型，將觀測器收集到的綜合監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定條件近似視為一個線性矩陣不等式。基于離散異步動態(tài)的理論，對不等式進(jìn)行求解。根據(jù)不等式條件成立與否來判定結(jié)果。當(dāng)不等式成立時，判斷為穩(wěn)定，說明系統(tǒng)運(yùn)行正常;當(dāng)不等式不成立時，說明系統(tǒng)故障。

3.2 系統(tǒng)組件劃分

系統(tǒng)組件由觀測器、控制器、被控對象、事件分析器和事件數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，構(gòu)成示意圖見圖3。

圖3 故障偵測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

1.觀測器。直接連接在中心信息管理容錯服務(wù)器上，獲取所有通過服務(wù)器的數(shù)據(jù)信息，包括服務(wù)器和所在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的所有數(shù)據(jù)。

2.控制器。觀測器將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制器，由控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行初級處理，若有非常規(guī)數(shù)據(jù)流，則對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔。

3.被控對象。具體指網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的數(shù)據(jù)。

4.事件分析器。主要功能有2個:一是分析觀測器獲取的數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)的正確性，一旦發(fā)現(xiàn)非法或者異常的數(shù)據(jù)信息時，發(fā)出報警;二是對數(shù)據(jù)庫保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行定期統(tǒng)計分析，若發(fā)現(xiàn)某段時期內(nèi)的數(shù)據(jù)異常，發(fā)出報警。

5.事件數(shù)據(jù)庫。作用類似于歷史服務(wù)器，將事件分析器發(fā)來的分析結(jié)果進(jìn)行存檔，并保存觀測器的所有進(jìn)程日志，為以后查詢提供依據(jù)。

3.3 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

系統(tǒng)被控對象模型為:

x(t)是狀態(tài)變量;u(t)是輸入變量;y(t)是輸出變量;f(t)表示故障向量。正常情況下，f(t)為零向量;若f(t)為非零向量時，說明系統(tǒng)有故障。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)被控對象模型的方程為:

經(jīng)過觀測器的公式推導(dǎo)變換，可得到一個閾值，閾值的選取對系統(tǒng)的判斷有直接作用。選得過小，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的誤報;選得過大，系統(tǒng)的準(zhǔn)確性會降低。

4 結(jié)束語

本文提出了一種建立數(shù)學(xué)模型的思路，將系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障抽象成數(shù)值矩陣不等式，通過對線性矩陣不等式的求解及閾值范圍來判斷故障是否發(fā)生，達(dá)到綜合監(jiān)控系統(tǒng)故障的目的，為地鐵設(shè)計在災(zāi)備和數(shù)據(jù)安全方面的發(fā)展提出了一種解決辦法。

［1］楊國榮．西安地鐵2號線綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成設(shè)計［J］．電子設(shè)計工程，2010(11).

［2］關(guān)守平，周瑋，尤富強(qiáng)．網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)與應(yīng)用［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2008，7.

*中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司助理工程師，710043西安

2011-09-02

(責(zé)任編輯:諸紅)

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