陶雨濛 王亮軍 衛(wèi) 妍

（南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211188）

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的擴大，線路上的信號設(shè)備不斷增多，維護管理難度也隨之增加?，F(xiàn)有維護模式以計劃修為主，故障修為輔，維護效率較低，已無法適應(yīng)現(xiàn)代化軌道交通系統(tǒng)的發(fā)展需求。當(dāng)前以人工智能、大數(shù)據(jù)為代表的新一輪科技革命蓬勃發(fā)展，為信號設(shè)備維護提供了新的技術(shù)手段。《交通強國建設(shè)綱要》[1]明確提出“大力發(fā)展智慧交通，推動大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈以及超級計算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合”的要求。對此，上海地鐵[2]、廣州地鐵[3]等多家地鐵公司已經(jīng)開展了信號設(shè)備智能運維研究工作，基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息，提供信號設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)測評估和故障維修的決策支持。該文對城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)的設(shè)計方法展開研究，設(shè)計了基于設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)物理和邏輯框架，為系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)提供了頂層設(shè)計方案。

1 信號設(shè)備運營維護現(xiàn)狀

1.1 故障診斷依賴員工經(jīng)驗

現(xiàn)有城市軌道交通信號系統(tǒng)中的維護支持系統(tǒng)[4]（Maintain Support System，MSS）為設(shè)備維護提供了狀態(tài)監(jiān)測和故障報警功能，但其智能化分析水平有限，檢修過程中故障定位分析仍依賴現(xiàn)場作業(yè)人員的實踐經(jīng)驗，花費時間較長，在很大程度上增加了人工維護的強度和成本。

1.2 維修周期制定不合理

目前國內(nèi)地鐵公司主要采用“計劃修”模式，根據(jù)檢修計劃定期進行設(shè)備檢修作業(yè)。該模式下的維修周期未能有效結(jié)合設(shè)備的實際狀況進行彈性設(shè)置，對于運行狀態(tài)良好的設(shè)備可能造成過度檢修，而對于存在潛在風(fēng)險的設(shè)備卻無法及時排查隱患，容易造成設(shè)備工況惡化甚至引發(fā)故障。

1.3 缺乏設(shè)備跟蹤管理機制

現(xiàn)場作業(yè)的檢修數(shù)據(jù)通常以手寫方式記錄在紙質(zhì)檢修工單上，在交接班時進行人工交接，管理系統(tǒng)也未設(shè)置專門的工單管理功能，無法快速查詢設(shè)備歷史數(shù)據(jù)及故障統(tǒng)計情況，缺乏對設(shè)備的動態(tài)跟蹤管理。

由此可見，目前城市軌道交通信號設(shè)備維護模式在智能化、信息化管理方面相對欠缺，一方面未能有效地針對現(xiàn)有的設(shè)備檢測數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘，為設(shè)備維護提供智能化技術(shù)服務(wù)；另一方面，忽視設(shè)備全生命周期檔案的建立，全生命周期是指設(shè)備從規(guī)劃設(shè)計、安裝調(diào)試以及運營維護，一直到設(shè)備報廢的全過程，而運營維護是全生命周期的重要階段，獲取設(shè)備運行過程中的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、維修記錄數(shù)據(jù)，有助于維護管理人員和作業(yè)人員及時掌握設(shè)備當(dāng)前的運行狀態(tài)和未來的變化趨勢。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)針對智能化運維管理需求，綜合考慮現(xiàn)有和未來新增的數(shù)據(jù)來源，采集信號設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)處理和挖掘，支撐全生命周期的運維業(yè)務(wù)。系統(tǒng)架構(gòu)包括感知層、處理層以及應(yīng)用層3個層級，具備設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測、設(shè)備狀態(tài)預(yù)警預(yù)報、設(shè)備故障智能診斷、日常維護管理、應(yīng)急指揮調(diào)度以及全生命周期數(shù)據(jù)管理6個功能，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 感知層

感知層是城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)的基礎(chǔ)，依托傳感器技術(shù)、視頻監(jiān)測技術(shù)以及無線通信技術(shù)等多元感知技術(shù)，采集信號設(shè)備的實時運行數(shù)據(jù)。采集信息包括靜態(tài)信息和動態(tài)信息兩類，靜態(tài)信息為軌道線路地理信息和信號設(shè)備基礎(chǔ)信息，動態(tài)信息采集軌旁設(shè)備、車載ATP/ATO設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備、ATS設(shè)備和DCS設(shè)備等信號以及與設(shè)備運行相關(guān)的狀態(tài)信息和報警信息，為智能運維系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)來源。

2.2 處理層

處理層主要負(fù)責(zé)對接入數(shù)據(jù)的處理和分析，通過數(shù)據(jù)清洗、匯集、轉(zhuǎn)換以及匹配等方式，對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，獲取標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)格式的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)。繼而依托數(shù)理統(tǒng)計、機器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障預(yù)測、故障診斷、維修優(yōu)化、排班優(yōu)化、應(yīng)急預(yù)案生成以及仿真評估模型，實現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)的量化評估和故障趨勢的預(yù)測分析，為設(shè)備維護日常管理和應(yīng)急管理提供決策支持。

2.3 應(yīng)用層

基于處理層獲得的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在應(yīng)用層以數(shù)據(jù)可視化形式呈現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測信息、狀態(tài)預(yù)警信息和故障診斷信息，維護管理人員可通過日常維護管理和應(yīng)急指揮調(diào)度模塊向維護作業(yè)人員發(fā)布維修計劃或應(yīng)急預(yù)案指令?？稍谌芷跀?shù)據(jù)管理模塊對信號設(shè)備運營維護過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行歸檔、查詢等。

3 系統(tǒng)邏輯框架設(shè)計

邏輯框架[5]從功能的角度描述復(fù)雜系統(tǒng)，闡明功能之間的關(guān)系和功能間的數(shù)據(jù)流向。圖2給出了城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)的物理框架，下面對各個模塊實現(xiàn)的功能進行描述。

圖2 城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)邏輯框架圖

3.1 設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測

系統(tǒng)設(shè)置三級監(jiān)測界面，一級監(jiān)測界面通過站場圖動態(tài)顯示設(shè)備運行狀況，方便維護管理人員監(jiān)測全線設(shè)備狀態(tài)，二、三級監(jiān)測界面分別顯示設(shè)備的線路分布和設(shè)備結(jié)構(gòu)情況，當(dāng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時，維護管理人員可根據(jù)局部狀態(tài)監(jiān)測情況，查看具體的監(jiān)測指標(biāo)信息。

3.2 設(shè)備狀態(tài)預(yù)警預(yù)報

基于歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的故障預(yù)測模型，預(yù)測設(shè)備狀態(tài)趨勢，生成變化趨勢圖，判斷設(shè)備的健康狀況。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不良趨勢時，及時發(fā)布相應(yīng)等級的預(yù)警信號，為維護管理人員優(yōu)化維修計劃、確定維修項目提供輔助決策。

3.3 設(shè)備故障智能診斷

當(dāng)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化時，系統(tǒng)提示報警信息。結(jié)合設(shè)備歷史故障信息及相關(guān)部件實時狀態(tài)，利用故障診斷模型，分析可能的故障原因，提供故障處理建議。同時根據(jù)故障對列車運行的影響程度，將事件類型劃分為一般事件和緊急事件，分別進行日常維護管理或應(yīng)急調(diào)度指揮。

3.4 日常維護管理

日常維護管理分為維修計劃管理、維修工單管理以及交接班管理。

3.4.1 維修計劃管理

根據(jù)歷史故障診斷信息和預(yù)測故障信息構(gòu)建的維修優(yōu)化模型，系統(tǒng)動態(tài)生成維修計劃，維護管理人員可以根據(jù)實際需求對其進行修改。維修計劃包括作業(yè)時間及內(nèi)容、人員安排、維修工具和備件準(zhǔn)備等。排班計劃則在維修計劃的基礎(chǔ)上，建立排班優(yōu)化模型，綜合考慮設(shè)備維修時長、維修人數(shù)以及維修路線等因素，從而對資源進行合理分配。

3.4.2 維修工單管理

維護作業(yè)人員根據(jù)系統(tǒng)排班計劃，執(zhí)行維修任務(wù)。在維護過程中，作業(yè)人員通過移動終端輸入維修過程中的檢測數(shù)據(jù)和結(jié)果，在線填寫維修工單。作業(yè)結(jié)束后，維護管理人員可對其進行查詢和審核。

3.4.3 交接班管理

根據(jù)排班及任務(wù)完成情況，系統(tǒng)自動生成交接班日志。在交接班過程中如果存在未完成的維修任務(wù)，就設(shè)置接班人員維修任務(wù)待完成提醒。

3.5 應(yīng)急指揮調(diào)度

應(yīng)急指揮調(diào)度分類存儲各類重大故障的應(yīng)急處理預(yù)案，通過仿真模型評估預(yù)案的應(yīng)用效果，維護管理人員可通過三維仿真演示進行培訓(xùn)演練。當(dāng)緊急事件發(fā)生時，運用應(yīng)急預(yù)案生成模型，根據(jù)設(shè)備故障定位、影響范圍等約束條件，快速生成相應(yīng)預(yù)案流程，維護管理人員緊急調(diào)配線路上的人員、物資，盡可能減少事故對運營的影響。

3.6 全生命周期數(shù)據(jù)管理

構(gòu)建設(shè)備全生命周期檔案數(shù)據(jù)庫，包括設(shè)備編碼、設(shè)備型號、生產(chǎn)日期及廠家、投用日期和預(yù)期使用年限等設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及在設(shè)備運行期間動態(tài)更新的監(jiān)測數(shù)據(jù)、預(yù)警數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)等。

4 系統(tǒng)物理框架設(shè)計

物理框架是在邏輯框架的基礎(chǔ)上，對如何實現(xiàn)系統(tǒng)功能的物理性描述。圖3為城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)的物理框架，包括信號維護支持系統(tǒng)和信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)2個子系統(tǒng)。根據(jù)信號系統(tǒng)是否引入信號維護支持系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集來源分為2種途徑，一種是通過信號維護支持系統(tǒng)對信號設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一采集和監(jiān)督；另一種是分別對軌旁設(shè)備、車載設(shè)備以及聯(lián)鎖設(shè)備等信號設(shè)備的監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。采集的設(shè)備狀態(tài)信息為實現(xiàn)城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)的功能提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，繼而為不同層級的運維管理人員提供輔助決策支持。

圖3 城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)物理框架圖

信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)面向三類用戶，由上而下依次為線網(wǎng)級、線路級以及車站級用戶。針對不同用戶群體，設(shè)置相應(yīng)的管理權(quán)限，線網(wǎng)級用戶監(jiān)測全線網(wǎng)的設(shè)備運行狀態(tài)，主要負(fù)責(zé)全生命周期數(shù)據(jù)管理和重大故障下的緊急事件應(yīng)急指揮。線路級用戶側(cè)重于根據(jù)設(shè)備預(yù)測趨勢制定維護計劃，派發(fā)維護任務(wù)并審核。車站級用戶配合執(zhí)行線網(wǎng)、線路級用戶下發(fā)的任務(wù)。具體系統(tǒng)功能用戶權(quán)限見表1。

表1 系統(tǒng)功能用戶權(quán)限

5 結(jié)語

該文提出了一種基于設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)的城市軌道交通信號設(shè)備智能運維系統(tǒng)的設(shè)計方案。首先，通過系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，劃分了感知層、處理層以及應(yīng)用層3個層級。其次，通過系統(tǒng)頂層邏輯框架設(shè)計，提出了6個系統(tǒng)功能，明確了各模塊的具體功能以及模塊間的數(shù)據(jù)流向。最后，通過系統(tǒng)頂層物理框架設(shè)計，按照現(xiàn)實物理系統(tǒng)、終端對系統(tǒng)功能進行劃分。該文的研究可為現(xiàn)實系統(tǒng)的開發(fā)與實現(xiàn)提供頂層設(shè)計方案支撐。