薛順然

摘要 隨著科技發(fā)展，城市軌道交通得到快速的發(fā)展，在發(fā)展的同時也帶來巨大的挑戰(zhàn)。文章分析當(dāng)前大部分城市軌道交通中信號系統(tǒng)面臨的問題以及需求，使用故障預(yù)測與健康管理（PHM）技術(shù)，構(gòu)建城市軌道交通信號系統(tǒng)故障管理體系。城市軌道交通信號系統(tǒng)故障管理體系可以更加高效地處理城市軌道交通中由信號故障引起的問題。

關(guān)鍵詞 故障診斷;PHM;人工智能;城市軌道交通

中圖分類號 U282 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）13-0001-03

0 引言

從2017年開始全國各地的地鐵建設(shè)呈持續(xù)上升趨勢，城市軌道交通行業(yè)在蓬勃發(fā)展的同時也面臨巨大的挑戰(zhàn)，例如工作人員分配問題、不斷革新的技術(shù)手段、各條線路系統(tǒng)制式不同等。有限的人力資源與設(shè)備的多樣化和海量數(shù)據(jù)的矛盾將在今后很長一段時間作為地鐵發(fā)展的問題亟待解決。

目前在設(shè)備運(yùn)行維護(hù)方面存在的問題如下：

（1）設(shè)備故障以定期檢修以及故障報修為主，故障預(yù)測占比很少。

（2）人力資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，效率低下。

（3）故障設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)計未分化，不足以支撐故障分析及預(yù)測。

（4）隨著各地延伸線的建設(shè)，線網(wǎng)里程不斷增加以及環(huán)境的變化，設(shè)備維護(hù)作業(yè)的難度增加。

1 PHM研究現(xiàn)狀及特點

故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Mana-gement，PHM）被認(rèn)定為是對系統(tǒng)復(fù)雜的設(shè)備進(jìn)行健康狀況監(jiān)測、管理以及預(yù)測的系統(tǒng)工程學(xué)科。PHM模型通常適用于設(shè)備層與管理層之中，通常監(jiān)控設(shè)備層的狀態(tài)數(shù)據(jù)對設(shè)備層健康狀況進(jìn)行判斷，相關(guān)的智能算法將設(shè)備的剩余壽命計算得出。經(jīng)計算得出設(shè)備使用剩余壽命后，系統(tǒng)經(jīng)算法處理后得到設(shè)備維護(hù)方案給予維護(hù)工作人員參考，在設(shè)備故障前對其進(jìn)行維護(hù)更換作業(yè)，可有效避免因設(shè)備故障影響整體系統(tǒng)情況的發(fā)生，減少損失。目前PHM的發(fā)展在結(jié)合原有設(shè)備監(jiān)測、故障診斷技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)開發(fā)以及人工智能算法的引入，PHM將繼續(xù)朝向智能化、自主化、高精確度的方向發(fā)展。

PHM已經(jīng)在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。文獻(xiàn)[1]中PHM作為核心部分在聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機(jī)JSF項目中起到關(guān)鍵作用，文獻(xiàn)[2]在高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中引入PHM與主動維護(hù)理念，有效解決了高速鐵路中因設(shè)備故障造成系統(tǒng)故障的問題，為故障預(yù)測、系統(tǒng)健康周期評估以及可靠性分析等提供了新的思路。文獻(xiàn)[3]指出了引入PHM可以大幅度降低系統(tǒng)故障率，提升設(shè)備安全性，系統(tǒng)的可靠性有了明顯的增強(qiáng)，形成完備的設(shè)備健康狀態(tài)、維修方案等策略，能夠減少人力資源的浪費(fèi)。

2 信號系統(tǒng)故障管理體系

信號系統(tǒng)是城市軌道交通運(yùn)營中保證行車安全的重要系統(tǒng)，信號系統(tǒng)故障管理系統(tǒng)的使用必將提升整個城市軌道交通系統(tǒng)的安全性，信號系統(tǒng)故障管理體系的建立也可為后續(xù)設(shè)備故障的分析提供必要的真實數(shù)據(jù)，為城市軌道交通的智能運(yùn)維體系奠定基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)為城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)計5層智能運(yùn)行維護(hù)平臺的系統(tǒng)架構(gòu)。文獻(xiàn)[5]將智能運(yùn)維運(yùn)用到地鐵運(yùn)營中并取得了成功。文獻(xiàn)[6]在大數(shù)據(jù)，云平臺的背景下，將智能運(yùn)維系統(tǒng)將與之相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用。

2.1 搭建信號系統(tǒng)的PHM體系

信號系統(tǒng)下子系統(tǒng)設(shè)備眾多，包括列車自動監(jiān)控系統(tǒng)（Automatic Train Supervision，ATS）、計算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)（Computer Interlocking，CI）、區(qū)域控制系統(tǒng)（Zone Controller，ZC）、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)管系統(tǒng)（Data Communication System，DCS）、車載控制系統(tǒng)（Vehicle On Board Control，VOBC）、軌旁電子單元（Line side Electronic Unit，LEU）、數(shù)據(jù)存儲單元（Data Storage Unit，DSU）、電源系統(tǒng)、計軸、道岔、轉(zhuǎn)轍機(jī)、外電網(wǎng)、信號機(jī)以及軌道電路等。

目前城市軌道交通的目標(biāo)是縮短行車間隔時間，所需完成的第一步是縮短故障處理時間，向著快速及時的故障處理方式改進(jìn);為實現(xiàn)故障預(yù)測以及狀態(tài)維修的目的，須大量研究信號系統(tǒng)以及信號設(shè)備狀態(tài)信息，目前信號設(shè)備維護(hù)信息來源及處理方式如表1。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

故障預(yù)測和健康管理系統(tǒng)能夠完成對故障設(shè)備的精確定位，對引發(fā)故障原因的關(guān)聯(lián)分析及總結(jié)，可使故障信息被最大化利用，為今后故障分析及預(yù)測技術(shù)提供幫助。構(gòu)建信號系統(tǒng)的PHM系統(tǒng)可簡化為三部分：數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)分析處理層、數(shù)據(jù)界面層，如表2。

3 系統(tǒng)模塊功能

3.1 設(shè)備在線監(jiān)測

設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)隸屬于數(shù)據(jù)獲取層，主要負(fù)責(zé)在線實時監(jiān)測全網(wǎng)信號設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，對關(guān)鍵參數(shù)與正常閾值的對比，可分析出信號設(shè)備的工作狀態(tài)，經(jīng)一定數(shù)據(jù)量的積累，可完成系統(tǒng)智能故障診斷。除信號設(shè)備在線運(yùn)行狀態(tài)檢測以及智能故障診斷功能，設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)還具備故障預(yù)警、故障原因分析、維修指導(dǎo)等智能化功能。

3.2 設(shè)備智能診斷系統(tǒng)

設(shè)備智能診斷系統(tǒng)隸屬于數(shù)據(jù)分析處理層，對信號設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)入設(shè)備智能診斷模型中，經(jīng)模型分析計算可得出設(shè)備當(dāng)前所處狀態(tài)、故障源部件、故障原因分析、建議處理流程等一系列信息供工作人員觀察，可根據(jù)設(shè)備故障情況以及影響運(yùn)營的程度將故障設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)分為一般故障與嚴(yán)重故障，針對不同的故障情況采取不同的應(yīng)對措施。

3.3 日常維護(hù)系統(tǒng)

日常維護(hù)系統(tǒng)隸屬于數(shù)據(jù)分析處理層，主要功能是對一般故障的設(shè)備進(jìn)行日常維修，以及正常設(shè)備的日常維護(hù)作業(yè)。日常維護(hù)系統(tǒng)中含有維護(hù)工作模型，根據(jù)歷史故障信息以及歷史故障預(yù)測準(zhǔn)確度可智能完成對日常維修工作的維修計劃的安排，維修人員可根據(jù)現(xiàn)場情況需求對維修計劃進(jìn)行更改。維修計劃可根據(jù)現(xiàn)場情況變動對時間、地點、人員安排及維修注意事項進(jìn)行相應(yīng)協(xié)調(diào)。維修人員可使用日常維護(hù)系統(tǒng)中的維護(hù)聯(lián)系單以及交接班信息完成對維護(hù)工作的記錄工作。日常維護(hù)系統(tǒng)可完成對有限資源的合理利用，提升整個維修體系的效率，極大地減輕了工作人員的壓力。78F8C064-13D2-49E5-BCC2-0533F42DCA1C

3.4 應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)

應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)隸屬于數(shù)據(jù)分析處理層，主要應(yīng)用于重大故障發(fā)生時采取緊急處理的手段，此系統(tǒng)可組織高效的搶修，實施實時快速故障定位分析，迅速調(diào)度搶險物資、人員配置等資源，力求最短時間解決故障問題，最大限度弱化對運(yùn)行的影響。平時可利用應(yīng)急指揮調(diào)度培訓(xùn)功能，使用VR模擬技術(shù)可以最大限度還原真實故障狀態(tài)，提高維修員工正確處理故障的能力。

3.5 全周期健康管理

健康管理系統(tǒng)隸屬于數(shù)據(jù)分析處理層以及數(shù)據(jù)界面層，主要功能是將計算分析后的全線所有信號設(shè)備的設(shè)備健康度、剩余壽命以及承載容量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)展示給使用者。設(shè)備健康度取決于設(shè)備近期監(jiān)測參數(shù)變化以及變化趨勢、設(shè)備固有壽命以及設(shè)備設(shè)計可靠性、設(shè)備使用頻率以及設(shè)備使用環(huán)境、設(shè)備歷史故障信息以及同類型或同批次設(shè)備故障情況等。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 系統(tǒng)運(yùn)行流程

整個系統(tǒng)運(yùn)行流程如下：

（1）由數(shù)據(jù)獲取層的工作作為系統(tǒng)運(yùn)作的開端，數(shù)據(jù)監(jiān)測軟件可獲取地面及車載各個設(shè)備的實時工作狀態(tài)數(shù)據(jù)及各設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)后，經(jīng)簡單的預(yù)處理將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)分析處理層。

（2）設(shè)備智能診斷系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理判斷設(shè)備的情況，經(jīng)全周期健康管理系統(tǒng)將分析后的健康數(shù)據(jù)與設(shè)備基礎(chǔ)健康數(shù)據(jù)對比分析，當(dāng)分析所得健康數(shù)據(jù)超越正常狀態(tài)下的閾值，健康管理系統(tǒng)將判斷設(shè)備處于半故障狀態(tài)或設(shè)備癱瘓狀態(tài)。

（3）進(jìn)入設(shè)備非正常狀態(tài)后系統(tǒng)會根據(jù)故障特征值分析得出故障種類分類識別以及故障定位功能，并可導(dǎo)出故障部分所屬廠家、工作原理、設(shè)備圖紙等一系列設(shè)備技術(shù)資料，預(yù)測設(shè)備可能進(jìn)入的下階段狀態(tài)以及根據(jù)專家?guī)鞌?shù)據(jù)、案例分析建議等指導(dǎo)工作人員進(jìn)行合理的維修工作安排。

（4）數(shù)據(jù)界面層將分析結(jié)果展示給工作人員，為工作人員做判斷提供依據(jù)。

（5）設(shè)備經(jīng)由工作人員維修完成，經(jīng)數(shù)據(jù)監(jiān)測以及采集系統(tǒng)監(jiān)測采集到設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)在一段時間內(nèi)處于正常水平下，數(shù)據(jù)分析處理層判斷設(shè)備已處于正常狀態(tài)下。系統(tǒng)可向工作人員提供此設(shè)備之后的故障預(yù)測數(shù)據(jù)，包含故障走勢分析以及設(shè)備健康度預(yù)測情況，供工作人員及時修復(fù)替換即將故障的部件，保證整個信號系統(tǒng)順暢地運(yùn)行，降低因故障導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓的概率。

整個系統(tǒng)形成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng)，所有信息均可閉環(huán)跟蹤，為城市軌道交通運(yùn)行維護(hù)工作創(chuàng)造出一個發(fā)現(xiàn)問題、分析對策、解決問題、預(yù)防反饋、實時監(jiān)測的維修保養(yǎng)工作機(jī)制。不僅可以第一時間發(fā)現(xiàn)問題，以高效的手段、極強(qiáng)的針對性去解決問題，并能夠規(guī)避一些非常規(guī)故障的發(fā)生，提高整體系統(tǒng)的可靠性。

4.2 多源融合感知技術(shù)

伴隨大數(shù)據(jù)技術(shù)快速發(fā)展，云平臺的迅速崛起以及人工智能算法的逐漸成熟以及廣泛應(yīng)用，將新型技術(shù)納入整體系統(tǒng)已經(jīng)是一種必然趨勢，在大環(huán)境下將其與系統(tǒng)不同層次結(jié)合為至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)。

車載系統(tǒng)設(shè)備中涉及信號系統(tǒng)的設(shè)備眾多，這類設(shè)備處理的數(shù)據(jù)量大，且均對數(shù)據(jù)的安全性有極高的要求，在采集此類數(shù)據(jù)時對安全隔離要求性高、實施起來難度大，且設(shè)備分散布置在室內(nèi)室外采集數(shù)據(jù)是這項工作的難點。

通過引入多源融合感知技術(shù)，對光纖信號、視頻信號等多種信號源的多源感知技術(shù)，實現(xiàn)信號系統(tǒng)對于可信度、精確度以及覆蓋度的要求，可提高感知的安全性，并感知非侵入式的各種信息流，使列車控制系統(tǒng)的核心設(shè)備安全性得到提高，還可以完成對不同場景的識別功能，可根據(jù)不同場景自動切換成對應(yīng)信號采集模式，提高信號采集的工作效率。

4.3 多引擎融合預(yù)警

信號設(shè)備室外設(shè)備中轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路是非常重要的兩大部件，轉(zhuǎn)轍機(jī)是確定道岔是否能夠活動的關(guān)鍵設(shè)備，軌道電路是實現(xiàn)列車定位功能的重要設(shè)備，保障轉(zhuǎn)轍機(jī)和軌道電路的設(shè)備的安全可靠運(yùn)行是保證信號系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。通常軌道電路和轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)置在室外，現(xiàn)場情況較復(fù)雜，影響因素多，且缺乏穩(wěn)態(tài)特征值，故使用以往單一波形故障分析法對其實現(xiàn)準(zhǔn)確診斷以及故障預(yù)測的難度是非常大的。

多引擎融合預(yù)警顧名思義，使用不同的故障分析法，例如故障樹、推理分析等方法原理混合驅(qū)動診斷故障原因，將城市軌道交通信號系統(tǒng)運(yùn)行原理以及相關(guān)知識專家?guī)鞂?dǎo)入驅(qū)動系統(tǒng)中，并利用人工智能算法加持下的機(jī)器學(xué)習(xí)，能夠完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)與專業(yè)知識相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)復(fù)雜狀態(tài)下的故障原因追溯、關(guān)聯(lián)因素分析等復(fù)雜作業(yè)。

4.4 預(yù)測維修

信號設(shè)備在以往的故障維修經(jīng)驗中，人工經(jīng)驗占據(jù)主導(dǎo)位置，當(dāng)出現(xiàn)故障時通常是工作人員通過積累的經(jīng)驗進(jìn)行處理，可能會造成處理不當(dāng)?shù)那闆r發(fā)生，在維護(hù)工作中投入大量的成本，得到的收效卻很有限。

目前在全周期健康管理的系統(tǒng)分析處理數(shù)據(jù)后，得到設(shè)備健康度、使用壽命趨勢、故障預(yù)測、設(shè)備檢修建議等信息。并可根據(jù)設(shè)備設(shè)計及工作原理，與故障時刻報警信息相結(jié)合，可分析處理電氣曲線特征值與歷史故障維修記錄，得到一份可靠的設(shè)備預(yù)測維修手冊。

預(yù)測維修屬于工作人員主動維修手段，對比過去被動的故障維修以及定時維修，預(yù)測維修可一定程度提高設(shè)備以及整個系統(tǒng)的可靠性，能夠在投入相同成本的前提下獲得更好的效果，降低通過人工經(jīng)驗判斷導(dǎo)致事故的可能性。

5 結(jié)語

該文提出了一個基于PHM的城市軌道交通信號設(shè)備故障管理的設(shè)計方案，將數(shù)據(jù)獲取層、數(shù)據(jù)分析處理層以及數(shù)據(jù)界面層三部分建立系統(tǒng)架構(gòu)，通過設(shè)備在線監(jiān)測、設(shè)備智能診斷系統(tǒng)、日常維護(hù)系統(tǒng)、應(yīng)急指揮調(diào)度系統(tǒng)以及全周期健康管理系統(tǒng)搭建起系統(tǒng)的邏輯功能層面，結(jié)合人工智能算法等新型技術(shù)展示了整體系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。該文的研究成果可為智能運(yùn)行維護(hù)系統(tǒng)的工作提供參考。

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