鄒定鋒

（福州地鐵集團(tuán)有限公司，福建 福州 350004）

0 引言

目前，城市軌道交通信號系統(tǒng)設(shè)備維修維護(hù)的數(shù)量急劇增長，系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜，集成度高，接口繁多，維護(hù)管理手段落后，以及各專業(yè)維護(hù)系統(tǒng)的分散配置，導(dǎo)致維護(hù)系統(tǒng)使用率低下，設(shè)備維護(hù)效率下降，無法有效實(shí)現(xiàn)信號系統(tǒng)精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)管理及運(yùn)維，需要對當(dāng)前的維護(hù)技術(shù)和管理手段進(jìn)行變革提升。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的逐步成熟，已具備了通過智能維護(hù)提高軌道交通安全、降低工作強(qiáng)度和人才依賴的基礎(chǔ)。

本文通過對信號系統(tǒng)運(yùn)營關(guān)鍵技術(shù)、設(shè)備和維護(hù)體系的深入研究，運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新及業(yè)務(wù)集成，構(gòu)建信號智能化維護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的集成監(jiān)測、智能診斷及健康評估，以此促進(jìn)維護(hù)模式及維護(hù)手段的創(chuàng)新及提效。

1 智能化維護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用的必要性

傳統(tǒng)的城市軌道維護(hù)系統(tǒng)和體系大多仍處于故障修、計(jì)劃修階段，無法支撐現(xiàn)有集成度高、接口復(fù)雜、高強(qiáng)度的運(yùn)營需求。主要表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)以人工定期測量為主，數(shù)據(jù)時(shí)效性、準(zhǔn)確性、覆蓋面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。部分線路具備簡單的在線感知監(jiān)測功能，初步采集了相關(guān)設(shè)備狀態(tài)及參數(shù)，但在線感知的覆蓋面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。

（2）傳統(tǒng)的維護(hù)模式以人工調(diào)閱瀏覽測量及在線感知數(shù)據(jù)為主，分析的準(zhǔn)確性、時(shí)效性、完整性不足，特別是面向超大規(guī)模的線網(wǎng)設(shè)備，設(shè)備數(shù)據(jù)量巨大，設(shè)備數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)性強(qiáng)，人工分析模式無法持續(xù)。

（3）傳統(tǒng)的維護(hù)模式中設(shè)備運(yùn)行規(guī)律總結(jié)、維護(hù)決策多以人工經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏有效的數(shù)據(jù)支持。

（4）運(yùn)營和維護(hù)壁壘嚴(yán)重，多以人工交流、電話、報(bào)告溝通為主。人工溝通的時(shí)效性低、準(zhǔn)確性差，這阻礙了運(yùn)營對動(dòng)態(tài)事件、動(dòng)態(tài)設(shè)備狀態(tài)的快速響應(yīng)及調(diào)整。

（5）傳統(tǒng)的維護(hù)模式中多以計(jì)劃性維護(hù)為主，人工的投入巨大，產(chǎn)生的維護(hù)作用有限。在完成設(shè)備在線感知、分析的基礎(chǔ)上，具備建立基于設(shè)備健康狀態(tài)的主動(dòng)維護(hù)條件。

乘客對軌道交通依賴性強(qiáng)，對安全、便捷、準(zhǔn)點(diǎn)、舒適、運(yùn)營時(shí)長等多方面有綜合需求，對設(shè)備維護(hù)時(shí)長、效率、質(zhì)量提出了更高的要求。因此，應(yīng)用自動(dòng)化、智能化的維護(hù)系統(tǒng)顯得非常必要和緊迫。

2 智能化維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求

為解決傳統(tǒng)的城市軌道維護(hù)系統(tǒng)和體系存在的設(shè)備維護(hù)難點(diǎn)，智能化維護(hù)系統(tǒng)需要從頂層進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要的需求表現(xiàn)在：

（1）系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)、高頻的設(shè)備狀態(tài)感知及監(jiān)測，以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確掌握整個(gè)線網(wǎng)設(shè)施設(shè)備的工作狀態(tài)。

（2）系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)故障智能診斷功能，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障并自動(dòng)定位故障原因、指導(dǎo)排除故障，壓縮故障延時(shí)，避免故障對運(yùn)營產(chǎn)生影響；系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能預(yù)警功能，發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患并指導(dǎo)排除隱患，防患于未然。

（3）系統(tǒng)需建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)中心，利用長期沉淀數(shù)據(jù)，總結(jié)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，生成維護(hù)建議報(bào)告。利用設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析結(jié)論，有針對性地對設(shè)備進(jìn)行調(diào)優(yōu)、整治、優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（4）系統(tǒng)需建立運(yùn)營及運(yùn)維的一體化協(xié)同機(jī)制，分析設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。維護(hù)信息快速與運(yùn)行聯(lián)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)營根據(jù)設(shè)備狀態(tài)的優(yōu)化及響應(yīng)。

（5）系統(tǒng)需建立主動(dòng)式維保體系，將設(shè)備設(shè)施的在線感知數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)分析、大數(shù)據(jù)分析結(jié)論與維護(hù)資源建立緊密聯(lián)系，建立人、事、物、態(tài)統(tǒng)籌聯(lián)動(dòng)的主動(dòng)維保標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)快速有效的維護(hù)過程。

（6）以合理集約化為目標(biāo)，進(jìn)行設(shè)備修程修制變更、集中化跨區(qū)域調(diào)度指揮、屬地區(qū)域化管理、后臺(tái)專業(yè)化數(shù)據(jù)分析為核心的新管理模式改革。

（7）基于設(shè)備的狀態(tài)維修是基于智能運(yùn)維大數(shù)據(jù)分析報(bào)警、預(yù)警、健康指標(biāo)、維修指導(dǎo)進(jìn)行的主動(dòng)維修，包括設(shè)備巡視、現(xiàn)場維修及試驗(yàn)、保養(yǎng)維護(hù)、輪修維護(hù)。

3 智能化維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

3.1 智能化維護(hù)系統(tǒng)總體功能

基于智能化維護(hù)系統(tǒng)的需求分析，對信號系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行分解，根據(jù)信號系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的關(guān)鍵程度、故障發(fā)生頻率、故障影響程度以及技術(shù)可行度綜合分析，進(jìn)行故障預(yù)警研究和開發(fā)，得出智能化維護(hù)系統(tǒng)的總體功能和實(shí)現(xiàn)方式如下：

（1）在線集成監(jiān)測功能。主要表現(xiàn)在：集成和在線監(jiān)測范圍覆蓋信號系統(tǒng)所有相關(guān)專業(yè)。包括列車控制系統(tǒng)、ATS、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)管、電源（電源屏、UPS、外電網(wǎng)等）、道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備、信號機(jī)、計(jì)軸、軌道電路、屏蔽門、環(huán)境監(jiān)測等。

（2）智能分析及預(yù)警功能。主要表現(xiàn)在：具備故障智能診斷和定位以及預(yù)警分析功能，在故障出現(xiàn)時(shí)，能自動(dòng)定位故障處所和原因，以故障原理圖方式顯示故障處所；平臺(tái)能自動(dòng)發(fā)現(xiàn)故障隱患，在監(jiān)測信息出現(xiàn)異常波動(dòng)、突變、超限等情況時(shí)，能及時(shí)預(yù)警。故障報(bào)警和預(yù)警能提供維護(hù)建議和故障處理流程。

（3）系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析功能?；诖髷?shù)據(jù)技術(shù)對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和健康狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以判斷或預(yù)測設(shè)備隱患；對各車站、各類型設(shè)備長期運(yùn)行情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并生成報(bào)表，為維護(hù)策略提供科學(xué)支撐。

（4）系統(tǒng)全圖形化的操作界面。全面呈現(xiàn)監(jiān)測綜合信息，可由宏觀到微觀，逐級呈現(xiàn)詳細(xì)監(jiān)測信息。

（5）信號設(shè)備綜合運(yùn)維系統(tǒng)故障回放功能。在出現(xiàn)故障時(shí)，能對站場圖或圖形化進(jìn)行回放，關(guān)鍵設(shè)備具備基于原理圖的回放功能，以輔助故障分析和快速診斷。

（6）設(shè)備質(zhì)量評價(jià)。基于設(shè)備綜合采集信息，如電氣特性參數(shù)偏差、報(bào)警、預(yù)警等，對設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量和健康度進(jìn)行評價(jià)，有利于從宏觀角度展現(xiàn)各車站、各類型設(shè)備運(yùn)行情況。

（7）系統(tǒng)管理相關(guān)功能。故障案例庫管理功能；設(shè)備管理，包括道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備履歷、備品備件管理等；報(bào)警/問題庫管理功能，實(shí)現(xiàn)故障閉環(huán)管理。

3.2 智能化維護(hù)系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能運(yùn)維管理系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)與健康管理平臺(tái)的深度集成的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、故障預(yù)測與健康管理、智能運(yùn)維服務(wù)。最終實(shí)現(xiàn)視情維修，達(dá)到較大幅度增強(qiáng)車輛可靠性和可用性，提升運(yùn)維效率，減少運(yùn)維成本的目標(biāo)?？傮w架構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 智能化維護(hù)系統(tǒng)總體架構(gòu)方案

主要分為中心層和車站層。中心層主要部署應(yīng)用服務(wù)器和日志記錄服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)中心設(shè)備的接口和全部數(shù)據(jù)的記錄及存儲(chǔ)。車站層主要是設(shè)備的感知。

3.3 信號系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的感知覆蓋

本章節(jié)以信號系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)為例，介紹設(shè)備感知覆蓋。

道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測除了實(shí)現(xiàn)線路道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備基礎(chǔ)采集信息外，還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)如下功能：

3.3.1 集成監(jiān)測、智能診斷及預(yù)警

（1）道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備故障智能診斷和定位；

（2）道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備電氣特性及動(dòng)作曲線預(yù)警分析；

（3）道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備故障的維護(hù)建議；

（4）故障處理流程圖。

3.3.2 基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)功能

（1）道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備動(dòng)作次數(shù)的統(tǒng)計(jì)功能；

（2）道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備動(dòng)作時(shí)間（時(shí)長）統(tǒng)計(jì)功能；

（3）道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備啟動(dòng)峰值、鎖閉峰值趨勢的統(tǒng)計(jì)功能道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備定反位占用時(shí)間統(tǒng)計(jì)；

（4）基于圖表的報(bào)警統(tǒng)計(jì)功能；

（5）道岔轉(zhuǎn)轍設(shè)備表示電壓、相電壓、缺口值等年、月、日趨勢。

3.3.3 基于報(bào)警和預(yù)警的道岔質(zhì)量分析及健康度評價(jià)報(bào)表

以曲線的形式直觀顯示轉(zhuǎn)轍機(jī)動(dòng)作過程的相關(guān)參數(shù)值，也可以根據(jù)需要設(shè)置參考曲線、摩擦曲線，保存、調(diào)閱及導(dǎo)出故障案例等。

3.4 信號關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)警范式

智能分析和預(yù)警功能基于智能化維護(hù)系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，基于智能化的專家診斷和分析方法，實(shí)現(xiàn)對信號設(shè)備的故障診斷和預(yù)警分析，提供故障處所定位、故障原因分析、處理維護(hù)指導(dǎo)等智能維護(hù)功能，同時(shí)基于設(shè)備健康狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的質(zhì)量評價(jià)分析，結(jié)合問題閉環(huán)管理流程實(shí)現(xiàn)智能化、集成化的綜合智能分析功能。

通過對信號設(shè)備質(zhì)量因素的建模，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的質(zhì)量分析。質(zhì)量分析結(jié)果直接反映了信號設(shè)備當(dāng)前的健康程度，當(dāng)健康程度超過閾值設(shè)定時(shí)，即代表該信號設(shè)備需要進(jìn)行維護(hù)關(guān)注。

根據(jù)采集的設(shè)備數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)和現(xiàn)場獲取到的線路信息等，完成關(guān)鍵設(shè)備健康狀態(tài)評估，輸出健康狀態(tài)評估結(jié)論。

完成設(shè)備健康評估需針對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。如線路信息、振動(dòng)、沖擊數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。通過線路信息可以完成位置與數(shù)據(jù)的匹配，進(jìn)而在發(fā)現(xiàn)異常時(shí)完成故障定位；趨勢數(shù)據(jù)通過特征提取模塊完成對應(yīng)特征參數(shù)的提取；其他數(shù)據(jù)完成信息修正處理。三者結(jié)論進(jìn)入綜合決策模塊，完成最終的健康評估，并對外輸出健康等級與相關(guān)維修建議。

3.4.1 壽命預(yù)測

根據(jù)健康評估結(jié)論、感知數(shù)據(jù)、已應(yīng)用里程、維修信息等，完成關(guān)鍵設(shè)備部件剩余壽命預(yù)測，輸出剩余運(yùn)營里程和剩余運(yùn)營時(shí)間結(jié)論，模型如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵設(shè)備剩余壽命評估模型

完成設(shè)備壽命預(yù)測需針對三類數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即健康評估數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。

（1）健康評估數(shù)據(jù)通過部件故障程度判斷模塊完成分析評估；

（2）趨勢數(shù)據(jù)通過趨勢預(yù)判決策模塊完成數(shù)據(jù)分析預(yù)測評估；

（3）利用已知的累計(jì)里程、維修履歷及設(shè)計(jì)參數(shù)完成特征參數(shù)提取。

三者結(jié)論進(jìn)入綜合決策模塊，完成最終的壽命預(yù)測，并對外輸出剩余運(yùn)營里程及剩余運(yùn)營時(shí)間。

3.4.2 預(yù)警/壽命預(yù)測檢修建議

關(guān)鍵設(shè)備部件綜合健康評估結(jié)果和剩余壽命預(yù)測結(jié)果，確定維修建議，具體如表1所示。

表1 關(guān)鍵設(shè)備維修建議表

3.4.3 設(shè)備管理

設(shè)備管理分為在用設(shè)備和應(yīng)急備品管理兩類，每件設(shè)備建立唯一的設(shè)備臺(tái)賬，按照上道→下道→入所→報(bào)廢的生命周期對設(shè)備進(jìn)行管理，并能夠?qū)μ幵诟鳡顟B(tài)的設(shè)備進(jìn)行查詢。

4 智能化維護(hù)系統(tǒng)的補(bǔ)充之智能巡檢系統(tǒng)

智能巡檢系統(tǒng)設(shè)備在全線各通信信號設(shè)備室內(nèi)設(shè)置智能巡檢設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對通信信號機(jī)房環(huán)境的狀態(tài)采集，可以作為智能化維護(hù)系統(tǒng)的一種遠(yuǎn)程維護(hù)的補(bǔ)充手段。智能巡檢系統(tǒng)支持針對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行一鍵運(yùn)維，通過得分及異常狀態(tài)數(shù)據(jù)直觀展示系統(tǒng)健康程度。系統(tǒng)支持針對所選區(qū)域下的監(jiān)控點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行一鍵巡檢，并展示在線狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時(shí)支持巡檢數(shù)據(jù)導(dǎo)出。

智能巡檢系統(tǒng)支持可視化展示近24h、近一周、近一個(gè)月內(nèi)所選區(qū)域下監(jiān)控點(diǎn)在線率及圖像正常率數(shù)據(jù)，視頻異常項(xiàng)及圖像異常項(xiàng)數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)支持針對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行一鍵運(yùn)維，通過得分及異常狀態(tài)數(shù)據(jù)直觀展示系統(tǒng)健康程度。系統(tǒng)支持針對所選區(qū)域下的監(jiān)控點(diǎn)狀態(tài)、錄像巡檢狀態(tài)、視頻診斷狀態(tài)及點(diǎn)播狀態(tài)進(jìn)行一鍵巡檢，并展示異常狀態(tài)及在線狀態(tài)數(shù)據(jù)。同時(shí)支持巡檢數(shù)據(jù)導(dǎo)出，支持依照所選區(qū)域及其子區(qū)域的巡檢得分排名，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測及質(zhì)量評估。

5 結(jié)語

智能化維護(hù)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用可以有效提高地鐵運(yùn)營企業(yè)的設(shè)施設(shè)備維護(hù)保障水平，改進(jìn)維護(hù)保障作業(yè)效率，減少重復(fù)性人工維護(hù)工作量，降低維護(hù)財(cái)務(wù)成本，幫助地鐵運(yùn)營企業(yè)提升地鐵經(jīng)營效益。智能化維護(hù)系統(tǒng)的研究和應(yīng)用將會(huì)對地鐵信號系統(tǒng)常態(tài)化、高強(qiáng)度運(yùn)營起到至關(guān)重要的支撐作用，有力地保障了軌道交通列車安全、高效運(yùn)行。