王向陽，朵建華，劉懂懂，金雪軍

維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（Maintenance Supervision System，MSS）是城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)的統(tǒng)一運(yùn)維平臺(tái)，是反映設(shè)備運(yùn)用質(zhì)量，提高設(shè)備維護(hù)效率，加強(qiáng)結(jié)合部管理的重要信號(hào)設(shè)備［1］。它與國鐵信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一脈相承，其設(shè)計(jì)都遵循國鐵集團(tuán)發(fā)布的《信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)條件》［2］標(biāo)準(zhǔn)。

與傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)系統(tǒng)制式相比，城市軌道交通CBTC 系統(tǒng)的集成化程度更高，偏向于全電子執(zhí)行單元，設(shè)備的電子元器件集成在控制板卡中，用戶對(duì)其控制原理及運(yùn)行狀態(tài)知之甚少［3］。MSS系統(tǒng)日常維護(hù)數(shù)據(jù)來源于CBTC 各子系統(tǒng)的自診斷數(shù)據(jù)，通常只有正常、故障2 種狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)是單一且片面的，從表面上看并無關(guān)聯(lián)性，難以找出設(shè)備故障的根本原因，也不能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)；當(dāng)各系統(tǒng)（設(shè)備）結(jié)合部出現(xiàn)問題時(shí)，難以通過單個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)信息來明確故障原因，影響設(shè)備維護(hù)、檢修效率。段亞美等［4］提出了故障智能診斷、分析預(yù)測(cè)的概念，指出通過建立信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)，研究構(gòu)建新型維護(hù)管理模式，但并未提出從數(shù)據(jù)角度出發(fā)的具體實(shí)現(xiàn)方法。

交通運(yùn)輸部2022 年1 月頒布的《城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)營技術(shù)規(guī)范（試運(yùn)行）》［5］第9.2 條指出，MSS 子系統(tǒng)宜提供信號(hào)設(shè)備故障模式影響分析，主要包括分析對(duì)象、設(shè)備功能、故障模式、故障現(xiàn)象、故障影響范圍、影響行車程度和故障處置建議等。

為此，本文基于MSS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，提出在MSS 系統(tǒng)維修中心的應(yīng)用服務(wù)器上增加智能分析模塊，深度分析各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，明晰設(shè)備故障隱藏的規(guī)律，指導(dǎo)維護(hù)人員進(jìn)行預(yù)防性維修，實(shí)現(xiàn)MSS系統(tǒng)在城市軌道交通中的智能化應(yīng)用［6-7］。

1 MSS系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點(diǎn)

MSS 系統(tǒng)數(shù)據(jù)按照數(shù)據(jù)來源分為自采集數(shù)據(jù)和系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)。自采集數(shù)據(jù)為采集分機(jī)獲取的道岔、信號(hào)機(jī)、外電網(wǎng)等基礎(chǔ)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)；系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)為通過通信接口獲取的其他CBTC 各子系統(tǒng)的自診斷數(shù)據(jù)。

1）自采集數(shù)據(jù)。按照數(shù)據(jù)類型分為電氣特性數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)。以簡單的閾值分析為主，在采集數(shù)據(jù)偏離了預(yù)先設(shè)定的報(bào)警上下限時(shí)，輸出超限預(yù)報(bào)警信息，指導(dǎo)維護(hù)檢修［8］。自采集數(shù)據(jù)在整個(gè)MSS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量中占比約為10%，有限的數(shù)據(jù)無法反映CBTC系統(tǒng)及設(shè)備的運(yùn)行狀況。

2）系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)。主要為各子系統(tǒng)板卡（模塊）正?；蚬收系臓顟B(tài)數(shù)據(jù)。MSS 系統(tǒng)以圖形方式顯示各子系統(tǒng)的運(yùn)行情況，并以顏色區(qū)分板件（模塊）的工作狀態(tài)。

維護(hù)人員只能根據(jù)板卡的狀態(tài)信息進(jìn)行故障處置，并不能直觀地了解設(shè)備內(nèi)部的電氣性能，這與國鐵信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過采集和分析設(shè)備電氣特性數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)設(shè)備工作狀態(tài)的維護(hù)模式存在較大的區(qū)別。當(dāng)設(shè)備因板卡（模塊）的電子元器件老化等原因處于亞健康狀態(tài)時(shí)，無法通過信號(hào)子系統(tǒng)的診斷數(shù)據(jù)體現(xiàn)，維護(hù)人員只能在設(shè)備出現(xiàn)故障后進(jìn)行被動(dòng)維修。

2 MSS系統(tǒng)架構(gòu)

MSS 系統(tǒng)由分布在設(shè)備集中站、車輛段/停車場(chǎng)的站機(jī)設(shè)備，非設(shè)備集中站、控制中心、維修工區(qū)的采集設(shè)備，維修中心的服務(wù)器及各維護(hù)工區(qū)的維護(hù)工作站等設(shè)備組成；實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)機(jī)、轉(zhuǎn)轍機(jī)、電源等基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備的監(jiān)控；接收計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖（CI）、列車自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)（DCS）、無線通信系統(tǒng)（LTE）、計(jì)軸、區(qū)域控制器（ZC）、列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)（ATO）、列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)（ATP）等子系統(tǒng)的運(yùn)維信息［3］；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、處理及分析，并在各級(jí)維護(hù)工作站中可視化展示故障報(bào)警信息［9］。MSS 系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 MSS系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 中，維修中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于保存各站機(jī)自采集數(shù)據(jù)及各CBTC 子系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)，并建立CBTC 系統(tǒng)維護(hù)數(shù)據(jù)池；應(yīng)用服務(wù)器增加智能分析模塊，通過設(shè)置定時(shí)任務(wù)，啟動(dòng)對(duì)前一天數(shù)據(jù)的智能分析，并輸出分析報(bào)告，維護(hù)人員可在各級(jí)維護(hù)工作站調(diào)閱該分析報(bào)告及健康度顯示界面，實(shí)現(xiàn)故障定位及排故指導(dǎo)。

3 智能分析應(yīng)用

3.1 設(shè)備關(guān)聯(lián)性分析

本文采用灰色關(guān)聯(lián)度及卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對(duì)設(shè)備間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行分析，以發(fā)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的相關(guān)性及隱藏的故障規(guī)律［10］。MSS 系統(tǒng)對(duì)每一種設(shè)備的報(bào)警分布進(jìn)行數(shù)據(jù)窗口劃定，即神經(jīng)元；設(shè)定神經(jīng)元的大小為60 s，即分布在1 天內(nèi)的某設(shè)備的報(bào)警可劃分為1 440 個(gè)神經(jīng)元，有顏色的方塊表示該單元內(nèi)存在報(bào)警；2 種設(shè)備按照同一神經(jīng)單元進(jìn)行劃分，顏色有重疊表示2 種設(shè)備在同一時(shí)間段內(nèi)都存在報(bào)警，這些報(bào)警可能存在關(guān)聯(lián)性，顏色塊重疊的越多，表示2 個(gè)設(shè)備的關(guān)聯(lián)度越高，反之則越低。設(shè)備A、B的關(guān)聯(lián)度計(jì)算式為

式中：Sup(A∪B)為神經(jīng)元內(nèi)設(shè)備A、B 同時(shí)報(bào)警的次數(shù)；Cot(A)為設(shè)備A 報(bào)警出現(xiàn)在神經(jīng)元內(nèi)的總次數(shù)。Cof(A→B)僅表示A 與B 之間的關(guān)聯(lián)度和因果關(guān)系，不表示設(shè)備B與A之間的關(guān)聯(lián)度和因果關(guān)系，關(guān)聯(lián)度為介于0~1 之間的數(shù)值，越接近1表示設(shè)備間關(guān)聯(lián)性越高。

在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，MSS 系統(tǒng)輸出設(shè)備關(guān)聯(lián)分析報(bào)告，并自動(dòng)提示既有設(shè)備的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，輔助維護(hù)人員分析故障發(fā)生的根本原因，提高維護(hù)檢修效率。由圖2 所示電源屏故障設(shè)備關(guān)聯(lián)分析報(bào)告可知，電源屏超限報(bào)警由外電網(wǎng)設(shè)備引起的可能性為94%，為此在電源屏出現(xiàn)電氣特性超限報(bào)警時(shí)，維護(hù)人員應(yīng)著重分析同一時(shí)刻外電網(wǎng)的工作狀況是否正常。

圖2 電源屏故障設(shè)備關(guān)聯(lián)分析報(bào)告

3.2 設(shè)備故障時(shí)段分析

CBTC 信號(hào)系統(tǒng)軌旁設(shè)備（如道岔、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸磁頭、應(yīng)答器、電纜等）的工作狀態(tài)受室外環(huán)境溫濕度的影響較大。因此有必要將設(shè)備故障時(shí)段、影響范圍、種類、頻次［11］等因素通過統(tǒng)計(jì)報(bào)表的形式展現(xiàn)給用戶。

基于設(shè)備的報(bào)警時(shí)間，建立設(shè)備24 h 及月報(bào)警分布圖，得出故障時(shí)段分析報(bào)告；系統(tǒng)也可輸出某月發(fā)生故障最多的3 類設(shè)備，并提醒維護(hù)人員在該月重點(diǎn)關(guān)注此類設(shè)備。如圖3所示，2022年8 號(hào)線道岔設(shè)備在1~3 月期間報(bào)警較多，故障原因可能與氣溫、濕度等因素相關(guān)，因此維護(hù)人員應(yīng)在設(shè)備故障多發(fā)季節(jié)，重點(diǎn)關(guān)注該類設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 設(shè)備故障時(shí)段分析報(bào)告

3.3 設(shè)備劣化趨勢(shì)分析

隨著設(shè)備使用年限的增加，相關(guān)電子元器件的老化，導(dǎo)致CBTC 各子系統(tǒng)設(shè)備故障增多。MSS系統(tǒng)從同比、環(huán)比角度生成設(shè)備的報(bào)警趨勢(shì)曲線，依據(jù)設(shè)備報(bào)警頻次、報(bào)警持續(xù)時(shí)間等參數(shù)，分析設(shè)備是否存在劣化趨勢(shì)，達(dá)到預(yù)先告警和維護(hù)管理的目的［12］。設(shè)備劣化趨勢(shì)分析報(bào)告見圖4。該報(bào)告指出該分析時(shí)段內(nèi)，1-J1 設(shè)備在2022 年共發(fā)生156 次報(bào)警，5~12 月報(bào)警頻次及持續(xù)時(shí)間呈逐漸增加趨勢(shì)；其中道岔缺口監(jiān)測(cè)報(bào)警增加較多，需在天窗點(diǎn)內(nèi)調(diào)整鎖閉桿或聯(lián)合工務(wù)進(jìn)行整治，消除道岔缺口監(jiān)測(cè)報(bào)警根因。

圖4 設(shè)備劣化趨勢(shì)分析報(bào)告

3.4 設(shè)備健康度評(píng)估

3.4.1設(shè)備健康度計(jì)算

設(shè)備健康度是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的直觀體現(xiàn)，也是備件采購、檢修規(guī)程制定的重要參考數(shù)據(jù)。依據(jù)設(shè)備服役狀態(tài)的健康指數(shù)評(píng)價(jià)，指導(dǎo)用戶進(jìn)行預(yù)防性維修，提升運(yùn)維質(zhì)量［5］。系統(tǒng)從設(shè)備生命周期、未恢復(fù)報(bào)警、總報(bào)警數(shù)量、模擬量偏差、設(shè)備運(yùn)用次數(shù)、設(shè)備檢修等6 個(gè)維度對(duì)設(shè)備的健康度進(jìn)行評(píng)判，按照重要程度預(yù)先設(shè)定權(quán)重，6 項(xiàng)權(quán)重相加為1，依據(jù)式（2）將6 項(xiàng)維度分值相加，即為設(shè)備健康度分值（最高為100 分）。使用設(shè)備健康度分值將設(shè)備分為3 種狀態(tài)：健康、亞健康和故障，可反映設(shè)備形態(tài)與性能由量變到質(zhì)變的動(dòng)態(tài)過程［13］。

1）生命周期維度。采用基于統(tǒng)計(jì)的設(shè)備壽命評(píng)估法，根據(jù)設(shè)備的上道時(shí)間、使用年限、配件及易損件的檢修更換情況，計(jì)算設(shè)備生命周期分值［13］。按照設(shè)備上道時(shí)間與使用年限的比例進(jìn)行減分操作。設(shè)備生命周期以最小可替換單元的使用年限計(jì)算，如以信號(hào)機(jī)燈泡的使用年限作為信號(hào)機(jī)設(shè)備的生命周期年限，在配件檢修更換后，應(yīng)重置設(shè)備的使用年限。

2）未恢復(fù)報(bào)警維度。該參數(shù)是分析設(shè)備當(dāng)前工作狀態(tài)是否正常的重要指標(biāo)。在分析周期內(nèi)，依據(jù)設(shè)備報(bào)警類型、報(bào)警等級(jí)等參數(shù)做減分操作，如一級(jí)報(bào)警減10 分，二級(jí)報(bào)警減5 分，三級(jí)報(bào)警減2 分。設(shè)備未恢復(fù)報(bào)警維度的權(quán)重應(yīng)占總權(quán)重的50%及以上。

3）總報(bào)警數(shù)量維度。該參數(shù)統(tǒng)計(jì)了設(shè)備的已恢復(fù)報(bào)警和未恢復(fù)報(bào)警的數(shù)量，是設(shè)備在使用過程中是否可靠運(yùn)行的重要指標(biāo)。若設(shè)備報(bào)警較多，說明該設(shè)備運(yùn)行不可靠，存在故障的可能性。通過設(shè)定每種報(bào)警類型數(shù)量對(duì)應(yīng)的減分值，來計(jì)算該維度的分值。

4）模擬量偏差維度。在分析周期內(nèi)，以設(shè)備的模擬量日?qǐng)?bào)表數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算當(dāng)前模擬量平均值與歷史經(jīng)驗(yàn)平均值的偏差比例，根據(jù)預(yù)設(shè)的偏差比例扣分值計(jì)算該維度分值。如當(dāng)前偏差比例為5%時(shí)的預(yù)設(shè)扣分值為5 分，則該項(xiàng)計(jì)算分值為95 分，若維度權(quán)重為10%，則該維度計(jì)入設(shè)備健康度的分值為9.5 分。對(duì)無模擬量的設(shè)備，該項(xiàng)維度權(quán)重為0，則計(jì)入健康度的分值也為0。

5）設(shè)備運(yùn)用次數(shù)維度。依據(jù)道岔動(dòng)作次數(shù)、信號(hào)機(jī)點(diǎn)燈時(shí)間、繼電器動(dòng)作次數(shù)的統(tǒng)計(jì)報(bào)表進(jìn)行維度分值計(jì)算，采用“（已運(yùn)用次數(shù)/允許總運(yùn)用次數(shù)）×維度權(quán)重”得出設(shè)備的該維度分值。對(duì)沒有運(yùn)用次數(shù)統(tǒng)計(jì)的設(shè)備，該項(xiàng)維度的權(quán)重為0。

6）設(shè)備檢修維度。在計(jì)算設(shè)備檢修維度時(shí)，應(yīng)考慮計(jì)劃檢修及故障預(yù)防檢修2 種情況。系統(tǒng)內(nèi)可預(yù)設(shè)設(shè)備的檢修時(shí)間，對(duì)超過檢修周期的設(shè)備以天為單位進(jìn)行扣分。

根據(jù)設(shè)備類型和特性，設(shè)備健康度的計(jì)算權(quán)重應(yīng)單獨(dú)設(shè)計(jì)。以某站道岔設(shè)備為例，其6 個(gè)維度的權(quán)重設(shè)置建議為：設(shè)備生命周期維度權(quán)重為0.1、未恢復(fù)報(bào)警維度權(quán)重為0.5、總報(bào)警數(shù)量維度權(quán)重為0.2、模擬量偏差維度權(quán)重為0.05、設(shè)備運(yùn)用次數(shù)維度權(quán)重為0.1、設(shè)備檢修維度為0.05。

3.4.2應(yīng)用效果

維護(hù)工作站可顯示系統(tǒng)站機(jī)狀態(tài)、健康度評(píng)分、系統(tǒng)平均無故障時(shí)間等數(shù)據(jù)，雙擊圖表可細(xì)化展示各設(shè)備的具體評(píng)分。系統(tǒng)健康度展示主頁面見圖5，該站場(chǎng)狀態(tài)為67分，表示該站場(chǎng)設(shè)備的整體運(yùn)行情況處于較低分值，需重點(diǎn)關(guān)注，其中電源屏設(shè)備的健康度分值較低，需進(jìn)行檢修。

圖5 系統(tǒng)健康度展示主頁面

4 結(jié)束語

MSS 系統(tǒng)從多維度、多特征的角度對(duì)CBTC各子系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，尋找設(shè)備的劣化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，及時(shí)調(diào)整維修策略，達(dá)到預(yù)先告警、預(yù)先維護(hù)管理的目的，在指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)故障原因定位及跨專業(yè)分析方面效果突出。

2022 年，該系統(tǒng)已在寧波地鐵投入使用，應(yīng)用效果良好。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)累積了大量的樣本數(shù)據(jù)，并建立了CBTC 運(yùn)行大數(shù)據(jù)池，可積極引入智能化技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，進(jìn)一步構(gòu)建CBTC智能運(yùn)維系統(tǒng)。