地鐵的信號維護支持系統(tǒng)

周庭梁 張兵建

(卡斯柯信號有限公司,200071,上海∥第一作者,工程師)

隨著我國城市軌道交通的快速發(fā)展,以及CBTC(Communication-Based Train Control,基于通信的列車控制)模式信號系統(tǒng)和無人駕駛等先進技術(shù)的應用,使列車的行車間隔越來越短。為此,一方面需要縮短地鐵信號設備的故障恢復間隔,以提高設備的運行效率;另一方面,需要根據(jù)設備的運營數(shù)據(jù)和故障統(tǒng)計,制定合理的預防性維護策略,以提高設備的可用性。

在軌道交通信號系統(tǒng)中引入地鐵信號的維護支持系統(tǒng)(Maintenance Support System,簡為MSS),作為整個信號系統(tǒng)設備狀態(tài)監(jiān)測和維護的輔助工具,在自動列車監(jiān)控(ATS)系統(tǒng)、列車自動防護(ATP)系統(tǒng)、列車自動運行(ATO)系統(tǒng)、計算機聯(lián)鎖(Computer Based Interlocking,簡為CBI)、通信等系統(tǒng)故障情況下,可幫助信號維護人員定位故障設備,管理維修作業(yè),并提供相應的維護指導文檔,輔助制定維護計劃。

1 地鐵信號維護支持系統(tǒng)的現(xiàn)狀

目前,國內(nèi)地鐵信號設備的配套維護系統(tǒng)一般采用以下幾種方式:

1)分立模式,即每個子系統(tǒng)都有一套獨立的故障診斷系統(tǒng)。分立模式有利于提供各子系統(tǒng)內(nèi)專業(yè)的故障診斷及分析功能,但各個子系統(tǒng)之間容易形成維護信息孤島,缺乏統(tǒng)一故障監(jiān)測和維護管理的信息化平臺,不利于實行統(tǒng)一的設備維護工作。

2)通過 ATS系統(tǒng),管理所有報警信息。由于ATS系統(tǒng)的主要功能是進行運營調(diào)度,僅能夠提供有限的報警信息,無法給信號維護人員提供完善的維護支持功能,也無法系統(tǒng)地計劃與安排維護工作。

3)單獨設置一套信號維護監(jiān)測子系統(tǒng),用于維護支持和管理。目前CBTC系統(tǒng)的核心設備都是從國外進口,一般由信號供貨商提供核心系統(tǒng)[1](ATS、ATP、ATO 和微機聯(lián)鎖等)的維護支持系統(tǒng);軌旁基礎(chǔ)信號設備則由國內(nèi)采購,一般采用符合鐵道部標準的微機監(jiān)測系統(tǒng)進行監(jiān)測。該方式在沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化的系統(tǒng)中普遍采用。其缺點是,維護人員需要通過兩套獨立的系統(tǒng)才能實現(xiàn)完整的維護支持,而且兩套系統(tǒng)之間一般不能通信,也不利于實行統(tǒng)一的維護管理。

在我國國家標準《地鐵設計規(guī)范》中,并沒有對地鐵信號系統(tǒng)維護相關(guān)領(lǐng)域提出明確的要求。為此,需要引入地鐵信號維護支持系統(tǒng),使其完全國產(chǎn)化,并與微機監(jiān)測系統(tǒng)進行整合,實現(xiàn)對信號系統(tǒng)的統(tǒng)一監(jiān)督與維護管理。

2 地鐵信號維護支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

針對城市軌道交通現(xiàn)狀,有必要在線路維修中心(一般在車輛段)設置獨立的地鐵信號維護支持系統(tǒng),完成對列車運行的監(jiān)視和整個信號系統(tǒng)所有設備的集中報警功能,并對在線運行的信號設備進行維護管理和支持。

地鐵信號維護支持系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上包括中心(控制中心、維修中心)和車站(沿線各信號工區(qū)、設備集中站、車輛段、停車場等)兩部分。整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡連接結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 地鐵信號維護支持系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

2.1 中心級子系統(tǒng)

中心級子系統(tǒng)包括:

1)兩套位于維修中心的中央應用、數(shù)據(jù)庫服務器,主要采集 ATS、ATP 、ATO 、CBI等系統(tǒng)的設備狀態(tài),產(chǎn)生合適的事件和報警,并保存到報警歷史數(shù)據(jù)庫中;由其管理全線維護支持系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)(包括設備出廠信息、運行參數(shù)),維護工單,維護計劃等。

2)位于維修中心、控制中心的維護調(diào)度工作站,用于提供全線設備狀態(tài)及報警的實時顯示與報警確認,下達維護工單,并跟蹤維護工單執(zhí)行情況(例如,已關(guān)閉或是正在執(zhí)行等);對報警歷史(時間、設備類型、位置、供應商等)進行過濾和檢索,制定維護計劃。

3)系統(tǒng)配置工作站,用于系統(tǒng)初始化,分配人員角色及權(quán)限,配置設備清單,進行設備發(fā)現(xiàn)等。

2.2 車站級子系統(tǒng)

車站級子系統(tǒng)包括:

1)信號工區(qū)維護終端,用于接收中心維護調(diào)度下達的維護指令,查閱相關(guān)的維護文檔,并將設備的維護結(jié)果報告中心維護調(diào)度。

2)集中站維護終端,設置在設備集中站的車站維護終端,除具備信號工區(qū)維護終端功能以外,還作為信號微機監(jiān)測站機,收集基礎(chǔ)信號設備狀態(tài)信息(主要是一、二級報警信息)。

3)車輛段、停車場維護終端,其作用同信號工區(qū)維護終端。

4)便攜維護終端,其作用同信號工區(qū)維護終端,并可用于車載信號系統(tǒng)離線維護數(shù)據(jù)的下載與處理。

3 地鐵信號維護支持系統(tǒng)的功能

地鐵信號維護支持系統(tǒng)主要提供對二級維護的支持,其功能包括設備狀態(tài)的采集、報警信息的生成、維護管理和統(tǒng)計分析等。此處的二級維護是指ATP、ATO、CBI或通信子系統(tǒng)故障情況下,能定位故障設備(或設備的故障部件),并對故障設備(部件)進行替換及驗證的工作。

3.1 信號設備狀態(tài)信息采集及報警生成

地鐵信號維護支持系統(tǒng)通過主干網(wǎng)采集信號設備狀態(tài)和維護信息,包括軌旁設備(聯(lián)鎖等)、車載設備(ATP、ATO等)、網(wǎng)絡設備(交換機等)、計算機設備等,如圖1所示。

維護支持系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的方式有兩種:

1)通過簡單網(wǎng)管協(xié)議(Simple Network Management Protocol,簡為SNMP)輪詢信號設備的管理信息庫(Management Information Base,簡為MIB)。信號設備的MIB,用于存儲該設備的狀態(tài)及故障信息,通過按照固定頻率輪詢信號設備MIB,來獲取設備狀態(tài)。

2)接收信號子系統(tǒng)主動上傳的故障報警。ATS、ATP、ATO 、CBI等子系統(tǒng)具有自診斷及報警功能。當這些子系統(tǒng)診斷到故障報警時,除在相應的終端上顯示報警信息外,還以SNMP陷阱信息的形式,主動將報警信息發(fā)送給維護支持系統(tǒng),由維護支持系統(tǒng)對該狀態(tài)信息進行分析處理。

在獲取設備狀態(tài)信息,或是接收到設備主動上傳的故障報警后,維護支持系統(tǒng)會對這些信息進行分析,只有在滿足報警條件后,系統(tǒng)才生成對應類型的報警。

根據(jù)故障的來源、成因、重要性等方面,維護支持系統(tǒng)將生成的報警分為4大類,包括:①故障報警(設備或其部件發(fā)生故障,影響正常使用);②通信中斷(維護支持系統(tǒng)與車載ATP、ATO或其他子系統(tǒng)連接超時);③超限報警(設備模擬量或開關(guān)量達到或超出預設門限值時,生成報警);④手動報警(維護支持系統(tǒng)也支持維護調(diào)度手動生成報警)。

所有報警都需由維護調(diào)度進行確認。

3.2 維護管理

針對不同的報警信息,維護支持系統(tǒng)提供三種類型的維護管理,包括預防修、狀態(tài)修和計劃修。預防修意味著報警可在故障發(fā)生前顯示,當設備運行了一段時間周期(或是一個車輛運行公里數(shù))后,提示根據(jù)維護程序?qū)υO備進行預防性檢查和處理。狀態(tài)修是在設備監(jiān)測過程中,一旦發(fā)現(xiàn)設備處于異常狀態(tài),按照維護程序?qū)收显O備(或故障部件)進行更換。計劃修則是在對設備故障、維護的歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析后,根據(jù)運行參數(shù)的變化趨勢,制定設備大修計劃。

3.2.1 預防修

當設備運行過程中,特定技術(shù)參數(shù)頻繁超出預設限值時,維護支持系統(tǒng)會向維護調(diào)度發(fā)出“該設備可能在近期發(fā)生故障,應組織相應的預防性維護檢查”的警告。

例如,對于車輪傳感器,每運行2 00萬km后應肉眼檢查并進行清潔。因此,列車運行2 00萬km后,系統(tǒng)會向中心維護調(diào)度發(fā)出報警,要求進行檢查和清潔。

通過預防性維護,可提高信號設備的安全運行效率,延長其使用壽命,盡量減少因設備發(fā)生故障而影響地鐵線路的正常運行。

3.2.2 狀態(tài)修

一旦檢測到設備發(fā)生故障時,維護支持系統(tǒng)會立即通知中心的維護調(diào)度,在運營狀態(tài)下進行部件替換,隔日功能調(diào)試,或是在運營服務完成后(夜間)再進行設備維護工作。同時,維護支持系統(tǒng)也會提供足夠的維護輔助信息,包括設備的歷史狀態(tài)、錯誤描述信息和相關(guān)維護文檔,指導維護人員使用合適的工具進行現(xiàn)場維護工作,使維護的實施更為容易。

當前地鐵信號技術(shù)已經(jīng)比較成熟,許多信號設備都采用冗余設計或模塊化設計,允許在不影響設備正常運行的情況下,拆除、更換故障的設備(或部件),這也為狀態(tài)修提供了條件。

3.2.3 計劃修

維護支持系統(tǒng)能夠提供完備的設備基礎(chǔ)信息,以及報警、維護等歷史信息和統(tǒng)計分析數(shù)據(jù),輔助維護調(diào)度根據(jù)設備的運行狀況、保養(yǎng)情況、故障記錄,來制定相應的維護策略和計劃,以便定期地對設備進行檢查維護。例如,當某集中站內(nèi)設備頻繁出現(xiàn)故障,或是全線特定類型的設備頻繁出現(xiàn)故障,那么維護調(diào)度可以有針對性地加強對故障頻發(fā)地點設備的維護檢修力度,科學分配有限的維護資源。

3.3 維護數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

維護支持系統(tǒng)能夠針對設備報警、維護歷史的記錄,自動進行統(tǒng)計分析,生成所有被監(jiān)測設備的列表,顯示其臺帳信息和當前狀態(tài);列舉所有類型的報警信息,顯示設備名稱、發(fā)生時間、處理狀態(tài)、報警原因等;并能夠按照年、月、周或者任意時間段,對車載設備產(chǎn)生的故障報警等信息進行統(tǒng)計。通過完善的維護數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,可為設備維護計劃的制定提供科學依據(jù),保障信號系統(tǒng)的正常運行。

3.4 相關(guān)維護人員角色

維護支持系統(tǒng)涉及的使用人員包括維護中心內(nèi)的維護調(diào)度、各信號工區(qū)內(nèi)的維護人員(見圖2所示)。

1)維護調(diào)度主要負責:處理維護支持系統(tǒng)生成的設備報警信息,并通過分配維護工單的方式,將信號設備維護要求下達給維護人員;維護工作的結(jié)果將體現(xiàn)在維護工單上,同樣由維護調(diào)度負責驗證設備是否恢復正常,并決定是否可以關(guān)閉該維護工單;根據(jù)維護支持系統(tǒng)生成的歷史報警、維護數(shù)據(jù)分析報告(例如故障頻發(fā)設備的類型、場所、時段,設備平均修復時間等),制定合理的維護計劃。

2)各信號工區(qū)的維護人員主要根據(jù)調(diào)度分配的維護工單,利用維護支持系統(tǒng)提供的相關(guān)設備(部件)維護手冊,執(zhí)行合適的維護程序。

圖2 報警管理及維護流程

4 設計原則

4.1 接口標準化

考慮到信號系統(tǒng)日趨復雜,內(nèi)部各子系統(tǒng)之間接口數(shù)量、種類也越來越多,如果針對每個信號子系統(tǒng)都開發(fā)專門的通信協(xié)議,既增加了維護支持系統(tǒng)集成的難度,又不利于維護對象的擴容。因此,有必要在維護支持系統(tǒng)與其它信號子系統(tǒng)之間采用標準化的接口。為此,維護支持系統(tǒng)采用標準的SNMP與其它信號子系統(tǒng)進行通信。

4.2 保證被監(jiān)測設備的正常運行

系統(tǒng)正常運營期間,大多數(shù)信號設備都是高負荷運行的,頻繁地輪詢設備狀態(tài),會影響設備的運行效率。而隨著信號技術(shù)的發(fā)展,信號設備的平均故障間隔時間(Mean Time Between Failures,簡為MTBF)也越來越長,設備狀態(tài)輪詢間隔過短,就沒有太大的意義。同時,考慮到維護支持系統(tǒng)監(jiān)測的信號設備數(shù)量龐大,頻繁地輪詢設備狀態(tài)會占用大量有效帶寬,影響主干網(wǎng)中連接的其他信號子系統(tǒng)的正常通信。因此,在運營時段,維護支持系統(tǒng)主要采用被動接收信號設備故障報警的方式,來監(jiān)視設備的狀態(tài)。而在凌晨運營準備及夜間停運時段,維護支持系統(tǒng)可以按照一定順序完整地查詢整個信號系統(tǒng)的設備狀態(tài)。

5 結(jié)語

我國正處于城市軌道交通發(fā)展的高峰時期,信號系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定是推動城市軌道交通和諧發(fā)展的保證。從地鐵信號維護支持系統(tǒng)的設計初衷和理念來看,正是順應了這種發(fā)展趨勢,實現(xiàn)對信號系統(tǒng)的集中監(jiān)測和信號設備維護工作的科學管理。

本文介紹的地鐵信號維護支持系統(tǒng),首先應用于上海軌道交通10號線信號項目,并將逐步推廣到北京、廣州、深圳等城市的軌道交通信號系統(tǒng)中。

[1]嚴波,李旭宏.城市軌道交通信號系統(tǒng)的維護與保養(yǎng)模式[J].城市軌道交通研究,2005(5):39.