城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(kuò)大，線(xiàn)路上的信號(hào)設(shè)備不斷增多，維護(hù)管理難度也隨之增加?，F(xiàn)有維護(hù)模式以計(jì)劃修為主，故障修為輔，維護(hù)效率較低，已無(wú)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(hào)設(shè)備維護(hù)提供了新的技術(shù)手段?！督煌◤?qiáng)國(guó)建設(shè)綱要》[1]明確提出“大力發(fā)展智慧交通，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈以及超級(jí)計(jì)算等新技術(shù)與交通行業(yè)深度融合”的要求。對(duì)此，上海地鐵[2]、廣州地鐵[3]等多家地鐵公司已經(jīng)開(kāi)展了信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維研究工作，基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，提供信號(hào)設(shè)備健康狀態(tài)的預(yù)測(cè)評(píng)估和故障維修的決策支持。該文對(duì)城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法展開(kāi)研究，設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)提供了頂層設(shè)計(jì)方案。

1 信號(hào)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)現(xiàn)狀

1.1 故障診斷依賴(lài)員工經(jīng)驗(yàn)

現(xiàn)有城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)中的維護(hù)支持系統(tǒng)[4]（Maintain Support System，MSS）為設(shè)備維護(hù)提供了狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障報(bào)警功能，但其智能化分析水平有限，檢修過(guò)程中故障定位分析仍依賴(lài)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，在很大程度上增加了人工維護(hù)的強(qiáng)度和成本。

1.2 維修周期制定不合理

目前國(guó)內(nèi)地鐵公司主要采用“計(jì)劃修”模式，根據(jù)檢修計(jì)劃定期進(jìn)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(shí)際狀況進(jìn)行彈性設(shè)置，對(duì)于運(yùn)行狀態(tài)良好的設(shè)備可能造成過(guò)度檢修，而對(duì)于存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)備卻無(wú)法及時(shí)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(jī)制

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的檢修數(shù)據(jù)通常以手寫(xiě)方式記錄在紙質(zhì)檢修工單上，在交接班時(shí)進(jìn)行人工交接，管理系統(tǒng)也未設(shè)置專(zhuān)門(mén)的工單管理功能，無(wú)法快速查詢(xún)?cè)O(shè)備歷史數(shù)據(jù)及故障統(tǒng)計(jì)情況，缺乏對(duì)設(shè)備的動(dòng)態(tài)跟蹤管理。

由此可見(jiàn)，目前城市軌道交通信號(hào)設(shè)備維護(hù)模式在智能化、信息化管理方面相對(duì)欠缺，一方面未能有效地針對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，為設(shè)備維護(hù)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(jì)、安裝調(diào)試以及運(yùn)營(yíng)維護(hù)，一直到設(shè)備報(bào)廢的全過(guò)程，而運(yùn)營(yíng)維護(hù)是全生命周期的重要階段，獲取設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、維修記錄數(shù)據(jù)，有助于維護(hù)管理人員和作業(yè)人員及時(shí)掌握設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)和未來(lái)的變化趨勢(shì)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)針對(duì)智能化運(yùn)維管理需求，綜合考慮現(xiàn)有和未來(lái)新增的數(shù)據(jù)來(lái)源，采集信號(hào)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和挖掘，支撐全生命周期的運(yùn)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(gè)層級(jí)，具備設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、設(shè)備狀態(tài)預(yù)警預(yù)報(bào)、設(shè)備故障智能診斷、日常維護(hù)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(gè)功能，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)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(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的基礎(chǔ)，依托傳感器技術(shù)、視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)以及無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)等多元感知技術(shù)，采集信號(hào)設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。采集信息包括靜態(tài)信息和動(dòng)態(tài)信息兩類(lèi)，靜態(tài)信息為軌道線(xiàn)路地理信息和信號(hào)設(shè)備基礎(chǔ)信息，動(dòng)態(tài)信息采集軌旁設(shè)備、車(chē)載ATP/ATO設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備、ATS設(shè)備和DCS設(shè)備等信號(hào)以及與設(shè)備運(yùn)行相關(guān)的狀態(tài)信息和報(bào)警信息，為智能運(yùn)維系統(tǒng)提供全面的數(shù)據(jù)來(lái)源。

2.2 處理層

處理層主要負(fù)責(zé)對(duì)接入數(shù)據(jù)的處理和分析，通過(guò)數(shù)據(jù)清洗、匯集、轉(zhuǎn)換以及匹配等方式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)、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(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備異常狀態(tài)的量化評(píng)估和故障趨勢(shì)的預(yù)測(cè)分析，為設(shè)備維護(hù)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(xiàn)監(jiān)測(cè)信息、狀態(tài)預(yù)警信息和故障診斷信息，維護(hù)管理人員可通過(guò)日常維護(hù)管理和應(yīng)急指揮調(diào)度模塊向維護(hù)作業(yè)人員發(fā)布維修計(jì)劃或應(yīng)急預(yù)案指令。可在全生命周期數(shù)據(jù)管理模塊對(duì)信號(hào)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔、查詢(xún)等。

3 系統(tǒng)邏輯框架設(shè)計(jì)

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(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的物理框架，下面對(duì)各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行描述。

圖2 城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)邏輯框架圖

3.1 設(shè)備狀態(tài)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)設(shè)置三級(jí)監(jiān)測(cè)界面，一級(jí)監(jiān)測(cè)界面通過(guò)站場(chǎng)圖動(dòng)態(tài)顯示設(shè)備運(yùn)行狀況，方便維護(hù)管理人員監(jiān)測(cè)全線(xiàn)設(shè)備狀態(tài)，二、三級(jí)監(jiān)測(cè)界面分別顯示設(shè)備的線(xiàn)路分布和設(shè)備結(jié)構(gòu)情況，當(dāng)出現(xiàn)故障狀態(tài)時(shí)，維護(hù)管理人員可根據(jù)局部狀態(tài)監(jiān)測(cè)情況，查看具體的監(jiān)測(cè)指標(biāo)信息。

3.2 設(shè)備狀態(tài)預(yù)警預(yù)報(bào)

基于歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障預(yù)測(cè)模型，預(yù)測(cè)設(shè)備狀態(tài)趨勢(shì)，生成變化趨勢(shì)圖，判斷設(shè)備的健康狀況。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)不良趨勢(shì)時(shí)，及時(shí)發(fā)布相應(yīng)等級(jí)的預(yù)警信號(hào)，為維護(hù)管理人員優(yōu)化維修計(jì)劃、確定維修項(xiàng)目提供輔助決策。

3.3 設(shè)備故障智能診斷

當(dāng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)生異常變化時(shí)，系統(tǒng)提示報(bào)警信息。結(jié)合設(shè)備歷史故障信息及相關(guān)部件實(shí)時(shí)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(shí)根據(jù)故障對(duì)列車(chē)運(yùn)行的影響程度，將事件類(lèi)型劃分為一般事件和緊急事件，分別進(jìn)行日常維護(hù)管理或應(yīng)急調(diào)度指揮。

3.4 日常維護(hù)管理

日常維護(hù)管理分為維修計(jì)劃管理、維修工單管理以及交接班管理。

3.4.1 維修計(jì)劃管理

根據(jù)歷史故障診斷信息和預(yù)測(cè)故障信息構(gòu)建的維修優(yōu)化模型，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)生成維修計(jì)劃，維護(hù)管理人員可以根據(jù)實(shí)際需求對(duì)其進(jìn)行修改。維修計(jì)劃包括作業(yè)時(shí)間及內(nèi)容、人員安排、維修工具和備件準(zhǔn)備等。排班計(jì)劃則在維修計(jì)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(shí)長(zhǎng)、維修人數(shù)以及維修路線(xiàn)等因素，從而對(duì)資源進(jìn)行合理分配。

3.4.2 維修工單管理

維護(hù)作業(yè)人員根據(jù)系統(tǒng)排班計(jì)劃，執(zhí)行維修任務(wù)。在維護(hù)過(guò)程中，作業(yè)人員通過(guò)移動(dòng)終端輸入維修過(guò)程中的檢測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果，在線(xiàn)填寫(xiě)維修工單。作業(yè)結(jié)束后，維護(hù)管理人員可對(duì)其進(jìn)行查詢(xún)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(dòng)生成交接班日志。在交接班過(guò)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(lèi)存儲(chǔ)各類(lèi)重大故障的應(yīng)急處理預(yù)案，通過(guò)仿真模型評(píng)估預(yù)案的應(yīng)用效果，維護(hù)管理人員可通過(guò)三維仿真演示進(jìn)行培訓(xùn)演練。當(dāng)緊急事件發(fā)生時(shí)，運(yùn)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(hù)管理人員緊急調(diào)配線(xiàn)路上的人員、物資，盡可能減少事故對(duì)運(yùn)營(yíng)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(kù)，包括設(shè)備編碼、設(shè)備型號(hào)、生產(chǎn)日期及廠(chǎng)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(yùn)行期間動(dòng)態(tài)更新的監(jiān)測(cè)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(jì)

物理框架是在邏輯框架的基礎(chǔ)上，對(duì)如何實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的物理性描述。圖3為城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的物理框架，包括信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)和信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)2個(gè)子系統(tǒng)。根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)是否引入信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集來(lái)源分為2種途徑，一種是通過(guò)信號(hào)維護(hù)支持系統(tǒng)對(duì)信號(hào)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集和監(jiān)督；另一種是分別對(duì)軌旁設(shè)備、車(chē)載設(shè)備以及聯(lián)鎖設(shè)備等信號(hào)設(shè)備的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集的設(shè)備狀態(tài)信息為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的功能提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，繼而為不同層級(jí)的運(yùn)維管理人員提供輔助決策支持。

圖3 城市軌道交通信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)物理框架圖

信號(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)面向三類(lèi)用戶(hù)，由上而下依次為線(xiàn)網(wǎng)級(jí)、線(xiàn)路級(jí)以及車(chē)站級(jí)用戶(hù)。針對(duì)不同用戶(hù)群體，設(shè)置相應(yīng)的管理權(quán)限，線(xiàn)網(wǎng)級(jí)用戶(hù)監(jiān)測(cè)全線(xiàn)網(wǎng)的設(shè)備運(yùn)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(xiàn)路級(jí)用戶(hù)側(cè)重于根據(jù)設(shè)備預(yù)測(cè)趨勢(shì)制定維護(hù)計(jì)劃，派發(fā)維護(hù)任務(wù)并審核。車(chē)站級(jí)用戶(hù)配合執(zhí)行線(xiàn)網(wǎng)、線(xiàn)路級(jí)用戶(hù)下發(fā)的任務(wù)。具體系統(tǒng)功能用戶(hù)權(quán)限見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)功能用戶(hù)權(quán)限

5 結(jié)語(yǔ)

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(hào)設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。首先，通過(guò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，劃分了感知層、處理層以及應(yīng)用層3個(gè)層級(jí)。其次，通過(guò)系統(tǒng)頂層邏輯框架設(shè)計(jì)，提出了6個(gè)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(guò)系統(tǒng)頂層物理框架設(shè)計(jì)，按照現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)、終端對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行劃分。該文的研究可為現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)提供頂層設(shè)計(jì)方案支撐。