王 亮 魏盛昕 范東明

(卡斯柯信號(hào)有限公司,200071,上?！蔚谝蛔髡?工程師)

近年來,隨著城市軌道交通在中國(guó)日新月異的發(fā)展,人們對(duì)列車安全、高效率運(yùn)行提出了更高的要求。2020年中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的《中國(guó)城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出,到2025年,車輛、能源、通信及信號(hào)等智能運(yùn)維系統(tǒng)在全行業(yè)推廣應(yīng)用,日常檢修效率和車輛整體可靠性達(dá)到世界先進(jìn)水平,運(yùn)營(yíng)安全事故率降低30%,信號(hào)設(shè)備故障率降低15%[1]。

隨著城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路里程不斷增長(zhǎng),信號(hào)設(shè)備規(guī)模日漸擴(kuò)大,日常施工作業(yè)的工作量也隨之增大。目前,主要是選擇有經(jīng)驗(yàn)的監(jiān)督員對(duì)信號(hào)設(shè)備施工過程進(jìn)行全程監(jiān)督,對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行驗(yàn)收,并對(duì)故障易發(fā)生點(diǎn)等關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)控。由于信號(hào)設(shè)備位置分散、數(shù)量繁多、種類復(fù)雜,并且施工人員和監(jiān)督人員的專業(yè)技術(shù)能力、責(zé)任心、對(duì)信號(hào)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)流程的熟悉程度參差不齊,造成信號(hào)設(shè)備施工過程中容易發(fā)生施工不到位或者二次損傷設(shè)備的情況。如何減少對(duì)施工作業(yè)人員的能力要求,以及用技術(shù)和管理手段提升施工作業(yè)效率,達(dá)到減員增效的目的,是行業(yè)的共同追求[2]。以信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)代替人工監(jiān)督,有助于提升信號(hào)設(shè)備施工質(zhì)量和效率,消除誤操作帶來的安全隱患,減少信號(hào)設(shè)備故障發(fā)生次數(shù),這對(duì)整個(gè)城市軌道交通的生產(chǎn)和行車安全有著重要意義。

1 系統(tǒng)需求分析

目前的信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)流程主要為:維護(hù)部負(fù)責(zé)人制定工作任務(wù)然后口頭下發(fā)到具體施工作業(yè)人員;施工作業(yè)人員在施工點(diǎn)內(nèi)到信號(hào)設(shè)備具體位置進(jìn)行施工檢修,對(duì)于室外施工作業(yè),除了作業(yè)人員對(duì)設(shè)備的觀察和測(cè)量外,還需要室內(nèi)人員調(diào)閱信號(hào)集中監(jiān)測(cè)采集的數(shù)據(jù);對(duì)于施工作業(yè)中發(fā)現(xiàn)的設(shè)備問題,作業(yè)人員通過對(duì)講機(jī)或者電話設(shè)備方式匯報(bào)給值班人員,對(duì)于難解決的問題還需要層層上報(bào),聯(lián)系專家。

基于上述場(chǎng)景,信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)的用戶根據(jù)工作職能分為檢修人員與系統(tǒng)管理人員。檢修人員需要使用移動(dòng)終端查看檢修工單任務(wù),包括檢修的具體設(shè)備、設(shè)備所在位置、設(shè)備履歷及設(shè)備檢修工序,在檢修完成后也需要系統(tǒng)及時(shí)完成監(jiān)督,將結(jié)果上報(bào)系統(tǒng)管理人員。系統(tǒng)管理人員需要使用道岔檢修監(jiān)督系統(tǒng)派發(fā)任務(wù),實(shí)時(shí)掌握各個(gè)檢修人員檢修進(jìn)度和完成情況。信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)需在以下方面對(duì)信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)的流程管理進(jìn)行優(yōu)化:

1) 派單便捷性。信號(hào)設(shè)備種類繁多,各類設(shè)備根據(jù)型號(hào)不同也有各自的檢維修周期,系統(tǒng)需針對(duì)信號(hào)設(shè)備類型和型號(hào)設(shè)置施工周期,并制定該設(shè)備檢修任務(wù)配置;任務(wù)配置中包含檢修工序、檢修最大時(shí)長(zhǎng);系統(tǒng)需根據(jù)檢修周期和設(shè)備所在位置,自動(dòng)指定人員派發(fā)任務(wù);施工人員需在移動(dòng)端實(shí)時(shí)接收新的工單和查看工單內(nèi)容等。

2) 施工過程規(guī)范性。在工單執(zhí)行環(huán)節(jié),施工人員按照系統(tǒng)提供的設(shè)備檢修工序依次完成設(shè)備檢修,每項(xiàng)工序完成時(shí)都應(yīng)實(shí)時(shí)提醒施工人員和系統(tǒng)管理員;當(dāng)提交工單時(shí)若系統(tǒng)判斷有未完成的工序,則應(yīng)要求施工人員返工,避免出現(xiàn)漏檢漏修和不合規(guī)檢修。

3) 施工質(zhì)量監(jiān)督與管理。系統(tǒng)在某些設(shè)備的檢修工序上可引入圖像分析技術(shù),根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)拍攝的圖片判斷本工序的施工質(zhì)量;作業(yè)人員提交工單后應(yīng)根據(jù)施工后該設(shè)備的主要電氣特性和應(yīng)用狀態(tài)判斷本次施工質(zhì)量,加強(qiáng)對(duì)施工質(zhì)量的監(jiān)督和管理。

4) 作業(yè)人員績(jī)效評(píng)價(jià)。系統(tǒng)需以每次施工作業(yè)的出勤情況、過程規(guī)范性、檢修質(zhì)量作為作業(yè)人員績(jī)效的評(píng)價(jià)依據(jù),輔助施工作業(yè)人員提高責(zé)任心與專業(yè)水平。

5) 施工數(shù)據(jù)挖掘。系統(tǒng)經(jīng)過一段時(shí)間的使用后,在大量數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下,應(yīng)具備優(yōu)化整個(gè)城市軌道交通信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)流程的能力,為后續(xù)制定合理的施工作業(yè)計(jì)劃、安排各類信號(hào)設(shè)備檢維修工序提供決策支持。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),將安全網(wǎng)域劃分為生產(chǎn)執(zhí)行網(wǎng)域、生產(chǎn)輔助網(wǎng)域、管理網(wǎng)域及無線網(wǎng)域等,各網(wǎng)域采取的主要安全防護(hù)措施如下:

1) 生產(chǎn)執(zhí)行網(wǎng)域安全防護(hù)措施:主要實(shí)現(xiàn)面向設(shè)備監(jiān)測(cè)的功能,包括各城市軌道交通線路側(cè)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集、匯聚及邏輯計(jì)算,需要高安全等級(jí)。該網(wǎng)域與生產(chǎn)輔助網(wǎng)域之間通過單向網(wǎng)閘實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)安全物理隔離。

2) 生產(chǎn)輔助網(wǎng)域安全防護(hù)措施:主要實(shí)現(xiàn)面向生產(chǎn)管理的功能,接收來自生產(chǎn)執(zhí)行網(wǎng)域的單向數(shù)據(jù)。該網(wǎng)域服務(wù)器采用經(jīng)過安全加固的操作系統(tǒng)及可信服務(wù)器設(shè)備,卸載所有不必要的應(yīng)用程序和服務(wù),并且關(guān)閉所有非必要開放的對(duì)外端口,保障業(yè)務(wù)應(yīng)用區(qū)安全。

3) 管理網(wǎng)域安全防護(hù)措施:通過對(duì)外接口,實(shí)現(xiàn)和信息化系統(tǒng)、移動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)的信息交互;通過制定安全訪問控制策略,實(shí)現(xiàn)該區(qū)域的安全訪問控制,并采取服務(wù)器安全加固措施。

4) 無線網(wǎng)域安全防護(hù)措施:主要用于實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用的相關(guān)功能,外勤人員可連接無線AP(無線接入點(diǎn))形成的無線局域網(wǎng),與系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行安全數(shù)據(jù)交換。

另外,通過在各網(wǎng)域部署防火墻,實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)內(nèi)各安全域的邊界隔離與訪問控制,防止非法訪問和信息泄露,實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的安全網(wǎng)絡(luò)隔離和安全數(shù)據(jù)交換。

2.2 技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)在系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)上可分為4個(gè)層級(jí),分別為感知層、中間層、數(shù)據(jù)服務(wù)層及應(yīng)用層。系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

注:HDFS—分布式文件系統(tǒng);ATS—列車自動(dòng)監(jiān)控;DCS—數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。

2.2.1 感知層

感知層主要是通過信號(hào)集中監(jiān)測(cè)收集各類數(shù)據(jù),能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)設(shè)備的主要電氣特性,包括模擬量參數(shù)及開關(guān)量參數(shù)(如按鈕、關(guān)鍵繼電器、區(qū)間軌道及信號(hào)機(jī)等設(shè)備狀態(tài)),還能監(jiān)控信號(hào)設(shè)備的應(yīng)用狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)設(shè)備電氣特性超限或信號(hào)設(shè)備不能正常工作時(shí)能及時(shí)預(yù)警或報(bào)警。

信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)從信號(hào)集中監(jiān)測(cè)獲取的數(shù)據(jù)主要分為以下幾類:道岔的動(dòng)作曲線、表示狀態(tài)、轉(zhuǎn)轍機(jī)缺口等相關(guān)數(shù)據(jù);信號(hào)機(jī)電流;25 Hz軌道電路的接收電壓、軌道狀態(tài);電纜絕緣電阻、泄漏電流;車站站場(chǎng)表示信息;移頻軌道電路模擬量、主軌道和小軌道狀態(tài)信息。

2.2.2 中間層

中間層選用RabbitMQ消息隊(duì)列集群接收信號(hào)集中監(jiān)測(cè)傳輸?shù)母黝悢?shù)據(jù),在解耦的同時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間降至毫秒量級(jí)。實(shí)時(shí)計(jì)算部分采用數(shù)據(jù)流框架Spark Streaming和分布式計(jì)算引擎Apache Flink直接從RabbitMQ集群中讀取隊(duì)列的數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,并將分析結(jié)果發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)層的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊或直接提供給應(yīng)用層。離線計(jì)算組件選取Map Reduce分布式計(jì)算模型提供數(shù)據(jù)計(jì)算能力,整個(gè)計(jì)算分成 Map(映射)和Reduce(歸約)兩個(gè)階段。在Map階段,并行處理輸入數(shù)據(jù)讀取HDFS中的文件,將文件解析為鍵值對(duì),經(jīng)過Map函數(shù)處理后,轉(zhuǎn)換為新的鍵值對(duì)輸出;在Reduce階段,對(duì)Map結(jié)果進(jìn)行匯總。同樣,每個(gè)Reduce任務(wù)都是一個(gè)進(jìn)程,Reduce任務(wù)接收Map任務(wù)的輸出,處理后寫入HDFS。

2.2.3 數(shù)據(jù)服務(wù)層

數(shù)據(jù)服務(wù)層中選用Redis(遠(yuǎn)程字典服務(wù))集群與Oracle關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的存儲(chǔ)方案服務(wù)于應(yīng)用層,避免在高并發(fā)情況下僅用Oracle存儲(chǔ)數(shù)據(jù)而無法在短時(shí)間內(nèi)處理或者瞬間讀/寫大量數(shù)據(jù)。若積壓的大量請(qǐng)求未得到及時(shí)處理,很容易發(fā)生數(shù)據(jù)庫(kù)難以快速處理請(qǐng)求造成整個(gè)服務(wù)器系統(tǒng)癱瘓的情況。選用面向內(nèi)存的Redis集群存儲(chǔ)熱點(diǎn)數(shù)據(jù),可有效應(yīng)對(duì)瞬時(shí)訪問量大的情況,在高并發(fā)情況下,可以保證數(shù)據(jù)一致性與安全性。信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)接收及分析產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量將隨著時(shí)間推移越來越大,因此采用 HDFS存儲(chǔ)離線數(shù)據(jù)。HDFS能支持大規(guī)模數(shù)據(jù)集,且具備高可用性,可較好地支撐信號(hào)設(shè)備頻繁、大量地采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

2.2.4 應(yīng)用層

信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模塊分為工單管理模塊、監(jiān)督邏輯分析模塊、圖像采集模塊、圖像分析模塊及人員績(jī)效評(píng)價(jià)模塊。結(jié)合系統(tǒng)可視化功能,應(yīng)用層提供了桌面端線網(wǎng)大屏系統(tǒng)供線網(wǎng)指揮中心管理員使用,可實(shí)現(xiàn)管理工單、在GIS(地理信息系統(tǒng))中查看各線路施工情況、查看各工單施工質(zhì)量及統(tǒng)籌管理所有施工人員;應(yīng)用層還提供了移動(dòng)端APP供施工作業(yè)人員使用,可查看工單、設(shè)備具體位置、設(shè)備施工工序及施工質(zhì)量反饋信息,還能調(diào)用圖像采集模塊對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行圖像分析監(jiān)督。

3 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)圖

道岔設(shè)備作為信號(hào)系統(tǒng)的“三大件”之一,若發(fā)生故障則直接影響行車效率,甚至發(fā)生重大行車事故。道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)是道岔的轉(zhuǎn)換裝置,可用來轉(zhuǎn)換道岔或鎖閉道岔,同時(shí)其頂端通常附帶有標(biāo)示或指示信號(hào),用以反映道岔尖軌所處的位置。道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)無法在設(shè)計(jì)層面進(jìn)行冗余和備份設(shè)計(jì),為單點(diǎn)故障影響線路運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備[3]。因此道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)設(shè)備施工作業(yè)的質(zhì)量是影響軌道交通信號(hào)設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。下面以道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)施工作業(yè)為例,介紹信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)監(jiān)督系統(tǒng)各模塊。

3.1 工單管理模塊

工單管理模塊中工單計(jì)劃的創(chuàng)建包含創(chuàng)建計(jì)劃工單和臨時(shí)工單,計(jì)劃工單創(chuàng)建支持根據(jù)各類設(shè)備檢修周期自動(dòng)安排施工作業(yè)任務(wù);臨時(shí)工單創(chuàng)建支持根據(jù)設(shè)備異常狀態(tài)結(jié)合維修人員位置自動(dòng)派發(fā)工單。線網(wǎng)管理員可在線網(wǎng)大屏終端查看各線路的工單任務(wù),也可根據(jù)突發(fā)狀態(tài)適時(shí)調(diào)整工單任務(wù)。系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)各設(shè)備的電氣特性設(shè)定作業(yè)工序,線網(wǎng)管理員也可進(jìn)行作業(yè)工序的調(diào)整。

施工人員使用信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)的移動(dòng)端APP可查看具體工單內(nèi)容,包括設(shè)備位置、交底事項(xiàng)、工器具核點(diǎn)等,到達(dá)施工點(diǎn)后可點(diǎn)擊開始本工單的施工作業(yè)。工單可根據(jù)具體設(shè)備匹配到施工工序,施工人員需根據(jù)APP中顯示的施工工序依次完成設(shè)備施工。

3.2 監(jiān)督邏輯分析模塊

監(jiān)督邏輯分析模塊可在工單提交時(shí)或者工單超時(shí)時(shí)啟動(dòng),線網(wǎng)管理員也可通過線網(wǎng)大屏終端界面調(diào)用監(jiān)督邏輯分析模塊對(duì)某項(xiàng)施工進(jìn)行分析。道岔施工工序邏輯分析內(nèi)容如表1所示。

表1 道岔施工工序邏輯分析表

3.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊與圖像處理模塊相連。在檢修過程中,檢修人員首先通過移動(dòng)攝像頭進(jìn)行拍照,為了獲得更高精度的檢修結(jié)果,在拍攝過程中需使待檢測(cè)的道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)被識(shí)別在取景框的虛線范圍內(nèi)進(jìn)行校驗(yàn)校準(zhǔn)。系統(tǒng)對(duì)因拍攝角度、拍攝清晰度等因素引起的圖像質(zhì)量不合格的檢修圖片會(huì)及時(shí)給出反饋信息,檢修人員可以及時(shí)糾正拍攝角度以獲得高質(zhì)量的檢修圖片,提高檢測(cè)效率。并且根據(jù)道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)的類型不同,檢修人員可以從道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)前機(jī)、道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)后機(jī)等不同角度拍攝多張圖片,然后發(fā)送圖片給圖像分析模塊。

3.4 圖像分析模塊

圖像分析模塊是在道岔檢修過程中對(duì)道岔圖像采集模塊獲得的圖片進(jìn)行分析和處理,應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)關(guān)鍵測(cè)試信息進(jìn)行智能分析。道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)自動(dòng)開閉器包括兩組裝置,每組裝置包括兩排靜接點(diǎn)和一排動(dòng)接點(diǎn)。道岔檢修圖像的識(shí)別主要從以下幾個(gè)方面展開:動(dòng)靜接點(diǎn)接觸深度,動(dòng)接點(diǎn)與靜接點(diǎn)座間隙,動(dòng)接點(diǎn)柱中心與靜接點(diǎn)簧片中心線的距離,動(dòng)接點(diǎn)柱上的防松環(huán)不斷裂、配線不松動(dòng)及螺栓和螺帽不松動(dòng)。經(jīng)過計(jì)算和處理反饋,道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)呈現(xiàn)出正常、更換或調(diào)整三種狀態(tài)。把動(dòng)靜結(jié)點(diǎn)接觸深度及動(dòng)靜結(jié)點(diǎn)底座間隙的測(cè)量結(jié)果和分析結(jié)果反饋在檢修系統(tǒng)桌面端和APP端界面上,測(cè)量結(jié)果的精度為0.1 mm。經(jīng)過圖像處理模塊的分析與處理,系統(tǒng)將測(cè)試結(jié)果推送給檢修系統(tǒng)桌面端和APP端,使得檢修人員和系統(tǒng)管理員能夠?qū)崟r(shí)獲取測(cè)試結(jié)果,實(shí)時(shí)了解道岔轉(zhuǎn)轍機(jī)施工質(zhì)量。

3.5 人員績(jī)效評(píng)價(jià)模塊

人員績(jī)效評(píng)價(jià)模塊通過統(tǒng)計(jì)施工數(shù)據(jù),確定作業(yè)人員出勤情況,并且根據(jù)作業(yè)工序完成情況和設(shè)備施工后的狀態(tài)數(shù)據(jù)判斷每項(xiàng)施工作業(yè)的質(zhì)量得分,納入人員的考核指標(biāo)中。在線網(wǎng)大屏終端和手機(jī)APP中都可以實(shí)時(shí)查看每位作業(yè)人員的得分,獎(jiǎng)懲有據(jù),公開透明,從而激發(fā)作業(yè)人員工作熱情。

4 結(jié)語(yǔ)

在信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)中,以信號(hào)設(shè)備施工作業(yè)質(zhì)量監(jiān)督系統(tǒng)代替人工監(jiān)督,結(jié)合信號(hào)集中監(jiān)測(cè)和相關(guān)子系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析,可有效減少施工作業(yè)中漏檢漏修、不合規(guī)檢修、二次損傷設(shè)備等問題的發(fā)生;應(yīng)用圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行檢修數(shù)據(jù)分析,可提高檢修過程的智能化程度,降低人為因素造成的檢修誤差,提升檢修結(jié)果的準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性;可提高信號(hào)設(shè)備日常施工質(zhì)量和城市軌道交通的運(yùn)維自動(dòng)化水平,保障行車效率和安全。