基于改进神经网络的城市轨道交通信号系统故障智能运维

赵宇航 徐永能 刘英舜 陈新

摘   要：要确保城市轨道交通信号系统最大限度发挥其自身的功能，就必须定期对其现有的，可能发生的或一定条件下转化生成的故障实施有效监控，结合可靠性与安全性相关理论的分析研究，在最短时间内找到最优解决方案，排除故障，确保交通参与者的安全，让信号系统与城轨系统有效配合，给城市轨道交通运营带来最佳经济效益和社会效益。

关键词：故障检测  可靠性  人-机-环境  轨道交通信号

中图分类号：U239.5                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0001-02

“若要富，先修路”，交通的便利与否直接制约着当地的社会发展，一条好的交通干线可以带动周围一大片地区的经济发展，在近5年以来，我国在轨道交通领域迅速发展，随着地铁、轻轨的大规模建设，信号系统技术上取得重大突破。城市轨道信号系统不断向精密化，数字化，集成化方向发展，对其功能的完善与有效的运维难度也不断加大[1]，对于实现列车运行自动化管理，对提高城市交通管理现代化水平具有重要意义。

1  城市轨道交通信号系统构成

在轨道交通系统中采用与之对应的交通信号系统，不仅能够最大程度保证列车行驶安全，避免追尾事故发生，还能有效缩短行车间隔，加大车次密度，从而从整体上提高列车运行效率，加快轨道交通建设与增大运营带来的经济效益和社会效益。

在城市里，轨道交通信号系统的组成相对简单，主要是列车运行自动控制系统（ATC，Automatic Train Control），它是列车自动驾驶，跟踪以及调度控制的系统。ATC系统又分为三个子系统，一是列车自动防护系统ATP（Automatic Train Protection），它是信号系统的安全核心，能够进行超速防护，检测列车的位置等;二是列车自动监控系统ATS（Automatic Train Supervision），监督控制列车运行，在调度人员调度全线列车时提供辅助;三是列车自动运行系统ATO（Automatic Train Operation），根据ATS的指令来自动控制列车的平稳运行，如控制列车在每个区间的速度值平稳过渡，提高旅客舒适度和列车运行效率[2]。此外，还有轨道电路，信号机，行车调度指挥中心相应的的信号设备等，也属于城市轨道交通信号系统的范畴。信号系统的正常运行，需要有相应智能运维系统的故障维护作为保证。

2  故障预测方法分析

为了对故障进行有效控制，以保证在故障产生之前就能对其遏止。在近几年，传统的方法是对历史数据进行预处理，通过特征提取算法获取有效特征离线训练模型，然后基于历史数据对未来时刻的故障进行预测。

因此基于历史数据所预测得到的设备状态信息将会无法精确描述当前设备的运行状态，此时需要检测设备运行状态的同时，考虑使用新产生的传感器数据训练模型来更新模型参数，以适应当前设备的运行状态，对此可以采用滑动窗口实现故障设备的在线检测和模型的在线更新。

3  信号系统发展展望

故障检测预测和诊断基于已有信号设备结构的基础上进行的，在未来，如果信号系统本身的结构上有所改进，那将会大大降低对政府投入的运维成本，从根本上保障信号系统的可靠性与安全性，从这个意义上讲，之前所用的一切故障检测预测的方法，都是为了维持信号设备的可靠性。为了保障系统可靠度，消除或减少信号系统本身存在的事故隐患，应尽量少使用串联系统，实在不得已使用也应该尽量减少构成系统单元数或提高单元内最薄弱环节的可靠度。系统的构成有并联系统、表决系统、混联系统类型的工作储备系统，也有旁联系统类型的非工作储备系统。如果系统单元寿命都可近似看成指数分布，可以考虑在整个系统框架下设计工作储备系统，在储备系统的每个分支系统选择旁联系统，理论计算可得，这样的组合，能得到很高的系统可靠性。对于各子系统内部的旁联系统来说，一般要确保在信号设备实际发生故障之前，检测装置就能够预警，通过转换转置提前切换到下一待机工作的非故障子单元，从而能够将备用的待机工作子单元接入系统，保证系统持续稳定的工作。最后，在系统或单元故障发生时需要遵循故障导向安全原则。为确保系统可靠性，在不断提高自动化运营的轨道交通信号系统框架下，为减少系统偏差，在故障分析，决策层增加一个人-机并联的冗余系统，只有当人机的决策结果一致或误差范围在可接受范围内，指令才能够从系统输出，这样就更加能确保整个系统稳定，高效，经济地运作。

对城轨信号系统可靠性的分析具有重要的意义，在实际中，信号承包商需要对其承包的城轨信号系统项目进行量化风险，并得出一份量化风险评估报告，里面包含故障树模型的输入输出，所录入的数据，最小割集表，事件树模型等。信号承包商还要提出设计的量化计算，模型和分析，来证明已达到指定的量化目标。在全线所有系统通过验收并正式投入运营后，信号承包商应对信号系统进行定期可靠性检验测试，检验信号系统是否达到了平均无故障时间目标。

4  结语

城市轨道交通信号系统的智能运维系统应该是一个高效，动态，与外部环境协调适应的系统。有必要运用系统工程的原则和方法，在深入研究三者各自性能的基础上，综合考虑人-机-环境三大要素的关系，从整体的角度把握整个系统，把构成整体系统的不同子系统有机衔接起来，通过三者间的信息传递、加工和控制，形成一个相互关联的复杂系统，使他们之间的关系协调并最优，最大限度发挥系统组成部分功能。

参考文献

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