信号系统健康管理主动维保技术的研究及应用

戴龑飞 张 郁 吴 敏

(上海地铁维护保障有限公司通号分公司， 200235， 上海∥第一作者， 工程师)

目前，上海城市轨道交通已进入超大规模网络化运营时期，其设施设备必须保持高度安全、持续可靠、运维成本可控，以支撑线网长期化、常态化、高强度的运营。信号系统是城市轨道交通的“大脑”与“神经中枢”，集行车指挥和列车运行控制为一体，是保证列车运行安全、运营效率及服务质量的关键系统。信号系统一旦发生故障，将会影响行车安全和正常运营秩序，甚至导致极其严重的后果。目前，全自动运行模式是城市轨道交通的发展趋势，其在没有司机和站务员的情况下，依靠信号系统控制命令实现列车的自动休眠/唤醒、自动出入库、自动运行、自动开关门及自动恢复故障等功能。与传统模式相比，全自动运行模式下的城市轨道交通系统设备和接口更多，对信号系统的安全、稳定运行提出了更高的要求，对设备的运维工作也提出更多的需求。

目前上海城市轨道交通运营设备的运维模式仍处于故障修、计划修阶段。被动式的维护管理手段已无法支撑起上海超大规模网络化运营的需求。为了有效地实现信号系统的主动维保，应基于智能运维技术建立设备全寿命周期维护的平台化体系，并对当前的设备维护技术和管理手段进行改革。图1为上海城市轨道交通信号系统在寿命周期内实施主动维保的总体思路。

图1 信号系统全寿命周期内主动维保的总体思路

1 信号系统主动维保的关键技术研究及应用

1.1 维保模式新理论

信号系统现有的设备管理体系为事后型和计划型，主要体现为：故障发生后，抢修人员接到故障报警，全力赶赴现场，但无法第一时间收到故障实时数据，故障处置更多依赖于个人技术经验；日常维护依赖于周期性日检、周检、季检、年检等计划性安排。既有维护模式没有基础性数据的支撑，导致风险预防难度高、人力成本高、设备保障率低。面对城市轨道交通复杂线网的运营背景，信号专业关键设施设备在全寿命周期内从维持高安全性、高可靠性和高可用度等角度出发，应突破技术瓶颈，运用多源可信融合感知、多引擎融合诊断预警等自主核心技术，构建信号专业关键设施设备全寿命周期健康管理技术体系，以技术创新带动应用创新，进而实现管理创新，提升我国城市轨道交通设备运维领域的能力。

1.2 关键技术创新

以物联网、大数据、人工智能为核心特征的数字化浪潮正席卷全球，城市轨道交通运营设备主动维保的模式改革需要新科技的支撑。通过设备和设备的联网，可实现环境和状态信息的实时共享，以及智能化的收集、传递、处理等操作，替代人工巡检；通过海量、快速、多样的数据收集，应用人工智能技术，精细化计算、诊断设备状态的健康度，并制定相应的维修决策。如图2所示，基于平台化体系的关键技术创新通过评估、发现、治理、管控等4个环节，实现信号系统全寿命周期健康管理的主动维保目标。

注：“列控”为列车控制的简称。

1.2.1 列控健康管理理论

以状态修为代表的全寿命周期健康管理是目前城市轨道交通运维模式的发展趋势，但由于受一定条件限制，状态修在我国仍不算是一种成熟的维修方式。为了真正实现状态修，迫切需要建立完备的设备维修理论体系，以支撑技术研发和管理创新。

为奠定关键理论基础，本文建立了列控健康管理理论。该理论包括异构数据协同方法、故障诊断建模语言、健康指数计算模型，其中：异构数据协同方法可解决列控传输网域分散、采样方式及接入协议多样、数据表述格式各异等问题，实现基于同一标准(包括传输底层、协议、格式、存取方式等方面的标准)的列控运维底层平台，并大幅提升数据的处理效率；故障诊断建模语言用以描述信号系统的拓扑结构和逻辑推理，构建可复用扩展的诊断知识模型，解决列控系统机器建模难题，实现可视化快速、自主建模；健康指数计算模型将列控设备状态数值量化，依托数据驱动智能维修决策，形成面向感知、诊断、预警、决策和协同全流程的健康管理理论。

1.2.2 信号系统多源安全感知技术

城市轨道交通智能化运维架构的最底层是感知技术，这是获取信息和实现设备控制的首要环节。随着信息技术的多元化发展，感知对象日益增多，主要包括电气特性、机械特性、视频、音频、信息流、网络包等；城市轨道交通运营过程中瞬间故障频发，对感知频率更是提出毫秒级的高要求；基于可靠性、安全性的原则，感知设备与感知对象须具备更安全的隔离措施；随着故障场景的增多，感知场景也需具备智能化切换功能。

为了提升感知技术，本文提出了通过信号设备非侵入式的声、光、电、信息流等感知方法，保障感知的安全性，并研发了可自动识别关键场景及可自切更换采样模式的综合智能感知设备。此外，通过研发能量受控注入采样、信号匹配滤波、联锁状态参效追踪等技术，建立了转辙机工况检测等多种物联网设备平台。该平台可提供多维度、全周期、高精准的状态信息，关键设备感知覆盖率达到100%，实现毫秒级同步，使列控系统安全性持续优于危险概率水平(10-9次/h)。

1.2.3 信号系统多引擎融合诊断预警技术

信号系统的信息传输速率在毫秒级别，正常值和故障值差距微小，导致出现大量的误报警。为了提高预警精确度，本文研发了信号系统的多引擎融合诊断预警技术，主要包括：①研发了滑动窗波形分析技术，该技术针对信号设备毫秒级连续量感知数据，可连续识别不同粒度的突变、抖动及趋势变化，进而提高采样分析的效率和准确率；②基于弗雷歇距离算法研发了列控设备波谱特征分析技术，实现了异常特征提取，解决了故障类型自动分类等问题；③采用ELU函数、标定因子输入、over-Sampling采样方法等技术，研发了适用于信号系统特征的神经网络自学习算法，解决了模型收敛慢、泛化能力差、样本不平衡等问题，分析模型具有自主进化能力。

通过现场抽查及各方反馈，信号系统的多引擎融合诊断预警平台运用至今，设备的告警漏报率为0，故障诊断准确率达99.1%。

1.2.4 信号全寿命周期健康管理系统

在信号系统大数据技术的驱动下，信号全寿命周期健康管理系统可实现主动化运维决策、智能化终端执行、可视化维修指导、敏捷化应急联动、集成化资产管理、智能化机器巡检等6大功能。通过对设备全寿命周期质量的监控和评估，建议设备的检修周期，预测设备的更换年限；所有维护和应急流程由智能运维平台实时跟踪，并由平台终端分步执行；维护流程可由监测系统调取，指导维修工现场操作；应急突发故障可自动联动相关领导及部门，协助指挥故障处置；新线及大修改造项目进度可匹配资金请款计划，实施集成管理；通过视频影像实时监测设备和环境状态。

据统计，使用信号全寿命周期健康管理系统后，实现了设备可靠度和维保工作的提质增效，人工巡检从每线每天300人次降至每线每天20人次，备品率从10%降至2%，运维成本下降幅度超过30%。

1.3 信号系统主动维保的应用效果分析

1.3.1 模式全面升级，提升管理水平

基于智能运维的要求，上海地铁维护保障有限公司通号分公司对信号设备系统管理模式进行全面升级，系统性地实现了信号系统设备状态修，有效解决了如线网安全信息孤立分散、缺乏基于系统安全态势分析的预警及隐患识别能力等问题。经统计，管理模式全面升级后，信号系统关键设备的感知覆盖率接近100%；系统诊断和预警准确性超过95%；列车晚点率下降了30%；部分设备的平均无故障时长提升3倍；平均故障接报时间缩短了80%；维修响应时间缩短了30%；故障平均修复时间从30 min降至10 min。

1.3.2 降低运维成本，提升经济效益

通过应用智能化预警信息技术，合理统筹全线网的信号设备检修计划，减少了盲目检修工作量；应用信号系统实时状态信息技术，取代了大量的人工巡检工作；根据维修建议，准确更换相关备品耗材。通过信号全寿命周期健康度管理和生产组织架构优化，运维成本显著下降，信号设备平均维护周期从5 d增加至15 d，节省了65.5%的工时，节省人工成本约8.9%，运维成本降低了13.0%。

1.3.3 保障服务可靠，实现社会效益

上海城市轨道交通线网规模居世界第一，上海城市轨道交通信号系统智能运维平台帮助设备在全寿命周期内保持高可用度，保障上海每天千万级以上乘次的安全出行，破解了国内外超大城市轨道交通线网普遍面临的高安全性、高运营强度、高可用度等可持续发展难题。信号全寿命周期健康管理系统的产品和标准可推广到高铁及国内外其它城市的轨道交通线路中，还可应用于电力、电信等行业，为“一带一路”提供技术支撑。未来，信号全寿命周期健康管理系统还可推动构建长三角区域“地铁轻轨+有轨电车+市域铁路+高铁”4个层级的轨道交通关键设施设备健康管理平台，实现设备远程运维的互联与协同管理。

2 信号系统维修模式向主动维保转型

为了使信号系统向主动维保转型，结合城市轨道交通信号运维的实际需求，从提升业务应用场景、改革业务流程、优化运维管理等方面入手，确定了3大类别、11个核心场景需求，如表1所示。其中：在流程优化上，业务流程采用在线监测闭环、维保业务闭环2种流程闭环模式，分别用于对信号系统设备状态的确认和平台运维业务确认；在制度创新上，进一步优化管理模式，建立新型的生产组织架构，打造扁平化的生产组织模式，以“后台+中台+前台”的概念构建联动式的生产管控体系，依托全寿命周期健康管理平台建立“计划修+状态修+故障修”的检修制度。

表1 信号系统主动维保的应用场景Tab.1 Application scenario of signaling system active maintenance

通过上述转型，以期在生产上实现从线路级运维到线网一体化运维升级、从人工巡检到自动化巡检升级，在流程上实现从分散管理到集中化管理升级，在制度上实现计划维修到智能维修升级等目标。

3 结语

上海作为智慧城市的标杆，构建智慧高效的城市轨道交通系统是智慧城市的重要组成部分。而构建智慧高效的城市轨道交通系统，应以信号系统全寿命周期智能平台为核心，使其具备设备状态实时监控、设备故障预警、设备维护状态预告、应急处置联控等功能，其感知和监测应覆盖信号系统所有的关键性设备。在此基础上，建立相应的生产组织架构，以打造与上海城市轨道交通超大规模网络相匹配的“安全至上、开放合作、创新进取、追求卓越” 信号系统全寿命周期健康管理体系。