地铁站台门设备智能运维系统探索

2022-04-04王金峰丁树森刘思缈

科技创新导报 2022年23期

王金峰丁树森刘思缈

（青岛地铁集团有限公司运营分公司山东青岛 266000）

地铁系统中，站台门设备是一种特殊的机电一体化设备，为达到提升乘客的候车舒适性、降低列车行驶噪声和活塞风对站台候车乘客影响的目的，站台门设备安装在站台边缘，将轨行区与站台候车区进行分隔，确保乘客乘坐安全的同时，也是运营安全的重要保障措施［1］。

全自动运行技术是一项在现代通信、控制、计算机和系统集成等技术基础上实现列车运行全程自动化的新一代城市轨道交通系统，该系统是一项系统工程，涉及列车车辆、车辆基地、信号系统、综合监控、通信系统、站台门在内的机电专业系统多个专业层面［2］。城市轨道交通采用全自动运行系统后，自动化程度显著提高的同时，也对设备运行稳定性提出了新要求［3］。全自动运行模式与传统线路运营模式相比有较大不同，在这种情况下，需要全方面兼顾考虑传统线路运营人员正常操作的过程，及新系统下对各种设备异常场景的处置处理过程。

城市轨道交通在实现全自动运行、基于网络化运营时代的同时，随着城市居民对乘坐地铁出行的认可、客流强度持续增大、服务要求将不断提升，随之而来的安全运营压力、设备维修压力、维护成本压力等也将与日俱增，这就对设备的维修质量和运维管理提出了更高的要求。如何利用好智能技术手段，在基于网络化运营提升设备维修维护水平、保证设备运行稳定性的同时应对网络化运营挑战，是亟待解决的现实问题。随着大数据系统的逐渐成熟、人工智能系统的突破性发展，移动通信、云计算、物联网技术等各类智能技术在轨道交通领域的应用逐渐成熟，轨道交通行业的车辆专业、信号专业、通信专业、供电专业、机电专业等相关专业系统设备正逐步进行网络化、智能化的升级。科学技术的更新和设备系统的升级，为提升设备维护水平和提升设备智能化管控奠定了良好的基础条件，新技术、新设备与既有设备的匹配应用为智能化发展提供了有力支撑［4］。

智能运维技术将成为国内轨道交通行业向更高水平发展的坚固基石，成熟的智能技术足以加强设备安全风险管控能力、实现智能算法下的设备重要决策、提高设备资产更换时效性，全方位支撑地铁智能化服务需求，高度提升乘客幸福感［5］。

1 站台门智能运维系统简介

为加强对站台门系统设备的运营及维护管理，通过对站台门关键部件（包括但不限于电机、门控器、PEDC、电磁锁、行程开关、电源系统）的基本信息的数据采集及分析，对站台门运行状态、故障报警进行远程实时监控。同时，基于PHM（故障预测与健康管理）理论，利用物联网技术和深度学习算法，研究故障预警趋势，建立站台门智能运维系统。

1.1 工作原理

通过上传设备机械安装数据、尺寸，对比梳理运营以来的设备故障台账，确定需要监测的设备重点点位、运行状态数据［6］。通过对需要监测的设备重点点位、运行状态数据进行持续（长时间、大批量）收集，运用背景建模法、点检测法等智能算法，实现对站台门设备的实时动态监测，根据数据对比，对设备运行的亚健康状态进行预警，实现设备维护保养从人工到智能的跨越。

1.1.1 数据采集

通过加装传感器，对现场信息进行采集，协议采集、台账数据录入等。

1.1.2 特征提取

对获取到的数据进行初步分析，利用一定的算法将故障特征提取出来，同时将系统拆分为多个模块，进行故障特征细化。

1.1.3 建模分析

利用提取出来的故障特征，进行建模分析，建立故障与特征之间的计算模型，对细分模块进行同样的建模，建立各模块的独立评价指标。

1.1.4 在线监测

模型验证后，系统在线部署使用，根据使用情况反向指导优化整个流程。

1.2 主要构成

站台门智能运维系统独立于站台门监控系统（所有增设硬件、软件均只监不控，不影响站台门的正常运行），智能运维系统能对站台门驱动电机、行程开关、电源系统等的运行状态进行监测，可以预测主要部件故障发展趋势，且可以向用户提供报警信息和故障诊断结论，并对站台门设备情况进行分析统计，优化设备管理。站台门设备系统感知见表1。

表1 站台门设备系统感知

站台门智能运维系统主要由采集模块、通信模块和管理模块组成，现场使用分中心级系统和车站级系统。

中心级智能运维系统负责接收车站站台门系统上传的数据，对站台门的状态、报警信息进行汇总、分析，对站台门设备部件的正常特征数据进行信息融合，并自学习算法模型。利用故障模型、寿命试验数据，对站台门进行故障诊断及健康评估，对维保信息进行登记、统计、管理，对预警消息进行推送，对各种图谱信息进行展示。

车站级站台门智能运维系统主要中心级系统形成双向联动，车站级系统由对站台门设备重点部件主要参数进行采集，经处理后完成储存，最后发送至中心集系统。

采集模块主要是通过传感器等设备提取站台门重要运动部件的状态数据，通信模块实现采集模块到管理模块的数据传输，最后由管理模块利用智能算法对采集到的数据进行计算，根据数据对比及计算结果，完成站台门设备的可靠性分析及故障预诊断。目前，常用于轨道交通的智能算法主要包括点检测法、背景建模法等，在智能运维支持下，站台门系统可实现以下功能。

1.2.1 智能诊断功能

基于站台门DCU（门控单元）及电源监控系统采集的监控数据，通过数据库记录数据，计算、设置阈值并建立故障数据模型和算法；根据关键部件监测到的参数变化特征，判断设备部件运行状态；根据站台门正常运行状态，自学习一个站台门运行状态模型。在设备长期运转过程中，任何偏离这个模型的状态都定义为非正常状态，智能运维系统能对非正常状态给出预警提示，并推送相关信息，提醒维保人员及时进行维修与维护。

常规线路仅能采集滑动门开关门、操作等信息，并在PSC 工控机上进行反馈，需前往现场进行查看设备状态。常规线路无相关非正常状态定义，出现报警时，设备已无法正常使用，影响正常运营服务。通过该功能，能够丰富点位信息，通过远程查看可进行实时监控，且能够完成多次全覆盖式巡视，提高巡视效率；通过状态预警，能够在设备偏离正常状态时预警，达到减少实际运营期间的故障概率、提高设备可用性、减轻人员工作压力的目的。

1.2.2 运动部件运行状态监测与预警

站台门智能运维系统可以远程实时监测各个车站的站台门运行状态、故障信息，结合滑动门故障次数及平均故障周期，对后续可能发生故障时间进行预判，且可通过门控单元（DCU）对电机实时电流值及运行温度是否超出标准范围极限值进行监测报警，提醒维保人员现场检查门体阻力是否异常。

常规线路出现设备故障为门体已退出运行，直接影响正常运营服务。通过该功能，能够及时发现异常运行门体，通过自检等方式对其进行检查、调整，避免出现无法联动的极端情况，降低运营期间的故障概率。

1.2.3 对PEDC的状态监测与报警

PEDC 为站台门系统的核心设备，负责收发命令，通过对PEDC 接口电压状态信息的监测，能够完成与信号接口逻辑命令的监测，IBP/PSL 使能命令、操作指令监测、互锁解除操作监测及闭锁信号监测等多项重要信息的监测完成全面的信息采集记录。智能运维系统通过对监测信息的分析，能够量化各模块工作状态，对设备维护、故障处理提供数据支持。

常规线路无相关电压监测，对于出现信号接口压降、IBP/PSL 操作异常等情况无法监测反馈，引发整侧不联动故障，检修排查费时费力，无法有效对现场提供数据支持。

监测SIG 开关门命令输入电压值，明确设备可正常动作的电压值，通过实时监测与数据分析，可以提前发现开关门信号电压衰减情况，提前对回路进行检修，避免因电压衰减导致开关门命令接收失败故障，保障设备正常运行。

监测闭锁信号与互锁解除输出电压值，明确设备闭锁信号正常的电压值，通过实时监测与数据分析，可以通过预警提前发现闭锁信号电压衰减情况，提前对闭锁信号回路进行检查，避免功能失效，造成更大影响。

监测IBP/PSL 使能命令、操作命令，上述命令为按钮操作，控制中间继电器动作来完成指令发出，通过明确继电器动作有效的电压值，设定预警值，对IBP/PSL使能命令、操作命令进行监测与数据分析，可以通过预警发现电压衰减或异常操作状态，通过预警对对应回路进行检查或检查操作情况，避免功能失效不能及时发现，确保运营质量。

1.2.4 对安全回路的状态监测和报警

门控单元监测功能可直接反馈安全回路断点位置反馈上传系统，便于快速处置，减轻对运营的影响。

常规线路安全回路断点检测为应急门，滑动门出现行程开关不能正常触发导致的安全回路不能闭合，当出现其他断点情况时，无法实现定位，排查工作量大，难度大。

1.2.5 电源系统运行状态监测和预警

系统通过监视软件对电源系统的运行状态、故障报警等信息进行监测及统计，采集各站电源系统的重要报警信息，并通过通信模块将采集信息进行传输，分析生成数据报表，发送至车站级工作站，运维人员根据工作站反馈信息开展运营维护工作。

电源系统报警信息主要包括供电模块过欠压、断电、缺相，以及UPS模块过欠压、各模块通信故障、蓄电池组过欠压、母线过欠压、蓄电池投入使用、各开关状态及故障单节蓄电池过欠压、内阻变大、温度过高、各馈线回路绝缘情况等信息。

系统配置便携式蓄电池快速诊断放电仪，检修人员可以在不影响运营的状态下快速完成蓄电池的放电及相关状态诊断，大幅度提高运营维护效率。同时，在正线配置的移动式应急站台门电源设备，能够在电源系统故障时临时替代故障车站电源系统，可使站台门系统快速恢复正常工作状态，将电源系统故障对运营的影响降到最低。

1.3 统计功能

站台门系统软件建立数据库以后，能记录重要元器件（如继电器、行程开关）的使用次数或使用时间，根据技术参数设置阈值，可实时与预设值进行对比判断，到达临界使用次数时，提前预警，完成更换，一是确保设备运行的稳定性，二是能够达到设备全生命周期管理的效果。

常规线路目前无此功能，仅能做到出故障进行更换，设备管理相对被动。

1.4 维保管理功能

站台门运维管理系统平台向相关维保人员派发工单，反馈维保情况，完成维保业务闭环管理，并结合运营维修规程，触发相关系统的计划性维护、自动排定维护计划（关键部件可根据维修情况维修履历更新）。

2 站台门智能运维应用效果展望

2.1 维保模式转变

现有站台门系统的故障处理方式为在故障发生之后再进行故障的排查、诊断及整改，在智能运维状态下，可对故障进行预判，提前发出预警信息，提醒维修人员更换或预处理，逐步由故障维修和计划维修过渡为状态维修，能够降低维护成本。

2.2 节约成本

根据状态参数及大数据分析，提前判断设备部件生命周期，并按需更换易损件，节约大量物资成本及物资存储带来的次生费用。

2.3 安全运营

通过提前对设备故障预判及设备状态预知，有利于及时消除设备风险，提高设备运行稳定性，减少安全事故的发生，降低地铁晚点率。

3 站台门智能运维带来的挑战

3.1 新技术、新设备带来的转变

相对原来的站台门设备，在智能运维架构下，设备增加了许多新的设备及技术，对于现场设备维护保养工班、技术人员提出了更高的要求。如何适应新设备、新技术的使用方式，做到事半功倍，会成为智能运维模式下的一个重大挑战。

3.2 设备稳定性及数据可靠性带来的挑战

智能运维系统目前应用城市不多，应用时间较短，应用反馈较少。目前，设备的智能运维由各子系统供应商提供，数据分散、监测终端过多，运营人员在巡视过程中需要花费大量的时间进行终端巡视，相应地也需要大量的人工成本来支持终端的巡视工作，数据分散、监测终端过多也会使运营工作增加行车故障隐患未及时发现的风险。各系统海量报警、无法区分关键信息、遗漏关键故障，各供应商从自身角度设计报警等级，没有统一的标准，造成大量的运维成本增加，相应地还会增加运营风险，无形中增加了更多的故障点位，对设备稳定性是一个较大的挑战。如何实现智能运维系统的高稳定性、数据报送的高可靠性，成为实现设备智能运维的关键。