信号智能化维护系统在城市轨道交通的应用

邹定锋

（福州地铁集团有限公司，福建 福州 350004）

0 引言

目前，城市轨道交通信号系统设备维修维护的数量急剧增长，系统技术复杂，集成度高，接口繁多，维护管理手段落后，以及各专业维护系统的分散配置，导致维护系统使用率低下，设备维护效率下降，无法有效实现信号系统精准、实时管理及运维，需要对当前的维护技术和管理手段进行变革提升。随着物联网、大数据、云计算、移动互联网、人工智能等先进技术的逐步成熟，已具备了通过智能维护提高轨道交通安全、降低工作强度和人才依赖的基础。

本文通过对信号系统运营关键技术、设备和维护体系的深入研究，运用技术创新及业务集成，构建信号智能化维护系统，实现信号系统关键设施设备的集成监测、智能诊断及健康评估，以此促进维护模式及维护手段的创新及提效。

1 智能化维护系统应用的必要性

传统的城市轨道维护系统和体系大多仍处于故障修、计划修阶段，无法支撑现有集成度高、接口复杂、高强度的运营需求。主要表现在：

（1）传统的设备运行状态及参数以人工定期测量为主，数据时效性、准确性、覆盖面远远不够。部分线路具备简单的在线感知监测功能，初步采集了相关设备状态及参数，但在线感知的覆盖面远远不够。

（2）传统的维护模式以人工调阅浏览测量及在线感知数据为主，分析的准确性、时效性、完整性不足，特别是面向超大规模的线网设备，设备数据量巨大，设备数据间关联性强，人工分析模式无法持续。

（3）传统的维护模式中设备运行规律总结、维护决策多以人工经验为主，缺乏有效的数据支持。

（4）运营和维护壁垒严重，多以人工交流、电话、报告沟通为主。人工沟通的时效性低、准确性差，这阻碍了运营对动态事件、动态设备状态的快速响应及调整。

（5）传统的维护模式中多以计划性维护为主，人工的投入巨大，产生的维护作用有限。在完成设备在线感知、分析的基础上，具备建立基于设备健康状态的主动维护条件。

乘客对轨道交通依赖性强，对安全、便捷、准点、舒适、运营时长等多方面有综合需求，对设备维护时长、效率、质量提出了更高的要求。因此，应用自动化、智能化的维护系统显得非常必要和紧迫。

2 智能化维护系统设计需求

为解决传统的城市轨道维护系统和体系存在的设备维护难点，智能化维护系统需要从顶层进行设计，主要的需求表现在：

（1）系统需实现在线、实时、精准、高频的设备状态感知及监测，以实时准确掌握整个线网设施设备的工作状态。

（2）系统需实现故障智能诊断功能，实时发现设备故障并自动定位故障原因、指导排除故障，压缩故障延时，避免故障对运营产生影响；系统需实现实时智能预警功能，发现设备隐患并指导排除隐患，防患于未然。

（3）系统需建立设备运行状态大数据中心，利用长期沉淀数据，总结设备运行规律，生成维护建议报告。利用设备运行数据分析结论，有针对性地对设备进行调优、整治、优化设计。

（4）系统需建立运营及运维的一体化协同机制，分析设备运行状态。维护信息快速与运行联动，以实现运营根据设备状态的优化及响应。

（5）系统需建立主动式维保体系，将设备设施的在线感知数据、实时分析、大数据分析结论与维护资源建立紧密联系，建立人、事、物、态统筹联动的主动维保标准，实现快速有效的维护过程。

（6）以合理集约化为目标，进行设备修程修制变更、集中化跨区域调度指挥、属地区域化管理、后台专业化数据分析为核心的新管理模式改革。

（7）基于设备的状态维修是基于智能运维大数据分析报警、预警、健康指标、维修指导进行的主动维修，包括设备巡视、现场维修及试验、保养维护、轮修维护。

3 智能化维护系统设计思路

3.1 智能化维护系统总体功能

基于智能化维护系统的需求分析，对信号系统的设备进行分解，根据信号系统各个设备的关键程度、故障发生频率、故障影响程度以及技术可行度综合分析，进行故障预警研究和开发，得出智能化维护系统的总体功能和实现方式如下：

（1）在线集成监测功能。主要表现在：集成和在线监测范围覆盖信号系统所有相关专业。包括列车控制系统、ATS、数据通信系统网管、电源（电源屏、UPS、外电网等）、道岔转辙设备、信号机、计轴、轨道电路、屏蔽门、环境监测等。

（2）智能分析及预警功能。主要表现在：具备故障智能诊断和定位以及预警分析功能，在故障出现时，能自动定位故障处所和原因，以故障原理图方式显示故障处所；平台能自动发现故障隐患，在监测信息出现异常波动、突变、超限等情况时，能及时预警。故障报警和预警能提供维护建议和故障处理流程。

（3）系统基于大数据的统计分析功能。基于大数据技术对设备运行状态和健康状态进行统计分析，以判断或预测设备隐患；对各车站、各类型设备长期运行情况进行统计分析并生成报表，为维护策略提供科学支撑。

（4）系统全图形化的操作界面。全面呈现监测综合信息，可由宏观到微观，逐级呈现详细监测信息。

（5）信号设备综合运维系统故障回放功能。在出现故障时，能对站场图或图形化进行回放，关键设备具备基于原理图的回放功能，以辅助故障分析和快速诊断。

（6）设备质量评价。基于设备综合采集信息，如电气特性参数偏差、报警、预警等，对设备运行质量和健康度进行评价，有利于从宏观角度展现各车站、各类型设备运行情况。

（7）系统管理相关功能。故障案例库管理功能；设备管理，包括道岔转辙设备履历、备品备件管理等；报警/问题库管理功能，实现故障闭环管理。

3.2 智能化维护系统总体架构

智能运维管理系统是基于大数据与健康管理平台的深度集成的技术，能够实现实时监控、故障预测与健康管理、智能运维服务。最终实现视情维修，达到较大幅度增强车辆可靠性和可用性，提升运维效率，减少运维成本的目标。总体架构方案如图1所示。

图1 智能化维护系统总体架构方案

主要分为中心层和车站层。中心层主要部署应用服务器和日志记录服务器，实现中心设备的接口和全部数据的记录及存储。车站层主要是设备的感知。

3.3 信号系统关键设备的感知覆盖

本章节以信号系统关键设备道岔转辙机为例，介绍设备感知覆盖。

道岔转辙设备状态监测除了实现线路道岔转辙设备基础采集信息外，还可以进一步实现如下功能：

3.3.1 集成监测、智能诊断及预警

（1）道岔转辙设备故障智能诊断和定位；

（2）道岔转辙设备电气特性及动作曲线预警分析；

（3）道岔转辙设备故障的维护建议；

（4）故障处理流程图。

3.3.2 基于大数据的统计功能

（1）道岔转辙设备动作次数的统计功能；

（2）道岔转辙设备动作时间（时长）统计功能；

（3）道岔转辙设备启动峰值、锁闭峰值趋势的统计功能道岔转辙设备定反位占用时间统计；

（4）基于图表的报警统计功能；

（5）道岔转辙设备表示电压、相电压、缺口值等年、月、日趋势。

3.3.3 基于报警和预警的道岔质量分析及健康度评价报表

以曲线的形式直观显示转辙机动作过程的相关参数值，也可以根据需要设置参考曲线、摩擦曲线，保存、调阅及导出故障案例等。

3.4 信号关键设备的预警范式

智能分析和预警功能基于智能化维护系统采集的基础数据，基于智能化的专家诊断和分析方法，实现对信号设备的故障诊断和预警分析，提供故障处所定位、故障原因分析、处理维护指导等智能维护功能，同时基于设备健康状态实现对设备的质量评价分析，结合问题闭环管理流程实现智能化、集成化的综合智能分析功能。

通过对信号设备质量因素的建模，实现对设备的质量分析。质量分析结果直接反映了信号设备当前的健康程度，当健康程度超过阈值设定时，即代表该信号设备需要进行维护关注。

根据采集的设备数据、轨道数据和现场获取到的线路信息等，完成关键设备健康状态评估，输出健康状态评估结论。

完成设备健康评估需针对各类数据进行处理。如线路信息、振动、冲击数据及其他数据。通过线路信息可以完成位置与数据的匹配，进而在发现异常时完成故障定位；趋势数据通过特征提取模块完成对应特征参数的提取；其他数据完成信息修正处理。三者结论进入综合决策模块，完成最终的健康评估，并对外输出健康等级与相关维修建议。

3.4.1 寿命预测

根据健康评估结论、感知数据、已应用里程、维修信息等，完成关键设备部件剩余寿命预测，输出剩余运营里程和剩余运营时间结论，模型如图2所示。

图2 关键设备剩余寿命评估模型

完成设备寿命预测需针对三类数据进行处理，即健康评估数据、趋势数据及其他数据。

（1）健康评估数据通过部件故障程度判断模块完成分析评估；

（2）趋势数据通过趋势预判决策模块完成数据分析预测评估；

（3）利用已知的累计里程、维修履历及设计参数完成特征参数提取。

三者结论进入综合决策模块，完成最终的寿命预测，并对外输出剩余运营里程及剩余运营时间。

3.4.2 预警/寿命预测检修建议

关键设备部件综合健康评估结果和剩余寿命预测结果，确定维修建议，具体如表1所示。

表1 关键设备维修建议表

3.4.3 设备管理

设备管理分为在用设备和应急备品管理两类，每件设备建立唯一的设备台账，按照上道→下道→入所→报废的生命周期对设备进行管理，并能够对处在各状态的设备进行查询。

4 智能化维护系统的补充之智能巡检系统

智能巡检系统设备在全线各通信信号设备室内设置智能巡检设备，实现对通信信号机房环境的状态采集，可以作为智能化维护系统的一种远程维护的补充手段。智能巡检系统支持针对系统状态进行一键运维，通过得分及异常状态数据直观展示系统健康程度。系统支持针对所选区域下的监控点状态进行一键巡检，并展示在线状态数据，同时支持巡检数据导出。

智能巡检系统支持可视化展示近24h、近一周、近一个月内所选区域下监控点在线率及图像正常率数据，视频异常项及图像异常项数据等。系统支持针对系统状态进行一键运维，通过得分及异常状态数据直观展示系统健康程度。系统支持针对所选区域下的监控点状态、录像巡检状态、视频诊断状态及点播状态进行一键巡检，并展示异常状态及在线状态数据。同时支持巡检数据导出，支持依照所选区域及其子区域的巡检得分排名，实现远程在线监测及质量评估。

5 结语

智能化维护系统的研究和应用可以有效提高地铁运营企业的设施设备维护保障水平，改进维护保障作业效率，减少重复性人工维护工作量，降低维护财务成本，帮助地铁运营企业提升地铁经营效益。智能化维护系统的研究和应用将会对地铁信号系统常态化、高强度运营起到至关重要的支撑作用，有力地保障了轨道交通列车安全、高效运行。