蔡宇晶，張 銘，高 凡，鐘建峰

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京 100081）

隨著城市軌道交通發(fā)展，各大城市快速呈現(xiàn)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化趨勢，對線網(wǎng)運營綜合效益提升和安全保障能力提出了更高要求。各大城市軌道交通運營經(jīng)驗證明，線網(wǎng)設(shè)施設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)是城市軌道交通安全運營的前提條件[1-2]。已有統(tǒng)計資料表明，設(shè)施設(shè)備故障是引發(fā)城市軌道交通事故和故障的主要原因，占所有事故和故障起因約70%以上的比例[3]。

城市軌道交通線網(wǎng)設(shè)施設(shè)備包括車輛、供電、環(huán)境與建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)（BAS，Building Automatic System）、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)（AFC，Automatic Fare Collection system）、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)（FAS，automatic Fire Alarm System）、站臺門等[4-5]。傳統(tǒng)的線網(wǎng)監(jiān)視模式逐一對單一實體設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)視[6]，通過串行通信協(xié)議（MODBUS 等）獲取各條線路機電設(shè)備實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，真實顯示設(shè)備當(dāng)前的狀態(tài)屬性。對于各線路調(diào)度人員此模式可以詳細(xì)掌握線路運營內(nèi)各類設(shè)備運行狀態(tài)，但線網(wǎng)層面更多關(guān)注的是影響到實際運營安全的報警事件，及時調(diào)動全線網(wǎng)資源進(jìn)行應(yīng)急處理，如把精力過多放在單一的設(shè)備運行狀態(tài)變化，無疑對各項資源都是一種過度消耗。

目前，國內(nèi)外對城市軌道交通監(jiān)測預(yù)警的研究已經(jīng)取得了一定成果。王征通過分析城市軌道交通設(shè)施設(shè)備故障綜合評估預(yù)警需求，建立一套從單因素預(yù)警指標(biāo)、設(shè)施設(shè)備綜合子系統(tǒng)到線路綜合系統(tǒng)的三級綜合評估預(yù)警指標(biāo)體系[7]；李俊輝等人通過構(gòu)建城市軌道交通車站安全預(yù)警指標(biāo)體系及其閾值，實現(xiàn)對城軌車站安全狀況進(jìn)行預(yù)警分析[8]；李曼等人通過分析閘機客流、通道客流等因素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，形成基于方程的關(guān)聯(lián)預(yù)警分析流程[9]；謝征宇通過對樞紐視頻監(jiān)控采集點間的關(guān)聯(lián)度和客流參數(shù)預(yù)測方法的研究，提出基于空間的客流參數(shù)預(yù)測算法和基于時空的客流參數(shù)預(yù)測模型[10]。通過對上述相關(guān)文獻(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有文獻(xiàn)主要側(cè)重于研究預(yù)警指標(biāo)體系，安全評估體系，對于設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)如何從單一狀態(tài)采集監(jiān)視到分級分類展示預(yù)警信息的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)體系和應(yīng)急聯(lián)動方面研究較少。

本文通過研究已有線網(wǎng)監(jiān)視模式和應(yīng)急管理模式（人工報送的“被動”應(yīng)急模式），針對能夠通過監(jiān)測設(shè)備感知到的應(yīng)急事件，如車站火災(zāi)報警、車站照明失電等，采取主動監(jiān)測應(yīng)急模式。通過分析線網(wǎng)綜合監(jiān)控專業(yè)、信號專業(yè)、通信專業(yè)等各設(shè)備數(shù)據(jù)的采集監(jiān)視、邏輯處理、報警服務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)流程，形成基于“數(shù)據(jù)采集?邏輯判斷?故障報警?應(yīng)急值守”4 步驟的監(jiān)測預(yù)警方案，提前判斷出影響運營安全應(yīng)急事件的發(fā)生，幫助運營單位主動協(xié)調(diào)應(yīng)對各類突發(fā)事件，及時處理潛在的故障威脅。

1 監(jiān)測預(yù)警方案

線網(wǎng)運營下的各線路、各專業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)實時運行狀態(tài)經(jīng)過采集處理，通過計算服務(wù)平臺輸出符合業(yè)務(wù)邏輯需求的報警點，傳送至報警服務(wù)存儲更新，在報警客戶端區(qū)分不同級別不同類型的報警點展示。

1.1 數(shù)據(jù)采集

采集線網(wǎng)各專業(yè)設(shè)備實時運行狀態(tài)，采集的源數(shù)據(jù)包括城市軌道交通每條線路的綜合監(jiān)控、信號、通信集中告警和車輛等專業(yè)的設(shè)備信息[11]。每個專業(yè)下細(xì)分各類系統(tǒng)，如供電系統(tǒng)、FAS、BAS 同屬于綜合監(jiān)控專業(yè)，源系統(tǒng)將需要采集的數(shù)據(jù)封裝至相應(yīng)的接口服務(wù)器，接入承載網(wǎng)的防火墻對流入承載網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行安全檢查，通過防火墻之后傳輸至接入交換機，接入交換機與匯聚交換機連接，匯聚交換機處理來自接入層設(shè)備的所有通信量，并最終將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲。數(shù)據(jù)架構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集架構(gòu)

對于網(wǎng)絡(luò)化運營的城市軌道交通設(shè)有多條地鐵線路，每條線路各專業(yè)的設(shè)備系統(tǒng)建設(shè)程度不同，接入原則也不同。單條線路的控制中心建有綜合監(jiān)控系統(tǒng)和通信集中告警系統(tǒng)時，統(tǒng)一從綜合監(jiān)控系統(tǒng)和通信集中告警系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)；反之，則單獨與FAS、電力監(jiān)控系統(tǒng)、BAS、站臺門系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、時鐘系統(tǒng)和無線系統(tǒng)等專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行接口，采集數(shù)據(jù)。

1.2 邏輯計算

邏輯計算過程獨立于報警服務(wù)，構(gòu)建計算服務(wù)邏輯處理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯處理與報警服務(wù)的松耦合管理。計算服務(wù)平臺針對從源系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，對監(jiān)測到的設(shè)備故障數(shù)據(jù)進(jìn)行計算邏輯處理。通過MQ 消息中間件接收數(shù)據(jù)，在計算服務(wù)平臺中配置邏輯表達(dá)式進(jìn)行運算處理。

1.2.1 計算過程

輸入數(shù)據(jù)包含實時接收的設(shè)備狀態(tài)點數(shù)據(jù)，需要配置的參數(shù)值數(shù)據(jù)以及運算邏輯數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)庫中通過配置計算邏輯表達(dá)式存儲報警業(yè)務(wù)邏輯規(guī)則，計算服務(wù)平臺通過Redis 緩存方式接收所有計算邏輯表達(dá)式。平臺實時接收設(shè)備狀態(tài)點數(shù)據(jù)自動匹配業(yè)務(wù)表達(dá)式進(jìn)行計算處理，如經(jīng)計算后符合報警業(yè)務(wù)規(guī)則，則自動輸出報警點數(shù)據(jù)。

1.2.2 時鐘同步機制

部分專業(yè)設(shè)備報警點需要設(shè)定時間限制范圍。時鐘同步周期性發(fā)送報警時間范圍參數(shù)及當(dāng)前時間參數(shù)至計算服務(wù)平臺，計算服務(wù)平臺如需處理時間范圍限制的報警計算，依托時鐘同步傳送的時間參數(shù)判斷設(shè)備報警傳送時間是否符合報警時間范圍區(qū)間，最終將符合需求的報警點傳送給報警服務(wù)。

計算服務(wù)平臺邏輯架構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 計算服務(wù)平臺邏輯架構(gòu)

1.3 報警服務(wù)

1.3.1 報警服務(wù)端

通過ActiveMQ 方式接收計算服務(wù)平臺已經(jīng)判斷好的業(yè)務(wù)報警點，分發(fā)給各個客戶端。記錄每個客戶端調(diào)度人員對報警的確認(rèn)、消除等操作，再將最新數(shù)據(jù)分發(fā)給客戶端，保證多個客戶端報警數(shù)據(jù)展示同步。

1.3.2 報警客戶端

接收服務(wù)端傳送的報警消息，分級分類展示報警消息，供線網(wǎng)調(diào)度人員接收處置。

1.3.3 消息傳送形式

報警服務(wù)端和報警客戶端之間的消息傳送均采用ActiveMQ 方式，報警服務(wù)端通過發(fā)布/訂閱方式向客戶端分發(fā)消息，確保每個報警客戶端都能夠接收到消息；報警客戶端通過點對點方式向服務(wù)端傳送消息。消息傳遞，如圖3 所示。

圖3 消息傳送

消息傳送操作分為4 類：初始化操作，新報警消息操作，報警確認(rèn)操作和報警恢復(fù)操作。

（1）初始化操作。報警客戶端初始運行時需要向報警服務(wù)端發(fā)送初始化消息，通知報警服務(wù)有新客戶端開啟，報警服務(wù)端接收到消息后將當(dāng)前存在的報警發(fā)送給所有報警客戶端。

（2）新報警消息操作。報警服務(wù)端接收到計算服務(wù)平臺傳遞的新消息，將新報警消息入數(shù)據(jù)庫，同時向客戶端發(fā)布新消息，客戶端接收訂閱消息，展示報警數(shù)據(jù)。

（3）報警確認(rèn)操作。報警客戶端確認(rèn)報警消息，向報警服務(wù)端發(fā)送確認(rèn)操作。報警服務(wù)是更新數(shù)據(jù)庫實時報警表該條報警記錄確認(rèn)狀態(tài)，同時將確認(rèn)消息發(fā)布給所有報警客戶端，所有客戶端界面進(jìn)行報警的確認(rèn)展示。

（4）報警恢復(fù)操作。報警服務(wù)端接收到計算服務(wù)平臺傳遞的某一條已存在報警的恢復(fù)信息后，數(shù)據(jù)庫實時報警表更新該條報警狀態(tài)為已恢復(fù)，同時向所有報警客戶端發(fā)布恢復(fù)消息，所有客戶端界面不再顯示該報警信息。

2 分級分類預(yù)警研判

針對監(jiān)測到的各條線路所有設(shè)備故障狀態(tài)，全部啟動應(yīng)急處置流程顯然是不現(xiàn)實的。通過對我國各大城市軌道交通運營流程的調(diào)研，分析其監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)類型以及突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)案類型，提出一套分級分類預(yù)警研判規(guī)則，劃分一級、二級、三級報警等級，對不同級別的預(yù)警制定不同級別的響應(yīng)方案。針對低級別、風(fēng)險可控的事故預(yù)警，僅報送至線網(wǎng)調(diào)度員，調(diào)度員依據(jù)實際情況決定處置方案；針對高級別、嚴(yán)重影響車站安全運營的預(yù)警，直接啟動應(yīng)急處置流程，調(diào)配相應(yīng)資源快速開展應(yīng)急指揮流程，最大程度地降低突發(fā)事件帶來的損失。

（1）一級預(yù)警。嚴(yán)重影響車站運營，涉及到行車安全、乘客安全級別的報警。大致包括：環(huán)控專業(yè)突發(fā)事件預(yù)警（車站火災(zāi)預(yù)警等）、行車專業(yè)突發(fā)事件預(yù)警（道岔故障、集中站信號失電、中心通信中斷等）、電力專業(yè)突發(fā)事件預(yù)警（車站照明失電、主變電站失電、觸網(wǎng)失電等）以及其他類型預(yù)警（車站大客流事件等）。響應(yīng)方案：報送至報警客戶端，同時啟動應(yīng)急處置流程。

（2）二級預(yù)警。影響行車或設(shè)備正常工作的報警。例如扶梯急停故障、整側(cè)屏蔽門無法開啟或關(guān)閉、車站閘機大面積故障等。響應(yīng)方案，報送至報警客戶端，報警消息置頂，直至線網(wǎng)調(diào)度人員確認(rèn)報警，進(jìn)行相應(yīng)處置。

（3）三級預(yù)警。一般的設(shè)備故障或電氣特性超限。響應(yīng)方案：報送至報警客戶端，提示線網(wǎng)調(diào)度人員查看處置。

3 結(jié)束語

通過分析網(wǎng)絡(luò)運營模式下設(shè)備數(shù)據(jù)故障預(yù)警需求，構(gòu)建“數(shù)據(jù)采集?邏輯判斷?故障報警?應(yīng)急值守”4 步驟監(jiān)測預(yù)警方案，實現(xiàn)多線路、多專業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)的重點監(jiān)測和分級預(yù)警，為突發(fā)事件應(yīng)急處置提供數(shù)據(jù)支撐和輔助決策依據(jù)，為城市軌道交通線網(wǎng)運營下如何實現(xiàn)大量設(shè)備數(shù)據(jù)的采集監(jiān)測及預(yù)警研判提供一種研發(fā)模式。方案已經(jīng)在天津市軌道交通應(yīng)急指揮中心系統(tǒng)中初步應(yīng)用，經(jīng)驗證，系統(tǒng)信息采集更新時間及報警響應(yīng)更新時間均在1 s 以內(nèi)，具有可靠性，能在保證設(shè)備全面監(jiān)測的同時及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備運營中的故障隱患，幫助運營公司主動應(yīng)對設(shè)備運營事故，為車站安全運營提供輔助決策數(shù)據(jù)支持。本文對于設(shè)備監(jiān)測預(yù)警后的故障診斷維修方面還缺乏研究，后期需要進(jìn)一步研究設(shè)備運維處置模式，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期的運營管理。