鄒定鋒

（福州地鐵集團有限公司，福建 福州 350004）

0 引言

目前，城市軌道交通信號系統(tǒng)設備維修維護的數(shù)量急劇增長，系統(tǒng)技術復雜，集成度高，接口繁多，維護管理手段落后，以及各專業(yè)維護系統(tǒng)的分散配置，導致維護系統(tǒng)使用率低下，設備維護效率下降，無法有效實現(xiàn)信號系統(tǒng)精準、實時管理及運維，需要對當前的維護技術和管理手段進行變革提升。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等先進技術的逐步成熟，已具備了通過智能維護提高軌道交通安全、降低工作強度和人才依賴的基礎。

本文通過對信號系統(tǒng)運營關鍵技術、設備和維護體系的深入研究，運用技術創(chuàng)新及業(yè)務集成，構建信號智能化維護系統(tǒng)，實現(xiàn)信號系統(tǒng)關鍵設施設備的集成監(jiān)測、智能診斷及健康評估，以此促進維護模式及維護手段的創(chuàng)新及提效。

1 智能化維護系統(tǒng)應用的必要性

傳統(tǒng)的城市軌道維護系統(tǒng)和體系大多仍處于故障修、計劃修階段，無法支撐現(xiàn)有集成度高、接口復雜、高強度的運營需求。主要表現(xiàn)在：

（1）傳統(tǒng)的設備運行狀態(tài)及參數(shù)以人工定期測量為主，數(shù)據(jù)時效性、準確性、覆蓋面遠遠不夠。部分線路具備簡單的在線感知監(jiān)測功能，初步采集了相關設備狀態(tài)及參數(shù)，但在線感知的覆蓋面遠遠不夠。

（2）傳統(tǒng)的維護模式以人工調(diào)閱瀏覽測量及在線感知數(shù)據(jù)為主，分析的準確性、時效性、完整性不足，特別是面向超大規(guī)模的線網(wǎng)設備，設備數(shù)據(jù)量巨大，設備數(shù)據(jù)間關聯(lián)性強，人工分析模式無法持續(xù)。

（3）傳統(tǒng)的維護模式中設備運行規(guī)律總結、維護決策多以人工經(jīng)驗為主，缺乏有效的數(shù)據(jù)支持。

（4）運營和維護壁壘嚴重，多以人工交流、電話、報告溝通為主。人工溝通的時效性低、準確性差，這阻礙了運營對動態(tài)事件、動態(tài)設備狀態(tài)的快速響應及調(diào)整。

（5）傳統(tǒng)的維護模式中多以計劃性維護為主，人工的投入巨大，產(chǎn)生的維護作用有限。在完成設備在線感知、分析的基礎上，具備建立基于設備健康狀態(tài)的主動維護條件。

乘客對軌道交通依賴性強，對安全、便捷、準點、舒適、運營時長等多方面有綜合需求，對設備維護時長、效率、質量提出了更高的要求。因此，應用自動化、智能化的維護系統(tǒng)顯得非常必要和緊迫。

2 智能化維護系統(tǒng)設計需求

為解決傳統(tǒng)的城市軌道維護系統(tǒng)和體系存在的設備維護難點，智能化維護系統(tǒng)需要從頂層進行設計，主要的需求表現(xiàn)在：

（1）系統(tǒng)需實現(xiàn)在線、實時、精準、高頻的設備狀態(tài)感知及監(jiān)測，以實時準確掌握整個線網(wǎng)設施設備的工作狀態(tài)。

（2）系統(tǒng)需實現(xiàn)故障智能診斷功能，實時發(fā)現(xiàn)設備故障并自動定位故障原因、指導排除故障，壓縮故障延時，避免故障對運營產(chǎn)生影響；系統(tǒng)需實現(xiàn)實時智能預警功能，發(fā)現(xiàn)設備隱患并指導排除隱患，防患于未然。

（3）系統(tǒng)需建立設備運行狀態(tài)大數(shù)據(jù)中心，利用長期沉淀數(shù)據(jù)，總結設備運行規(guī)律，生成維護建議報告。利用設備運行數(shù)據(jù)分析結論，有針對性地對設備進行調(diào)優(yōu)、整治、優(yōu)化設計。

（4）系統(tǒng)需建立運營及運維的一體化協(xié)同機制，分析設備運行狀態(tài)。維護信息快速與運行聯(lián)動，以實現(xiàn)運營根據(jù)設備狀態(tài)的優(yōu)化及響應。

（5）系統(tǒng)需建立主動式維保體系，將設備設施的在線感知數(shù)據(jù)、實時分析、大數(shù)據(jù)分析結論與維護資源建立緊密聯(lián)系，建立人、事、物、態(tài)統(tǒng)籌聯(lián)動的主動維保標準，實現(xiàn)快速有效的維護過程。

（6）以合理集約化為目標，進行設備修程修制變更、集中化跨區(qū)域調(diào)度指揮、屬地區(qū)域化管理、后臺專業(yè)化數(shù)據(jù)分析為核心的新管理模式改革。

（7）基于設備的狀態(tài)維修是基于智能運維大數(shù)據(jù)分析報警、預警、健康指標、維修指導進行的主動維修，包括設備巡視、現(xiàn)場維修及試驗、保養(yǎng)維護、輪修維護。

3 智能化維護系統(tǒng)設計思路

3.1 智能化維護系統(tǒng)總體功能

基于智能化維護系統(tǒng)的需求分析，對信號系統(tǒng)的設備進行分解，根據(jù)信號系統(tǒng)各個設備的關鍵程度、故障發(fā)生頻率、故障影響程度以及技術可行度綜合分析，進行故障預警研究和開發(fā)，得出智能化維護系統(tǒng)的總體功能和實現(xiàn)方式如下：

（1）在線集成監(jiān)測功能。主要表現(xiàn)在：集成和在線監(jiān)測范圍覆蓋信號系統(tǒng)所有相關專業(yè)。包括列車控制系統(tǒng)、ATS、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)網(wǎng)管、電源（電源屏、UPS、外電網(wǎng)等）、道岔轉轍設備、信號機、計軸、軌道電路、屏蔽門、環(huán)境監(jiān)測等。

（2）智能分析及預警功能。主要表現(xiàn)在：具備故障智能診斷和定位以及預警分析功能，在故障出現(xiàn)時，能自動定位故障處所和原因，以故障原理圖方式顯示故障處所；平臺能自動發(fā)現(xiàn)故障隱患，在監(jiān)測信息出現(xiàn)異常波動、突變、超限等情況時，能及時預警。故障報警和預警能提供維護建議和故障處理流程。

（3）系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析功能。基于大數(shù)據(jù)技術對設備運行狀態(tài)和健康狀態(tài)進行統(tǒng)計分析，以判斷或預測設備隱患；對各車站、各類型設備長期運行情況進行統(tǒng)計分析并生成報表，為維護策略提供科學支撐。

（4）系統(tǒng)全圖形化的操作界面。全面呈現(xiàn)監(jiān)測綜合信息，可由宏觀到微觀，逐級呈現(xiàn)詳細監(jiān)測信息。

（5）信號設備綜合運維系統(tǒng)故障回放功能。在出現(xiàn)故障時，能對站場圖或圖形化進行回放，關鍵設備具備基于原理圖的回放功能，以輔助故障分析和快速診斷。

（6）設備質量評價?；谠O備綜合采集信息，如電氣特性參數(shù)偏差、報警、預警等，對設備運行質量和健康度進行評價，有利于從宏觀角度展現(xiàn)各車站、各類型設備運行情況。

（7）系統(tǒng)管理相關功能。故障案例庫管理功能；設備管理，包括道岔轉轍設備履歷、備品備件管理等；報警/問題庫管理功能，實現(xiàn)故障閉環(huán)管理。

3.2 智能化維護系統(tǒng)總體架構

智能運維管理系統(tǒng)是基于大數(shù)據(jù)與健康管理平臺的深度集成的技術，能夠實現(xiàn)實時監(jiān)控、故障預測與健康管理、智能運維服務。最終實現(xiàn)視情維修，達到較大幅度增強車輛可靠性和可用性，提升運維效率，減少運維成本的目標?？傮w架構方案如圖1所示。

圖1 智能化維護系統(tǒng)總體架構方案

主要分為中心層和車站層。中心層主要部署應用服務器和日志記錄服務器，實現(xiàn)中心設備的接口和全部數(shù)據(jù)的記錄及存儲。車站層主要是設備的感知。

3.3 信號系統(tǒng)關鍵設備的感知覆蓋

本章節(jié)以信號系統(tǒng)關鍵設備道岔轉轍機為例，介紹設備感知覆蓋。

道岔轉轍設備狀態(tài)監(jiān)測除了實現(xiàn)線路道岔轉轍設備基礎采集信息外，還可以進一步實現(xiàn)如下功能：

3.3.1 集成監(jiān)測、智能診斷及預警

（1）道岔轉轍設備故障智能診斷和定位；

（2）道岔轉轍設備電氣特性及動作曲線預警分析；

（3）道岔轉轍設備故障的維護建議；

（4）故障處理流程圖。

3.3.2 基于大數(shù)據(jù)的統(tǒng)計功能

（1）道岔轉轍設備動作次數(shù)的統(tǒng)計功能；

（2）道岔轉轍設備動作時間（時長）統(tǒng)計功能；

（3）道岔轉轍設備啟動峰值、鎖閉峰值趨勢的統(tǒng)計功能道岔轉轍設備定反位占用時間統(tǒng)計；

（4）基于圖表的報警統(tǒng)計功能；

（5）道岔轉轍設備表示電壓、相電壓、缺口值等年、月、日趨勢。

3.3.3 基于報警和預警的道岔質量分析及健康度評價報表

以曲線的形式直觀顯示轉轍機動作過程的相關參數(shù)值，也可以根據(jù)需要設置參考曲線、摩擦曲線，保存、調(diào)閱及導出故障案例等。

3.4 信號關鍵設備的預警范式

智能分析和預警功能基于智能化維護系統(tǒng)采集的基礎數(shù)據(jù)，基于智能化的專家診斷和分析方法，實現(xiàn)對信號設備的故障診斷和預警分析，提供故障處所定位、故障原因分析、處理維護指導等智能維護功能，同時基于設備健康狀態(tài)實現(xiàn)對設備的質量評價分析，結合問題閉環(huán)管理流程實現(xiàn)智能化、集成化的綜合智能分析功能。

通過對信號設備質量因素的建模，實現(xiàn)對設備的質量分析。質量分析結果直接反映了信號設備當前的健康程度，當健康程度超過閾值設定時，即代表該信號設備需要進行維護關注。

根據(jù)采集的設備數(shù)據(jù)、軌道數(shù)據(jù)和現(xiàn)場獲取到的線路信息等，完成關鍵設備健康狀態(tài)評估，輸出健康狀態(tài)評估結論。

完成設備健康評估需針對各類數(shù)據(jù)進行處理。如線路信息、振動、沖擊數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。通過線路信息可以完成位置與數(shù)據(jù)的匹配，進而在發(fā)現(xiàn)異常時完成故障定位；趨勢數(shù)據(jù)通過特征提取模塊完成對應特征參數(shù)的提取；其他數(shù)據(jù)完成信息修正處理。三者結論進入綜合決策模塊，完成最終的健康評估，并對外輸出健康等級與相關維修建議。

3.4.1 壽命預測

根據(jù)健康評估結論、感知數(shù)據(jù)、已應用里程、維修信息等，完成關鍵設備部件剩余壽命預測，輸出剩余運營里程和剩余運營時間結論，模型如圖2所示。

圖2 關鍵設備剩余壽命評估模型

完成設備壽命預測需針對三類數(shù)據(jù)進行處理，即健康評估數(shù)據(jù)、趨勢數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。

（1）健康評估數(shù)據(jù)通過部件故障程度判斷模塊完成分析評估；

（2）趨勢數(shù)據(jù)通過趨勢預判決策模塊完成數(shù)據(jù)分析預測評估；

（3）利用已知的累計里程、維修履歷及設計參數(shù)完成特征參數(shù)提取。

三者結論進入綜合決策模塊，完成最終的壽命預測，并對外輸出剩余運營里程及剩余運營時間。

3.4.2 預警/壽命預測檢修建議

關鍵設備部件綜合健康評估結果和剩余壽命預測結果，確定維修建議，具體如表1所示。

表1 關鍵設備維修建議表

3.4.3 設備管理

設備管理分為在用設備和應急備品管理兩類，每件設備建立唯一的設備臺賬，按照上道→下道→入所→報廢的生命周期對設備進行管理，并能夠對處在各狀態(tài)的設備進行查詢。

4 智能化維護系統(tǒng)的補充之智能巡檢系統(tǒng)

智能巡檢系統(tǒng)設備在全線各通信信號設備室內(nèi)設置智能巡檢設備，實現(xiàn)對通信信號機房環(huán)境的狀態(tài)采集，可以作為智能化維護系統(tǒng)的一種遠程維護的補充手段。智能巡檢系統(tǒng)支持針對系統(tǒng)狀態(tài)進行一鍵運維，通過得分及異常狀態(tài)數(shù)據(jù)直觀展示系統(tǒng)健康程度。系統(tǒng)支持針對所選區(qū)域下的監(jiān)控點狀態(tài)進行一鍵巡檢，并展示在線狀態(tài)數(shù)據(jù)，同時支持巡檢數(shù)據(jù)導出。

智能巡檢系統(tǒng)支持可視化展示近24h、近一周、近一個月內(nèi)所選區(qū)域下監(jiān)控點在線率及圖像正常率數(shù)據(jù)，視頻異常項及圖像異常項數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)支持針對系統(tǒng)狀態(tài)進行一鍵運維，通過得分及異常狀態(tài)數(shù)據(jù)直觀展示系統(tǒng)健康程度。系統(tǒng)支持針對所選區(qū)域下的監(jiān)控點狀態(tài)、錄像巡檢狀態(tài)、視頻診斷狀態(tài)及點播狀態(tài)進行一鍵巡檢，并展示異常狀態(tài)及在線狀態(tài)數(shù)據(jù)。同時支持巡檢數(shù)據(jù)導出，支持依照所選區(qū)域及其子區(qū)域的巡檢得分排名，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測及質量評估。

5 結語

智能化維護系統(tǒng)的研究和應用可以有效提高地鐵運營企業(yè)的設施設備維護保障水平，改進維護保障作業(yè)效率，減少重復性人工維護工作量，降低維護財務成本，幫助地鐵運營企業(yè)提升地鐵經(jīng)營效益。智能化維護系統(tǒng)的研究和應用將會對地鐵信號系統(tǒng)常態(tài)化、高強度運營起到至關重要的支撐作用，有力地保障了軌道交通列車安全、高效運行。