城市轨道交通信号系统智能运维平台研究

文摘   2024-12-14 08:46   安徽  


目前城市轨道交通信号专业的智能运维平台在需求分析方面存在不足,同时行业内缺乏标准化方案设计框架,导致不同信号系统供应商间的方案设计与实现存在显著差异,且尚未形成统一的行业标准,该情况阻碍针对单一线路的信号系统智能运维解决方案的成熟发展。文章重点研究线路级信号系统智能运维平台的通用方案设计和总体架构,该方案达到初步设计阶段所需的详细程度,符合用户需求文档编制的专业标准,成功应用于基于通信的列车控制系统及列车自主运行系统等多个项目中,可为未来线网级智能运维平台在城市轨道交通信号领域的规划与设计提供参考。

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概述


根据中国交通运输部的公开数据统计,截至2023年12月31日,我国共有55个城市开通运营城市轨道交通线路306条,总运营长度10165.7km,设5897个车站。北京、上海、广州、深圳、杭州和成都等大城市已经发展到轨道交通网络化运营的成熟阶段。

随着城市轨道交通网络的迅速扩张,信号系统及相关设备的规模急剧增长,导致维护和保养任务异常繁重。尤其是老旧设备因长期使用而面临的故障率上升问题更加剧了运维工作的复杂性与紧迫性。传统维护监测系统受限于检测范围窄、设备种类少、模块数量不足以及标准化、集成化程度不高等问题。此外,传统运维管理模式过分依赖于纸质记录和口头沟通,信息化水平低,操作流程和维护标准缺乏系统性,难以应对日益增长的运维压力。2020年中国城市轨道交通协会发布的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》明确将“智能运维安全”列为八大核心体系之一,预示着智能运维系统将成为未来城市轨道交通运维技术发展的主流方向。本文重点研究线路级信号系统智能运维平台通用方案设计。
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方案设计


2.1 需求分析

在传统的维护监测系统中,各子系统通常采取分离式监测和维护的方式,该模式导致数据孤岛现象产生。子系统间数据相互隔离,数据的传输、处理及存储高度依赖于单一设备或系统自身,限制数据的有效利用,且阻碍跨子系统间的数据整合与分析,同时对系统内外故障的精确诊断和有效处理也局限于故障报警信息的推送、显示和记录,无法记录已处理故障的相关分析、处置过程及检修情况。

2.2 系统架构

智能运维平台可将传统的分散式数据管理转向集中式数据管理,此转变引发数据量的急剧增加,呈现出大数据的“4V”特点,即大容量(Volume)、多样性(Variety)、价值性(Value)和高速度(Velocity)。以信号相关设备作为数据来源,通过数据采集层、数据服务层、应用层形成智能运维平台架构,如图1所示。


智能运维平台采用B/S(Browser/Server)网络架构,利用浏览器跨平台兼容性,实现跨平台应用的灵活部署。在数据层系统通过关系型数据库(Structured Query Language Server,SQL Sever)、数据结构服务器(Remote Dictionary Server,Redis)、消息队列(Message Queue,MQ)(如消息中间件(Advanced Message Queuing Protocol,Active MQ)、高性能消息队列(Rabbit Message Queue,Rabbit MQ))等存储解决方案,提供高效的数据存储服务与管理功能。应用层则承担数据展示和管理工作,借助数据可视化模块以图形界面的形式向用户呈现处理后的数据,并可根据智能分析模块处理的数据自动生成分析报表,识别监测设备潜在的变化和趋势。

2.3 数据采集与处理

随着城市轨道交通运营里程的不断扩大和设备量的增加,监测数据量不断膨胀。为充分挖掘数据价值,大数据存储技术发挥了重要的作用。基于城市轨道交通各业务系统现状,将智能运维平台结构划分为分析决策层、云计算中心、大数据中心。本系统设计多对一的数据信息处理机制,采用数据采集与数据清洗等方式处理接收的各子系统运维数据。

2.4 业务功能

2.4.1 状态监测

Q/CR 442-2020《铁路信号集中监测系统技术条件》主要界定传统维护监测内容和功能,但仅包含常规监测功能。智能运维平台相对传统维护监测系统进行监测点的拓展,体现在如下3个方面。

(1)针对信号相关设备板卡的工作状态和工作模式,传统维护监测系统难以发现板卡设备在运行过程中出现的故障。而智能运维平台可实时监测轨旁、车载、全电子、计轴等设备板卡的工作状态与工作模式,有效消除人工巡检时的主观性误差,确保问题一经发现及时处理,避免问题累积和扩大化。

(2)传统维护监测系统通常不会对信号系统中各个子系统的板卡或服务器物理硬件性能进行监测,使预防设备硬件故障和服务器性能问题变得困难。智能运维平台进行多维度监控,覆盖中央处理器(CPU)使用率、内存占用、硬盘健康状况、环境温湿度以及设备工作时间等关键性能指标,可有效实现对即将发生的满载运行、超载运行以及性能衰退等问题的早期预警,从根源上增强信号系统的整体可靠性与稳定性。

(3)智能运维平台显著拓展对信号系统内各子系统设备的监控范围。利用系统结构图和关系图等图形化工具,将原先分散的数据进行整合,为维护人员提供更全面、详尽和多样化的监控信息,实现集成化的可视化监控平台,如图2所示。


2.4.2 智能分析

(1)传统维护监测系统仅可监测设备故障状态,对维护人员的帮助有限,导致对设备检修频率高而检修效率低。智能运维平台可将采集的运维数据进行深度多角度探索性分析,整理并分析各设备在每个时段的运行参数特征,为设备检修过程提供可靠数据支持;可根据时间序列的故障频率数据,自动生成柱状图等分析图表;对海量的设备运维数据进行挖掘,分析统计并总结数据呈现的历史规律,为决策支持提供依据。

(2)传统维护监测系统中,信号机房的日常电气参数及环境温湿度监测高度依赖人工巡检与记录。该模式费时费力,且难以避免主观性误差的干扰,若巡检人员未及时发现并处理问题,将导致问题的累积和扩大化。而智能运维平台引入“一键巡检”功能,简化通用子系统的监测流程,该功能覆盖道岔转辙机、信号机、计轴设备、电源屏、外电网、站台门等,可实时采集并展示电气参数以及设备室和机柜内环境温湿度数据,区分相关信号设备的正常与故障状态。

(3)传统维护监测系统仅监测转辙机动作的电流曲线、功率曲线等,但是由于转辙机控制电路的复杂性,仅凭基础信息难以发现道岔动作过程中由控制电路问题或外界环境因素导致的故障,如继电器的工作时间比正常情况下延长50ms,说明可能存在接触不良等问题。智能运维平台引入皮尔逊相关系数算法,基于大量历史数据,构建继电器故障曲线库和正常曲线库,通过匹配训练不断优化识别模型,根据计算拟合度系数大小判断当前转辙机工作状态是否正常,若检测到故障,平台还可进一步分析并确定故障类型,如图3所示。通过对道岔继电器动作时序的采集和分析,为道岔维护提供更全面、精确和高效的手段,提高设备可靠性和安全性,降低维护成本和工作量。


2.4.3 故障诊断

(1)传统维护监测系统局限于故障报警信息的推送、显示和记录,无法提供故障诊断信息。智能运维平台可检测信号故障设备,运用多项式线性回归预测算法识别异常设备,建立典型故障案例和标准修程作业的专家知识库协助运维人员快速处置故障和执行修程作业;通过正则表达式算法,将报警信息与专家诊断进行在线匹配,依托对信号系统历史数据的分析,预判潜在故障,并提供故障分析、运营影响评估和维护诊断建议;通过调用关联的案例库,提供故障码解释、故障现象描述、故障原因分析以及处置措施;支持逻辑问答功能,可回答报警发生的分区、设备类型等信息,并进一步进行全局性推断。

(2)传统维护监测系统无法系统地记录已处理故障的相关分析、处置及检修过程,不利于对故障检修知识的积累。智能运维平台可以通过文本记录与上传附件功能,记录每一条故障处理的详细信息,包括故障发生时间、地点、报警内容、涉及的具体设备及处置措施等,从而构建故障诊断案例库;支持关键字检索功能,还可利用智能匹配算法,为新出现故障推送案例库处置方法,作为维修指导的参考建议。2.4.4 健康管理

城市轨道交通信号系统的安全运行依赖于对信号设备的定期维护和及时维修。实施科学的健康管理策略,对于确保设备在运行中维持高效率和可靠性至关重要。通过实施精细化监控和预防性维护措施,可显著降低故障发生概率,保障城市轨道交通系统的连续稳定运营。智能运维平台根据收集的数据对信号设备进行健康度评分,采用威布尔分布模型浴盆曲线算法评估设备的健康状态,区分其是处于健康、亚健康状态还是故障状态,并生成相应的维修建议。

设备健康度评分是衡量设备状态和指导维护决策的关键指标,背后是智能运维平台对多维度信息的综合考量,包括设备当前运行状况、监测数据历史趋势、设计寿命预期、实际工作时间与频率、板卡CPU负荷、环境温湿度、累计工作时长及故障记录等运行数据。通过建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技术构建1:1三维模型,将信号机房环境数据、在线监测数据及告警状态等信息整合于“一张图”中,突破原有二维数据的空间限制,实现数据空间信息的精准还原与多维度展示,得出全面反映设备状况的健康度评分。

设备健康度评分作为一个多维度的综合评价体系,集成设备状况的多方面信息,用于指导设备的维护和管理,从而实现对设备状况的持续监控,为优化维护计划、降低运维成本、增强设备可靠性和系统整体稳定性提供强有力支持。
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结束语

本文介绍城市轨道交通线路级信号系统智能运维平台通用方案设计,目前已在青岛地铁6号线TACS列车自主运行系统得以应用实践。智能运维平台可实现对设备状态的全景监控,驱动生产模式从“故障修”向“状态修”转变,为信号设备的稳定运行提供可靠保障,通过对潜在问题的提前干预,减少系统故障的风险,进一步提高城市轨道交通信号运维的自动化和智能化水平。


 / 参考文献 / 

[1]潘佳鹏, 迟宝全. 城市轨道交通信号智能系统运维平台研究[J]. 现代城市轨道交通, 2024(11): 21-25.

















来源:现代城市轨道交通

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