地鐵的信號維護支持系統

周庭梁 張兵建

(卡斯柯信號有限公司,200071,上海∥第一作者,工程師)

隨著我國城市軌道交通的快速發展,以及CBTC(Communication-Based Train Control,基于通信的列車控制)模式信號系統和無人駕駛等先進技術的應用,使列車的行車間隔越來越短。為此,一方面需要縮短地鐵信號設備的故障恢復間隔,以提高設備的運行效率;另一方面,需要根據設備的運營數據和故障統計,制定合理的預防性維護策略,以提高設備的可用性。

在軌道交通信號系統中引入地鐵信號的維護支持系統(Maintenance Support System,簡為MSS),作為整個信號系統設備狀態監測和維護的輔助工具,在自動列車監控(ATS)系統、列車自動防護(ATP)系統、列車自動運行(ATO)系統、計算機聯鎖(Computer Based Interlocking,簡為CBI)、通信等系統故障情況下,可幫助信號維護人員定位故障設備,管理維修作業,并提供相應的維護指導文檔,輔助制定維護計劃。

1 地鐵信號維護支持系統的現狀

目前,國內地鐵信號設備的配套維護系統一般采用以下幾種方式:

1)分立模式,即每個子系統都有一套獨立的故障診斷系統。分立模式有利于提供各子系統內專業的故障診斷及分析功能,但各個子系統之間容易形成維護信息孤島,缺乏統一故障監測和維護管理的信息化平臺,不利于實行統一的設備維護工作。

2)通過 ATS系統,管理所有報警信息。由于ATS系統的主要功能是進行運營調度,僅能夠提供有限的報警信息,無法給信號維護人員提供完善的維護支持功能,也無法系統地計劃與安排維護工作。

3)單獨設置一套信號維護監測子系統,用于維護支持和管理。目前CBTC系統的核心設備都是從國外進口,一般由信號供貨商提供核心系統[1](ATS、ATP、ATO 和微機聯鎖等)的維護支持系統;軌旁基礎信號設備則由國內采購,一般采用符合鐵道部標準的微機監測系統進行監測。該方式在沒有實現國產化的系統中普遍采用。其缺點是,維護人員需要通過兩套獨立的系統才能實現完整的維護支持,而且兩套系統之間一般不能通信,也不利于實行統一的維護管理。

在我國國家標準《地鐵設計規范》中,并沒有對地鐵信號系統維護相關領域提出明確的要求。為此,需要引入地鐵信號維護支持系統,使其完全國產化,并與微機監測系統進行整合,實現對信號系統的統一監督與維護管理。

2 地鐵信號維護支持系統的結構

針對城市軌道交通現狀,有必要在線路維修中心(一般在車輛段)設置獨立的地鐵信號維護支持系統,完成對列車運行的監視和整個信號系統所有設備的集中報警功能,并對在線運行的信號設備進行維護管理和支持。

地鐵信號維護支持系統從結構上包括中心(控制中心、維修中心)和車站(沿線各信號工區、設備集中站、車輛段、停車場等)兩部分。整個系統的網絡連接結構圖如圖1所示。

圖1 地鐵信號維護支持系統網絡結構圖

2.1 中心級子系統

中心級子系統包括:

1)兩套位于維修中心的中央應用、數據庫服務器,主要采集 ATS、ATP 、ATO 、CBI等系統的設備狀態,產生合適的事件和報警,并保存到報警歷史數據庫中;由其管理全線維護支持系統的相關參數(包括設備出廠信息、運行參數),維護工單,維護計劃等。

2)位于維修中心、控制中心的維護調度工作站,用于提供全線設備狀態及報警的實時顯示與報警確認,下達維護工單,并跟蹤維護工單執行情況(例如,已關閉或是正在執行等);對報警歷史(時間、設備類型、位置、供應商等)進行過濾和檢索,制定維護計劃。

3)系統配置工作站,用于系統初始化,分配人員角色及權限,配置設備清單,進行設備發現等。

2.2 車站級子系統

車站級子系統包括:

1)信號工區維護終端,用于接收中心維護調度下達的維護指令,查閱相關的維護文檔,并將設備的維護結果報告中心維護調度。

2)集中站維護終端,設置在設備集中站的車站維護終端,除具備信號工區維護終端功能以外,還作為信號微機監測站機,收集基礎信號設備狀態信息(主要是一、二級報警信息)。

3)車輛段、停車場維護終端,其作用同信號工區維護終端。

4)便攜維護終端,其作用同信號工區維護終端,并可用于車載信號系統離線維護數據的下載與處理。

3 地鐵信號維護支持系統的功能

地鐵信號維護支持系統主要提供對二級維護的支持,其功能包括設備狀態的采集、報警信息的生成、維護管理和統計分析等。此處的二級維護是指ATP、ATO、CBI或通信子系統故障情況下,能定位故障設備(或設備的故障部件),并對故障設備(部件)進行替換及驗證的工作。

3.1 信號設備狀態信息采集及報警生成

地鐵信號維護支持系統通過主干網采集信號設備狀態和維護信息,包括軌旁設備(聯鎖等)、車載設備(ATP、ATO等)、網絡設備(交換機等)、計算機設備等,如圖1所示。

維護支持系統采集數據的方式有兩種:

1)通過簡單網管協議(Simple Network Management Protocol,簡為SNMP)輪詢信號設備的管理信息庫(Management Information Base,簡為MIB)。信號設備的MIB,用于存儲該設備的狀態及故障信息,通過按照固定頻率輪詢信號設備MIB,來獲取設備狀態。

2)接收信號子系統主動上傳的故障報警。ATS、ATP、ATO 、CBI等子系統具有自診斷及報警功能。當這些子系統診斷到故障報警時,除在相應的終端上顯示報警信息外,還以SNMP陷阱信息的形式,主動將報警信息發送給維護支持系統,由維護支持系統對該狀態信息進行分析處理。

在獲取設備狀態信息,或是接收到設備主動上傳的故障報警后,維護支持系統會對這些信息進行分析,只有在滿足報警條件后,系統才生成對應類型的報警。

根據故障的來源、成因、重要性等方面,維護支持系統將生成的報警分為4大類,包括:①故障報警(設備或其部件發生故障,影響正常使用);②通信中斷(維護支持系統與車載ATP、ATO或其他子系統連接超時);③超限報警(設備模擬量或開關量達到或超出預設門限值時,生成報警);④手動報警(維護支持系統也支持維護調度手動生成報警)。

所有報警都需由維護調度進行確認。

3.2 維護管理

針對不同的報警信息,維護支持系統提供三種類型的維護管理,包括預防修、狀態修和計劃修。預防修意味著報警可在故障發生前顯示,當設備運行了一段時間周期(或是一個車輛運行公里數)后,提示根據維護程序對設備進行預防性檢查和處理。狀態修是在設備監測過程中,一旦發現設備處于異常狀態,按照維護程序對故障設備(或故障部件)進行更換。計劃修則是在對設備故障、維護的歷史數據進行統計和分析后,根據運行參數的變化趨勢,制定設備大修計劃。

3.2.1 預防修

當設備運行過程中,特定技術參數頻繁超出預設限值時,維護支持系統會向維護調度發出“該設備可能在近期發生故障,應組織相應的預防性維護檢查”的警告。

例如,對于車輪傳感器,每運行2 00萬km后應肉眼檢查并進行清潔。因此,列車運行2 00萬km后,系統會向中心維護調度發出報警,要求進行檢查和清潔。

通過預防性維護,可提高信號設備的安全運行效率,延長其使用壽命,盡量減少因設備發生故障而影響地鐵線路的正常運行。

3.2.2 狀態修

一旦檢測到設備發生故障時,維護支持系統會立即通知中心的維護調度,在運營狀態下進行部件替換,隔日功能調試,或是在運營服務完成后(夜間)再進行設備維護工作。同時,維護支持系統也會提供足夠的維護輔助信息,包括設備的歷史狀態、錯誤描述信息和相關維護文檔,指導維護人員使用合適的工具進行現場維護工作,使維護的實施更為容易。

當前地鐵信號技術已經比較成熟,許多信號設備都采用冗余設計或模塊化設計,允許在不影響設備正常運行的情況下,拆除、更換故障的設備(或部件),這也為狀態修提供了條件。

3.2.3 計劃修

維護支持系統能夠提供完備的設備基礎信息,以及報警、維護等歷史信息和統計分析數據,輔助維護調度根據設備的運行狀況、保養情況、故障記錄,來制定相應的維護策略和計劃,以便定期地對設備進行檢查維護。例如,當某集中站內設備頻繁出現故障,或是全線特定類型的設備頻繁出現故障,那么維護調度可以有針對性地加強對故障頻發地點設備的維護檢修力度,科學分配有限的維護資源。

3.3 維護數據的統計分析

維護支持系統能夠針對設備報警、維護歷史的記錄,自動進行統計分析,生成所有被監測設備的列表,顯示其臺帳信息和當前狀態;列舉所有類型的報警信息,顯示設備名稱、發生時間、處理狀態、報警原因等;并能夠按照年、月、周或者任意時間段,對車載設備產生的故障報警等信息進行統計。通過完善的維護數據統計分析,可為設備維護計劃的制定提供科學依據,保障信號系統的正常運行。

3.4 相關維護人員角色

維護支持系統涉及的使用人員包括維護中心內的維護調度、各信號工區內的維護人員(見圖2所示)。

1)維護調度主要負責:處理維護支持系統生成的設備報警信息,并通過分配維護工單的方式,將信號設備維護要求下達給維護人員;維護工作的結果將體現在維護工單上,同樣由維護調度負責驗證設備是否恢復正常,并決定是否可以關閉該維護工單;根據維護支持系統生成的歷史報警、維護數據分析報告(例如故障頻發設備的類型、場所、時段,設備平均修復時間等),制定合理的維護計劃。

2)各信號工區的維護人員主要根據調度分配的維護工單,利用維護支持系統提供的相關設備(部件)維護手冊,執行合適的維護程序。

圖2 報警管理及維護流程

4 設計原則

4.1 接口標準化

考慮到信號系統日趨復雜,內部各子系統之間接口數量、種類也越來越多,如果針對每個信號子系統都開發專門的通信協議,既增加了維護支持系統集成的難度,又不利于維護對象的擴容。因此,有必要在維護支持系統與其它信號子系統之間采用標準化的接口。為此,維護支持系統采用標準的SNMP與其它信號子系統進行通信。

4.2 保證被監測設備的正常運行

系統正常運營期間,大多數信號設備都是高負荷運行的,頻繁地輪詢設備狀態,會影響設備的運行效率。而隨著信號技術的發展,信號設備的平均故障間隔時間(Mean Time Between Failures,簡為MTBF)也越來越長,設備狀態輪詢間隔過短,就沒有太大的意義。同時,考慮到維護支持系統監測的信號設備數量龐大,頻繁地輪詢設備狀態會占用大量有效帶寬,影響主干網中連接的其他信號子系統的正常通信。因此,在運營時段,維護支持系統主要采用被動接收信號設備故障報警的方式,來監視設備的狀態。而在凌晨運營準備及夜間停運時段,維護支持系統可以按照一定順序完整地查詢整個信號系統的設備狀態。

5 結語

我國正處于城市軌道交通發展的高峰時期,信號系統的安全和穩定是推動城市軌道交通和諧發展的保證。從地鐵信號維護支持系統的設計初衷和理念來看,正是順應了這種發展趨勢,實現對信號系統的集中監測和信號設備維護工作的科學管理。

本文介紹的地鐵信號維護支持系統,首先應用于上海軌道交通10號線信號項目,并將逐步推廣到北京、廣州、深圳等城市的軌道交通信號系統中。

[1]嚴波,李旭宏.城市軌道交通信號系統的維護與保養模式[J].城市軌道交通研究,2005(5):39.