城市軌道交通機(jī)電設(shè)備報(bào)警的規(guī)律發(fā)掘與預(yù)測(cè)模型選擇

曾 剛，王 超，牛宏睿， 解亞龍

（1.廣州市地下鐵道總公司，廣州 510030；2. 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081）

地鐵機(jī)電設(shè)備是地鐵運(yùn)營(yíng)的一個(gè)重要組成部分，主要包括：通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、屏蔽門系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、旅客信息統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)、環(huán)控自動(dòng)化系統(tǒng)、防災(zāi)報(bào)警滅火系統(tǒng)。其主要作用是為車站提供通風(fēng)、空調(diào)、給排水、照明、扶梯等基本功能，同時(shí)由環(huán)控自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)這些機(jī)電設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控。

目前，城市軌道交通日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)只是機(jī)電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，還沒(méi)有在未來(lái)時(shí)間內(nèi)預(yù)測(cè)模型的研究，機(jī)電設(shè)備在未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法掌握，也不能對(duì)突發(fā)的報(bào)警及時(shí)處理。本文對(duì)這些系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備報(bào)警信息進(jìn)行記錄與統(tǒng)計(jì)，并建立一個(gè)行之有效的數(shù)學(xué)模型，研究機(jī)電設(shè)備發(fā)生報(bào)警的概率與發(fā)生趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的保存與分析，對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行報(bào)警分類與預(yù)測(cè)。從而在日常運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)有效地進(jìn)行掌握。

1 地鐵機(jī)電設(shè)備報(bào)警數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制

對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行在線監(jiān)控、采集其報(bào)警信號(hào)并進(jìn)行處理是保證機(jī)電設(shè)備正常工作的一種常規(guī)手段。電力監(jiān)控系統(tǒng)主要包括主變電站開關(guān)、出線、進(jìn)線和饋線柜；環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)包括排煙、隧道風(fēng)機(jī)，環(huán)控和水泵房；火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)包括感溫電纜、排煙風(fēng)機(jī)裝置和消防水泵裝置；屏蔽門監(jiān)控系統(tǒng)包括站臺(tái)端門和屏蔽門系統(tǒng)報(bào)警點(diǎn)；防淹門監(jiān)控系統(tǒng)包括防淹門；列車自動(dòng)控制系統(tǒng)包括列車故障信息和信號(hào)設(shè)備狀態(tài)；自動(dòng)售檢票系統(tǒng)包括AFC系統(tǒng)運(yùn)行模式、15 min入/出閘客流信息；列車車體信息系統(tǒng)包括車輛一、二類故障報(bào)警信息。上述系統(tǒng)提供的信號(hào)為I/O信號(hào)，系統(tǒng)主機(jī)1通過(guò)Modbus對(duì)上述系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。Modbus傳輸機(jī)制如圖1。

圖1 機(jī)電設(shè)備報(bào)警信息傳輸方式

Modbus服務(wù)分為主機(jī)與從機(jī)，主機(jī)定期與從機(jī)進(jìn)行通訊，通過(guò)信息報(bào)文的輪詢過(guò)程進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本項(xiàng)目工程實(shí)施中，采集數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔為500 ms。通過(guò)點(diǎn)表定義的數(shù)據(jù)地址段輪詢有效數(shù)據(jù)，解析后入庫(kù)保存。輪詢程序?yàn)镴AVA開發(fā)程序，通過(guò)與Act iveMQ服務(wù)緩存輪詢來(lái)的數(shù)據(jù)，并通過(guò)隊(duì)列保存數(shù)據(jù)。解析程序會(huì)從隊(duì)列中將數(shù)據(jù)取出入庫(kù)。整個(gè)輪詢與解析程序的運(yùn)行時(shí)間控制在500 ms以內(nèi)。報(bào)警信息采集流程如圖2。

圖2 報(bào)警數(shù)據(jù)采集流程

2 基于灰色理論的機(jī)電報(bào)警預(yù)測(cè)模型

在客觀世界中，存在白色系統(tǒng)（信息完全明確）和黑色系統(tǒng)（信息完全不明確），而比例占用最多的是灰色系統(tǒng)，即包含兩者的混合理論系統(tǒng)。灰色系統(tǒng)理論把隨機(jī)量看作是在一定范圍內(nèi)變化的灰色量，盡管存在著無(wú)規(guī)則的干擾成分，經(jīng)過(guò)一定的技術(shù)算是 總能發(fā)現(xiàn)它的規(guī)律性，通過(guò)對(duì)設(shè)備長(zhǎng)期進(jìn)行監(jiān)控并采集真實(shí)有效的數(shù)據(jù)，與灰色理論相結(jié)合從而在對(duì)設(shè)備故障趨勢(shì)提供一套理論的推理方法。經(jīng)過(guò)實(shí)際證明，灰色理論適合于隨即分布概率的機(jī)電設(shè)備模擬的狀態(tài)。同時(shí)理論生成誤差在可接受范圍內(nèi)，采用的自適應(yīng)算法在對(duì)機(jī)電設(shè)備報(bào)警產(chǎn)生比較大誤差情況下，可以自動(dòng)進(jìn)行校正，以滿足對(duì)特定設(shè)備的預(yù)測(cè)適應(yīng)性。

基于灰色理論的軌道交通運(yùn)營(yíng)機(jī)電設(shè)備故障趨勢(shì)模型建立方法，包括以下步驟：

（1）采集現(xiàn)場(chǎng)機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)與報(bào)警的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并按時(shí)間段將該實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分隔存儲(chǔ)；（2）對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)統(tǒng)計(jì)處理，生成原始數(shù)據(jù)；（3）依序列值用最小二乘法計(jì)算估計(jì)常數(shù)值；（4）建立時(shí)間響應(yīng)微分方程的動(dòng)態(tài)模型，計(jì)算序列預(yù)測(cè)值；（5）通過(guò)序列預(yù)測(cè)值前后相鄰的2個(gè)數(shù)據(jù)相減，獲得最終預(yù)測(cè)值；（6）將最終預(yù)測(cè)值與設(shè)定差值進(jìn)行對(duì)比判斷，預(yù)報(bào)何時(shí)將發(fā)生故障。

采用本文的技術(shù)能夠?qū)壍澜煌ㄟ\(yùn)營(yíng)設(shè)備故障趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)先判斷和推理，從而為設(shè)備運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)，提前預(yù)測(cè)設(shè)備將發(fā)生故障的時(shí)間，及時(shí)采取措施，最大限度地避免故障，有效地提高了軌道交通運(yùn)營(yíng)設(shè)備的可靠性。

3 具體實(shí)施方式

實(shí)時(shí)采集軌道交通運(yùn)營(yíng)設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警數(shù)據(jù)后，通過(guò)模型分析預(yù)測(cè)設(shè)備發(fā)生故障的時(shí)間，最大限度的在理論范圍內(nèi)避免設(shè)備出現(xiàn)故障情況。

本文實(shí)施案例中分析預(yù)測(cè)設(shè)備故障情況包括如下步驟：

（1）實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)和報(bào)警數(shù)據(jù)。選定好進(jìn)行分析的設(shè)備類型，準(zhǔn)備實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)。檢測(cè)Modbus服務(wù)項(xiàng)與Ac t iveMQ的連接情況，一旦連接即通過(guò)Modbus服務(wù)端采集選定設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)和報(bào)警值；否則，繼續(xù)檢測(cè)連接情況。

對(duì)于Modbus服務(wù)端采集的數(shù)據(jù)需要檢測(cè)其有效性，如果檢測(cè)到非法數(shù)據(jù)，則返回上一步繼續(xù)采集，否則將這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至Act iveMQ的隊(duì)列當(dāng)中。（2）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)統(tǒng)計(jì)處理，為灰色理論模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)處理的過(guò)程包括數(shù)據(jù)清理、集成、變換、規(guī)約等操作。數(shù)據(jù)清理過(guò)程將系統(tǒng)提供的原始數(shù)據(jù)中能夠用于模型處理的數(shù)據(jù)保存下來(lái)，經(jīng)過(guò)集成與變換、規(guī)約操作過(guò)程將保存下來(lái)的數(shù)據(jù)按照模型要求進(jìn)行組合與處理。（3）在相同條件下進(jìn)行檢測(cè)、記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行至少一次累加，生成一次累加數(shù)列。（4）檢驗(yàn)最終預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差，如誤差超過(guò)10%，則采用殘差模型對(duì)原預(yù)測(cè)進(jìn)行修正。（5）根據(jù)原始數(shù)據(jù)和最終預(yù)測(cè)值分別生成曲線，并在前臺(tái)頁(yè)面上顯示。

灰色理論通過(guò)對(duì)軌道交通運(yùn)營(yíng)設(shè)備的狀態(tài)或報(bào)警數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)將要在何時(shí)發(fā)生故障，能夠提前發(fā)出警告，實(shí)現(xiàn)預(yù)先控制，提高運(yùn)營(yíng)設(shè)備的可靠性。模型建立流程如圖3。

圖 3 數(shù)學(xué)模型建立流程

4 地鐵安全預(yù)警與應(yīng)急平臺(tái)建設(shè)實(shí)踐

目前，機(jī)電設(shè)備報(bào)警算法與應(yīng)用程序已經(jīng)在廣州地鐵應(yīng)急平臺(tái)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，通過(guò)大量數(shù)據(jù)的積累與軟件測(cè)試，已穩(wěn)定運(yùn)行一年多。通過(guò)優(yōu)化算法與采集機(jī)電設(shè)備報(bào)警的歷史數(shù)據(jù)，以及通過(guò)走訪廣州地鐵相關(guān)部門得到的基礎(chǔ)信息，對(duì)機(jī)電設(shè)備報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)多次修改，以符合實(shí)際情況。根據(jù)業(yè)主與使用部門的建議修改前臺(tái)展示界面的易讀性與易用性，從而達(dá)到了在日常運(yùn)營(yíng)管理中，為管理部門掌握地鐵設(shè)施硬件運(yùn)行情況提供有效手段。廣州地鐵應(yīng)用平臺(tái)項(xiàng)目的應(yīng)用界面截圖如圖4和圖5。

圖4 機(jī)電設(shè)備歷史報(bào)警界面

圖5 各專業(yè)機(jī)電設(shè)備報(bào)警統(tǒng)計(jì)

5 結(jié)束語(yǔ)

采用預(yù)測(cè)模型對(duì)下一次發(fā)生故障時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)的精度較高，弱化處理結(jié)果的誤差均不超過(guò)10%。在日常運(yùn)營(yíng)維護(hù)中，這套模型的運(yùn)用幫助管理人員對(duì)機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況有先期的了解，并對(duì)設(shè)備的突發(fā)問(wèn)題有一定的預(yù)警預(yù)測(cè)作用。

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