信號(hào)設(shè)備智能診斷系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用*

劉金葉鞏林玉

（1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200070，上海；2.卡斯柯信號(hào)有限公司，200070，上海∥第一作者，高級(jí)工程師）

信號(hào)設(shè)備智能診斷系統(tǒng)在城市軌道交通系統(tǒng)中的應(yīng)用*

劉金葉1鞏林玉2

（1.上海地鐵維護(hù)保障有限公司，200070，上海；2.卡斯柯信號(hào)有限公司，200070，上海∥第一作者，高級(jí)工程師）

討論信號(hào)設(shè)備智能診斷系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行24 h不間斷的監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，可自動(dòng)判斷信號(hào)設(shè)備的異常或故障，并通過(guò)智能展現(xiàn)技術(shù)指導(dǎo)維護(hù)人員進(jìn)行故障分析和處理。介紹了信號(hào)設(shè)備智能診斷系統(tǒng)的主體框架，重點(diǎn)闡述了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的主要組成模塊，通過(guò)舉例說(shuō)明了該系統(tǒng)的使用過(guò)程。

城市軌道交通；信號(hào)設(shè)備；智能診斷

First-author's addressShanghai Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.，200070，Shanghai，China

城市軌道交通以其便利快捷，日益成為市民出行的首選交通工具。為城市軌道交通設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)高可靠性、高安全性的信號(hào)系統(tǒng)，已成為市民出行安全和軌道交通運(yùn)營(yíng)安全的迫切要求，成為目前城市軌道交通中的重要研究方向。

信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是目前城市軌道交通中必不可少的信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)平臺(tái)，借助該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)信號(hào)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集和常規(guī)報(bào)警功能。由于該系統(tǒng)的智能化程度不高，且不具備深層次診斷分析的能力，故系統(tǒng)目前主要還是依賴人工調(diào)閱采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行異常情況的分析。這種工作方式不能有效保證工作質(zhì)量和效率，有很大的改善空間。

信號(hào)設(shè)備智能診斷系統(tǒng)應(yīng)用于城市軌道交通可有效解決上述問(wèn)題。該系統(tǒng)利用集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合后臺(tái)專家知識(shí)庫(kù)診斷邏輯的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)信號(hào)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行24 h不間斷的持續(xù)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，自動(dòng)判斷出信號(hào)設(shè)備的異常情況或故障，大大減輕了信號(hào)維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了智能化診斷工作，可以更有效地保障信號(hào)設(shè)備的運(yùn)行安全。

本文對(duì)該系統(tǒng)及其在城市軌道交通中的應(yīng)用方法進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

信號(hào)設(shè)備智能診斷系統(tǒng)的主體架構(gòu)基于信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)造而成。該系統(tǒng)利用集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，結(jié)合專家知識(shí)庫(kù)邏輯進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷和預(yù)警分析，當(dāng)診斷出報(bào)警或預(yù)警結(jié)果后，將該診斷結(jié)果發(fā)送至智能展現(xiàn)模塊進(jìn)行進(jìn)一步分析及故障定位。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

車(chē)站層系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)單站的數(shù)據(jù)采集、智能診斷及智能展現(xiàn)等功能，側(cè)重于對(duì)車(chē)站的信號(hào)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)智能監(jiān)控。智能診斷的結(jié)果實(shí)時(shí)發(fā)送至服務(wù)器。車(chē)站層的主要使用人員為車(chē)站相關(guān)維護(hù)人員。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

終端層系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)全線車(chē)站的數(shù)據(jù)調(diào)閱、智能診斷匯總及綜合展現(xiàn)等功能，側(cè)重于對(duì)全線車(chē)站信號(hào)設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)的歸納統(tǒng)計(jì)、故障的遠(yuǎn)程指導(dǎo)定位及故障原因的分析歸納等內(nèi)容。終端層的主要使用人員為業(yè)務(wù)分析中心的相關(guān)維護(hù)人員。

服務(wù)器作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹虚g層，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)工作，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)。

2 智能診斷系統(tǒng)

應(yīng)用于城市軌道交通的智能診斷系統(tǒng)針對(duì)該領(lǐng)域信號(hào)設(shè)備的特點(diǎn)，總結(jié)出了一套適用的專家診斷知識(shí)庫(kù)模型，通過(guò)該模型有效完成信號(hào)設(shè)備的智能診斷工作。

智能診斷系統(tǒng)主要由智能診斷和智能展現(xiàn)兩大模塊構(gòu)成。智能診斷作為后臺(tái)的診斷分析模塊，不間斷地對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行診斷分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常或故障時(shí)，將診斷結(jié)果發(fā)送給智能展現(xiàn)模塊。智能展現(xiàn)模塊通過(guò)動(dòng)態(tài)展現(xiàn)方式告知維護(hù)人員故障處所及可能的故障原因，指導(dǎo)維護(hù)人員進(jìn)行故障處理。

2.1 智能診斷模塊

智能診斷模塊采用后臺(tái)運(yùn)行的模式，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行基于專家知識(shí)庫(kù)的診斷分析，通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊執(zhí)行加載的故障診斷邏輯完成分析任務(wù)。根據(jù)城市軌道交通信號(hào)設(shè)備的特點(diǎn)，該模塊的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。可以看出，智能診斷模塊主要由數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析和輔助配置三部分構(gòu)成；診斷分析的主要對(duì)象為城市軌道交通中關(guān)鍵的信號(hào)設(shè)備，包括供電設(shè)備、道岔設(shè)備、軌道設(shè)備、計(jì)軸設(shè)備、信號(hào)機(jī)設(shè)備、聯(lián)鎖設(shè)備及環(huán)境設(shè)備等。

2.1.1 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取主要是通過(guò)接口或共享內(nèi)存的方式從集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取各類(lèi)采集信息。信息類(lèi)別包括模擬量、開(kāi)關(guān)量、變化開(kāi)關(guān)量和曲線。不同類(lèi)別的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，供后續(xù)的數(shù)據(jù)分析模塊使用。

2.1.2 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析是該系統(tǒng)的核心模塊，針對(duì)不同的診斷方式，由以下四種分析模塊構(gòu)成。

（1）綜合邏輯分析模塊：主要用于診斷分析具有故障樹(shù)特性的、可由專家知識(shí)庫(kù)經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)出的故障邏輯流程。該模塊的基礎(chǔ)是“知識(shí)的表述方式”和“推理機(jī)制”，好的表述方式，高效的推理算法決定了診斷分析的效果。系統(tǒng)針對(duì)城市軌道交通信號(hào)設(shè)備的特點(diǎn)和需求，提煉出一整套故障知識(shí)樹(shù)數(shù)學(xué)模型和相應(yīng)的推理機(jī)。系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)加載該故障知識(shí)樹(shù)，推理機(jī)不停地分析該故障樹(shù)，并把數(shù)據(jù)填入該樹(shù)中。當(dāng)數(shù)據(jù)特征符合故障樹(shù)的預(yù)警特征時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即提示預(yù)警；當(dāng)數(shù)據(jù)特征符合故障樹(shù)的故障特征

時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)捕獲該故障并對(duì)其進(jìn)行診斷，自動(dòng)定位故障的處所，并給出可能的故障原因。同時(shí)，根據(jù)需要設(shè)計(jì)了一套故障知識(shí)樹(shù)的描述工具來(lái)完成故障樹(shù)的繪制工作，減少由經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化成實(shí)際故障樹(shù)邏輯的時(shí)間。

圖2 智能診斷模塊圖

（2）模擬量分析模塊：通過(guò)對(duì)車(chē)站關(guān)鍵信號(hào)設(shè)備單路模擬量24 h不間斷的監(jiān)控分析，達(dá)到提前預(yù)警、及早發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患的作用。事實(shí)上，很多信號(hào)設(shè)備的故障都是由于未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患造成的，在發(fā)生故障前，通常信號(hào)設(shè)備的電氣特性會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性的異常狀況，但僅靠人工監(jiān)測(cè)調(diào)閱無(wú)法有效及時(shí)地捕捉到異常狀況，也不利于進(jìn)一步的分析。通過(guò)該模塊，系統(tǒng)自動(dòng)完成對(duì)模擬量的多模式異常診斷，包括趨勢(shì)類(lèi)推分析、異常波動(dòng)類(lèi)推分析和突變類(lèi)推分析等，從而極大地減輕了維護(hù)人員的工作量，智能化地解決了提前發(fā)現(xiàn)隱患的工作。

（3）曲線分析模塊：主要完成對(duì)道岔電流、功率曲線的故障診斷工作。當(dāng)?shù)啦戆l(fā)生故障時(shí)，通常電流或功率曲線中會(huì)出現(xiàn)具有故障特性的故障曲線，通過(guò)一定的分析方法，結(jié)合道岔故障經(jīng)驗(yàn)庫(kù)的信息，能準(zhǔn)確判斷道岔的故障原因，有效壓縮故障處理時(shí)間。該模塊采用的分析方法主要包括特征匹配、相似度匹配和自定義算法等。

（4）自定義插件模塊：主要通過(guò)插件的方式完成特定的診斷分析功能。對(duì)于無(wú)法采用故障樹(shù)模型進(jìn)行表達(dá)的復(fù)雜邏輯，可采用插件方式進(jìn)行自定義的邏輯表述，通過(guò)統(tǒng)一的接口進(jìn)行加載交互。

2.1.3 輔助配置

輔助配置模塊完成預(yù)定義的配置收集和加載工作，主要包括設(shè)備配置、站場(chǎng)圖配置和流程圖配置。其中，設(shè)備配置描述了車(chē)站設(shè)備及其采集項(xiàng)的基礎(chǔ)信息；站場(chǎng)圖配置描述了車(chē)站信號(hào)設(shè)備的連接關(guān)系及位置信息；流程圖配置描述了預(yù)加載的智能診斷邏輯信息。

2.2 智能展現(xiàn)模塊

當(dāng)智能診斷模塊分析出預(yù)警或報(bào)警內(nèi)容后，將此信息發(fā)送到智能展現(xiàn)模塊作進(jìn)一步的展現(xiàn)分析處理；維護(hù)人員通過(guò)該模塊完成實(shí)際的故障分析處理工作。模塊的主要結(jié)構(gòu)從圖3中可以看出，智能展現(xiàn)模塊接收到診斷結(jié)果信息后，在實(shí)時(shí)報(bào)警界面中進(jìn)行聲光報(bào)警提示；維護(hù)人員接收到提示信息后，進(jìn)行后續(xù)的分析處理。根據(jù)處理對(duì)象的不同，模塊包含兩個(gè)層面的展現(xiàn)內(nèi)容，分別為針對(duì)單個(gè)報(bào)警的詳細(xì)智能展現(xiàn)和針對(duì)全站信號(hào)設(shè)備的綜合智能展現(xiàn)。如圖3所示。

2.2.1 單個(gè)報(bào)警的詳細(xì)智能展現(xiàn)

針對(duì)單個(gè)報(bào)警的智能展現(xiàn)主要包括故障分析、智能定位、維修建議和故障處理等四個(gè)子模塊。各子模塊的作用如下：

故障分析：通過(guò)數(shù)據(jù)列表、數(shù)據(jù)圖表、再現(xiàn)、摘要等方式對(duì)故障時(shí)刻的綜合信息進(jìn)行多視角的分析，以有效獲取故障時(shí)刻的設(shè)備綜合信息及站場(chǎng)狀況。

智能定位：在智能診斷采集點(diǎn)符合邏輯要求的前提下，可以將故障細(xì)化定位到具體的點(diǎn)或回路，及時(shí)地輔助維護(hù)人員進(jìn)行故障處所的定位。

維修建議：完成故障的分析和定位后，給出維修建議，維護(hù)人員可通過(guò)在線維修建議開(kāi)展具體的維護(hù)工作。

故障處理：在明確故障發(fā)生原因及故障處所后，結(jié)合維修建議，采用閉環(huán)流程進(jìn)行故障的確認(rèn)和提交。

2.2.2 全站信號(hào)設(shè)備的綜合智能展現(xiàn)

針對(duì)全站信號(hào)設(shè)備的綜合智能展現(xiàn)主要包括運(yùn)用統(tǒng)計(jì)、智能查詢、歸類(lèi)分析和維護(hù)擴(kuò)展等四個(gè)子模塊。各子模塊的作用如下：

運(yùn)用統(tǒng)計(jì)：根據(jù)當(dāng)天全站信號(hào)設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)，匯總成一張具有參考意義的運(yùn)用統(tǒng)計(jì)表，詳細(xì)列出當(dāng)日存在隱患或發(fā)生故障的信號(hào)設(shè)備信息，供維護(hù)人員分析信號(hào)設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)。

智能查詢：通過(guò)智能化、多過(guò)濾條件的方式進(jìn)行綜合智能報(bào)警查詢，可按信號(hào)設(shè)備類(lèi)型、報(bào)警類(lèi)型、處理狀態(tài)、維修狀態(tài)等多種形式進(jìn)行查詢，為維護(hù)人員提供有效的查詢手段。

歸類(lèi)分析：根據(jù)信號(hào)設(shè)備類(lèi)型，綜合橫向、縱向分析車(chē)站設(shè)備的運(yùn)用狀態(tài)，歸納整理出全線同類(lèi)型設(shè)備的運(yùn)用情況，從而有效分析該類(lèi)設(shè)備的易發(fā)故障和潛在隱患。

維護(hù)擴(kuò)展：隨著維護(hù)人員經(jīng)驗(yàn)和水平的不斷提高，可將系統(tǒng)維修建議、故障可能原因、人工增配等內(nèi)容加以整理，以更好地?cái)U(kuò)展智能診斷系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程，以進(jìn)一步了解系統(tǒng)的運(yùn)作模式及使用方式。

對(duì)于道岔設(shè)備的失表示故障，智能診斷系統(tǒng)首先采用圖4的故障樹(shù)模型啟動(dòng)后臺(tái)邏輯診斷，結(jié)合各采集信息來(lái)綜合判斷當(dāng)前可能存在的故障點(diǎn)或故障回路。

圖4 道岔失表示故障樹(shù)

當(dāng)智能診斷系統(tǒng)分析出當(dāng)前發(fā)生了故障之后，通過(guò)對(duì)故障信息鏈接的點(diǎn)擊，可進(jìn)入故障詳細(xì)分析界面（見(jiàn)圖5），進(jìn)行故障曲線的分析、故障回放的分析等。在實(shí)際的故障詳細(xì)分析界面中，根據(jù)故障信息能直接定位到具體的故障處所，并以紅色高亮顯示。通過(guò)該設(shè)備原理圖，能明確故障回路，從而有效壓縮故障處理時(shí)間。

圖5 故障詳細(xì)分析

進(jìn)一步可將該次故障的原因及處理信息填寫(xiě)在圖5左側(cè)部分，提交后即可完成本次的故障處理。

通過(guò)圖6的信號(hào)設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)統(tǒng)計(jì)信息，可以有效查看全站當(dāng)天信號(hào)設(shè)備的整體運(yùn)用狀態(tài)。

圖6 運(yùn)用狀態(tài)統(tǒng)計(jì)

通過(guò)對(duì)車(chē)站信號(hào)設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析、定時(shí)歸納，可有效監(jiān)控信號(hào)設(shè)備的使用情況，將維修方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榛谠O(shè)備狀態(tài)的維護(hù)方式，從而更加高效地完成信號(hào)設(shè)備的維護(hù)工作。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)內(nèi)城市軌道交通快速發(fā)展的背景下，如何更有效地對(duì)信號(hào)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)管理，盡可能地減少信號(hào)維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，成為一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。本文介紹了一種應(yīng)用于城市軌道交通中的信號(hào)設(shè)備智能診斷系統(tǒng)，其通過(guò)專家維護(hù)知識(shí)庫(kù)結(jié)合推理機(jī)模式進(jìn)行故障的自動(dòng)診斷工作，同時(shí)采用智能展現(xiàn)技術(shù)完成故障的分析及處理工作，能智能化地實(shí)現(xiàn)針對(duì)城市軌道交通信號(hào)設(shè)備的維護(hù)工作。

［1］ 李中.地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究［J］.城市軌道交通研究，2008（10）：44.

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［3］ 劉靖.城軌交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)集成方式的研究［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2010（6）：98.

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太原至西安高鐵7月1日開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，運(yùn)行時(shí)間由10 h縮短至3 h

記者從中國(guó)鐵路總公司獲悉，7月1日，大同至西安高鐵太原南至西安北段將正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)，太原至西安的運(yùn)行時(shí)間將由原來(lái)的10 h縮短至3 h。據(jù)了解，大西高鐵是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》的重要組成部分，也是我國(guó)西部鐵路建設(shè)重點(diǎn)工程。該線北起山西省大同市，自北向南貫穿山西省中部，在山西永濟(jì)市跨越黃河進(jìn)入陜西渭南市，經(jīng)臨潼至西安，共設(shè)大同、太原南、西安北等29個(gè)車(chē)站，全長(zhǎng)859 km。其中山西省境內(nèi)706 km、陜西省境內(nèi)153 km，最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速250 km。

（摘自2014年6月29日《北京青年報(bào)》）

Application of Intelligent Diagnose System of Signaling Equipment in Urban Rail Transit

Liu Jinye，Gong Linyu

Problems in the intelligent diagnose system of urban rail transit signaling equipment are discussed. Through 24 hoursdetection of the signaling equipment and an analysis of the collected data，the abnormal phenomenaand fault could be found，which will help the maintainers tojudge and solve problems timely.In this paper，the framework and main modules of IDS are specially expounded，examples are raised to explain the application process of the system.

urban rail transit；signal equipment；intelligent diagnose

U 29-39

2012-11-22）

*國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題（2011BAG01B05）