軌道交通通信設備故障分析系統的設計與實現

方 薇

軌道交通是一個立體、復雜的系統工程，其通信系統如同人體的神經將各個設備聯系在一起協同工作，在整個軌道交通系統中具有不可替代的作用。通信系統的故障報警與分析是系統穩定運行的重要保障，目前大部分機房采取了定時巡查環境設備和24h值班機制等措施，但這些措施不能從根本上解決設備故障問題。為此，提出通信設備的故障告警系統方案，討論其主要功能實現方式，以達到統一監控軌道交通通信網狀態變化，和實現故障統一告警的管理目標。

1 軌道交通通信系統

軌道交通通信系統的構成十分復雜，包括軌道通信主干傳輸網 (傳輸系統)、程控交換電話系統、廣播系統、閉路電視監控系統、時鐘系統、無線通信系統等。其中傳輸系統是軌道交通通信系統的核心。如圖1所示。

圖1 軌道交通通信系統

1.傳輸系統，目前廣泛使用的主干傳輸網有SDH、ATM、OTN等。通過傳輸系統可實現列車語音、圖像、數據等各類型信息的傳輸與資源共享，為各種應用提供傳輸通道。傳輸系統分為傳輸和接入二層。傳輸層提供數據通道，保證各應用業務安全穩定地在節點之間傳輸;而接入層負責實現應用業務接入和匯聚功能，并將匯聚后的應用業務提交給傳輸節點。

2.程控電話交換系統，可細分為公務電話系統與專用電話系統。公務電話系統根據軌道交通的規模具有不同的容量。一般設置1—2個交換局，程控交換機置于控制中心，各車站通過遠端模塊實現接入。專用電話系統由樞紐主系統和車站分系統二級結構組成。

3.廣播系統，可分為控制中心、車站及停車場等廣播系統。通常廣播業務為中心到車站的點到多點業務，而中心對車站系統的監控維護通道則為點對點業務。

4.閉路電視監控系統，作為一種圖像通信，具有直觀、實時的動態圖像監視、記錄和跟蹤控制等功能，是通信指揮系統的重要組成部分，具有獨特的指揮和管理效能，成為軌道交通設備自動化調度和管理的必備設施。

5.時鐘系統，主要由控制中心設備包括GPS/CCTV信號接收單元、主備一級母鐘系統、監控系統、車站 (車輛段)主備二級母鐘、子鐘和傳輸通道等構成。

6.無線通信系統，為行車調度員與司機、車站值班員與司機、司機與司機以及公安、環控、維修等用戶提供移動通信手段。

2 故障告警集中管理系統

2.1 實現目標

1.減少管理的綜合成本。在網絡的日常運營中，能實現集中故障告警分類和分級管理，減少網管系統的操作復雜性，降低網管維護人員的技術要求。實行故障告警集中管理，大幅度地降低日常維護操作的工作量。集中網管采用標準化操作界面，也減少維護人員面對眾多廠家管理界面的誤操作可能。此外，采用了集中操作的網管終端，能夠進一步減少各分系統本身網管配套設備的使用率，甚至有可能將其精簡為網管的中介設備。因此，故障告警集中管理有助于網絡資源的最佳利用，通過網絡共享數據輸出設備，減少網管中心的配置種類和配套設備，這樣將有望減少初期設備投資，有效降低日常運營成本。

2.提高維護效率和水平。按照設備的實際特點，形成切合實際的人機管理接口界面，提供人性化、一體化的操作和維護方式。其軟件以自動化的運行操作和流程為指導，減少平均故障維修時間，加速用戶詢問響應，有效地促進網絡能力的利用率。集中管理數據庫，對于提高管理效率和質量也是至關重要的。集中管理故障告警能夠有效地收集和整理整個通信網的運行狀況，生成統一的性能報表，有利于掌握系統綜合性能的長期變化及趨勢，進一步提高維護的總體水平。

2.2 功能要求

1.維護管理終端，應能顯示全線各車站、車輛段、停車場和控制中心通信設備的組成圖。

2.維護管理終端，應能根據子系統設備監控模塊所發出的監控信息，實現故障定位。在查詢狀況或告警狀況下，通信各子系統設備的工作狀態及故障信息必須達到電路板級。

3.通信系統出現故障后，應控制切換主備用設備，故障排除后網絡配置能自動恢復。

4.設備發生故障時，應能發出可見、可聞的告警信號，同時應啟動相應故障的應對程序向導模塊，以幫助集中網管人員實施系統維護。

5.維護管理終端應能自動紀錄網絡故障設備的有關信息、定期自動或人工生成管理報表，能按照要求周期性地進行自動分析，對于設備性能發生的變化，根據設定的條件提出預警報告。

3 系統設計

3.1 設計思想

軌道交通通信設備故障分析系統，結合目前軌道運營單位的發展和業務需要，考慮未來業務功能的擴展，嘗試建立一個完整的系統體系，面向全局及應用業務的管理。其基本要求是要穩定、正常地運行，并在此基礎上能夠實現較高的功能擴展。

3.2 系統功能模塊劃分

系統主要由數據采集模塊、數據存儲模塊、故障分析模塊及監視模塊組成。如圖2所示。

1.數據采集模塊，負責從軌道通信系統中收集各子系統的狀態及告警信息，將數據格式統一化并存入數據存儲模塊。如圖3所示，數據采集模塊在傳輸系統、電話系統、廣播系統、閉路電視監控系統、時鐘系統以及無線通信系統中都有相應的數據接口，通過這些數據接口及時地采集各個通信子系統的狀態信息。由于各通信子系統的多樣性，所采集的數據格式并不統一，因此需要將各個狀態信息的數據格式進行轉換，以統一的格式存入數據存儲模塊。

圖2 軌道交通通信設備故障分析系統功能模塊圖

圖3 數據采集模塊

2.數據存儲模塊，用于接收并存儲數據采集模塊所收集到的各通信子系統的數據。數據存儲模塊具有穩定性、易存儲性、安全性等特點，定期的將所存儲的數據進行整理優化，并將已經過期的不再具有分析價值的數據進行刪除。另外，出于對系統穩定性的要求，數據模塊會對所存儲的數據進行備份，以防數據丟失。而針對數據的安全性，將所采集數據的存儲，劃定了不同的權限，通常情況下這些數據并不具備修改權限，最大限度地保證通信子系統所采集數據的準確性、有效性和可靠性。

3.故障分析模塊，作為本系統的核心模塊，負責讀取數據存儲模塊中各通信子系統的狀態信息，分析這些狀態數據，得出目前各通信子系統的運行狀態，不僅能夠及時的進行故障告警，還可以對潛在的系統故障進行趨勢預判。數據采集模塊采集的狀態信息數據，可以是各通信子系統自身的故障告警信息，也可以是系統運行的狀態信息。由于通信子系統的運作模式和結構框架各不相同，因此需要對各子系統編寫各自的分析算法。為了高效、統一的實現故障分析功能，故障分析模塊集成了通信系統狀態信息分析的基本模型，可以針對各子系統自身特性在原有基本模型上進行算法繼承與擴展。

4.監視模塊，是故障分析系統與用戶管理員的交互模塊，為用戶管理員對本系統的配置、管理、監控提供接口。監視模塊將數據存儲模塊中存儲的各子系統狀態信息數據呈現給用戶管理員，并及時顯示故障分析模塊對各狀態信息數據的分析結果。管理員通過拓撲圖、告警列表、子系統列表等多種方式查看系統運行情況。還可以通過實時查詢和歷史查詢來詳細顯示系統告警信息。

通過多數據采集模塊的功能擴展，還可以對各通信子系統的其他數據進行有效的查詢，如子系統賬戶信息、配線架信息、文檔信息等。用戶管理員還可以通過交接班管理功能實現對人員工作狀況的管理，如交接班排計劃、交接班日志、日志查詢等。系統管理員還可以對本系統用戶進行增加、刪除、修改、查詢等操作，為不同的系統用戶賦予不同的操作權限。

4 關鍵技術

4.1 數據庫設計

數據庫表結構依據Third Normal Form(3NF)設計，3NF規定:表內每列必須是最小的原子單元，即不能再分;表內每列必須和主鍵相關，不相關的列放入別的表中，一個表只描述一件事情;表內各列必須和主鍵直接相關，不能間接相關。故障分析系統的數據結構設計包括站點、子系統、板卡、故障告警燈等多個數據表。

4.2 故障分析

從數據存儲模塊中取出各通信子系統的狀態信息數據，通過各自模型分析故障并產生告警，并將告警信息存回數據存儲模塊中，成為歷史告警信息，便于以后的查詢與綜合分析。告警信息可以分為多個字段，包括故障發生時間、故障所述通信子系統、故障所在位置、故障級別、故障描述、故障修復時間等信息。

故障相關性分析模型需要建立整個通信網絡的拓撲信息，當網絡發生變化后，故障監測的功能不間斷。具體包括網元層和網絡連接層，網元層描述網絡設備的類型，是物理網元的一個抽象描述。網元面向每個具體應用，不同的通信子系統其網元類型也不相同，包括子網、局站、機框、機槽、機盤、端口等。網絡連接層描述的是網元之間的連接關系，包括光復用段和傳輸段。當故障相關告警已知后，告警分析提供網管人員定位具體發生的故障和故障地點。如果只有部分規則已知或者出現未知規則，網管人員要依據全部的有用信息，找出與故障最匹配的告警模式。

4.3 系統配置

系統應用階段，將已經完成的系統接入實際的軌道交通通信設備中，進行相應的調試和完善，以達到最佳的運行狀態。實施過程中，需要對硬件系統、軟件系統進行安裝與配置，根據環境合理部署，使用不同的硬件設備、配置不同的軟件參數，來保證系統穩定性和運行效率，見表1—表4。

表1 服務器硬件系統配置

表2 客戶端硬件系統要求

表3 服務器軟件系統配置要求

表4 客戶端軟件系統環境配置要求

5 工程實現

依據系統配置對系統進行初始化設置，配置數據的準備、整理、測試、完善、確認等是影響系統能否穩定運行的重要因素。根據目標站點的實際運營情況，包括網絡拓撲結構、站點信息、主板信息、工作用戶、組織結構、告警要求等，整理成調研文檔。根據調研結果，參閱文檔，形成標準化的配置文檔，文檔中包括全部系統相關項、建議值、非功能要求等。為保證配置的正確性，需要復查審議，經專家組審核通過確認后，再進行具體的配置實施操作。

根據最終確認的配置信息對系統以及設備進行參數配置。運行系統，對各個模塊進行逐一測試，根據測試結果與用戶需求進行比較，提出相應的改進意見，對系統進行功能調試，最終達到最佳運行狀態。

目前軌道交通通信設備故障分析系統已經上線運行，系統運行平穩，有效增加了故障處理效率，提高了地鐵設備告警以及處理的自動化水平，可加快告警故障處理速度，改善軌道交通設備的運行質量，有力地保障了地鐵的正常運營。雖然軌道交通通信設備故障分析系統的設計和實現達到了預期目標，但是仍有發展空間，未來研究將采用機器學習等方法來優化告警相關性分析方面的功能，增強用戶體驗。

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