城市軌道交通線網設備監測預警方案研究

蔡宇晶，張 銘，高 凡，鐘建峰

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

隨著城市軌道交通發展，各大城市快速呈現軌道交通網絡化趨勢，對線網運營綜合效益提升和安全保障能力提出了更高要求。各大城市軌道交通運營經驗證明，線網設施設備的正常運轉是城市軌道交通安全運營的前提條件[1-2]。已有統計資料表明，設施設備故障是引發城市軌道交通事故和故障的主要原因，占所有事故和故障起因約70%以上的比例[3]。

城市軌道交通線網設施設備包括車輛、供電、環境與建筑設備自動化系統（BAS，Building Automatic System）、通信系統、信號系統、自動售檢票系統（AFC，Automatic Fare Collection system）、火災自動報警系統（FAS，automatic Fire Alarm System）、站臺門等[4-5]。傳統的線網監視模式逐一對單一實體設備的狀態進行實時監視[6]，通過串行通信協議（MODBUS 等）獲取各條線路機電設備實時狀態數據，真實顯示設備當前的狀態屬性。對于各線路調度人員此模式可以詳細掌握線路運營內各類設備運行狀態，但線網層面更多關注的是影響到實際運營安全的報警事件，及時調動全線網資源進行應急處理，如把精力過多放在單一的設備運行狀態變化，無疑對各項資源都是一種過度消耗。

目前，國內外對城市軌道交通監測預警的研究已經取得了一定成果。王征通過分析城市軌道交通設施設備故障綜合評估預警需求，建立一套從單因素預警指標、設施設備綜合子系統到線路綜合系統的三級綜合評估預警指標體系[7]；李俊輝等人通過構建城市軌道交通車站安全預警指標體系及其閾值，實現對城軌車站安全狀況進行預警分析[8]；李曼等人通過分析閘機客流、通道客流等因素之間的關聯關系，形成基于方程的關聯預警分析流程[9]；謝征宇通過對樞紐視頻監控采集點間的關聯度和客流參數預測方法的研究，提出基于空間的客流參數預測算法和基于時空的客流參數預測模型[10]。通過對上述相關文獻的分析發現，現有文獻主要側重于研究預警指標體系，安全評估體系，對于設備設施數據如何從單一狀態采集監視到分級分類展示預警信息的業務流轉體系和應急聯動方面研究較少。

本文通過研究已有線網監視模式和應急管理模式（人工報送的“被動”應急模式），針對能夠通過監測設備感知到的應急事件，如車站火災報警、車站照明失電等，采取主動監測應急模式。通過分析線網綜合監控專業、信號專業、通信專業等各設備數據的采集監視、邏輯處理、報警服務數據流轉流程，形成基于“數據采集?邏輯判斷?故障報警?應急值守”4 步驟的監測預警方案，提前判斷出影響運營安全應急事件的發生，幫助運營單位主動協調應對各類突發事件，及時處理潛在的故障威脅。

1 監測預警方案

線網運營下的各線路、各專業設備數據實時運行狀態經過采集處理，通過計算服務平臺輸出符合業務邏輯需求的報警點，傳送至報警服務存儲更新，在報警客戶端區分不同級別不同類型的報警點展示。

1.1 數據采集

采集線網各專業設備實時運行狀態，采集的源數據包括城市軌道交通每條線路的綜合監控、信號、通信集中告警和車輛等專業的設備信息[11]。每個專業下細分各類系統，如供電系統、FAS、BAS 同屬于綜合監控專業，源系統將需要采集的數據封裝至相應的接口服務器，接入承載網的防火墻對流入承載網的數據進行安全檢查，通過防火墻之后傳輸至接入交換機，接入交換機與匯聚交換機連接，匯聚交換機處理來自接入層設備的所有通信量，并最終將數據傳輸至數據庫服務器存儲。數據架構，如圖1 所示。

圖1 數據采集架構

對于網絡化運營的城市軌道交通設有多條地鐵線路，每條線路各專業的設備系統建設程度不同，接入原則也不同。單條線路的控制中心建有綜合監控系統和通信集中告警系統時，統一從綜合監控系統和通信集中告警系統采集數據；反之，則單獨與FAS、電力監控系統、BAS、站臺門系統、廣播系統、時鐘系統和無線系統等專業系統進行接口，采集數據。

1.2 邏輯計算

邏輯計算過程獨立于報警服務，構建計算服務邏輯處理平臺，實現數據邏輯處理與報警服務的松耦合管理。計算服務平臺針對從源系統采集的數據進行篩選，對監測到的設備故障數據進行計算邏輯處理。通過MQ 消息中間件接收數據，在計算服務平臺中配置邏輯表達式進行運算處理。

1.2.1 計算過程

輸入數據包含實時接收的設備狀態點數據，需要配置的參數值數據以及運算邏輯數據。在數據庫中通過配置計算邏輯表達式存儲報警業務邏輯規則，計算服務平臺通過Redis 緩存方式接收所有計算邏輯表達式。平臺實時接收設備狀態點數據自動匹配業務表達式進行計算處理，如經計算后符合報警業務規則，則自動輸出報警點數據。

1.2.2 時鐘同步機制

部分專業設備報警點需要設定時間限制范圍。時鐘同步周期性發送報警時間范圍參數及當前時間參數至計算服務平臺，計算服務平臺如需處理時間范圍限制的報警計算，依托時鐘同步傳送的時間參數判斷設備報警傳送時間是否符合報警時間范圍區間，最終將符合需求的報警點傳送給報警服務。

計算服務平臺邏輯架構，如圖2 所示。

圖2 計算服務平臺邏輯架構

1.3 報警服務

1.3.1 報警服務端

通過ActiveMQ 方式接收計算服務平臺已經判斷好的業務報警點，分發給各個客戶端。記錄每個客戶端調度人員對報警的確認、消除等操作，再將最新數據分發給客戶端，保證多個客戶端報警數據展示同步。

1.3.2 報警客戶端

接收服務端傳送的報警消息，分級分類展示報警消息，供線網調度人員接收處置。

1.3.3 消息傳送形式

報警服務端和報警客戶端之間的消息傳送均采用ActiveMQ 方式，報警服務端通過發布/訂閱方式向客戶端分發消息，確保每個報警客戶端都能夠接收到消息；報警客戶端通過點對點方式向服務端傳送消息。消息傳遞，如圖3 所示。

圖3 消息傳送

消息傳送操作分為4 類：初始化操作，新報警消息操作，報警確認操作和報警恢復操作。

（1）初始化操作。報警客戶端初始運行時需要向報警服務端發送初始化消息，通知報警服務有新客戶端開啟，報警服務端接收到消息后將當前存在的報警發送給所有報警客戶端。

（2）新報警消息操作。報警服務端接收到計算服務平臺傳遞的新消息，將新報警消息入數據庫，同時向客戶端發布新消息，客戶端接收訂閱消息，展示報警數據。

（3）報警確認操作。報警客戶端確認報警消息，向報警服務端發送確認操作。報警服務是更新數據庫實時報警表該條報警記錄確認狀態，同時將確認消息發布給所有報警客戶端，所有客戶端界面進行報警的確認展示。

（4）報警恢復操作。報警服務端接收到計算服務平臺傳遞的某一條已存在報警的恢復信息后，數據庫實時報警表更新該條報警狀態為已恢復，同時向所有報警客戶端發布恢復消息，所有客戶端界面不再顯示該報警信息。

2 分級分類預警研判

針對監測到的各條線路所有設備故障狀態，全部啟動應急處置流程顯然是不現實的。通過對我國各大城市軌道交通運營流程的調研，分析其監測設備數據類型以及突發事件應急預案類型，提出一套分級分類預警研判規則，劃分一級、二級、三級報警等級，對不同級別的預警制定不同級別的響應方案。針對低級別、風險可控的事故預警，僅報送至線網調度員，調度員依據實際情況決定處置方案；針對高級別、嚴重影響車站安全運營的預警，直接啟動應急處置流程，調配相應資源快速開展應急指揮流程，最大程度地降低突發事件帶來的損失。

（1）一級預警。嚴重影響車站運營，涉及到行車安全、乘客安全級別的報警。大致包括：環控專業突發事件預警（車站火災預警等）、行車專業突發事件預警（道岔故障、集中站信號失電、中心通信中斷等）、電力專業突發事件預警（車站照明失電、主變電站失電、觸網失電等）以及其他類型預警（車站大客流事件等）。響應方案：報送至報警客戶端，同時啟動應急處置流程。

（2）二級預警。影響行車或設備正常工作的報警。例如扶梯急停故障、整側屏蔽門無法開啟或關閉、車站閘機大面積故障等。響應方案，報送至報警客戶端，報警消息置頂，直至線網調度人員確認報警，進行相應處置。

（3）三級預警。一般的設備故障或電氣特性超限。響應方案：報送至報警客戶端，提示線網調度人員查看處置。

3 結束語

通過分析網絡運營模式下設備數據故障預警需求，構建“數據采集?邏輯判斷?故障報警?應急值守”4 步驟監測預警方案，實現多線路、多專業設備數據的重點監測和分級預警，為突發事件應急處置提供數據支撐和輔助決策依據，為城市軌道交通線網運營下如何實現大量設備數據的采集監測及預警研判提供一種研發模式。方案已經在天津市軌道交通應急指揮中心系統中初步應用，經驗證，系統信息采集更新時間及報警響應更新時間均在1 s 以內，具有可靠性，能在保證設備全面監測的同時及時發現設備運營中的故障隱患，幫助運營公司主動應對設備運營事故，為車站安全運營提供輔助決策數據支持。本文對于設備監測預警后的故障診斷維修方面還缺乏研究，后期需要進一步研究設備運維處置模式，實現設備全生命周期的運營管理。