城市軌道交通智能運維系統的研究及可行性分析

劉 婧 郭 行 蔣 銳 沈益斌

（1．寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315020；2．寧波思高信通科技有限公司，浙江 寧波 315020）

0 前言

《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中提出，要建立供配電系統、通信系統、AFC系統以及車站機電等系統的智能運維體系，從而提升城軌裝備維護的智能化程度和運維效率，減少維護人工的作業強度，形成城軌裝備智能化。但是目前城市軌道交通智能運維系統的建設還處在初級階段，同時隨著軌道交通的快速發展，列車運行的密度也在不斷增加，因此對相關系統設備的安全和運維管理提出了更嚴格的要求。現有運維模式將面臨一些問題，例如線網擴大、人力成本增大、缺乏歷史數據統計分析以及很難為設備故障處置提供指導等。而發展智能運維系統，就可以為軌道交通提供1個安全穩定的運營環境。

1 智能運維系統

智能運維系統由硬件及軟件組成，其中軟件部分為智能運維平臺管理軟件，以模塊化的方式進行管理，包括設備全生命周期數據管理模塊、運維安全生產管理模塊、運維智能化決策模塊以及設備狀態綜合顯示模塊等，可以根據實際需求增加軟件的功能模塊[1]。

系統硬件主要由管理平臺、鏈路和采集終端設備組成。管理平臺一般設置在控制中心，且配置有智慧運營及節能管理服務平臺;鏈路部分以光纜及各類控制線為主，可以為數據傳輸提供通道;采集終端主要以及攝像機、采集現場信號的傳感器（溫度、濕度等）包括機器人等，可以為智能運維系統收集各種設備的狀態信息[2]。系統結構圖如圖1所示。

2 系統應用

2.1 智能巡檢

2.1.1 智能巡檢系統組成

設備房智能巡檢系統可以大幅減少日常巡視的人力成本，可以實現對動態環境和設備狀態的遠程實時監測與報警，同時還可以在第一時間為故障處置提供現場的實時影像。系統主要由智能巡檢和環境監測組成。

2.1.1.1 智能巡檢部分

圖1 系統結構圖

設置軌道巡檢機器人，按照預先設定的行走軌跡及點位對設備房和機柜進行巡檢，并將巡檢結果通過數據傳輸至本地服務器，如果巡檢結果與設備正常狀態不一致，則準確提供故障設備的位置及狀態信息。特殊情況下，可以遠程手動控制機器人執行巡檢任務。

2.1.1.2 環境監測部分

通過在機房內的重要部位設置溫濕度傳感器、防入侵攝像機以及水漬傳感器等前端設備，可以對機房內的動態環境數據進行實時分析處理并上傳至監視終端，實現對數據的集中存儲和查詢。

2.1.2 巡檢機器人

巡檢機器人可以采用升降式機器人，其主要由升降軌道機器人、通信系統以及監控平臺構成。機器人通過無線通信，可以將采集到的信息實時傳遞給后臺監控平臺，遠程監控后臺通過專網實現與巡檢部門、遠程專家組之間的數據交互。機器人巡檢系統支持接入原有監控系統，從而實現數據交換和設備共享。升降式軌道巡檢機器人作為巡檢系統的核心，它具備系統數據采集、信息交互以及聲光報警等功能。

機器人支持的巡檢模式主要包括例行巡檢、專項巡檢、特殊巡檢及人工遙控巡檢，可以通過系統平臺軟件設置巡檢模式。

2.1.2.1 例行巡檢

機器人按照事先編制的工作計劃（統一定制的巡查點、檢測時間、數據記錄和掃查方式等），自動完成巡檢。

2.1.2.2 專項巡檢

按照專項工作需要編制任務計劃（巡查點、頻率、數據記錄和掃查方式），自動完成重點任務巡檢。

2.1.2.3 特殊巡檢

當現場出現緊急情況時，可以緊急調動機器人系統進入維保和應急處理模式，對特定對象進行巡檢、重點監控并將數據實時上傳至監控后臺，實現遠程實時在線操作，實時監控受檢對象的工作狀態，便于及時發現問題、處理問題。

2.1.2.4 人工遙控巡檢

通過手動控制機器人，對現場進行實時遙控巡檢。該巡檢模式適用于運維人員以及管理單位需要對某類設備的狀態進行鎖定與監測的情況，尤其是在機器人自主巡檢過程中，如果檢測到設備、環境狀態異常并報警時，運維人員可以在第一時間操控機器人快速到達異常設備的位置，及時對異常設備進行查看并核實報警信息，以便快速地制定響應策略。

2.1.3 巡檢數據處理

巡檢過程的數據由后臺報表系統進行處理，它可以自動存儲、統計和分析處理海量數據，例如巡檢點數據查詢與統計、報警信息查詢與缺陷異常分析以及環境記錄數據和紅外測溫數據分析。所有報告及報表支持查詢、導出和打印。導出數據支持 Execl格式和文字格式，導出信息齊全，記錄準確且完整，方便存儲、匯報、決策和作歸檔處理等。

系統能夠在每個巡檢任務結束后，自動生成巡檢任務報表。工作人員可以查詢設定時間內的巡檢任務報表，支持以時間、巡檢類型以及任務名稱進行組合篩選，具體情況見表1。

表1 報表系統

2.2 漏纜監測

2.2.1 漏纜監測原理

漏纜監測系統的工作原理是利用區間漏纜采取鄰站末端相連的連接特點，在2個相連的射頻拉遠單元（RRU）設備處加裝信號收發模塊，該模塊具備對信號進行分析和診斷的功能，可以對區間漏纜狀態信息進行實時采集、監測，并在控制中心的設置終端實時顯示全部漏纜狀態及告警信息[3]。漏纜監測系統除了不能準確預測漏纜脫落、斷裂等突發性情況以及由偶發因素造成（例如被車輪崩飛的石子打擊）的發生時間極短的故障以外，其他不同類型的故障，例如生銹老化、彎折變形以及接頭浸水等緩慢發生的故障，在嚴重影響通信信號前都有較長的發展時間，而脈沖信號在探測到該故障時會產生不同的回波，通過分析回波的特征就可以獲知故障類型以及故障存在的時間，并預測該故障的發展趨勢，從而為“狀態修”提供數據支撐。

2.2.2 漏纜監測功能

漏纜監測系統采用脈沖壓縮技術，該技術具有傳統脈沖和調頻連續波雷達體制的特性，實現了高精度故障定位、漏纜健康監測及故障評估預測。同時漏纜監測系統在軌道交通中主要在漏纜故障定位和漏纜狀態預防性監測中應用，從而確保了漏纜設備運行的可靠性。

當發生接頭脫漏、跳線中斷等漏纜故障時，可以第一時間通過監測系統確定故障問題及故障點位置，為故障處理提供有效的信息，縮短了故障定位的時間。

通過收集漏纜數據和建立數據模型，可以對漏纜狀態進行預防性監測，檢測步驟如下：1）將漏纜、跳線的彎折和斷裂趨勢、接頭松動趨勢等隱患和異常現象作為實時監測內容。2） 通過波形等手段將漏纜間的關鍵連接點、接頭以及合路器等節點處的異常趨勢作為實時監測的內容。3） 對上述內容進行預防性分析，設置預警值，以終端顯示告警信息的形式為現場故障處理提供有效的處置依據。

2.2.3 漏纜監測系統測試實例

通過在A城市地鐵5號線及B城市地鐵4號線進行多次實地測試，證明漏纜系統能夠對漏纜、漏纜實時診斷設備的在線、離線和故障狀態進行實時監測，并且能夠查看漏纜的相關參數，監測狀態、參數與現場校驗結果一致，具體測試情況如下：1）在A城市地鐵5號線測試獲得的波形，其測量的對應頻率值均為1.611 MHz，根據該頻率計算出的測試點距離故障點的距離為716.895 m。漏纜理論長度為716 m。2）在B城市地鐵4號線進行故障定位測試，客戶端軟件能顯示故障距離定位，此時故障點與長興路站RRU的距離為 75 m，通過監測系統顯示的距離，就能大大提升故障處置的效率，故障信息如圖2所示。

圖2 漏纜監測系統軟件界面

3 可行性分析

軌道交通智能運維系統的可行性主要體現在以下5個方面。

3.1 技術層面具備可行性

智能運維系統按照功能可以大致分為圖像識別、紅外熱成像、動態環境監測以及數據處理分析等部分，相關技術都已經有成熟的應用案例，因此從技術層面來說，智能運維系統具備一定的可行性。

3.2 系統可以替代人工巡檢

目前設備房日常巡檢主要包括以下4個內容：1） 機房無滲漏水、高溫等異常情況。2） 設備表面清潔，各箱體、機柜無破損。3） 設備指示燈亮滅及顏色正常。4） 地面、桌椅以及文件柜等非設備物品擺放整齊。

通過對前端巡檢機器人、各類傳感器數據采集以及后臺數據處理功能進行分析，同時還與人工巡檢進行比對，新增設備房智能巡檢系統完全可以滿足上述巡檢需求，從而替代人工完成巡檢工作。

3.3 系統可以利用既有光纖組網

設備房智能巡檢系統與通信專業各子系統類似，可以分為中心和站點2個層級。站點層相對比較獨立，它是由分布于各站點的巡檢機器人、溫濕度傳感器、水浸傳感器、交換機、攝像機以及硬盤錄像機等設備組成。中心層由集中管理服務器、操作終端等設備組成。站點層和中心層需要通過傳輸網絡建立數據交互通道。目前各站點專用通信機房都設有傳輸系統設備，通過區間96芯主干光纜進行連接，提供光纖、以太網等數據通道，不需要另外敷設線纜組網。

3.4 系統與既有通信系統相互獨立

智能巡檢系統為新增系統，與設備房內既有設備相互獨立，除了智能巡檢系統的設備取電時需要接入UPS空開以外，其他設備不會對既有系統產生任何影響。

3.5 設備房具備安裝條件

現場安裝作業內容主要包括安裝導軌、機器人、各類傳感器、攝像頭、支架、機柜設備以及敷設對應線纜。

車站內的通信設備房機柜的單柜高度為2250 mm，排列整齊，柜體間距滿足智能巡檢機器人的作業需求，設備房上方有通風管道、照明燈以及消防管道等設施及輔助支撐架。結合現場設備房環境及機柜布置方式，可以采用吊懸方式安裝導軌和機器人，支架支撐點避開上方各類管道架設于設備房頂部墻面，并通過支架固定導軌。

4 結語

針對目前軌道交通運維模式存在的問題，需要加快對智能運維系統應用的研究，并通過推進智能運維系統的建設，實現對設備全生命周期的管理，提高設備的整體運維水平，預防和減少設備發生故障，降低了維護成本，為地鐵運營安全、運輸效率以及服務質量提供了保障。同時還需要加大研究軌道交通智能運維系統應用的廣度和深度，逐步提升智能運維系統的水平[4]。