上海城市軌道交通信號系統智能運維需求分析

段亞美

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上海∥工程師)

根據規劃，2030年上海的城市軌道交通線網運營總長度將超過1 000 km，工作日均客流將超過1 000萬人次/d。上海城市軌道交通日趨網絡化、密集化和復雜化，對線網的“大腦”——信號系統的運行維護提出了更高要求。

為了滿足超大規模城市軌道交通網絡運營對設備維護質量的嚴格要求，上海地鐵維護保障有限公司通號分公司(以下簡稱“通號分公司”)通過對信號系統的智能運維探索，從經驗思維轉向數據思維，以數字化驅動質量提升，優化上海城市軌道交通信號系統的維護管理方法。在生產組織結構方面，通號分公司基于“云(云平臺)、管(網絡管道)、端(終端)”的分級運維架構逐步向扁平化生產組織模式轉型，以突破專業獨立、多層分散的管理界限，形成集約復合、協調聯動的生產管理體系。在設備的運維模式方面，通號分公司持續推進基于狀態修的新型維護模式，以打通生產體系中的數據流、信息流，實現由傳統的線路級維護模式向網絡級運維模式的轉變。

1 上海城市軌道交通信號系統的運維現狀

1.1 線網級監測功能不完善

目前上海城市軌道交通各線路均已具備一定的信號設備在線監測功能，但仍存在著采集覆蓋不全面、監測技術不完善、新老線路標準不統一、各維護子系統不聯通等問題[1]，難以實現對全網絡信號設備運行狀態的跟蹤、分析及管控，且缺乏集成化統管能力，在一定程度上影響了應急響應及應急處置的速度。

1.2 故障處置過程不可控

傳統運維模式下的故障處置過程對人工經驗的依賴性較強，包括人工現場檢測、人工調閱數據分析、故障經驗判斷等，存在著效率低、工作量大、不確定因素多等問題[2]。以道岔轉轍設備為例，在正常運營時段，維修人員無法進入正線，難以準確獲取設備工況實時變化的情況。故障發生時，現場技術人員一般需要耗費15～30 min對室內或室外軌行區故障點進行定位，歷時較長。此外，通過人工調度申請獲取搶修點后進行室內/室外排除故障，故障修復時間也較長，應急搶修成本較高。

1.3 設備管理平臺不統一

目前存在物資管理平臺、EAM(資產管理平臺)、施工管理平臺等多個管理平臺對設備進行管理，平臺間相互獨立，數據標準和數據格式不統一、信息不對稱，且缺乏全壽命周期設備的動態化統一管理，因而無法滿足自動化及標準化生產流程的建設需求。

2 維護管理模式不適應

在超大規模城市軌道交通網絡下，運行場景復雜多樣，設備的維護作業體量快速增長，維護難度日趨增加。當前以計劃性防范為主的維護管理模式主要基于標準化維護規程，大多參考鐵路行業傳統條件下的運維標準，已無法滿足現場設備精準、高效、便捷的維護需求。而且，傳統的維護模式對人力、物力的投入極大，在運營管理上難以支撐高強度、超大網絡下高額的運維成本。

針對目前上海城市軌道交通信號系統運維存在的問題，本研究從信號系統的功能需求、采集需求出發，對后續線網級智能運維平臺升級、線路側維護支持子系統建設標準提出建議，如圖1所示。

圖1 上海城市軌道交通信號系統智能運維的需求分析

3 信號系統智能運維的功能需求分析

3.1 集成化的在線監測

面向全線網的信號系統設備包括道岔轉轍設備、電源系統設備、CBTC(基于通信的列車控制)系統設備、列車檢測系統設備、聯鎖系統設備等。為了實現全面的集成化監測，集成化的在線監測應以圖形化的方式監測設備的實時狀態(包括線路圖、車站室內/室外關鍵設備圖形化等)，便于快速輔助進行設備的故障判斷及隱患定位，直觀調取信號設備運行狀態全景圖、實時跟蹤記錄線路關鍵運營運維信息、監控設備運行指標、發出故障告警及迅速定位、設備智能預警等信息[3]。

3.2 高可靠的故障處理

將信號設備系統多維度的采集數據及生產維護信息等進行綜合，形成規范化的故障處理流程。具體要求包括：① 建立信號設備的故障體系，定義故障代碼，形成故障樹，以有效分析設備故障分布及故障關聯，在日常維護時實施預防性維護措施；② 構建基于BIM(建筑信息模型)的設備維護視圖，實現設備在線狀態、設備基礎信息(如名稱、型號、品牌、參數等)和設備位置信息的融合，通過圖譜化對故障進行精準定位，指導現場人員快速操作；③ 基于故障案例庫、智能分析庫、維護手冊等生成信號設備故障處理的標準化操作流程，同時支持單兵設備的現場實況傳送和遠程技術，以實現故障處理的全過程管控。

3.3 敏捷化的應急聯動

建立應急協同一體化機制，進一步提升信號系統的應急搶修效率和水平，減少對正常運營的影響。其措施主要包括：① 構建應急調度指揮體系，實現應急搶修資源(如人力、物資、設施等)的實時定位及快速調度，預測故障對運營影響的范圍、時間等，并提出相應的運維組織建議；② 對于部分關鍵信號設備，如車站ATS(列車自動監控)工作站、ZC(區域控制器)機柜、車載子系統等，實現其遠程重啟功能；③提供場景化的應急處置預案，并結合多樣化運維場景需求及故障統計情況，建立并動態更新應急處理方案。

3.4 全周期的設備管理

基于“采購、管理、使用、保養、維修、報廢”設備管理流程，實現設備從采購入庫到報廢的全生命周期管理，打通各平臺間的壁壘，實現對設備的統一臺賬、設備樹、動態履歷、備品備件等的管理功能，并與設備采購計劃、物料管理、施工管理等工作對接。其中，設備臺賬不僅包含設備編碼、設備類別、設備名稱、廠家、出廠編號、產品規格、購置時間、投產時間、使用部門、使用位置等基本信息，還應包括設備可全程追溯的各類過程信息。

3.5 數字化的決策支持

對海量的設備運維數據進行挖掘，分析、總結數據呈現的歷史規律，為決策支持提供依據。其要求主要包括：① 智能診斷分析，可實現信號設備的故障溯源、關聯分析，解決多點故障根源追溯難題；② 多專業接口分析，可實現信號專業和車輛、供電、工務等專業接口的故障診斷，解決跨專業故障定位困難的問題；③ 通過機器替代人工的方式，從海量設備數據中分析其規律，挖掘運維數據的潛在價值，依據規律優化、改進信號設備的維護策略；④ 專項分析，針對道岔轉轍動作、定位信標讀取、車載無線通信、緊急停車等場景建立相應的數據模型，通過分析發現其故障的發展趨勢；⑤ 設備健康質量評估，建立適用于信號設備的健康質量評估體系及關鍵設備的壽命預測評估方法，為設備的狀態修提供數據支撐。

4 信號系統智能運維的采集需求分析

4.1 采集范圍

信號系統關鍵設備的數據采集應實現全覆蓋，其監測采集范圍包括車載、ATS、ZC、DCS(數據通信子系統)、聯鎖系統等關鍵設備的狀態和報警信息，故障應定位到板卡級。同時，應實現道岔轉轍機、道岔缺口、道岔組合全繼電器、列車檢測設備、信號機、站臺門、電纜絕緣、排架熔絲、電源設施(含外電網、電源屏、UPS(不間斷電源)、電池)等設備的監測采集，以及設備房(含溫濕度、粉塵、煙感、水浸等)環境、無線環境等的監測采集等。

4.2 采集數據類別

傳統的單一數據采集模式已不適應網絡化系統運維的要求。超大線網規模下信號系統采集數據呈現多樣化、全面化的特征，數據類別主要包括系統日志、故障報警、設備狀態、性能信息等。

4.2.1 系統日志

信號系統將傳統的單一數據采集方式擴展為多維度的信息采集方式，其日志信息采集包括車載日志、ATS日志、聯鎖日志、計軸日志、信號網絡日志等。其中：① 車載日志可實現遠程自動傳輸下載，并具備離線分析功能，日志分析的典型場景包括列車的EB(緊急制動)、停車精度、人工駕駛、停站時間等，通過對這些主題分析，挖掘數據規律；② ATS日志信息包括ATS告警信息、事件信息及關鍵操作記錄，可實現對運營場景規律的深入挖掘；③ 聯鎖日志信息包括聯鎖告警信息、內部系統日志及關鍵操作記錄，可實現對聯鎖運行內部狀態、運營影響情況及故障分布等的挖掘及分析；④ 計軸日志信息包括計軸原始日志、計軸故障日志及計軸維護建議，可通過數據分析實現故障診斷及維護指導；⑤ 信號網絡的抓包數據收集，可實現基于網絡日志的通信質量監督。

4.2.2 故障報警

作為數據采集的重要組成部分，信號設備報警信息的采集包括ATS系統報警、ZC報警、DCS網絡設備報警、電源屏及UPS報警等。其中：ATS系統報警包括一般系統報警、系統錯誤、網絡故障、第三方接口通信故障等；ZC報警包括一般系統報警、系統錯誤、網絡故障、板卡故障、冗余丟失等；DCS網絡設備報警包括設備通信異常、電源報警等緊急報警，端口流量異常、丟包率、信息傳輸延時等主要報警，以及CPU(中央處理器)、內存利用率等次要性能報警。

4.2.3 設備狀態

如表1所示，信號系統智能運維需具備對狀態量、模擬量、曲線量、測試量、結構化量、非結構化量等形式數據的采集能力，以實現設備狀態的數字化。

表1 通號設備維修系統的典型數字化運維應用場景Tab.1 Typical digital operation and maintenance application scenarios of Telecom & Signaling maintenance system

表1 信號設備狀態的數據采集形式Tab.1 Data collection type of signal device status

4.3 采集機理

信號系統智能運維數據采集主要包含設備直接采集、系統接口2種方式，可解決傳統模式下數據采集實時性、安全性等難題，實現信號系統的可信、精準、全覆蓋感知。

4.3.1 設備直接采集

由于信號設備的數據采集要求提升，需要從傳統的低頻采集擴展為需捕獲毫秒級瞬間特性的高頻采集。且由于采集場景復雜，傳統的單一固定取樣需要逐漸轉變為時間域及對象可變的復雜取樣?？赏ㄟ^智能傳感器、智能儀表、智能視頻等技術手段，打破信號系統高隔離、非浸入、強實時的系統參數采集瓶頸。

智能傳感器是具備信息處理能力的傳感器，智能傳感器間可進行信息交流，并完成分析、計算等任務。例如：圖2所示的交直流電流智能綜合采集器采用了ASIC(專用集成電路)和數字測量技術，能夠分別采集燈絲電流、50 Hz交流電流、移頻發送電流、ZD7型道岔電流、EJ型道岔電流、電源屏直流電流等的數據信息，并支持遠程功能配置及升級、濾波參數配置、在線診斷等功能。

圖2 交直流電流智能綜合采集器Fig.2 AC/DC current intelligent comprehensive collector

智能視頻是利用計算機自動處理視頻圖像技術，將目標對象與其周圍場景分離，追蹤并分析視頻場景內的目標對象。例如，道岔缺口視頻監測裝置如圖3所示，可定時拍攝轉轍機內部缺口圖像，通過圖像識別來監測道岔缺口變化情況。

圖3 道岔缺口視頻監測裝置模型Fig.3 Model of switch gap monitoring device

4.3.2 系統接口

信號設備智能運維系統可通過與車載系統、ZC系統、ATS系統、DCS系統、聯鎖系統、智能電源屏、UPS、蓄電池、轉轍機缺口、智能燈絲、計軸等進行接口，獲取設備的報警信息及關鍵數據。同時，智能運維系統還需預留與其他第三方系統對接的接口。

5 信號系統智能運維的管理建議

1) 強化技術支撐，提升運維管理的智能化水平。進一步完善線網級信號智能運維平臺，建立數據分析中心，建設信號專業多維度的設備檢測中心和數據庫。利用數據挖掘技術結合算法模型，提升數據分析能力，為信號設備的運維管理提供決策分析數據支持。

2) 優化業務流程，實現全面集約化管理。業務流程的轉型升級包括從線路級運維到線網級一體化運維的升級、人工巡檢到自動化巡檢的升級、各系統分散管理到集中化管理的升級等方面。同時，基于設備全生命周期管理，規范不同階段、不同部門的業務流程，通過設備管理、生產管理、資產管理的信息融合，實現信號設備整體安全性和維護保障能力的提升。

3) 維護策略差異化，分階段推進狀態修?；谛盘栐O備的全面監測及浸入式集中管理，加速形成以狀態修為主、故障修及計劃修相結合的差異化綜合性維護策略。根據現場情況分系統、分線路逐步試點推進狀態修，如根據現場智能運維建設的成熟度及維護需求。對道岔轉轍設備進行試點，并選取新建線路實施試點。同時，基于現場實際情況更新維護規程，實施差異化維護策略下的標準作業指導。

6 結語

城市軌道交通信號系統在安全性、可靠性及可用性上已有一系列成熟的標準規范，而信號系統智能運維方面目前急需制定有明確約束力的標準和規范。究其原因，一方面是信號系統迫切需要配置相應的智能技術裝備，以實現有效的維護管理、保障系統可靠運行。另一方面是超大規模的網絡運營容易形成蝴蝶效應，信號系統當前的運維管理模式僅能滿足基本維修需求，還存在諸多問題[4]，需要通過建立智能化的運維體系進行升級改造。

上海軌道交通已于2017年完成線網級信號智能運維平臺一期的建設并投入使用?，F階段需結合信號系統智慧運維的需求，進一步完善線網側運維平臺及線路側維護支持系統的功能，增強數據的采集能力，大幅提升全網絡信號設備狀態監測的覆蓋率，以實現設備一體化協同運維與健康管理。