信號(hào)系統(tǒng)健康管理主動(dòng)維保技術(shù)的研究及應(yīng)用

戴龑飛 張 郁 吳 敏

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司， 200235， 上海∥第一作者， 工程師)

目前，上海城市軌道交通已進(jìn)入超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)時(shí)期，其設(shè)施設(shè)備必須保持高度安全、持續(xù)可靠、運(yùn)維成本可控，以支撐線網(wǎng)長(zhǎng)期化、常態(tài)化、高強(qiáng)度的運(yùn)營(yíng)。信號(hào)系統(tǒng)是城市軌道交通的“大腦”與“神經(jīng)中樞”，集行車指揮和列車運(yùn)行控制為一體，是保證列車運(yùn)行安全、運(yùn)營(yíng)效率及服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵系統(tǒng)。信號(hào)系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，將會(huì)影響行車安全和正常運(yùn)營(yíng)秩序，甚至導(dǎo)致極其嚴(yán)重的后果。目前，全自動(dòng)運(yùn)行模式是城市軌道交通的發(fā)展趨勢(shì)，其在沒(méi)有司機(jī)和站務(wù)員的情況下，依靠信號(hào)系統(tǒng)控制命令實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)休眠/喚醒、自動(dòng)出入庫(kù)、自動(dòng)運(yùn)行、自動(dòng)開(kāi)關(guān)門及自動(dòng)恢復(fù)故障等功能。與傳統(tǒng)模式相比，全自動(dòng)運(yùn)行模式下的城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)備和接口更多，對(duì)信號(hào)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，對(duì)設(shè)備的運(yùn)維工作也提出更多的需求。

目前上海城市軌道交通運(yùn)營(yíng)設(shè)備的運(yùn)維模式仍處于故障修、計(jì)劃修階段。被動(dòng)式的維護(hù)管理手段已無(wú)法支撐起上海超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的需求。為了有效地實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)的主動(dòng)維保，應(yīng)基于智能運(yùn)維技術(shù)建立設(shè)備全壽命周期維護(hù)的平臺(tái)化體系，并對(duì)當(dāng)前的設(shè)備維護(hù)技術(shù)和管理手段進(jìn)行改革。圖1為上海城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)在壽命周期內(nèi)實(shí)施主動(dòng)維保的總體思路。

圖1 信號(hào)系統(tǒng)全壽命周期內(nèi)主動(dòng)維保的總體思路

1 信號(hào)系統(tǒng)主動(dòng)維保的關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

1.1 維保模式新理論

信號(hào)系統(tǒng)現(xiàn)有的設(shè)備管理體系為事后型和計(jì)劃型，主要體現(xiàn)為：故障發(fā)生后，搶修人員接到故障報(bào)警，全力趕赴現(xiàn)場(chǎng)，但無(wú)法第一時(shí)間收到故障實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，故障處置更多依賴于個(gè)人技術(shù)經(jīng)驗(yàn)；日常維護(hù)依賴于周期性日檢、周檢、季檢、年檢等計(jì)劃性安排。既有維護(hù)模式?jīng)]有基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)的支撐，導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防難度高、人力成本高、設(shè)備保障率低。面對(duì)城市軌道交通復(fù)雜線網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)背景，信號(hào)專業(yè)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備在全壽命周期內(nèi)從維持高安全性、高可靠性和高可用度等角度出發(fā)，應(yīng)突破技術(shù)瓶頸，運(yùn)用多源可信融合感知、多引擎融合診斷預(yù)警等自主核心技術(shù)，構(gòu)建信號(hào)專業(yè)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備全壽命周期健康管理技術(shù)體系，以技術(shù)創(chuàng)新帶動(dòng)應(yīng)用創(chuàng)新，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管理創(chuàng)新，提升我國(guó)城市軌道交通設(shè)備運(yùn)維領(lǐng)域的能力。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能為核心特征的數(shù)字化浪潮正席卷全球，城市軌道交通運(yùn)營(yíng)設(shè)備主動(dòng)維保的模式改革需要新科技的支撐。通過(guò)設(shè)備和設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境和狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)共享，以及智能化的收集、傳遞、處理等操作，替代人工巡檢；通過(guò)海量、快速、多樣的數(shù)據(jù)收集，應(yīng)用人工智能技術(shù)，精細(xì)化計(jì)算、診斷設(shè)備狀態(tài)的健康度，并制定相應(yīng)的維修決策。如圖2所示，基于平臺(tái)化體系的關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新通過(guò)評(píng)估、發(fā)現(xiàn)、治理、管控等4個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)系統(tǒng)全壽命周期健康管理的主動(dòng)維保目標(biāo)。

注：“列控”為列車控制的簡(jiǎn)稱。

1.2.1 列控健康管理理論

以狀態(tài)修為代表的全壽命周期健康管理是目前城市軌道交通運(yùn)維模式的發(fā)展趨勢(shì)，但由于受一定條件限制，狀態(tài)修在我國(guó)仍不算是一種成熟的維修方式。為了真正實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修，迫切需要建立完備的設(shè)備維修理論體系，以支撐技術(shù)研發(fā)和管理創(chuàng)新。

為奠定關(guān)鍵理論基礎(chǔ)，本文建立了列控健康管理理論。該理論包括異構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同方法、故障診斷建模語(yǔ)言、健康指數(shù)計(jì)算模型，其中：異構(gòu)數(shù)據(jù)協(xié)同方法可解決列控傳輸網(wǎng)域分散、采樣方式及接入?yún)f(xié)議多樣、數(shù)據(jù)表述格式各異等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)基于同一標(biāo)準(zhǔn)(包括傳輸?shù)讓印f(xié)議、格式、存取方式等方面的標(biāo)準(zhǔn))的列控運(yùn)維底層平臺(tái)，并大幅提升數(shù)據(jù)的處理效率；故障診斷建模語(yǔ)言用以描述信號(hào)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和邏輯推理，構(gòu)建可復(fù)用擴(kuò)展的診斷知識(shí)模型，解決列控系統(tǒng)機(jī)器建模難題，實(shí)現(xiàn)可視化快速、自主建模；健康指數(shù)計(jì)算模型將列控設(shè)備狀態(tài)數(shù)值量化，依托數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能維修決策，形成面向感知、診斷、預(yù)警、決策和協(xié)同全流程的健康管理理論。

1.2.2 信號(hào)系統(tǒng)多源安全感知技術(shù)

城市軌道交通智能化運(yùn)維架構(gòu)的最底層是感知技術(shù)，這是獲取信息和實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制的首要環(huán)節(jié)。隨著信息技術(shù)的多元化發(fā)展，感知對(duì)象日益增多，主要包括電氣特性、機(jī)械特性、視頻、音頻、信息流、網(wǎng)絡(luò)包等；城市軌道交通運(yùn)營(yíng)過(guò)程中瞬間故障頻發(fā)，對(duì)感知頻率更是提出毫秒級(jí)的高要求；基于可靠性、安全性的原則，感知設(shè)備與感知對(duì)象須具備更安全的隔離措施；隨著故障場(chǎng)景的增多，感知場(chǎng)景也需具備智能化切換功能。

為了提升感知技術(shù)，本文提出了通過(guò)信號(hào)設(shè)備非侵入式的聲、光、電、信息流等感知方法，保障感知的安全性，并研發(fā)了可自動(dòng)識(shí)別關(guān)鍵場(chǎng)景及可自切更換采樣模式的綜合智能感知設(shè)備。此外，通過(guò)研發(fā)能量受控注入采樣、信號(hào)匹配濾波、聯(lián)鎖狀態(tài)參效追蹤等技術(shù)，建立了轉(zhuǎn)轍機(jī)工況檢測(cè)等多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備平臺(tái)。該平臺(tái)可提供多維度、全周期、高精準(zhǔn)的狀態(tài)信息，關(guān)鍵設(shè)備感知覆蓋率達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)同步，使列控系統(tǒng)安全性持續(xù)優(yōu)于危險(xiǎn)概率水平(10-9次/h)。

1.2.3 信號(hào)系統(tǒng)多引擎融合診斷預(yù)警技術(shù)

信號(hào)系統(tǒng)的信息傳輸速率在毫秒級(jí)別，正常值和故障值差距微小，導(dǎo)致出現(xiàn)大量的誤報(bào)警。為了提高預(yù)警精確度，本文研發(fā)了信號(hào)系統(tǒng)的多引擎融合診斷預(yù)警技術(shù)，主要包括：①研發(fā)了滑動(dòng)窗波形分析技術(shù)，該技術(shù)針對(duì)信號(hào)設(shè)備毫秒級(jí)連續(xù)量感知數(shù)據(jù)，可連續(xù)識(shí)別不同粒度的突變、抖動(dòng)及趨勢(shì)變化，進(jìn)而提高采樣分析的效率和準(zhǔn)確率；②基于弗雷歇距離算法研發(fā)了列控設(shè)備波譜特征分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了異常特征提取，解決了故障類型自動(dòng)分類等問(wèn)題；③采用ELU函數(shù)、標(biāo)定因子輸入、over-Sampling采樣方法等技術(shù)，研發(fā)了適用于信號(hào)系統(tǒng)特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)算法，解決了模型收斂慢、泛化能力差、樣本不平衡等問(wèn)題，分析模型具有自主進(jìn)化能力。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽查及各方反饋，信號(hào)系統(tǒng)的多引擎融合診斷預(yù)警平臺(tái)運(yùn)用至今，設(shè)備的告警漏報(bào)率為0，故障診斷準(zhǔn)確率達(dá)99.1%。

1.2.4 信號(hào)全壽命周期健康管理系統(tǒng)

在信號(hào)系統(tǒng)大數(shù)據(jù)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，信號(hào)全壽命周期健康管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)化運(yùn)維決策、智能化終端執(zhí)行、可視化維修指導(dǎo)、敏捷化應(yīng)急聯(lián)動(dòng)、集成化資產(chǎn)管理、智能化機(jī)器巡檢等6大功能。通過(guò)對(duì)設(shè)備全壽命周期質(zhì)量的監(jiān)控和評(píng)估，建議設(shè)備的檢修周期，預(yù)測(cè)設(shè)備的更換年限；所有維護(hù)和應(yīng)急流程由智能運(yùn)維平臺(tái)實(shí)時(shí)跟蹤，并由平臺(tái)終端分步執(zhí)行；維護(hù)流程可由監(jiān)測(cè)系統(tǒng)調(diào)取，指導(dǎo)維修工現(xiàn)場(chǎng)操作；應(yīng)急突發(fā)故障可自動(dòng)聯(lián)動(dòng)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)及部門，協(xié)助指揮故障處置；新線及大修改造項(xiàng)目進(jìn)度可匹配資金請(qǐng)款計(jì)劃，實(shí)施集成管理；通過(guò)視頻影像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和環(huán)境狀態(tài)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，使用信號(hào)全壽命周期健康管理系統(tǒng)后，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備可靠度和維保工作的提質(zhì)增效，人工巡檢從每線每天300人次降至每線每天20人次，備品率從10%降至2%，運(yùn)維成本下降幅度超過(guò)30%。

1.3 信號(hào)系統(tǒng)主動(dòng)維保的應(yīng)用效果分析

1.3.1 模式全面升級(jí)，提升管理水平

基于智能運(yùn)維的要求，上海地鐵維護(hù)保障有限公司通號(hào)分公司對(duì)信號(hào)設(shè)備系統(tǒng)管理模式進(jìn)行全面升級(jí)，系統(tǒng)性地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)修，有效解決了如線網(wǎng)安全信息孤立分散、缺乏基于系統(tǒng)安全態(tài)勢(shì)分析的預(yù)警及隱患識(shí)別能力等問(wèn)題。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，管理模式全面升級(jí)后，信號(hào)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備的感知覆蓋率接近100%；系統(tǒng)診斷和預(yù)警準(zhǔn)確性超過(guò)95%；列車晚點(diǎn)率下降了30%；部分設(shè)備的平均無(wú)故障時(shí)長(zhǎng)提升3倍；平均故障接報(bào)時(shí)間縮短了80%；維修響應(yīng)時(shí)間縮短了30%；故障平均修復(fù)時(shí)間從30 min降至10 min。

1.3.2 降低運(yùn)維成本，提升經(jīng)濟(jì)效益

通過(guò)應(yīng)用智能化預(yù)警信息技術(shù)，合理統(tǒng)籌全線網(wǎng)的信號(hào)設(shè)備檢修計(jì)劃，減少了盲目檢修工作量；應(yīng)用信號(hào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)信息技術(shù)，取代了大量的人工巡檢工作；根據(jù)維修建議，準(zhǔn)確更換相關(guān)備品耗材。通過(guò)信號(hào)全壽命周期健康度管理和生產(chǎn)組織架構(gòu)優(yōu)化，運(yùn)維成本顯著下降，信號(hào)設(shè)備平均維護(hù)周期從5 d增加至15 d，節(jié)省了65.5%的工時(shí)，節(jié)省人工成本約8.9%，運(yùn)維成本降低了13.0%。

1.3.3 保障服務(wù)可靠，實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益

上海城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模居世界第一，上海城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維平臺(tái)幫助設(shè)備在全壽命周期內(nèi)保持高可用度，保障上海每天千萬(wàn)級(jí)以上乘次的安全出行，破解了國(guó)內(nèi)外超大城市軌道交通線網(wǎng)普遍面臨的高安全性、高運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度、高可用度等可持續(xù)發(fā)展難題。信號(hào)全壽命周期健康管理系統(tǒng)的產(chǎn)品和標(biāo)準(zhǔn)可推廣到高鐵及國(guó)內(nèi)外其它城市的軌道交通線路中，還可應(yīng)用于電力、電信等行業(yè)，為“一帶一路”提供技術(shù)支撐。未來(lái)，信號(hào)全壽命周期健康管理系統(tǒng)還可推動(dòng)構(gòu)建長(zhǎng)三角區(qū)域“地鐵輕軌+有軌電車+市域鐵路+高鐵”4個(gè)層級(jí)的軌道交通關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備健康管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維的互聯(lián)與協(xié)同管理。

2 信號(hào)系統(tǒng)維修模式向主動(dòng)維保轉(zhuǎn)型

為了使信號(hào)系統(tǒng)向主動(dòng)維保轉(zhuǎn)型，結(jié)合城市軌道交通信號(hào)運(yùn)維的實(shí)際需求，從提升業(yè)務(wù)應(yīng)用場(chǎng)景、改革業(yè)務(wù)流程、優(yōu)化運(yùn)維管理等方面入手，確定了3大類別、11個(gè)核心場(chǎng)景需求，如表1所示。其中：在流程優(yōu)化上，業(yè)務(wù)流程采用在線監(jiān)測(cè)閉環(huán)、維保業(yè)務(wù)閉環(huán)2種流程閉環(huán)模式，分別用于對(duì)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的確認(rèn)和平臺(tái)運(yùn)維業(yè)務(wù)確認(rèn)；在制度創(chuàng)新上，進(jìn)一步優(yōu)化管理模式，建立新型的生產(chǎn)組織架構(gòu)，打造扁平化的生產(chǎn)組織模式，以“后臺(tái)+中臺(tái)+前臺(tái)”的概念構(gòu)建聯(lián)動(dòng)式的生產(chǎn)管控體系，依托全壽命周期健康管理平臺(tái)建立“計(jì)劃修+狀態(tài)修+故障修”的檢修制度。

表1 信號(hào)系統(tǒng)主動(dòng)維保的應(yīng)用場(chǎng)景Tab.1 Application scenario of signaling system active maintenance

通過(guò)上述轉(zhuǎn)型，以期在生產(chǎn)上實(shí)現(xiàn)從線路級(jí)運(yùn)維到線網(wǎng)一體化運(yùn)維升級(jí)、從人工巡檢到自動(dòng)化巡檢升級(jí)，在流程上實(shí)現(xiàn)從分散管理到集中化管理升級(jí)，在制度上實(shí)現(xiàn)計(jì)劃維修到智能維修升級(jí)等目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

上海作為智慧城市的標(biāo)桿，構(gòu)建智慧高效的城市軌道交通系統(tǒng)是智慧城市的重要組成部分。而構(gòu)建智慧高效的城市軌道交通系統(tǒng)，應(yīng)以信號(hào)系統(tǒng)全壽命周期智能平臺(tái)為核心，使其具備設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、設(shè)備故障預(yù)警、設(shè)備維護(hù)狀態(tài)預(yù)告、應(yīng)急處置聯(lián)控等功能，其感知和監(jiān)測(cè)應(yīng)覆蓋信號(hào)系統(tǒng)所有的關(guān)鍵性設(shè)備。在此基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的生產(chǎn)組織架構(gòu)，以打造與上海城市軌道交通超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)相匹配的“安全至上、開(kāi)放合作、創(chuàng)新進(jìn)取、追求卓越” 信號(hào)系統(tǒng)全壽命周期健康管理體系。