城市軌道交通運維需求智能化分析平臺的研究及應用

文：何家明|深圳地鐵建設集團有限公司

本文介紹了現代城市軌道交通運維場景中，面向城市軌道交通運維需求的智能化分析平臺的優勢特點。提出了一套符合智慧交通的理念的面向城市軌道交通運維需求的智能化分析平臺，并大致闡述了該平臺的系統架構和實際應用。

智慧交通是當前智慧城市構建中極為重要的部分之一，而城市軌道交通作為城市交通的主干道，是智慧交通構建中重要的一環。城市軌道交通建成通車后，需要投入大量人力對整個系統運營維護，以確保城市軌道交通系統的正常運行。因此，如何智能、高效的實現軌道交通運維需求也愈發重要。

一、軌道交通運維需求分析

在城市軌道交通的信號系統運營中，由于場景復雜，且各子系統之間信號傳遞信息量大，故一旦出現故障，通常無法通過單一的信息對故障進行分析排查。對于運營中復雜場景的故障分析，工作量大、業務專業性要求高。同時，在運營過程中，設備可能出現一些損耗或異常，從而導致系統運行存在一些潛在的風險，需要定期巡檢。由于信號系統構成復雜、設備眾多，對于信號系統的巡檢，往往也是非常復雜的。

以深圳地鐵為例，目前定期巡檢、分析故障常用的方法依然是人工檢查。然而，現有人工檢查的問題在于，進行完一輪完整的窮舉分析、檢查，通常需要較長的時間。現有方法使用文本編輯器對于信息進行人工處理，這種處理方法速度慢，由于涉及到人工部分較多，容易出現誤操作，導致最終結果不準確。另一方面采用文本編輯器人工分析的方法，操作步驟多，操作要求高，運營及維護人員往往無法獨立完成故障的分析。并且一旦出現故障，通常無法通過單一的信息對故障進行分析、排查，對于運營中復雜場景的故障分析，工作量大、業務專業性要求高，傳統的基于人工分析日志，進行維護、排障的方式需要較多人力，且效率較低。

所以，如何實現一種方法，使維護人員快速準確地檢查系統狀態信息、分析處理系統故障就變得越來越緊迫。

二、智能化分析平臺研究

為了解決上述問題，可以運用大數據分析技術對面向城市軌道交通的智能化分析平臺展開研究。該平臺主要包括輸入層、數據分析層、輸出層（圖1）。

圖1 智能化分析平臺架構

（一）輸入層

輸入層主要包括數據采集組件和城市軌道交通運營過程中的原始數據，主要功能是抓取、篩選和清洗原始數據，并將清洗后的數據存儲在數據庫中。這些原始數據包括各系統產生的日志、數據庫中存儲的運營數據、各類本地參數和各系統發送的實時數據，數據種類較多，數據量較大。該平臺所選取的數據采集組件，消耗資源較少，運行較為穩定，抓取數據效率較高。抓取數據時，首先通過關鍵字篩選的方式，初步將符合條件的數據信息存儲在緩存隊列中；對于緩存隊列中存儲的數據，再以正則匹配的方式進行篩選和清洗，將符合規則的數據信息轉換為規范化的格式；最后將規范化的中間數據信息按照時間戳順序存儲在數據庫的對應索引。

（二）數據分析層

該平臺數據分析層的作用是對規范化的中間數據信息進行存儲和分析，并將得到的分析結果也存儲在數據庫的結果索引中。該平臺的數據分析層分為數據庫和智能分析客戶端兩部分。

對于運營中產生的數據信息分析，有較高的實時性要求。同時，需要展示的數據也相對較多，數據展示邏輯較為復雜。因此，該平臺選取對數據的搜索、查詢、聚合的效率都很高的數據庫來存儲中間數據信息和分析結果數據，從而滿足數據分析的實時性和大量數據的復雜展示邏輯。

對于故障分析，該平臺根據不同故障類型定制分析場景，建立智能分析客戶端對該場景進行針對性分析。分析完畢后，將分析結果輸出至數據庫結果索引中存儲。從而定位故障原因或故障范圍，便于維保人員進行下一步排障工作。

對于設備日常巡檢，該平臺按照巡檢需求，建立智能分析客戶端。通過分析日志信息，查找出部分系統潛在的運行風險，將運行風險信息輸出至數據庫結果索引中存儲。保證運營維保人員可以及時進行干預，從而提高系統整體運行的穩定性。

（三）輸出層

該平臺輸出層的作用是對日志分析結果進行可視化展示：以圖形，列表和告警等形式，指引用戶盡早發現故障或系統潛在的運行風險，從而盡早進行排障。該平臺的輸出層選用了組件重用性高、系統易修改性強、可并行開發的B/S架構Web展示界面，Web展示界面的服務端又分為前端和后臺兩部分。具體架構如圖2所示。

圖2 Web展示界面架構

Web服務端（前端）為直接與用戶接口的部分，即圖形化展示界面Broswer的服務端。運營維保人員無需安裝專用客戶端，只需通過瀏覽器和服務地址就可以在城市軌道交通信號系統骨干網內的任意一臺設備向Web服務端（前端）發送請求，查詢對應的分析結果信息。

Web服務端（后臺）同時與Web服務端（前端）和數據庫接口。即當運營維保人員在瀏覽器中查詢需求的數據時，Web服務端（前端）便調用Web服務端（后臺）提供的對應接口，向數據庫請求對應的數據。當數據庫返回數據后，Web服務端（后臺）再將對應的處理結果反饋給Web服務端（前端）顯示給運營維保人員。同時，Web服務端（后臺）還將數據庫中存儲的分析結果進行大數據分析，對可能發生的故障進行預警。

三、智能化分析平臺應用

目前本分析平臺已經在部分城市軌道交通項目中投入應用。

（一）有軌電車日志分析

1.路口異常分析

路口是有軌電車線路中重要的組成部分，平交路口的通行效率對有軌電車的運營效率有很大影響。目前有軌電車在路口多采用信標點式通信的方式告知路口優先控制器列車的運行信息。當信標出現故障的時候，有軌電車在路口的正常通行會受到很大影響，甚至可能影響路口社會交通的通行。因此針對路口信標可能出現的各類異常情況，該平臺定制了路口信標異常分析客戶端。

路口信標異常分析客戶端，通過分析路口信標發給路口控制子系統的路口信標觸發信號數據信息，分別得到每輛車通過每個路口時所觸發路口信標的信息。通過將該觸發信標信息與路口實際配置信息比較，得到未觸發的信標信息，記為路口信標漏讀信息。最后將其保存至數據庫對應結果索引，以供運營和維保人員在展示界面查閱。

或者，路口信標異常分析客戶端，通過分析路口信標發給路口控制子系統的路口信標占用信息，分析路口是否存在路口信標被長時間占用的異常情景。如果存在，則將該信息記為路口信標異常占用并將其保存至數據庫對應結果索引，以供運營和維保人員在展示界面查閱。

又或者路口信標異常分析客戶端，通過分析路口控制子系統發給社會交通控制系統的路口占用信息，分析是否存在路口處于長時間占用狀態的異常情景。

2.網絡狀態巡檢

有軌電車信號系統各子系統之間主要通過網絡進行通信，信號系統骨干網中又包含眾多網絡通信設備和終端設備。如果交換機、無線接入點、售票機、PIS屏等設備網絡狀態出現異常，可能會對有軌電車的運營造成不利影。

針對網絡狀態的巡檢，該平臺建立了網絡狀態巡檢客戶端，每日運營結束后，對信號系統骨干網中的各網絡設備和終端設備進行一次巡檢。如發現設備存在異常信息或潛在運行風險，則將該信息記錄并將其保存至數據庫對應結果索引，以供運營和維保人員在展示界面查閱。

3.早晚點信息分析

有軌電車也需按照每日計劃運營，從而保證乘客乘車體驗。但作為半獨立路權的軌道交通制式，有軌電車的運營環境較地鐵更為復雜，因此更難提高準點率。針對這個痛點，該平臺建立了早晚點信息智能分析客戶端，協助運營人員找到早晚點發生的原因，從而提高有軌電車的準點率。

早晚點信息智能分析客戶端將有軌電車整體運營過程分為站間運行和停站作業兩部分。通過分析列車計劃到、離站時間，實際到、離站信息和各交路的線路信息，計算出列車在各交路中的旅行速度，及列車在哪一部分發生了早晚點，從而分析列車早晚點的具體原因。

列車在站間運行時，又可以根據線路區域劃分為路口區域和非路口區域。對列車在路口區域的運行信息分析主要包括：優先開放時間分析，路口區域旅行速度分析，路口等待時間分析，路口理想請求位置分析。非路口區域的運行信息分析主要為旅行速度分析。列車進行停站作業時，對列車作業信息的分析主要為停站時間分析。

早晚點信息智能分析客戶端通過這些分析,向運營人員提供一些提高有軌電車運營準點率的針對性建議。

（二）地鐵ATS子系統日志分析

1.ATS故障分析

地鐵ATS子系統的主要功能為：列車運營監督、車次號管理、自動進路控制、列車運行調整及時刻表管理等。通過ATS子系統，運營人員能夠監控整條有軌電車線路的運行情況。部分ATS故障發生的原因較為復雜，可能是多個因素共同作用導致的。這類故障的分析對故障分析人員有較高的專業知識要求，針對這類故障，該平臺建立了ATS故障智能分析客戶端。

ATS故障智能分析客戶端通過分析道岔控制器發給車站ATS服務器的數據碼位信息，判斷每列車通過道岔控制器時進路是否正常自動觸發。如果進路沒有自動觸發，就分析并記錄進路不能自動觸發的原因。

ATS故障智能分析客戶端通過分析各列車發給ATS子系統的列車服務號信息，確認各列車是否領號成功。如未領號成功，則記為列車未自動領號，同時分析列車發給ATS子系統的車載狀態信息和反饋信息，得到列車未自動領號的原因并記錄。

ATS故障智能分析客戶端通過分析綜合監控子系統發給ATS子系統的各類信息，確認綜合監控子系統和ATS子系統通信狀態及各強弱電模塊的狀態。對各類異常的狀態信息進行告警，同時分析異常發生的原因。

2.ATS系統深度巡檢

ATS子系統設備一般較為分散，軟件模快較多，軟件結構較為復雜。同時ATS子系統作為中心調度監控系統，與有軌電車各子系統均有較多信息交互。該平臺建立ATS系統深度巡檢智能分析客戶端。通過分析各類日志信息，查找出ATS子系統中潛在的運行風險，將運行風險信息輸出至數據庫結果索引中存儲。保證運營維保人員可以及時干預，從而提高系統整體運行的穩定性。

ATS系統深度巡檢智能分析客戶端能夠分析各ATS軟件模塊的運行日志，檢索到相關設備、軟件的異常信息，查找出各ATS軟硬件模塊、內外接口中存在的各類異常狀態信息，并提示運營維保人員。此外ATS系統深度巡檢智能分析客戶端還能對第三方軟件，如數據庫、殺毒軟件的運行日志進行分析，對這類第三軟件的運行狀態進行監控。盡早發現整個ATS子系統中存在的各類異常信息，從而提高系統的運行穩定性。

面向城市軌道交通運維需求的智能化分析平臺在部分城市軌道交通項目中投入使用，很大程度上緩解了運維人員的工作壓力，大大提高了整體運維效率。