城軌信號系統(tǒng)智能運維信息采集方案

周 歡

（卡斯柯信號有限公司，北京 100070）

隨著國內(nèi)城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，行車速度和行車密度的不斷提高，運營安全的保障面臨著越來越大的挑戰(zhàn)，對作為軌道交通神經(jīng)中樞的信號系統(tǒng)的維護能力提出了更高的要求。目前常見的信號維護監(jiān)測系統(tǒng)（MSS）已不能完全滿足運營要求。搭建基于智能化、信息化、集成化的智能運維系統(tǒng)已成行業(yè)發(fā)展趨勢。為搭建基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與智能分析技術(shù)的信號智能運維系統(tǒng)，實現(xiàn)維修策略從故障修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變，提升維修效率，需要對現(xiàn)有信號維護監(jiān)測系統(tǒng)的信息采集與處理方案進行改良升級，實現(xiàn)更全面、更深入的全息感知，為大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和智能分析技術(shù)在智能運維系統(tǒng)中的應用提供基礎數(shù)據(jù)支持。

1 信號維護監(jiān)測系統(tǒng)的信息采集與處理

1.1 維護監(jiān)測系統(tǒng)信息采集與處理方案概述

信號維護監(jiān)測系統(tǒng)是一個分布式的信號設備維護支持系統(tǒng)，采用三層系統(tǒng)架構(gòu)，包括中心服務器層、維護工作站層、站機層，能夠?qū)崿F(xiàn)對相應的基礎信號設備運行工作狀態(tài)和主要電氣性能進行在線監(jiān)測，故障集中報警、故障診斷定位和維護管理等功能。

信號維護監(jiān)測系統(tǒng)在功能邏輯層面上又可分為感知層和應用層。如圖1 所示。

圖1 維護監(jiān)測系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.1 Functional architecture diagram of maintenance and monitoring system

系統(tǒng)通過感知層采集外電網(wǎng)、道岔、信號機、計軸設備、電纜絕緣測試、對地漏泄電流、屏蔽門、聯(lián)鎖、ATS、ATC、DCS 等設備的狀態(tài)信息。這些采集到的信息再通過維護網(wǎng)上傳到中心應用服務器，為實現(xiàn)應用層的邏輯處理，故障診斷與定位、報警提示與存儲、檢修管理等功能提供數(shù)據(jù)支持。

信號維護監(jiān)測系統(tǒng)采集信號設備信息的方式主要分為以下幾種。

1）自采集方式

信號維護監(jiān)測系統(tǒng)通過在道岔、信號機、外電網(wǎng)、站臺門等不同的信號設備的相關(guān)電路關(guān)鍵點上安裝采集模塊，設計采集電路，從而采集信號設備狀態(tài)，通過通信接口分機、綜合分機將采集信息傳輸至站機，站機再將匯總過來的自采集信息通過維護網(wǎng)傳輸至中心應用服務器。所有采樣都進行電氣隔離，不影響被監(jiān)測設備及信號系統(tǒng)的正常工作，如圖2 所示。

圖2 自采集方式原理Fig.2 Schematic diagram of self-acquisition mode

2）接口的方式

信號維護監(jiān)測系統(tǒng)與信號系統(tǒng)其他各子系統(tǒng)包括ATS、ATC、聯(lián)鎖、DCS 系統(tǒng)以及配套的信號基礎設備，包括計軸、智能電源屏(UPS 電源及電池)、燈絲報警儀等通過接口的方式進行連接。ATS、ATC、DCS 等子系統(tǒng)設備具有自診斷及監(jiān)測報警功能，除在相應的工作站上顯示監(jiān)測和報警外，設備狀態(tài)信息及報警信息還能通過與維護監(jiān)測系統(tǒng)的網(wǎng)絡接口傳送至信號維護監(jiān)測系統(tǒng)中心應用服務器，實現(xiàn)MSS 系統(tǒng)對信號CBTC 系統(tǒng)的運行狀態(tài)的在線監(jiān)測與存儲。聯(lián)鎖、計軸、智能電源屏、燈絲報警儀等信號基礎設備則通過與站機直連的方式將設備狀態(tài)及報警信息傳送給站機。站機將獲取到的相關(guān)信息通過網(wǎng)絡通道傳送給中心應用服務器。如圖3 所示。

圖3 接口方式原理Fig.3 Schematic diagram of interface mode

MSS 在維修中心配置一套冗余中心應用服務器，完成全線數(shù)據(jù)處理和存儲工作，容量滿足全線要求。服務器存儲MSS 系統(tǒng)所有的歷史數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)的客戶端提供歷史數(shù)據(jù)源。同時主、從服務器進行同步冗余，管理全線MSS 系統(tǒng)所有與應用開發(fā)有關(guān)的參數(shù)，包括設備定義、設備報警、設備運行時間、報表統(tǒng)計等。當其中一臺服務器發(fā)生故障時，不影響系統(tǒng)的正常工作。

1.2 維護監(jiān)測系統(tǒng)信息采集與處理方案面對的問題

1）信息封閉

目前城市軌道交通項目中，同一城市的每條線路之間相互獨立，信號維護監(jiān)測系統(tǒng)自成體系，線路之間信息封閉、監(jiān)測信息分散、維護信息不能共享。隨著近幾年城市軌道交通的快速發(fā)展，必然要對城市的所有軌道線路進行網(wǎng)絡化運營管理，打破線路之間的封閉模式，實現(xiàn)信息共享，全面掌握所有線路運營情況，對所有線路進行統(tǒng)一管理，提升全網(wǎng)維護效率，降低維護成本。而在現(xiàn)有維護監(jiān)測系統(tǒng)的信息采集與處理方案下不能同時獲取多條線路的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法全面掌握全網(wǎng)線路的設備運行狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)支撐不足

近幾年大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的迅猛發(fā)展，為大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在信號系統(tǒng)維護平臺上的應用提供技術(shù)可能，突破了技術(shù)壁壘。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應用是指對信號系統(tǒng)設備運營維護信息進行數(shù)據(jù)沉淀、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)深度挖掘，發(fā)現(xiàn)長期性的、全生命周期的、規(guī)模性的、多維度的設備運行規(guī)律，從而實現(xiàn)維護監(jiān)測系統(tǒng)的智能診斷功能。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在維護平臺上的應用需要進行海量的數(shù)據(jù)采集。而在現(xiàn)有維護監(jiān)測系統(tǒng)的信息采集方案下，數(shù)據(jù)量不足以構(gòu)成大數(shù)據(jù)特征，不能為大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應用提供底層數(shù)據(jù)支持。

2 智能運維系統(tǒng)信息采集與處理方案

2.1 信息封閉問題解決方案

2.1.1 數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一

不同信號廠商對信號維護監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標準定義各異，互不兼容，維護監(jiān)測系統(tǒng)采集的信息數(shù)據(jù)來源又存在格式不同，結(jié)構(gòu)復雜問題。要想打破線路之間信息封閉的問題，需要對數(shù)據(jù)標準進行統(tǒng)一規(guī)范和定義，對運維數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理和存儲。通過增設數(shù)據(jù)處理服務器，設計數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)處理方法實現(xiàn)將匯總過來的各條線路的各種格式的維護信息進行數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換處理與存儲，按照設備類型、線路信息等多維度角度對數(shù)據(jù)進行清洗、處理、格式統(tǒng)一及存儲，為后續(xù)線網(wǎng)級智能運維實現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘和智能分析提供便捷，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data processing flow chart

2.1.2 搭建線網(wǎng)中心服務器

目前，各線路的信號維護監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)只存在封閉的生產(chǎn)網(wǎng)域中。每條線路都設有中心應用服務器，完成本條線的數(shù)據(jù)處理和存儲工作。通過增設線網(wǎng)級中心服務器，將各線路維護監(jiān)測平臺采集的感知數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一平臺上，實現(xiàn)跨線路、多維度的全設備狀態(tài)在線監(jiān)測、智能預警、維護管理等功能。打破線路之間的信息封閉，實現(xiàn)信息共享，可能造成信息數(shù)據(jù)不安全、數(shù)據(jù)混亂、數(shù)據(jù)不一致等問題，因此不僅需要在生產(chǎn)網(wǎng)域內(nèi)搭建線網(wǎng)級中心服務器，同時還需要搭建管理網(wǎng)域內(nèi)的線網(wǎng)級中心服務器，將生產(chǎn)網(wǎng)及管理網(wǎng)進行強制隔離。在管理網(wǎng)域內(nèi)對維護信息數(shù)據(jù)進行處理時，不會影響生產(chǎn)網(wǎng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)安全性及完整性。通過管理網(wǎng)域的搭建，在保證原有采集信息的安全性、完整性、一致性的情況下，又能達到信息共享、信息處理的靈活性和功能的可擴展性。網(wǎng)絡架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡架構(gòu)Fig.5 Network architecture

2.2 數(shù)據(jù)支撐不足問題解決方案

在傳統(tǒng)信號維護監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，通過不同感知技術(shù)、增加監(jiān)測采集模塊、集成各子系統(tǒng)平臺信息，實現(xiàn)對信號設備高精度、高密度的信息采集，完成關(guān)鍵設備狀態(tài)感知，構(gòu)成海量數(shù)據(jù)規(guī)模，為大數(shù)據(jù)智能分析提供更全面、更可靠的數(shù)據(jù)基礎。例如，通過擴展道岔表示電壓采集，可全面監(jiān)視道岔表示電路的健康狀態(tài)，并有助于區(qū)分室內(nèi)、外故障定位。通過增加道岔繼電器狀態(tài)監(jiān)測采集，實現(xiàn)道岔執(zhí)行電路時序邏輯監(jiān)視及異常診斷。通過集成聯(lián)鎖SDM 維護臺信息，實現(xiàn)聯(lián)鎖更多關(guān)鍵信息的直接接入，有助于聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的診斷及故障定位。通過集成ATS 維護臺信息，實現(xiàn)ATS 運營信息、ATS 業(yè)務信息的接入，并實現(xiàn)ATS 服務器、工作站計算機設備的完整狀態(tài)監(jiān)視。通過集成網(wǎng)管工作站的信息，實現(xiàn)DCS 網(wǎng)絡設備的狀態(tài)監(jiān)視集成，實時盯控網(wǎng)絡設備狀態(tài)及性能異常，及時告警。通過實現(xiàn)車載日志自動化下載功能，實現(xiàn)基于日志信息提升故障定位能力和運營規(guī)律挖掘能力。

2.3 信息采集與處理方案架構(gòu)

為解決城市軌道交通信號系統(tǒng)智能運維系統(tǒng)在實際應用中面臨的上述數(shù)據(jù)問題，本文研究了相應的信息采集與處理方案。其架構(gòu)如圖6 所示。

如圖6 所示，信息采集與處理方案主要分為3層，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲層。

圖6 信息采集與處理方案架構(gòu)Fig.6 Architecture of information acquisition and processing scheme

數(shù)據(jù)采集層：數(shù)據(jù)采集主要分為車站級和線路級數(shù)據(jù)采集，采集方式和采集內(nèi)容在維護監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上進行擴展和升級。數(shù)據(jù)采集層要保證數(shù)據(jù)的完整性、準確性和實效性。數(shù)據(jù)采集時盡可能實時的采集足夠多且完整的信息，在采集過程中不能丟失數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)必須能夠正確反映設備真實狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的準確性。智能運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量高且呈并發(fā)性，針對信號設備的不同子系統(tǒng)業(yè)務劃分為不同的集群，可提高信號系統(tǒng)各子系統(tǒng)維護信息的寫入的并發(fā)性能，提高系統(tǒng)吞吐量。

數(shù)據(jù)處理層：數(shù)據(jù)處理層主要設置中心應用服務器、云應用服務器集群、數(shù)據(jù)處理服務器等。在線路層設置獨立中心應用服務器，實現(xiàn)本條線路采集信息的匯總、處理和存儲功能。在線網(wǎng)層基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建云應用服務器集群，實現(xiàn)全網(wǎng)線路采集信息的統(tǒng)一匯總、應用服務和計算資源的統(tǒng)一分配和協(xié)調(diào)。在云應用服務器集群資源中，可虛擬化相關(guān)通信前置服務器、應用服務器、接口服務器、Web 服務器、網(wǎng)管服務器等多種應用類型的服務器資源，滿足線網(wǎng)級應用。線網(wǎng)層設置數(shù)據(jù)處理服務器，對全網(wǎng)格式各異、結(jié)構(gòu)復雜的采集信息進行規(guī)范化處理，方便對采集信息進行數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)分析，滿足線網(wǎng)級關(guān)系型數(shù)據(jù)的持久化存儲。中心應用服務器將本條線路的維護數(shù)據(jù)上傳至云應用服務器集群，數(shù)據(jù)處理服務器將接收到的各子系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)進行清洗處理后，應用服務器對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析。通過將數(shù)據(jù)輸入到對應的信號系統(tǒng)設備故障模型庫中，判定設備是否故障，從而給出故障定位報警及維護建議。

數(shù)據(jù)存儲層：數(shù)據(jù)存儲層可分為業(yè)務存儲、消息存儲、離線存儲等。在線網(wǎng)層構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)基礎架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲及分析平臺，實現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲及大數(shù)據(jù)分析，以支持系統(tǒng)大數(shù)據(jù)相關(guān)應用實現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫集群及大數(shù)據(jù)集群具備彈性可擴展能力。

3 結(jié)束

本文研究了傳統(tǒng)信號維護監(jiān)測系統(tǒng)的信息采集與處理方案，并根據(jù)傳統(tǒng)信息采集與處理方案展現(xiàn)的信息封閉和數(shù)據(jù)支撐不足問題，提出了一系列的解決方法。此方法能夠打破線路之間的限制，掌握全網(wǎng)設備的工作狀態(tài)，為智能運維系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及智能分析技術(shù)的應用提供數(shù)據(jù)基礎支持，從而實現(xiàn)線網(wǎng)級的信號系統(tǒng)智能維護管理功能，提升線網(wǎng)整體維護效率。該解決方案已經(jīng)成功地在實際工程項目中應用部署，具備實用價值。