城市軌道交通信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)

王 亮 魏盛昕 范東明

(卡斯柯信號有限公司,200071,上海∥第一作者,工程師)

近年來,隨著城市軌道交通在中國日新月異的發(fā)展,人們對列車安全、高效率運行提出了更高的要求。2020年中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》提出,到2025年,車輛、能源、通信及信號等智能運維系統(tǒng)在全行業(yè)推廣應用,日常檢修效率和車輛整體可靠性達到世界先進水平,運營安全事故率降低30%,信號設備故障率降低15%[1]。

隨著城市軌道交通運營線路里程不斷增長,信號設備規(guī)模日漸擴大,日常施工作業(yè)的工作量也隨之增大。目前,主要是選擇有經驗的監(jiān)督員對信號設備施工過程進行全程監(jiān)督,對施工質量進行驗收,并對故障易發(fā)生點等關鍵部位進行監(jiān)控。由于信號設備位置分散、數量繁多、種類復雜,并且施工人員和監(jiān)督人員的專業(yè)技術能力、責任心、對信號設備標準化作業(yè)流程的熟悉程度參差不齊,造成信號設備施工過程中容易發(fā)生施工不到位或者二次損傷設備的情況。如何減少對施工作業(yè)人員的能力要求,以及用技術和管理手段提升施工作業(yè)效率,達到減員增效的目的,是行業(yè)的共同追求[2]。以信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)代替人工監(jiān)督,有助于提升信號設備施工質量和效率,消除誤操作帶來的安全隱患,減少信號設備故障發(fā)生次數,這對整個城市軌道交通的生產和行車安全有著重要意義。

1 系統(tǒng)需求分析

目前的信號設備施工作業(yè)流程主要為:維護部負責人制定工作任務然后口頭下發(fā)到具體施工作業(yè)人員;施工作業(yè)人員在施工點內到信號設備具體位置進行施工檢修,對于室外施工作業(yè),除了作業(yè)人員對設備的觀察和測量外,還需要室內人員調閱信號集中監(jiān)測采集的數據;對于施工作業(yè)中發(fā)現的設備問題,作業(yè)人員通過對講機或者電話設備方式匯報給值班人員,對于難解決的問題還需要層層上報,聯系專家。

基于上述場景,信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)的用戶根據工作職能分為檢修人員與系統(tǒng)管理人員。檢修人員需要使用移動終端查看檢修工單任務,包括檢修的具體設備、設備所在位置、設備履歷及設備檢修工序,在檢修完成后也需要系統(tǒng)及時完成監(jiān)督,將結果上報系統(tǒng)管理人員。系統(tǒng)管理人員需要使用道岔檢修監(jiān)督系統(tǒng)派發(fā)任務,實時掌握各個檢修人員檢修進度和完成情況。信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)需在以下方面對信號設備施工作業(yè)的流程管理進行優(yōu)化:

1) 派單便捷性。信號設備種類繁多,各類設備根據型號不同也有各自的檢維修周期,系統(tǒng)需針對信號設備類型和型號設置施工周期,并制定該設備檢修任務配置;任務配置中包含檢修工序、檢修最大時長;系統(tǒng)需根據檢修周期和設備所在位置,自動指定人員派發(fā)任務;施工人員需在移動端實時接收新的工單和查看工單內容等。

2) 施工過程規(guī)范性。在工單執(zhí)行環(huán)節(jié),施工人員按照系統(tǒng)提供的設備檢修工序依次完成設備檢修,每項工序完成時都應實時提醒施工人員和系統(tǒng)管理員;當提交工單時若系統(tǒng)判斷有未完成的工序,則應要求施工人員返工,避免出現漏檢漏修和不合規(guī)檢修。

3) 施工質量監(jiān)督與管理。系統(tǒng)在某些設備的檢修工序上可引入圖像分析技術,根據現場拍攝的圖片判斷本工序的施工質量;作業(yè)人員提交工單后應根據施工后該設備的主要電氣特性和應用狀態(tài)判斷本次施工質量,加強對施工質量的監(jiān)督和管理。

4) 作業(yè)人員績效評價。系統(tǒng)需以每次施工作業(yè)的出勤情況、過程規(guī)范性、檢修質量作為作業(yè)人員績效的評價依據,輔助施工作業(yè)人員提高責任心與專業(yè)水平。

5) 施工數據挖掘。系統(tǒng)經過一段時間的使用后,在大量數據的驅動下,應具備優(yōu)化整個城市軌道交通信號設備施工作業(yè)流程的能力,為后續(xù)制定合理的施工作業(yè)計劃、安排各類信號設備檢維修工序提供決策支持。

2 系統(tǒng)架構設計

2.1 網絡安全架構設計

在進行信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)網絡安全架構設計時,將安全網域劃分為生產執(zhí)行網域、生產輔助網域、管理網域及無線網域等,各網域采取的主要安全防護措施如下:

1) 生產執(zhí)行網域安全防護措施:主要實現面向設備監(jiān)測的功能,包括各城市軌道交通線路側的監(jiān)測數據的采集、匯聚及邏輯計算,需要高安全等級。該網域與生產輔助網域之間通過單向網閘實現網絡安全物理隔離。

2) 生產輔助網域安全防護措施:主要實現面向生產管理的功能,接收來自生產執(zhí)行網域的單向數據。該網域服務器采用經過安全加固的操作系統(tǒng)及可信服務器設備,卸載所有不必要的應用程序和服務,并且關閉所有非必要開放的對外端口,保障業(yè)務應用區(qū)安全。

3) 管理網域安全防護措施:通過對外接口,實現和信息化系統(tǒng)、移動應用系統(tǒng)的信息交互;通過制定安全訪問控制策略,實現該區(qū)域的安全訪問控制,并采取服務器安全加固措施。

4) 無線網域安全防護措施:主要用于實現移動應用的相關功能,外勤人員可連接無線AP(無線接入點)形成的無線局域網,與系統(tǒng)內部進行安全數據交換。

另外,通過在各網域部署防火墻,實現對信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)內各安全域的邊界隔離與訪問控制,防止非法訪問和信息泄露,實現該系統(tǒng)網絡與外部網絡的安全網絡隔離和安全數據交換。

2.2 技術架構設計

信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)在系統(tǒng)技術架構上可分為4個層級,分別為感知層、中間層、數據服務層及應用層。系統(tǒng)技術架構如圖1所示。

注:HDFS—分布式文件系統(tǒng);ATS—列車自動監(jiān)控;DCS—數據控制系統(tǒng)。

2.2.1 感知層

感知層主要是通過信號集中監(jiān)測收集各類數據,能實時監(jiān)測信號設備的主要電氣特性,包括模擬量參數及開關量參數(如按鈕、關鍵繼電器、區(qū)間軌道及信號機等設備狀態(tài)),還能監(jiān)控信號設備的應用狀態(tài)。當信號設備電氣特性超限或信號設備不能正常工作時能及時預警或報警。

信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)從信號集中監(jiān)測獲取的數據主要分為以下幾類:道岔的動作曲線、表示狀態(tài)、轉轍機缺口等相關數據;信號機電流;25 Hz軌道電路的接收電壓、軌道狀態(tài);電纜絕緣電阻、泄漏電流;車站站場表示信息;移頻軌道電路模擬量、主軌道和小軌道狀態(tài)信息。

2.2.2 中間層

中間層選用RabbitMQ消息隊列集群接收信號集中監(jiān)測傳輸的各類數據,在解耦的同時將數據傳輸時間降至毫秒量級。實時計算部分采用數據流框架Spark Streaming和分布式計算引擎Apache Flink直接從RabbitMQ集群中讀取隊列的數據,實時進行數據處理和分析,并將分析結果發(fā)送到數據服務層的數據存儲模塊或直接提供給應用層。離線計算組件選取Map Reduce分布式計算模型提供數據計算能力,整個計算分成 Map(映射)和Reduce(歸約)兩個階段。在Map階段,并行處理輸入數據讀取HDFS中的文件,將文件解析為鍵值對,經過Map函數處理后,轉換為新的鍵值對輸出;在Reduce階段,對Map結果進行匯總。同樣,每個Reduce任務都是一個進程,Reduce任務接收Map任務的輸出,處理后寫入HDFS。

2.2.3 數據服務層

數據服務層中選用Redis(遠程字典服務)集群與Oracle關系型數據庫相結合的存儲方案服務于應用層,避免在高并發(fā)情況下僅用Oracle存儲數據而無法在短時間內處理或者瞬間讀/寫大量數據。若積壓的大量請求未得到及時處理,很容易發(fā)生數據庫難以快速處理請求造成整個服務器系統(tǒng)癱瘓的情況。選用面向內存的Redis集群存儲熱點數據,可有效應對瞬時訪問量大的情況,在高并發(fā)情況下,可以保證數據一致性與安全性。信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)接收及分析產生的數據量將隨著時間推移越來越大,因此采用 HDFS存儲離線數據。HDFS能支持大規(guī)模數據集,且具備高可用性,可較好地支撐信號設備頻繁、大量地采集數據存儲。

2.2.4 應用層

信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)的業(yè)務模塊分為工單管理模塊、監(jiān)督邏輯分析模塊、圖像采集模塊、圖像分析模塊及人員績效評價模塊。結合系統(tǒng)可視化功能,應用層提供了桌面端線網大屏系統(tǒng)供線網指揮中心管理員使用,可實現管理工單、在GIS(地理信息系統(tǒng))中查看各線路施工情況、查看各工單施工質量及統(tǒng)籌管理所有施工人員;應用層還提供了移動端APP供施工作業(yè)人員使用,可查看工單、設備具體位置、設備施工工序及施工質量反饋信息,還能調用圖像采集模塊對相關設備進行圖像分析監(jiān)督。

3 系統(tǒng)模塊設計

信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)的模塊結構圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)模塊結構圖

道岔設備作為信號系統(tǒng)的“三大件”之一,若發(fā)生故障則直接影響行車效率,甚至發(fā)生重大行車事故。道岔轉轍機是道岔的轉換裝置,可用來轉換道岔或鎖閉道岔,同時其頂端通常附帶有標示或指示信號,用以反映道岔尖軌所處的位置。道岔轉轍機無法在設計層面進行冗余和備份設計,為單點故障影響線路運行的關鍵設備[3]。因此道岔轉轍機設備施工作業(yè)的質量是影響軌道交通信號設備狀態(tài)的關鍵環(huán)節(jié)。下面以道岔轉轍機施工作業(yè)為例,介紹信號設備施工作業(yè)監(jiān)督系統(tǒng)各模塊。

3.1 工單管理模塊

工單管理模塊中工單計劃的創(chuàng)建包含創(chuàng)建計劃工單和臨時工單,計劃工單創(chuàng)建支持根據各類設備檢修周期自動安排施工作業(yè)任務;臨時工單創(chuàng)建支持根據設備異常狀態(tài)結合維修人員位置自動派發(fā)工單。線網管理員可在線網大屏終端查看各線路的工單任務,也可根據突發(fā)狀態(tài)適時調整工單任務。系統(tǒng)自動根據各設備的電氣特性設定作業(yè)工序,線網管理員也可進行作業(yè)工序的調整。

施工人員使用信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)的移動端APP可查看具體工單內容,包括設備位置、交底事項、工器具核點等,到達施工點后可點擊開始本工單的施工作業(yè)。工單可根據具體設備匹配到施工工序,施工人員需根據APP中顯示的施工工序依次完成設備施工。

3.2 監(jiān)督邏輯分析模塊

監(jiān)督邏輯分析模塊可在工單提交時或者工單超時時啟動,線網管理員也可通過線網大屏終端界面調用監(jiān)督邏輯分析模塊對某項施工進行分析。道岔施工工序邏輯分析內容如表1所示。

表1 道岔施工工序邏輯分析表

3.3 圖像采集模塊

圖像采集模塊與圖像處理模塊相連。在檢修過程中,檢修人員首先通過移動攝像頭進行拍照,為了獲得更高精度的檢修結果,在拍攝過程中需使待檢測的道岔轉轍機被識別在取景框的虛線范圍內進行校驗校準。系統(tǒng)對因拍攝角度、拍攝清晰度等因素引起的圖像質量不合格的檢修圖片會及時給出反饋信息,檢修人員可以及時糾正拍攝角度以獲得高質量的檢修圖片,提高檢測效率。并且根據道岔轉轍機的類型不同,檢修人員可以從道岔轉轍機前機、道岔轉轍機后機等不同角度拍攝多張圖片,然后發(fā)送圖片給圖像分析模塊。

3.4 圖像分析模塊

圖像分析模塊是在道岔檢修過程中對道岔圖像采集模塊獲得的圖片進行分析和處理,應用圖像識別技術對關鍵測試信息進行智能分析。道岔轉轍機自動開閉器包括兩組裝置,每組裝置包括兩排靜接點和一排動接點。道岔檢修圖像的識別主要從以下幾個方面展開:動靜接點接觸深度,動接點與靜接點座間隙,動接點柱中心與靜接點簧片中心線的距離,動接點柱上的防松環(huán)不斷裂、配線不松動及螺栓和螺帽不松動。經過計算和處理反饋,道岔轉轍機呈現出正常、更換或調整三種狀態(tài)。把動靜結點接觸深度及動靜結點底座間隙的測量結果和分析結果反饋在檢修系統(tǒng)桌面端和APP端界面上,測量結果的精度為0.1 mm。經過圖像處理模塊的分析與處理,系統(tǒng)將測試結果推送給檢修系統(tǒng)桌面端和APP端,使得檢修人員和系統(tǒng)管理員能夠實時獲取測試結果,實時了解道岔轉轍機施工質量。

3.5 人員績效評價模塊

人員績效評價模塊通過統(tǒng)計施工數據,確定作業(yè)人員出勤情況,并且根據作業(yè)工序完成情況和設備施工后的狀態(tài)數據判斷每項施工作業(yè)的質量得分,納入人員的考核指標中。在線網大屏終端和手機APP中都可以實時查看每位作業(yè)人員的得分,獎懲有據,公開透明,從而激發(fā)作業(yè)人員工作熱情。

4 結語

在信號設備施工作業(yè)中,以信號設備施工作業(yè)質量監(jiān)督系統(tǒng)代替人工監(jiān)督,結合信號集中監(jiān)測和相關子系統(tǒng)采集的數據并進行分析,可有效減少施工作業(yè)中漏檢漏修、不合規(guī)檢修、二次損傷設備等問題的發(fā)生;應用圖像識別技術進行檢修數據分析,可提高檢修過程的智能化程度,降低人為因素造成的檢修誤差,提升檢修結果的準確性及實時性;可提高信號設備日常施工質量和城市軌道交通的運維自動化水平,保障行車效率和安全。