基于物聯(lián)網的軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控與故障預警研究

摘要：在軌道交通工程中，軌道交通信號系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，關系到軌道交通服務滿意度的提升，以及軌道交通工程綜合效益的全面發(fā)揮。從這個角度入手，首先，分析了物聯(lián)網技術基礎、軌道交通信號系統(tǒng)的內涵，以及物聯(lián)網在軌道交通信號系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀；其次，探討了軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控需求和故障預警需求，并提出物聯(lián)網技術融入軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控方案和故障預警方案的策略，以期可以最大化地發(fā)揮物聯(lián)網技術在軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控和故障預警中的效能。

關鍵詞：物聯(lián)網"軌道交通信號系統(tǒng)"系統(tǒng)監(jiān)控"系統(tǒng)故障預警

Research"on"Monitoring"and"Fault"Warning"of"Rail"Transit"Signal"System"Based"on"Internet"of"Things

LIU""Junhui

Zhangjiagang"Third"Vocational"High"School，"Suzhou，"Jiangsu"Province，"215600"China

Abstract：In"rail"transit"engineering，"the"stable"operation"of"rail"transit"signal"system"is"relatednbsp;to"the"improvement"of"rail"transit"service"satisfaction"and"the"comprehensive"benefits"of"rail"transit"engineering.Starting"from"this"perspective，"this"article"first"explores"the"foundation"of"Internet"of"Things（IoT）"technology，"the"connotation"of"rail"transit"signal"systems，"and"the"current"application"status"of"IoT"in"rail"transit"signal"systems;"Secondly，"it"explores"the"monitoring"and"fault"warning"requirements"of"rail"transit"signal"systems."and"proposes"strategies"for"integrating"IoT"technology"into"rail"transit"signal"system"monitoring"and"fault"warning"schemes，"hoping"to"maximize"the"effectiveness"of"IoT"technology"in"rail"transit"signal"system"monitoring"and"fault"warning.

Key"Words："Internet"of"Things;"Rail"transit"signal"system;"System"monitoring;"System"malfunction"warning

隨著城市化進程的加速和公共交通需求的日益增長，軌道交通作為城市交通的重要組成部分，其安全、高效的運行對保障市民出行至關重要。然而，信號系統(tǒng)作為軌道交通的“大腦”，其穩(wěn)定性和可靠性直接關系到整個軌道交通系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。因此，基于物聯(lián)網技術的軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控與故障預警研究，通過實時監(jiān)測信號設備狀態(tài)、分析數據變化趨勢，實現(xiàn)對潛在故障的預警和快速響應，這對提升軌道交通的運行效率和安全水平具有重要意義。

1物聯(lián)網技術基礎與軌道交通信號系統(tǒng)概述

1.1物聯(lián)網技術基礎

物聯(lián)網技術是通過類似于射頻識別、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描其、氣體感應器等信息傳感設備，依照設定好的協(xié)議，將任何物品與互聯(lián)網關聯(lián)起來，據此讓信息交換和信息通信機制得以構建，由此可以完成智能化識別、定位、追蹤、監(jiān)控、管理等任務。

1.2軌道交通信號系統(tǒng)的原理和組成

軌道交通信號系統(tǒng)是以保證列車安全高效運行為目標的，其具有信號控制、動力分配、軌道占用檢測、列車調度等功能。信號系統(tǒng)的工作原理為：在精確控制列車行進路徑、速度、停車時間的基礎上，避免列車之間出現(xiàn)碰撞，由此使運輸效率得到不斷優(yōu)化。一般情況下，軌道交通信號系統(tǒng)，由室內外設備組成，室內設備主要有聯(lián)鎖設備、繼電保護裝置、控制系統(tǒng)、數據處理中心等，室外設備主要有軌道電路、信號機、轉轍機、無線通信設備等。其中，聯(lián)鎖設備屬于信號系統(tǒng)的核心所在，主要負責讓道岔、信號燈、軌道區(qū)段之間實現(xiàn)有效的聯(lián)動操作，控制系統(tǒng)會依靠時刻表、列車位置信息，自動或手動控制對應的設備，據此保證列車能夠在安全的環(huán)境下行駛。

2物聯(lián)網在軌道交通信號中的應用分析

在中國，城市軌道交通事業(yè)發(fā)展迅速，物聯(lián)網技術被應用于列車狀態(tài)監(jiān)控、客流監(jiān)測、設備維護、緊急情況等。安裝在列車關鍵部位的傳感器，可以實時監(jiān)測列車的運行狀態(tài)，如軸溫信息、振動信息、噪聲信息等，可以及時發(fā)現(xiàn)其中的安全隱患。另外，車站內的客流量監(jiān)測系統(tǒng)，可以實時掌握乘客流量和流動情況，據此為運營調度工作、減輕擁擠程度工作提供健全的數據信息支持。在歐洲和北美地區(qū)，物聯(lián)網技術已被應用于軌道交通運營的各個方面。一些先進的軌道交通系統(tǒng)可以使用基于無線通信的控制技術，讓中心控制室可以對轉轍機、信號燈等進行遠程監(jiān)控和操作，據此使系統(tǒng)的靈活性和響應速度不斷提升。歐洲的一些鐵路運營商還可以將物聯(lián)網技術融入進去，建立預測性維護機制，這樣可以對軌道、列車、關鍵組件的狀態(tài)進行監(jiān)測，獲取維護數據，建立實時分析機制，繼而可以提前發(fā)現(xiàn)對應故障，并且做好針對性的維護，這樣可以減少突發(fā)故障的列車延誤。

3軌道交通信號監(jiān)控和故障預警需求分析

3.1監(jiān)控系統(tǒng)的需求分析

軌道交通信號系統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)是保證列車安全性、準確性的關鍵技術之一，有效的監(jiān)控系統(tǒng)可以保證實施監(jiān)測設備的運行信息，還可以預防故障的出現(xiàn)，及時響應對應的緊急情況。軌道交通信號系統(tǒng)在監(jiān)控方面的優(yōu)勢集中體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）實時性和準確性。監(jiān)控系統(tǒng)可以實時收集和處理信號設備的相關數據，讓信息處于即時更新和傳遞的狀態(tài)，數據的準確性至關重要，任何的錯誤信息都可能讓實際指揮處于失誤狀態(tài)，繼而誘發(fā)對應的安全事故。（2）全面性和細粒度。監(jiān)控覆蓋要保證全面性，將所有的信號設備、軌道交通的其他關鍵設施都融入進去，細粒度的監(jiān)控，可以獲得精確的設備運行狀態(tài)，幫助維護人員更好地理解設備的運行情況。（3）可靠性和穩(wěn)定性。監(jiān)控系統(tǒng)有著高度的可靠性和穩(wěn)定性，保證其在各種環(huán)境條件下正常運行。

3.2故障預警系統(tǒng)的需求分析

在軌道交通信號系統(tǒng)運行歷程中，故障預警系統(tǒng)也發(fā)揮著至關重要的效能。從系統(tǒng)架構的角度來看，故障預警系統(tǒng)的需求集中體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）故障預警系統(tǒng)需要有實時監(jiān)控的能力，能夠實時收集和處理很多的數據，主要包括的有信號設備的狀態(tài)信息、運行環(huán)境的變化信息等，依靠系統(tǒng)可以高速處理數據，保證有穩(wěn)定的運行性能。（2）故障預警系統(tǒng)往往有準確的預測能力。該系統(tǒng)要能夠結合歷史數據信息、當前運行狀態(tài)信息，準確預測可能出現(xiàn)的故障。該系統(tǒng)可以展現(xiàn)出良好的數據分析能力和機器學習能力。（3）故障預警系統(tǒng)需要有著及時的報警能力。在系統(tǒng)預測到可能出現(xiàn)的故障的環(huán)節(jié)，可以及時向相關人員發(fā)出對應警告，他們可以及時采取對應措施。為此，系統(tǒng)需要有良好的通信能力、個性化的報警能力。（4）故障預警系統(tǒng)需要有著靈活的配置能力。因為不同的軌道交通線路，運行環(huán)境、設備狀態(tài)也是有差異的，系統(tǒng)需要能夠結合不同的需求，在此基礎上，靈活配置對應資源。

3.3物聯(lián)網在監(jiān)控與故障預警中的可行性分析

物聯(lián)網技術在軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控和故障預警中的應用效益是多方面的，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。（1）實時數據采集。物聯(lián)網技術的傳感器可以安裝在軌道交通的各個關鍵部位，對軌道、列車、信號設備進行實時監(jiān)測，獲取多維度的數據信息，可以為后續(xù)持續(xù)的監(jiān)控和分析工作開展奠定基調。（2）遠程監(jiān)控和控制。依靠物聯(lián)網的遠程通信能力，運維人員不會受到地理位置因素的限制，獲取軌道交通系統(tǒng)的運行狀態(tài)，便于遠程控制和調整，提升響應的速度和處理的效率。（3）智能預測和故障診斷。物聯(lián)網平臺可以將獲得的數據進行即時處，依靠預設的算法模型，對其中潛在的故障風險進行分析，并且發(fā)出預警，在此可以對一些常見的故障進行自動診斷，減少人工排查的時間[1]。

4基于物聯(lián)網的軌道信號系統(tǒng)監(jiān)控方案設計

4.1系統(tǒng)總體設計

基于物聯(lián)網技術的軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控方案設計期間，需要結合軌道交通的特點和需求來設定，以高可靠性、高穩(wěn)定性、高擴展性為基本訴求。在此維度，需要注意的是，系統(tǒng)需要架構一個多層次、全方位的監(jiān)控網絡，該網絡主要可以將其歸結為傳感器層次、數據傳輸層次、處理分析層次、應用展示層次等。傳感器層會將收集軌道信號系統(tǒng)的各種運行數據作為目標；數據傳輸層會將無線網絡、衛(wèi)星通信作為主要路徑，讓數據進入快速傳輸的狀態(tài)；處理分析層次，主要會使用先進的數據處理算法和分析模型，對收集的數據進行深入挖掘和分析；應用展示層主要是將圖形化界面展示出來，給運營管理人員觀看[2]。

4.2監(jiān)控模塊設計

4.2.1傳感器布局方案

在軌道交通系統(tǒng)中，關鍵部分主要有軌道、列車、信號設備，這些設備的運行狀態(tài)，關系到系統(tǒng)的安全性和有效運行。因此，要合理布局傳感器的位置，為關鍵部分效能的發(fā)揮奠定基礎。在軌道上，可以安裝振動傳感器和溫度傳感器，依靠這樣的方式監(jiān)測軌道的物理狀態(tài)及其對環(huán)境的影響程度。在列車上，還可以安裝加速度傳感器、全球定位系統(tǒng)（Global"Positioning"System，GPS）定位設備，這樣可以很好地獲取列車的運行狀態(tài)信息、位置信息。信號設備旁邊還可以設置電流、電壓傳感器等，據此確保信號傳輸朝著穩(wěn)定性的方向進展。在傳感器布局期間，還需要考慮覆蓋范圍、監(jiān)測精度、安裝可行性等指標，傳感器網絡可以由此建立一個監(jiān)測體系，這樣不僅可以保證軌道交通系統(tǒng)的全范圍覆蓋，還可以在合理布局的基礎上，使傳感器之間的干擾不斷減少，繼而數據采集工作也會朝著準確性的方向進展。另外，傳感器的安裝位置，還需要考慮易維護性和可更換性，確保不會影響軌道交通系統(tǒng)的正常運營[3]。

4.2.2數據采集與傳輸方案

數據采集和傳輸方案需要以解決如何將傳感器收集的大量數據準確、及時傳輸到數據中心的問題。為此，需要關注的節(jié)點有：（1）每個傳感器需要有著一定的數據處理能力，也就是說，可以對采集的數據進行初步篩選和處理，避免無效數據進入其中，讓數據傳輸處于相對高效的狀態(tài)；（2）傳感器與數據中心之間的通信方式，最好可以以穩(wěn)定、高速的無線通信技術為主導，這些技術可以在大范圍內，讓數據傳輸服務機制更好地發(fā)揮自身的效能；（3）在數據創(chuàng)術的歷程中，還應使用加密方案，以確保數據的安全性，避免數據在傳輸過程中被截獲或被篡改，保證數據中心獲取的所有數據都是真實的。另外，考慮到數據傳輸的實時性要求，還應將實時操作系統(tǒng)融入其中，確保對傳感器的數據收集和傳輸任務進行管控，由此數據傳輸處于低延遲的狀態(tài)，可靠性也會因此不斷提升[4]。

4.3故障預警模塊設計

科學合理的故障檢測方法可以更加準確、更加迅速地識別和診斷軌道交通信號系統(tǒng)中的各種故障，在此維度牽涉到的技術主要有。（1）實時監(jiān)測和趨勢分析。依靠物聯(lián)網傳感器，收集關鍵部位如信號設備、軌道電路、轉轍機等運行數據信息，結合歷史數據進入趨勢分析的狀態(tài)，由此識別潛在的故障跡象。（2）機器學習與模式識別。應用機器學習算法，將支持向量機、決策樹或神經網絡融入其中，可以對正常運行數據和故障數據進行學習，建立故障模式識別機制。在監(jiān)測到數據和故障模式相互匹配時，系統(tǒng)可以自動識別，并進入報警狀態(tài)。（3）信號質量評估。評估信號系統(tǒng)中傳輸的信號質量，此時關注的指標有信號強度、噪聲水平、誤差率等，依靠這樣的方式，可以預防信號干擾或衰減導致的故障。（4）環(huán)境監(jiān)測，因為環(huán)境因素也會對信號系統(tǒng)的正常運行產生影響，對這些因素進行監(jiān)測，可以預防因環(huán)境變化而導致的故障[5]。

5結語

綜上所述，依靠物聯(lián)網技術建立的軌道交通信號系統(tǒng)監(jiān)控與故障預警機制，可以更好地在軌道交通信號系統(tǒng)運作中發(fā)揮積極效能，還可以結合實際故障預警需求，選擇合適的預警方案，以保證軌道交通系統(tǒng)處于穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

參考文獻

[1]曾恒，李剛，李金峰.城市軌道交通全自動運行場景下的站臺門系統(tǒng)架構設計研究[J].城市軌道交通研究，2022，25（10）：228-232.

[2]鄒定鋒.信號智能化維護系統(tǒng)在城市軌道交通的應用[J].交通世界，2022，"（18）：64-67.

[3]代麗婷，鄭志偉.城市軌道交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)在多種行車模式下的聯(lián)動[J]."運輸經理世界，2021（30）：4-6.

[4]張健，高小鵬.軌道交通PIS系統(tǒng)顯示列車預到站信息的技術研究[J].物聯(lián)網技術，2021，11（6）：82-83，86.

[5]程媛.城市軌道交通全自動運行條件下綜合監(jiān)控系統(tǒng)方案研究[J].城市軌道交通研究，2021，24（6）：194-197.