無錫地鐵綜合監(jiān)控智能檢測維修平臺設(shè)計研究

趙 野，張 寧，劉德武，徐春峰，趙嘉偉

（1.無錫地鐵集團有限公司運營分公司，江蘇無錫 214171；2.東南大學智能運輸系統(tǒng)研究中心軌道交通研究所，南京 210018）

1 概述

城市軌道交通由于其安全、快速、準時的特性，成為了大多乘客優(yōu)選的出行方式。隨著軌道交通運營規(guī)模的擴大，對運維管理的要求也越來越高，如何在保障安全運營的基礎(chǔ)上降低運維成本、提升軌道交通設(shè)備智能化管理水平，成為當下研究的熱點。目前多家軌道交通企業(yè)已經(jīng)建立獨立的設(shè)備管理信息系統(tǒng)，用于故障信息管理[1]、風險管控[2]、智能運維[3]等，但此模式對設(shè)備故障預見性不足，同時也忽略了設(shè)備帶來的大量有價值數(shù)據(jù)。智能運維系統(tǒng)是利用先進傳感器技術(shù)獲取設(shè)備實時運行狀態(tài)信息，借助大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)對設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)測和故障預測，實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)修，該系統(tǒng)能大幅提高維修保障效率和設(shè)備可靠性，但獨立建設(shè)代價較高，不適合中小規(guī)模城市發(fā)展。

綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用先進的計算機技術(shù)和控制技術(shù)實現(xiàn)軌道交通控制系統(tǒng)的集成化、數(shù)字化和智能化，集成和互聯(lián)了眾多的機電子系統(tǒng)，如電力監(jiān)控、環(huán)控、廣播、乘客信息、列車監(jiān)控、視頻監(jiān)控、門禁、火災(zāi)報警系統(tǒng)等，可提供設(shè)備的運營狀態(tài)和重要報警信息等，可以為設(shè)備健康狀態(tài)分析[4]、故障預警[5]、狀態(tài)監(jiān)視[6]，設(shè)備控制[7]等提供海量數(shù)據(jù)。然而綜合監(jiān)控的應(yīng)用主要還是以設(shè)備本身的監(jiān)控為主，但對綜合監(jiān)控本身采集數(shù)據(jù)的深度挖掘和應(yīng)用處在起步和摸索階段[8]。基于綜合監(jiān)控的優(yōu)點及智能運維的需求，本文以無錫地鐵綜合監(jiān)控為依托，搭建智能檢測維修平臺，分析監(jiān)控需求和功能需求，制定出該檢測平臺的系統(tǒng)架構(gòu)，實現(xiàn)對機電及自動化設(shè)備的狀態(tài)修。

2 現(xiàn)狀及需求分析

要研究搭建無錫地鐵綜合監(jiān)控智能檢測維修平臺，首先對綜合監(jiān)控系統(tǒng)、無錫地鐵目前維修現(xiàn)狀及平臺功能需求進行分析，為平臺的架構(gòu)設(shè)計做好基礎(chǔ)。

2.1 無錫地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)

無錫地鐵綜合監(jiān)控系統(tǒng)采用兩級管理（中央、車站）和三級控制（中央、車站、現(xiàn)場）的原則，集成了電力監(jiān)控（SCADA）、廣播（PIS）、閉路電視（CCTV）、屏蔽門（PSD）、火災(zāi)報警（FAS）、門禁（ACS）、環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）等子系統(tǒng)，由以太網(wǎng)交換機、前端處理器、實時服務(wù)器、綜合后備盤等主要設(shè)備組成，在功能強大的上位機集成軟件開發(fā)平臺的支持下，將各子系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)集中采集、統(tǒng)一處理，使管理人員及時了解設(shè)備的運行狀態(tài)并對其進行控制，提高車站運營和管理效率。

2.2 無錫地鐵運維現(xiàn)狀

目前無錫地鐵設(shè)備運維主要存在以下問題：

各專業(yè)、各線路分別進行運維管理，存在信息孤島，各系統(tǒng)的開放性差，專業(yè)間、系統(tǒng)間互聯(lián)互通困難；數(shù)字化、智能化程度低，智能感知水平有限，覆蓋范圍不全面，制約智能應(yīng)用和智能輔助決策等；仍常用故障維修和計劃維修，導致服務(wù)水平較低，維修成本較高；維修人員在日常維護和故障處理時，仍依靠人工完成數(shù)據(jù)采集、分析等工作，無法滿足高質(zhì)量的維修管理。

無錫地鐵目前的運維現(xiàn)狀與日益增長的智能維修需求的矛盾，需要迫切的研究出適合無錫特色的智能運維方案，本文正是基于上述問題設(shè)計的基于綜合監(jiān)控的智能檢測維修平臺。

2.3 智能檢測維修平臺功能需求

智能檢測維修平臺是以綜合監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對綜合監(jiān)控部分子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進行重新分析處理，并補充部分設(shè)備接口和監(jiān)控需求，開放子系統(tǒng)內(nèi)部信息，標識設(shè)備應(yīng)有的狀態(tài)和閾值，以達到提前預警風險狀態(tài)的效果，檢測維修平臺的主要功能如下。

1）設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)檢測

本平臺可針對系統(tǒng)特有數(shù)據(jù)（設(shè)備累計運行時間、累計故障次數(shù)、開啟次數(shù)）進行檢測，并形成統(tǒng)計表。例如環(huán)控風機系統(tǒng)中的頻率反饋、線電壓、線電流、功率反饋數(shù)據(jù)；給排水系統(tǒng)中水泵電流值、水泵過載數(shù)等。

2）設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)管

依據(jù)數(shù)據(jù)報表以及預設(shè)點表對系統(tǒng)中運行狀態(tài)以及設(shè)備參數(shù)進行分類監(jiān)視，并統(tǒng)計歷史記錄，形成統(tǒng)計表。例如：EPS系統(tǒng)中的電池柜溫濕度參數(shù)、設(shè)備房溫濕度參數(shù)；給排水系統(tǒng)中的水位狀態(tài)、水池長漲趨勢；自動扶梯系統(tǒng)中的運行電流參數(shù)，以此來生成空載/負載運行時間圖。

3）設(shè)備狀態(tài)評估及預測

設(shè)備狀態(tài)評估及預測是以設(shè)備的狀態(tài)為基礎(chǔ)，通過狀態(tài)檢測，狀態(tài)評估和壽命預測來預測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢。狀態(tài)檢測是采集設(shè)備一系列機、電、液、光等參數(shù)信息，而此功能在上述1）、2）中已經(jīng)提到，這些參數(shù)信息能真正的表明設(shè)備的狀態(tài)，然后通過分析判斷設(shè)備的狀態(tài)，最終做出相應(yīng)評估及預測。

4）設(shè)備模塊智能關(guān)聯(lián)分析

基于歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)，依據(jù)設(shè)備模塊間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，引入因果關(guān)系檢驗的思想并構(gòu)建模型。減少設(shè)備在短時間內(nèi)發(fā)生多次告警，降低處理故障預警數(shù)，實現(xiàn)設(shè)備關(guān)聯(lián)恢復。例如：自動售檢票系統(tǒng)中的設(shè)備紙幣接收模塊、硬幣模塊、發(fā)卡模塊3個模塊存在相互關(guān)聯(lián)關(guān)系。此功能可有效實現(xiàn)設(shè)備模塊的關(guān)聯(lián)恢復，也能一定程度上預測設(shè)備故障，以便及時采取預防措施避免。

5）設(shè)備故障率及維修周期分析

將設(shè)備故障率定義為運行到某時刻尚未發(fā)生故障的設(shè)備，在該時刻后的單位時間內(nèi)發(fā)生失效的概率?；诖髽颖竟收蠑?shù)據(jù)，采用數(shù)理統(tǒng)計分析方法，對獲得的無故障運行時間數(shù)據(jù)進行分析，得出設(shè)備故障率，并由此計算設(shè)備的維修周期。

6）智能故障預警

依據(jù)預設(shè)點表對無錫地鐵設(shè)備的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)進行監(jiān)視，統(tǒng)計故障頻率及時長，對特定故障發(fā)生超過正常頻率或持續(xù)時間超過正常時長的設(shè)備發(fā)出檢查或維修提醒，并形成統(tǒng)計表，并根據(jù)數(shù)據(jù)和狀態(tài)統(tǒng)計報表給出故障分析。

3 智能檢測維修平臺設(shè)計

智能檢測維修平臺的核心是基于監(jiān)控數(shù)據(jù)、采集數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)信息，借助大數(shù)據(jù)計算、云計算技術(shù)等手段，綜合考慮設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟性，實現(xiàn)維修管理的智能化，從這個理念出發(fā)，來進行智能檢測維修平臺的設(shè)計。

智能檢測維修平臺整體架構(gòu)可以定義為3層：數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、應(yīng)用層，如圖1所示。

圖1 智能檢測維修平臺整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of intelligent detection and maintenance platform

1）數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)采集是整個平臺的基礎(chǔ)，完成對機電設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、性能指標數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集，滿足平臺數(shù)據(jù)獲取的需求。

采集層實現(xiàn)綜合監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入，并預留其他子系統(tǒng)的接口，對采集到的數(shù)據(jù)進行協(xié)議解析、編解碼處理后，上傳到數(shù)據(jù)處理層。

2）數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的存儲和對歷史數(shù)據(jù)的運算處理，并定義標準化的指標體系。數(shù)據(jù)存儲用于落地運維數(shù)據(jù)，可根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型和使用場景，選擇不同的存儲方式，積累大量的運維數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)分析相當于“大腦”功能，利用人工智能算法，根據(jù)具體的運維場景、業(yè)務(wù)規(guī)則，做出決策。

3）應(yīng)用層

應(yīng)用層主要依據(jù)地鐵運營生產(chǎn)需要，以研究集成系統(tǒng)設(shè)備的應(yīng)用為目的，將研究思路和方法具體實現(xiàn)，例如設(shè)備設(shè)施的狀態(tài)修。并對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行挖掘、分析、處理，最終對研究對象的實時狀態(tài)、數(shù)據(jù)指標等進行多樣化呈現(xiàn)。

4 實施案例

以無錫地鐵三陽廣場和南湖家園為試點站，搭建綜合監(jiān)控智能檢測維修平臺，開展機電自動化設(shè)備智能檢測系統(tǒng)的研究。

4.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集機、實時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、Web服務(wù)器、工作站等設(shè)備組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能檢測維修平臺系統(tǒng)實施圖Fig.2 System implementation diagram of intelligent detection and maintenance platform

數(shù)據(jù)采集機實現(xiàn)與FAS、BAS、PSD、ACS等系統(tǒng)的連接，可采集各系統(tǒng)內(nèi)部運行參數(shù)及所連設(shè)備的累計運行信息；實時/歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器實現(xiàn)對實時數(shù)據(jù)的存儲和對歷史數(shù)據(jù)的運算處理等，并滿足系統(tǒng)開發(fā)過程中所有對歷史數(shù)據(jù)及服務(wù)的需要；應(yīng)用服務(wù)器是依據(jù)運營生產(chǎn)需要，以研究系統(tǒng)設(shè)備“生命周期”、“狀態(tài)修”為目的，對生產(chǎn)數(shù)據(jù)挖掘、分析和處理；工作站是對研究對象的實時狀態(tài)、數(shù)據(jù)指標等多樣化的呈現(xiàn)；Web服務(wù)器是對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)訪問。

4.2 功能實現(xiàn)

以環(huán)控風機為例，環(huán)控風機由BAS系統(tǒng)進行監(jiān)控，通過智能檢測維修系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)分析，可實現(xiàn)功能如表1所示。

表1 智能檢測維修系統(tǒng)的實施應(yīng)用Tab.1 Implementation and application of intelligent detection and maintenance system

可以看出，智能檢測維修平臺在監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對機電設(shè)備的數(shù)據(jù)進行分析處理，可反映設(shè)備的運行狀態(tài)和具體故障信息，有助于第一時間做出預判和響應(yīng)，有利于加深維護人員對系統(tǒng)的認識，提高運營管理效率。

隨著系統(tǒng)功能的完善，以及智能維修的需求，可對重要設(shè)備的關(guān)鍵部件加裝傳感器，采集能直接反應(yīng)設(shè)備健康程度的狀態(tài)信息，經(jīng)此平臺接入數(shù)據(jù)層，實現(xiàn)狀態(tài)修。

5 總結(jié)

本論文以無錫地鐵實際情況為背景，圍繞試點站情況通過需求分析、功能確定、架構(gòu)設(shè)計3方面具體對綜合監(jiān)控智能檢測平臺進行具體介紹。此平臺可通過遠程客戶端實時反映設(shè)備運行狀態(tài)和具體故障信息，有助于第一時間做出預判和響應(yīng)；存儲和分析生產(chǎn)數(shù)據(jù)，用于設(shè)備維護周期和全壽命周期的研究；所呈現(xiàn)的系統(tǒng)內(nèi)部信息，加深維護人員對系統(tǒng)的認識。在后期開發(fā)中，將通過科學的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，積累設(shè)備維護經(jīng)驗，為回顧歷史數(shù)據(jù)及提出新應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。