城市軌道交通智能運維系統(tǒng)的研究及可行性分析

劉 婧 郭 行 蔣 銳 沈益斌

（1．寧波市軌道交通集團有限公司運營分公司，浙江 寧波 315020；2．寧波思高信通科技有限公司，浙江 寧波 315020）

0 前言

《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中提出，要建立供配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、AFC系統(tǒng)以及車站機電等系統(tǒng)的智能運維體系，從而提升城軌裝備維護的智能化程度和運維效率，減少維護人工的作業(yè)強度，形成城軌裝備智能化。但是目前城市軌道交通智能運維系統(tǒng)的建設還處在初級階段，同時隨著軌道交通的快速發(fā)展，列車運行的密度也在不斷增加，因此對相關(guān)系統(tǒng)設備的安全和運維管理提出了更嚴格的要求。現(xiàn)有運維模式將面臨一些問題，例如線網(wǎng)擴大、人力成本增大、缺乏歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及很難為設備故障處置提供指導等。而發(fā)展智能運維系統(tǒng)，就可以為軌道交通提供1個安全穩(wěn)定的運營環(huán)境。

1 智能運維系統(tǒng)

智能運維系統(tǒng)由硬件及軟件組成，其中軟件部分為智能運維平臺管理軟件，以模塊化的方式進行管理，包括設備全生命周期數(shù)據(jù)管理模塊、運維安全生產(chǎn)管理模塊、運維智能化決策模塊以及設備狀態(tài)綜合顯示模塊等，可以根據(jù)實際需求增加軟件的功能模塊[1]。

系統(tǒng)硬件主要由管理平臺、鏈路和采集終端設備組成。管理平臺一般設置在控制中心，且配置有智慧運營及節(jié)能管理服務平臺;鏈路部分以光纜及各類控制線為主，可以為數(shù)據(jù)傳輸提供通道;采集終端主要以及攝像機、采集現(xiàn)場信號的傳感器（溫度、濕度等）包括機器人等，可以為智能運維系統(tǒng)收集各種設備的狀態(tài)信息[2]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)應用

2.1 智能巡檢

2.1.1 智能巡檢系統(tǒng)組成

設備房智能巡檢系統(tǒng)可以大幅減少日常巡視的人力成本，可以實現(xiàn)對動態(tài)環(huán)境和設備狀態(tài)的遠程實時監(jiān)測與報警，同時還可以在第一時間為故障處置提供現(xiàn)場的實時影像。系統(tǒng)主要由智能巡檢和環(huán)境監(jiān)測組成。

2.1.1.1 智能巡檢部分

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設置軌道巡檢機器人，按照預先設定的行走軌跡及點位對設備房和機柜進行巡檢，并將巡檢結(jié)果通過數(shù)據(jù)傳輸至本地服務器，如果巡檢結(jié)果與設備正常狀態(tài)不一致，則準確提供故障設備的位置及狀態(tài)信息。特殊情況下，可以遠程手動控制機器人執(zhí)行巡檢任務。

2.1.1.2 環(huán)境監(jiān)測部分

通過在機房內(nèi)的重要部位設置溫濕度傳感器、防入侵攝像機以及水漬傳感器等前端設備，可以對機房內(nèi)的動態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)進行實時分析處理并上傳至監(jiān)視終端，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中存儲和查詢。

2.1.2 巡檢機器人

巡檢機器人可以采用升降式機器人，其主要由升降軌道機器人、通信系統(tǒng)以及監(jiān)控平臺構(gòu)成。機器人通過無線通信，可以將采集到的信息實時傳遞給后臺監(jiān)控平臺，遠程監(jiān)控后臺通過專網(wǎng)實現(xiàn)與巡檢部門、遠程專家組之間的數(shù)據(jù)交互。機器人巡檢系統(tǒng)支持接入原有監(jiān)控系統(tǒng)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和設備共享。升降式軌道巡檢機器人作為巡檢系統(tǒng)的核心，它具備系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、信息交互以及聲光報警等功能。

機器人支持的巡檢模式主要包括例行巡檢、專項巡檢、特殊巡檢及人工遙控巡檢，可以通過系統(tǒng)平臺軟件設置巡檢模式。

2.1.2.1 例行巡檢

機器人按照事先編制的工作計劃（統(tǒng)一定制的巡查點、檢測時間、數(shù)據(jù)記錄和掃查方式等），自動完成巡檢。

2.1.2.2 專項巡檢

按照專項工作需要編制任務計劃（巡查點、頻率、數(shù)據(jù)記錄和掃查方式），自動完成重點任務巡檢。

2.1.2.3 特殊巡檢

當現(xiàn)場出現(xiàn)緊急情況時，可以緊急調(diào)動機器人系統(tǒng)進入維保和應急處理模式，對特定對象進行巡檢、重點監(jiān)控并將數(shù)據(jù)實時上傳至監(jiān)控后臺，實現(xiàn)遠程實時在線操作，實時監(jiān)控受檢對象的工作狀態(tài)，便于及時發(fā)現(xiàn)問題、處理問題。

2.1.2.4 人工遙控巡檢

通過手動控制機器人，對現(xiàn)場進行實時遙控巡檢。該巡檢模式適用于運維人員以及管理單位需要對某類設備的狀態(tài)進行鎖定與監(jiān)測的情況，尤其是在機器人自主巡檢過程中，如果檢測到設備、環(huán)境狀態(tài)異常并報警時，運維人員可以在第一時間操控機器人快速到達異常設備的位置，及時對異常設備進行查看并核實報警信息，以便快速地制定響應策略。

2.1.3 巡檢數(shù)據(jù)處理

巡檢過程的數(shù)據(jù)由后臺報表系統(tǒng)進行處理，它可以自動存儲、統(tǒng)計和分析處理海量數(shù)據(jù)，例如巡檢點數(shù)據(jù)查詢與統(tǒng)計、報警信息查詢與缺陷異常分析以及環(huán)境記錄數(shù)據(jù)和紅外測溫數(shù)據(jù)分析。所有報告及報表支持查詢、導出和打印。導出數(shù)據(jù)支持 Execl格式和文字格式，導出信息齊全，記錄準確且完整，方便存儲、匯報、決策和作歸檔處理等。

系統(tǒng)能夠在每個巡檢任務結(jié)束后，自動生成巡檢任務報表。工作人員可以查詢設定時間內(nèi)的巡檢任務報表，支持以時間、巡檢類型以及任務名稱進行組合篩選，具體情況見表1。

表1 報表系統(tǒng)

2.2 漏纜監(jiān)測

2.2.1 漏纜監(jiān)測原理

漏纜監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理是利用區(qū)間漏纜采取鄰站末端相連的連接特點，在2個相連的射頻拉遠單元（RRU）設備處加裝信號收發(fā)模塊，該模塊具備對信號進行分析和診斷的功能，可以對區(qū)間漏纜狀態(tài)信息進行實時采集、監(jiān)測，并在控制中心的設置終端實時顯示全部漏纜狀態(tài)及告警信息[3]。漏纜監(jiān)測系統(tǒng)除了不能準確預測漏纜脫落、斷裂等突發(fā)性情況以及由偶發(fā)因素造成（例如被車輪崩飛的石子打擊）的發(fā)生時間極短的故障以外，其他不同類型的故障，例如生銹老化、彎折變形以及接頭浸水等緩慢發(fā)生的故障，在嚴重影響通信信號前都有較長的發(fā)展時間，而脈沖信號在探測到該故障時會產(chǎn)生不同的回波，通過分析回波的特征就可以獲知故障類型以及故障存在的時間，并預測該故障的發(fā)展趨勢，從而為“狀態(tài)修”提供數(shù)據(jù)支撐。

2.2.2 漏纜監(jiān)測功能

漏纜監(jiān)測系統(tǒng)采用脈沖壓縮技術(shù)，該技術(shù)具有傳統(tǒng)脈沖和調(diào)頻連續(xù)波雷達體制的特性，實現(xiàn)了高精度故障定位、漏纜健康監(jiān)測及故障評估預測。同時漏纜監(jiān)測系統(tǒng)在軌道交通中主要在漏纜故障定位和漏纜狀態(tài)預防性監(jiān)測中應用，從而確保了漏纜設備運行的可靠性。

當發(fā)生接頭脫漏、跳線中斷等漏纜故障時，可以第一時間通過監(jiān)測系統(tǒng)確定故障問題及故障點位置，為故障處理提供有效的信息，縮短了故障定位的時間。

通過收集漏纜數(shù)據(jù)和建立數(shù)據(jù)模型，可以對漏纜狀態(tài)進行預防性監(jiān)測，檢測步驟如下：1）將漏纜、跳線的彎折和斷裂趨勢、接頭松動趨勢等隱患和異常現(xiàn)象作為實時監(jiān)測內(nèi)容。2） 通過波形等手段將漏纜間的關(guān)鍵連接點、接頭以及合路器等節(jié)點處的異常趨勢作為實時監(jiān)測的內(nèi)容。3） 對上述內(nèi)容進行預防性分析，設置預警值，以終端顯示告警信息的形式為現(xiàn)場故障處理提供有效的處置依據(jù)。

2.2.3 漏纜監(jiān)測系統(tǒng)測試實例

通過在A城市地鐵5號線及B城市地鐵4號線進行多次實地測試，證明漏纜系統(tǒng)能夠?qū)β├|、漏纜實時診斷設備的在線、離線和故障狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并且能夠查看漏纜的相關(guān)參數(shù)，監(jiān)測狀態(tài)、參數(shù)與現(xiàn)場校驗結(jié)果一致，具體測試情況如下：1）在A城市地鐵5號線測試獲得的波形，其測量的對應頻率值均為1.611 MHz，根據(jù)該頻率計算出的測試點距離故障點的距離為716.895 m。漏纜理論長度為716 m。2）在B城市地鐵4號線進行故障定位測試，客戶端軟件能顯示故障距離定位，此時故障點與長興路站RRU的距離為 75 m，通過監(jiān)測系統(tǒng)顯示的距離，就能大大提升故障處置的效率，故障信息如圖2所示。

圖2 漏纜監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面

3 可行性分析

軌道交通智能運維系統(tǒng)的可行性主要體現(xiàn)在以下5個方面。

3.1 技術(shù)層面具備可行性

智能運維系統(tǒng)按照功能可以大致分為圖像識別、紅外熱成像、動態(tài)環(huán)境監(jiān)測以及數(shù)據(jù)處理分析等部分，相關(guān)技術(shù)都已經(jīng)有成熟的應用案例，因此從技術(shù)層面來說，智能運維系統(tǒng)具備一定的可行性。

3.2 系統(tǒng)可以替代人工巡檢

目前設備房日常巡檢主要包括以下4個內(nèi)容：1） 機房無滲漏水、高溫等異常情況。2） 設備表面清潔，各箱體、機柜無破損。3） 設備指示燈亮滅及顏色正常。4） 地面、桌椅以及文件柜等非設備物品擺放整齊。

通過對前端巡檢機器人、各類傳感器數(shù)據(jù)采集以及后臺數(shù)據(jù)處理功能進行分析，同時還與人工巡檢進行比對，新增設備房智能巡檢系統(tǒng)完全可以滿足上述巡檢需求，從而替代人工完成巡檢工作。

3.3 系統(tǒng)可以利用既有光纖組網(wǎng)

設備房智能巡檢系統(tǒng)與通信專業(yè)各子系統(tǒng)類似，可以分為中心和站點2個層級。站點層相對比較獨立，它是由分布于各站點的巡檢機器人、溫濕度傳感器、水浸傳感器、交換機、攝像機以及硬盤錄像機等設備組成。中心層由集中管理服務器、操作終端等設備組成。站點層和中心層需要通過傳輸網(wǎng)絡建立數(shù)據(jù)交互通道。目前各站點專用通信機房都設有傳輸系統(tǒng)設備，通過區(qū)間96芯主干光纜進行連接，提供光纖、以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)通道，不需要另外敷設線纜組網(wǎng)。

3.4 系統(tǒng)與既有通信系統(tǒng)相互獨立

智能巡檢系統(tǒng)為新增系統(tǒng)，與設備房內(nèi)既有設備相互獨立，除了智能巡檢系統(tǒng)的設備取電時需要接入UPS空開以外，其他設備不會對既有系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響。

3.5 設備房具備安裝條件

現(xiàn)場安裝作業(yè)內(nèi)容主要包括安裝導軌、機器人、各類傳感器、攝像頭、支架、機柜設備以及敷設對應線纜。

車站內(nèi)的通信設備房機柜的單柜高度為2250 mm，排列整齊，柜體間距滿足智能巡檢機器人的作業(yè)需求，設備房上方有通風管道、照明燈以及消防管道等設施及輔助支撐架。結(jié)合現(xiàn)場設備房環(huán)境及機柜布置方式，可以采用吊懸方式安裝導軌和機器人，支架支撐點避開上方各類管道架設于設備房頂部墻面，并通過支架固定導軌。

4 結(jié)語

針對目前軌道交通運維模式存在的問題，需要加快對智能運維系統(tǒng)應用的研究，并通過推進智能運維系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)對設備全生命周期的管理，提高設備的整體運維水平，預防和減少設備發(fā)生故障，降低了維護成本，為地鐵運營安全、運輸效率以及服務質(zhì)量提供了保障。同時還需要加大研究軌道交通智能運維系統(tǒng)應用的廣度和深度，逐步提升智能運維系統(tǒng)的水平[4]。