基于剩余壽命預(yù)測的AFC終端設(shè)備健康度評估方案探討

祁豆豆

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010）

城市軌道交通自動(dòng)售檢票系統(tǒng)是一個(gè)基于計(jì)算機(jī)控制、通信傳輸、自動(dòng)識別、精密機(jī)械和傳動(dòng)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通售票、檢票、統(tǒng)計(jì)、清分、管理等全過程的高度智能化和信息化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，也是乘客在城市軌道交通中使用頻率較高的系統(tǒng)之一[1]。隨著城市線網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，自動(dòng)售檢票終端設(shè)備數(shù)量逐漸增加，設(shè)備健康度實(shí)現(xiàn)可視化展示對運(yùn)營維護(hù)維修具有重要的指導(dǎo)意義。

常用的健康度預(yù)測分析方法大致分為3種，多參數(shù)分析、趨勢分析和對比分析。為了提高健康度預(yù)測可信度，在上述分析方法的基礎(chǔ)上，除采集設(shè)備上傳信息的必要數(shù)據(jù)之外，還可采用建立模型并優(yōu)化預(yù)測過程的方式，構(gòu)建設(shè)備的健康度評估體系，通過相關(guān)指標(biāo)有效表征健康狀態(tài)的變化[2]。自動(dòng)售檢票系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部模塊較多，發(fā)生故障或運(yùn)行性能退化的原因復(fù)雜且具有不確定性，在不增加監(jiān)測設(shè)備的前提下，根據(jù)車站運(yùn)營數(shù)據(jù)，建立相關(guān)模型分析健康度十分困難。

因此，本文以自動(dòng)檢票機(jī)為例，將設(shè)備健康度轉(zhuǎn)換為剩余壽命，以百分比的方式對其進(jìn)行量化。利用與綜合監(jiān)控的既有接口，將結(jié)果上傳至智慧車站綜合運(yùn)管系統(tǒng)（以下簡稱“SOM系統(tǒng)”）做可視化的展示，期望對運(yùn)營后續(xù)維修和維保管理提供參考。

1 自動(dòng)檢票機(jī)健康度評估體系

目前常用的軌道交通自動(dòng)檢票機(jī)大致有旋轉(zhuǎn)式檢票機(jī)、剪式扇門檢票機(jī)、拍打門式扇門檢票機(jī)3大類。自動(dòng)檢票機(jī)主要硬件配置有工控機(jī)、乘客通道傳感器、閘門、單程票回收模塊、電源模塊、不間斷電源UPS、通信指示燈、刷卡天線板和蜂鳴器等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展創(chuàng)新，部分城市自動(dòng)檢票機(jī)設(shè)置人臉識別模塊、二維碼模塊、藍(lán)牙模塊、指紋識別模塊等多元化支付功能模塊。本文選用最常見的自動(dòng)檢票機(jī)，如圖1所示，根據(jù)關(guān)鍵部件上傳參數(shù)，對自動(dòng)檢票機(jī)健康度進(jìn)行量化處理。

圖1 某自動(dòng)檢票機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 計(jì)算方式

自動(dòng)檢票機(jī)健康度的影響因素較多，根據(jù)運(yùn)營維修人員反饋，長時(shí)間使用后常見主要故障為不間斷電源UPS故障、扇門故障、單程票回收模塊故障、乘客通道傳感器故障和刷卡天線板故障，本文選用這5個(gè)主要影響因素，基于權(quán)重的健康度計(jì)算模型如下：

采用1-9標(biāo)度法及現(xiàn)場運(yùn)維人員的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[3]，確定同一等級指標(biāo)的相對權(quán)重值，得出判決矩陣如下：

通過計(jì)算，得到上述矩陣的最大特征值λmax為5.22。因判斷矩陣是按兩兩指標(biāo)的重要性構(gòu)建，各指標(biāo)間的相對重要性可能不一致，進(jìn)而需對其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。求得判別指標(biāo)CI如下：

式中，n為評價(jià)指標(biāo)即影響因素個(gè)數(shù)，將CI值與重要性標(biāo)度指標(biāo)RI值（見表1）的比值作為一致性檢驗(yàn)指標(biāo)CR，代入公式：

表1 重要性標(biāo)度值

求得一致性比率C R=0.049＜0.1，滿足一致性要求，則說明該判斷矩陣可以接受；反之，則要重新構(gòu)建判斷矩陣，直至CR滿足判決要求。

因此，根據(jù)最大特征值，對特征向量進(jìn)行歸一化處理后，所得不間斷UPS故障、扇門故障、單程票回收模塊故障、乘客通道傳感器故障和刷卡天線板故障5個(gè)主要因素的權(quán)重如下：（0.06，0.51，0.29，0.04，0.1）T。

最終設(shè)備的健康度計(jì)算公式為：

根據(jù)健康度計(jì)算公式，Hi（i=1、2、3、4、5）分量會(huì)根據(jù)模塊運(yùn)行情況發(fā)生變化。根據(jù)各模塊廠家提供參數(shù)，結(jié)合運(yùn)營數(shù)據(jù)可計(jì)算出Hi分量。其中，H1為不間斷電源UPS分量，可根據(jù)自動(dòng)檢票機(jī)的上線使用累計(jì)時(shí)常計(jì)算；H2為扇門模塊分量，可根據(jù)自動(dòng)檢票機(jī)累計(jì)過閘次數(shù)計(jì)算；H3為單程票回收模塊分量，可根據(jù)自動(dòng)檢票機(jī)回收票卡累計(jì)次數(shù)計(jì)算；H4為乘客通道傳感器模塊分量，可根據(jù)自動(dòng)檢票機(jī)的上線使用累計(jì)時(shí)常計(jì)算；H5為刷卡天線板模塊分量，可根據(jù)自動(dòng)檢票機(jī)的累計(jì)刷卡過閘次數(shù)計(jì)算。

1.2 評估規(guī)則

目前設(shè)備健康度評估的方法主要以健康狀態(tài)等級為主，見表2，將健康度H值0-1，按百分比劃分為1-4等級，量化終端設(shè)備健康度狀態(tài)[4]，根據(jù)SOM展示界面設(shè)備健康度報(bào)警狀態(tài)，為運(yùn)營對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)提供參考建議。

表2 終端設(shè)備健康度等級表

1.3 應(yīng)用分析

根據(jù)車站自開通以來設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、自動(dòng)檢票機(jī)如AGM01累計(jì)過閘人數(shù)、回收類票卡過閘人數(shù)、刷卡過閘人數(shù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及各模塊設(shè)備廠家提供參數(shù)，代入公式，可得出自動(dòng)檢票機(jī)健康度數(shù)值。

根據(jù)車站自動(dòng)檢票機(jī)健康度數(shù)值，實(shí)際應(yīng)用中，終端設(shè)備預(yù)測性維護(hù)應(yīng)著重于發(fā)現(xiàn)和避免系統(tǒng)失效，終端設(shè)備從數(shù)據(jù)采集到SOM健康度結(jié)果分析及推送預(yù)警信息的工作流程如圖2所示。針對異常模塊健康度分量，經(jīng)系統(tǒng)自我診斷篩查和人工確認(rèn)后，SOM平臺(tái)可通過資產(chǎn)管理系統(tǒng)的信息得知備品備件數(shù)量，從物資倉庫自動(dòng)調(diào)取備件、通過維修管理系統(tǒng)派發(fā)維修工單，再通過單兵設(shè)備指導(dǎo)現(xiàn)場運(yùn)營人員進(jìn)行維修。此外，低客流時(shí)段可選擇性停用一些健康度值相對較低的設(shè)備，在高峰小時(shí)客流階段重新啟用，不僅節(jié)能，還可降低設(shè)備維修次數(shù)。

圖2 終端設(shè)備預(yù)測性維護(hù)工作流程

1.4 誤報(bào)警分析

因運(yùn)營日常使用習(xí)慣，車站會(huì)暫停部分自動(dòng)檢票機(jī)等終端設(shè)備面向乘客服務(wù)功能。根據(jù)本文健康度計(jì)算方式，綜合看本平臺(tái)難以區(qū)分自動(dòng)售檢票終端設(shè)備正常停止使用和故障信息，這樣會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障信息誤報(bào)。需設(shè)備廠家更改軟件界面，新增設(shè)備停用/啟用子項(xiàng)，便于運(yùn)營根據(jù)使用需求，正常屏蔽設(shè)備，且在圖元顯示中以顏色區(qū)分故障和停用的不同，避免設(shè)備誤報(bào)警信息上傳，降低SOM上自動(dòng)售檢票系統(tǒng)終端設(shè)備的誤報(bào)率。

2 與SOM系統(tǒng)接口對接

自動(dòng)售檢票系統(tǒng)利用與綜合監(jiān)控的既有接口，除了上傳終端設(shè)備服務(wù)狀態(tài)（正常、暫停、降級、報(bào)警）、通訊狀態(tài)（在線、離線）和車站進(jìn)、出站客流等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之外，新增上傳AFC設(shè)備診斷及系統(tǒng)健康度分析結(jié)果。通過綜合看板“設(shè)備管家”機(jī)電設(shè)備健康度查詢，AFC將采集到的終端設(shè)備中的關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行次數(shù)、故障次數(shù)、累積運(yùn)行時(shí)長等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析，通過數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)算法得出這些AFC設(shè)備的健康度分值。根據(jù)設(shè)備診斷及系統(tǒng)健康度分析結(jié)果，可對健康度分值異常模塊進(jìn)行定向定期維護(hù)。SOM平臺(tái)推送診斷建議、經(jīng)人工確認(rèn)后自動(dòng)派發(fā)維修工單，為運(yùn)營維護(hù)維修提供參考方案。

3 結(jié)束語

自動(dòng)檢票機(jī)健康度的影響因素有很多，除產(chǎn)品內(nèi)部各模塊自身因素外，還涉及客流因素、乘客行為、使用環(huán)境和維保水平等多方面[5]。本文將健康度折算成剩余壽命，通過運(yùn)營人員經(jīng)驗(yàn)設(shè)定了各影響因素系數(shù)，依據(jù)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，在設(shè)備整體健康度上可進(jìn)行直觀展示，具有一定的健康度預(yù)測價(jià)值。但權(quán)重系數(shù)評估依賴經(jīng)驗(yàn)值，不適用于廣泛應(yīng)用。下階段將以數(shù)據(jù)為支撐，從模型選擇和構(gòu)建的角度，進(jìn)行對比分析，提高健康度評估的準(zhǔn)確性，以期為智能化運(yùn)維提供技術(shù)支撐。