城市軌道交通跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

雷云鵬

(鄭州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)分公司， 450008， 鄭州∥高級(jí)工程師)

1 各專業(yè)維護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展需求

隨著城市軌道交通逐步向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，各類業(yè)務(wù)維護(hù)系統(tǒng)已初步具備了一定的智能運(yùn)維能力，在一定程度上提高了設(shè)備運(yùn)維的質(zhì)量及效率。但由于各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互日益緊密且接口繁多，以及各專業(yè)維護(hù)系統(tǒng)分散配置等原因，導(dǎo)致面對(duì)復(fù)雜的跨專業(yè)維護(hù)場(chǎng)景時(shí)，既有系統(tǒng)的支撐力不足，大多依靠各專業(yè)維護(hù)人員的互相協(xié)作查出故障原因和定位故障點(diǎn)。因而，既有系統(tǒng)存在著協(xié)同維護(hù)效率低下、難以實(shí)現(xiàn)專業(yè)間結(jié)合部故障的快速處置和修復(fù)、無(wú)法預(yù)先提示存在的風(fēng)險(xiǎn)和隱患等問(wèn)題。

而與此同時(shí)，云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的逐步成熟為城市軌道交通多專業(yè)融合的應(yīng)用環(huán)境提供了技術(shù)支撐，應(yīng)用環(huán)境已具備構(gòu)建跨專業(yè)集成運(yùn)維平臺(tái)的條件。為此，本文旨在構(gòu)建城市軌道交通跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)，對(duì)多專業(yè)融合多源數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，形成跨專業(yè)運(yùn)維決策建議，為城市軌道交通復(fù)雜的跨專業(yè)運(yùn)維場(chǎng)景提供高效、可靠的技術(shù)支撐，以減少排除故障的耗時(shí)，保障運(yùn)營(yíng)安全，提升運(yùn)營(yíng)效率。

1.1 跨專業(yè)運(yùn)維數(shù)據(jù)共享

各專業(yè)維護(hù)系統(tǒng)通常按各自專業(yè)及業(yè)務(wù)單獨(dú)設(shè)置數(shù)據(jù)庫(kù)，處于個(gè)體“信息孤島”狀態(tài)，無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的互聯(lián)互通。這一方面不利于跨專業(yè)的數(shù)據(jù)共享、聯(lián)動(dòng)及分析應(yīng)用，使得跨專業(yè)運(yùn)維場(chǎng)景中的數(shù)據(jù)分析過(guò)程耗時(shí)耗力，無(wú)法對(duì)故障作出快速診斷；另一方面也不利于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的聚合和高效運(yùn)用，面對(duì)各個(gè)分散孤立的維護(hù)終端，其運(yùn)維的質(zhì)量和效率勢(shì)必受到較大影響。

1.2 跨專業(yè)智能診斷分析

城市軌道交通是一個(gè)集信號(hào)、通信、車(chē)輛、機(jī)電、供電等專業(yè)的復(fù)雜系統(tǒng)體系。由于各專業(yè)間需要緊密協(xié)同運(yùn)作，任何專業(yè)系統(tǒng)或設(shè)備發(fā)生故障，都可能導(dǎo)致列車(chē)晚點(diǎn)、局部停運(yùn)甚至線路癱瘓。特別是在早晚客流高峰時(shí)段或人員密集的車(chē)站/區(qū)間內(nèi)，設(shè)備故障可能會(huì)造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。因此，實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，為設(shè)備運(yùn)維提供科學(xué)、可量化的維護(hù)依據(jù)，保障設(shè)備的健康運(yùn)行，成為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理工作的重中之重。當(dāng)出現(xiàn)跨專業(yè)的系統(tǒng)/設(shè)備故障時(shí)，如何壓縮故障延時(shí)、降低對(duì)正常運(yùn)營(yíng)的影響是應(yīng)急處置的關(guān)鍵。

2 跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)是城市軌道交通破除多專業(yè)協(xié)同運(yùn)維困局的可行途徑。本文從實(shí)際應(yīng)用需求及整體規(guī)劃角度，提出該系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

2.1 邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)

跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)基于分層構(gòu)建原則實(shí)現(xiàn)邏輯架構(gòu)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)包括線路專業(yè)層和跨專業(yè)匯聚層兩個(gè)層級(jí)，同時(shí)基于網(wǎng)域安全設(shè)計(jì)原則分為生產(chǎn)核心網(wǎng)、生產(chǎn)輔助網(wǎng)兩個(gè)網(wǎng)域，如圖1所示。其中：線路專業(yè)層主要由各類既有專業(yè)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，并實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的統(tǒng)一上傳；跨專業(yè)匯聚層實(shí)現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)的集成與匯聚，并將生產(chǎn)核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)全部匯聚至生產(chǎn)輔助網(wǎng)，以形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)總集。生產(chǎn)核心網(wǎng)和生產(chǎn)輔助網(wǎng)通過(guò)物理隔離實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳輸，以保障生產(chǎn)核心網(wǎng)運(yùn)行的安全性和可靠性。

圖1 跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)邏輯架構(gòu)示意圖

2.2 物理架構(gòu)設(shè)計(jì)

在跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)邏輯架構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建該系統(tǒng)的物理架構(gòu)。如圖2所示，跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)物理設(shè)備按分層網(wǎng)域部署，包括單一專業(yè)、跨專業(yè)2個(gè)層級(jí)。其中：?jiǎn)我粚I(yè)層級(jí)由接口服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，接口服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)單專業(yè)內(nèi)所有維護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的接口匯聚，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括防火墻和交換機(jī)；跨專業(yè)層級(jí)由接入服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器集群和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等組成，接入服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)網(wǎng)域內(nèi)專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接入及轉(zhuǎn)發(fā)，應(yīng)用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)運(yùn)維功能的應(yīng)用，數(shù)據(jù)服務(wù)器集群實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚、存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)服務(wù)器集群實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)數(shù)據(jù)綜合計(jì)算，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括物理隔離網(wǎng)閘、邏輯隔離防火墻及網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備等。

圖2 跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)物理架構(gòu)示意圖

2.3 跨專業(yè)故障診斷的關(guān)鍵設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)結(jié)合部故障的快速診斷和精確定位，跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)構(gòu)建了一套支持溯源診斷的數(shù)據(jù)分析框架，這是該系統(tǒng)用于跨專業(yè)故障診斷及分析的關(guān)鍵。該框架將城市軌道交通運(yùn)維知識(shí)圖譜作為分析模型的基礎(chǔ)，結(jié)合業(yè)務(wù)實(shí)體數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)分析引擎等內(nèi)容，可實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)結(jié)合部各業(yè)務(wù)及故障場(chǎng)景的溯源分析，如圖3所示。

如圖3所示，跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)的跨專業(yè)數(shù)據(jù)分析框架由知識(shí)構(gòu)建工具、數(shù)據(jù)平臺(tái)和分析平臺(tái)共同構(gòu)成：

1) 知識(shí)構(gòu)建工具：用于跨專業(yè)運(yùn)維業(yè)務(wù)場(chǎng)景的建模及知識(shí)的轉(zhuǎn)化，首先將跨專業(yè)結(jié)合部故障的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)通過(guò)知識(shí)圖譜工具進(jìn)行信息化轉(zhuǎn)換后存儲(chǔ)至圖數(shù)據(jù)庫(kù)中，以輔助數(shù)據(jù)分析建模工具進(jìn)行二次邏輯化建模，形成可供計(jì)算機(jī)解讀的數(shù)據(jù)分析模型，同時(shí)將維護(hù)建議等輔助信息存儲(chǔ)至關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而完成知識(shí)轉(zhuǎn)化的全過(guò)程；知識(shí)構(gòu)建工具支持各業(yè)務(wù)場(chǎng)景的按需擴(kuò)展。

圖3 跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)跨專業(yè)數(shù)據(jù)分析框架示意圖

2) 數(shù)據(jù)平臺(tái)：負(fù)責(zé)采集及傳輸業(yè)務(wù)實(shí)體數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并為分析平臺(tái)提供可靠的數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)境；

3) 分析平臺(tái)：通過(guò)數(shù)據(jù)調(diào)度模塊按需調(diào)取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；通過(guò)數(shù)據(jù)分析引擎加載分析模型并結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以形成故障診斷結(jié)果輸出；最終通過(guò)數(shù)據(jù)分析可視化為人機(jī)交互分析提供技術(shù)支撐，數(shù)據(jù)分析可視化展示的內(nèi)容包括且不限于故障分析詳情、故障定位展示、故障分析報(bào)告、故障處置建議、故障維護(hù)指導(dǎo)等。

3 跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用

目前，跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)已在鄭州地鐵試點(diǎn)應(yīng)用，通過(guò)接入信號(hào)、通信、車(chē)輛及機(jī)電等關(guān)鍵業(yè)務(wù)子系統(tǒng)，構(gòu)建了面向多專業(yè)的數(shù)據(jù)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)各專業(yè)結(jié)合部業(yè)務(wù)的深入分析及梳理，形成了跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)在各專業(yè)業(yè)務(wù)間應(yīng)用的典型場(chǎng)景，如表1所示。

表1 跨專業(yè)分析業(yè)務(wù)場(chǎng)景

城市軌道交通列車(chē)嚴(yán)重打滑對(duì)列車(chē)精準(zhǔn)停車(chē)及乘客乘坐體驗(yàn)都有較大影響，但由于列車(chē)打滑的可能成因較多，依靠人工進(jìn)行分析與診斷較為困難。本文以此場(chǎng)景為例，采用跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)列車(chē)打滑的各種情況進(jìn)行分析，其分析流程如圖4所示。跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)因信號(hào)邏輯、車(chē)輛制動(dòng)/牽引等造成的問(wèn)題可直接快速定位；對(duì)于涉及工務(wù)軌道系統(tǒng)的問(wèn)題，該系統(tǒng)可結(jié)合信號(hào)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合研判，進(jìn)而為維護(hù)人員提供全面的分析結(jié)果。

圖4 跨專業(yè)智能化運(yùn)維系統(tǒng)對(duì)列車(chē)打滑場(chǎng)景的分析及處置

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了跨專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)邏輯架構(gòu)及物理架構(gòu)設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹了跨專業(yè)結(jié)合部的設(shè)備故障診斷分析技術(shù)。后續(xù)可進(jìn)一步從以下兩方面拓展研究：一方面進(jìn)一步研究實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)應(yīng)急場(chǎng)景下的指揮及組織，以提升復(fù)合化、多職能運(yùn)維模式下的協(xié)同效率；另一方面可基于海量的多專業(yè)運(yùn)維數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行深度挖掘，研究跨專業(yè)設(shè)備運(yùn)維的規(guī)律，為城市軌道交通運(yùn)維智能化提供更科學(xué)的可量化的決策依據(jù)。