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淺析城市軌道交通區(qū)域控制中心系統(tǒng)預(yù)見性維護(hù)論文
基于通信的列車控制系統(tǒng) （CBTC） 是當(dāng)前城市軌道交通領(lǐng)域的主流信號系統(tǒng)，其功能不依賴于列車占用檢測設(shè)備，集列車主動定位技術(shù)、連續(xù)車—地雙向數(shù)據(jù)通信技術(shù)于一體，通過可執(zhí)行安全功能的車載和地面處理器構(gòu)建的連續(xù)式列車自動控制系統(tǒng)。CBTC 系統(tǒng)包括列車自動監(jiān)督 （ATS）、列車自動防護(hù) （ATP）、列車自動駕駛 （ATO）、計算機聯(lián)鎖 （CBI）、數(shù)據(jù)通信 （DCS）、維護(hù)監(jiān)測子系統(tǒng)等子系統(tǒng) ，其中 ATP 又包含車載控制單元 （OBCU） 和地面區(qū)域控制中心系統(tǒng) （ZC）。ZC 系統(tǒng)是按照故障導(dǎo)向安全原則，以計算機為主要技術(shù)手段實現(xiàn)的列車控制系統(tǒng)，作為 CBTC 系統(tǒng)的地面核心設(shè)備，具有列車管理、授權(quán) （MA） 計算及 ZC 切換等功能 ，在保證列車行車安全、提高運輸效率、改善勞動條件、為管理現(xiàn)代化創(chuàng)造條件等方面起著非常重要的作用。在系統(tǒng)維護(hù)階段，ZC 系統(tǒng)通常采用改正性維護(hù)方法作為系統(tǒng)維護(hù)的主要方式。改正性維護(hù)是一種事后維護(hù)的方式，即在系統(tǒng)使用過程中，影響運營效率或運營安全的情形發(fā)生后，采用故障報警查詢，事件回放的方式來查詢和分析故障。ZC 系統(tǒng)的核心功能是通過向車載系統(tǒng)發(fā)送移動授權(quán)實現(xiàn)列車安全間隔功能，其功能的完成依賴于車載提供的高精度列車定位信息，聯(lián)鎖系統(tǒng)提供的軌旁設(shè)備信息，相鄰 ZC 系統(tǒng)提供的 ZC 邊界信息及 ATS 系統(tǒng)提供的線路臨時限速信息。作為一個實時控制系統(tǒng)，ZC 系統(tǒng)的運行控制周期非常短，輸入輸出均需滿足一定的實時性要求。同時，由于城市軌道交通行車密度大、追蹤間隔短，一輛列車的晚點往往會影響后續(xù)列車的正常運行，甚至?xí)䦟?dǎo)致整個城市軌道交通系統(tǒng)的秩序紊亂。因此，ZC 系統(tǒng)維護(hù)工作需要滿足相關(guān)子系統(tǒng)多、維護(hù)信息密集且維護(hù)數(shù)據(jù)量大的要求。城市軌道交通的信號設(shè)備從新線建設(shè)到開通時間通常較短，維護(hù)人員難以在較短時間內(nèi)掌握設(shè)備的全過程特性，因而需要提供一種有效的技術(shù)手段，改善 ZC 系統(tǒng)現(xiàn)有的維護(hù)方法，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計隱患，檢測系統(tǒng)的外部輸入是否符合系統(tǒng)設(shè)計要求，在系統(tǒng)發(fā)生故障前即可對維護(hù)人員進(jìn)行提示，以達(dá)到節(jié)約企業(yè)維護(hù)成本，降低維護(hù)人員勞動強度，提升整個系統(tǒng)安全性和運營效率的目的。
1 ZC 系統(tǒng)的改正性維護(hù)
1·1 主要功能
ZC 系統(tǒng)的改正性維護(hù)是通過獨立設(shè)置于集中站的維護(hù)終端子系統(tǒng)實現(xiàn)的，主要包括數(shù)據(jù)記錄、實時監(jiān)視、數(shù)據(jù)查詢和系統(tǒng)報警等功能。
�。�1）數(shù)據(jù)記錄功能。ZC 系統(tǒng)接收和發(fā)送的信息種類多，數(shù)據(jù)量大且相當(dāng)密集，同時對信息的實時性要求很高，ZC 系統(tǒng)與維護(hù)終端系統(tǒng)采用 UDP的方式相連，通信周期需小于 250 ms。數(shù)據(jù)記錄功能負(fù)責(zé)分類記錄系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息及與其他系統(tǒng)的通信信息，包括聯(lián)鎖的軌旁設(shè)備信息和強制信息、列車的定位信息和授權(quán)信息、ATS 的臨時限速命令和限速狀態(tài)信息、相鄰 ZC 的邊界信息等。在記錄相關(guān)信息時，維護(hù)終端系統(tǒng)按照時間的先后順序，將收到的通信信息記錄于數(shù)據(jù)庫中。維護(hù)終端系統(tǒng)需要將所有的維護(hù)信息至少保存1個月。（2）實時監(jiān)視功能。信息顯示功能是維護(hù)終端系統(tǒng)與維護(hù)人員的主要接口，維護(hù)終端系統(tǒng)需要實時顯示站場圖形信息、系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息、列車的位置、速度和移動授權(quán)信息、計軸區(qū)段/邏輯區(qū)段的占用和鎖閉狀態(tài)、信號機的開放/關(guān)閉信息、道岔的定位/反位及鎖閉信息、屏蔽門的開關(guān)狀態(tài)、緊急停車按鈕和無人折返按鈕的狀態(tài)信息、臨時限速的范圍和限值信息、ZC 系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)的通信狀態(tài)等。由于需要顯示的信息種類多，數(shù)據(jù)量大，需采用定時刷新的方式來進(jìn)行界面的更新。（3）數(shù)據(jù)查詢功能。維護(hù)終端系統(tǒng)可根據(jù)組合條件進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，也可以依據(jù)數(shù)據(jù)記錄功能存儲的歷史數(shù)據(jù)，以動態(tài)顯示的方式，再現(xiàn)指定時間段內(nèi)站場的列車運行信息，設(shè)備變化信息及各種通信信息。通過提供正常播放、快進(jìn)、快退、單幀播放等功能，可以大大提高故障分析的效率。（4）系統(tǒng)報警功能。維護(hù)終端系統(tǒng)對 ZC 系統(tǒng)的報警信息、ZC 系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息、ZC 系統(tǒng)與外部系統(tǒng)之間的通信狀態(tài)、系統(tǒng)功能執(zhí)行情況等提供基本的報警功能。例如，當(dāng) ZC 系統(tǒng)與其他系統(tǒng)通信中斷或系統(tǒng)功能執(zhí)行失敗而導(dǎo)向安全側(cè)時，在主顯示界面彈出窗口進(jìn)行報警，提示維護(hù)人員進(jìn)行查看。
1·2 存在問題
ZC 系統(tǒng)的改正性維護(hù)很好地解決了故障發(fā)生后的可視化回放、故障原因分析及故障定位等問題，但仍然存在以下缺點：①維護(hù)終端系統(tǒng)只設(shè)置于集中站，通過集中監(jiān)測系統(tǒng)提供有限的遠(yuǎn)程監(jiān)測信息，故障發(fā)現(xiàn)依賴于維護(hù)人員的定期巡檢，增加了維護(hù)人員的勞動強度；②系統(tǒng)報警被動地依賴于ZC系統(tǒng)的故障報警設(shè)計，缺少主動分析；③ZC 系統(tǒng)只能監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，無法對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測、對故障進(jìn)行預(yù)測、在故障發(fā)生前提前進(jìn)行維護(hù)。
2 ZC 系統(tǒng)預(yù)見性維護(hù)實現(xiàn)
預(yù)見性維護(hù)是一種提前維護(hù)的方式，在系統(tǒng)中潛在的錯誤成為實際錯誤前對其進(jìn)行檢測和更正的維護(hù)方式，ISO/TS16949：2009 對它的定義是：“基于過程數(shù)據(jù)，通過對可能的失效模式進(jìn)行預(yù)測而避免維護(hù)問題的活動”。預(yù)見性維護(hù)的基本模式是：不定期或連續(xù)對表征設(shè)備實際運行狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測；根據(jù)監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行技術(shù)診斷，做出是否發(fā)生故障及故障類型、故障程度的評價；推測設(shè)備故障趨勢，識別最佳維護(hù)時機。與傳統(tǒng)的改正性維護(hù)相比，預(yù)見性維護(hù)具有發(fā)現(xiàn)故障早、安全影響小、運營影響小的優(yōu)勢。ZC 系統(tǒng)的維護(hù)在傳統(tǒng)改正性維護(hù)方法的基礎(chǔ)上，增加維護(hù)系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能和故障分析預(yù)測功能，以提供 ZC 系統(tǒng)的預(yù)見性維護(hù)能力，從而提高整個系統(tǒng)的運營效率。ZC 系統(tǒng)的預(yù)見性維護(hù)系統(tǒng)可以通過增加維護(hù)終端系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能，維護(hù)系統(tǒng)可以支持集中控區(qū)和中心服務(wù)器的大容量數(shù)據(jù)傳輸；通過在中心增加維護(hù)服務(wù)器，維護(hù)系統(tǒng)可以提供故障分析預(yù)測功能。故障分析預(yù)測功能是 ZC 系統(tǒng)預(yù)見性維護(hù)的核心內(nèi)容，通過預(yù)先定義的分析規(guī)則，對一定時間范圍內(nèi)的單個集中站或全線的維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對系統(tǒng)可能存在的設(shè)計隱患和缺陷進(jìn)行警示，對系統(tǒng)輸入的異常情況進(jìn)行標(biāo)記，為提前進(jìn)行維護(hù)提供依據(jù)，ZC 系統(tǒng)的預(yù)見性維護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為中心維護(hù)服務(wù)器和車站層維護(hù)終端 2 個層次。其中，中心維護(hù)服務(wù)器是預(yù)見性維護(hù)的核心，負(fù)責(zé)實現(xiàn)故障分析預(yù)測功能，對單個集中站或整條線路的信息進(jìn)行綜合分析工作。車站層維護(hù)終端是預(yù)見性維護(hù)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)接收各種數(shù)據(jù)信息并將其轉(zhuǎn)化為可視的圖形界面及可分析的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)記錄、信息顯示、系統(tǒng)報警及歷史記錄回放功能。
2·1 中心維護(hù)服務(wù)器的實現(xiàn)
中心維護(hù)服務(wù)器采用商用高性能服務(wù)器，可對維護(hù)信息進(jìn)行綜合分析，如通信延時的分析、單列車授權(quán)的分析、報警信息綜合分析等。中心維護(hù)服務(wù)器是整個預(yù)見性維護(hù)系統(tǒng)的核心部分，軟件使用通用腳本語言進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)維護(hù)系統(tǒng)需要完成的功能，將中心維護(hù)服務(wù)器軟件劃分為 4 個模塊，分別為數(shù)據(jù)讀取模塊、規(guī)則匹配模塊、綜合分析模塊及信息輸出模塊。（1）數(shù)據(jù)讀取模塊。維護(hù)服務(wù)器軟件的輸入處理模塊，按照時間順序分別讀取各站維護(hù)終端記錄的維護(hù)信息，并建立索引信息，提供給綜合分析模塊使用。（2）規(guī)則匹配模塊。根據(jù)系統(tǒng)開發(fā)過程和測試過程中的經(jīng)驗及專家意見，將其歸納為故障分析規(guī)則，采用配置文件的方式，作為分析系統(tǒng)輸入。規(guī)則匹配模塊通過讀取該配置文件，生成分析規(guī)則，提供給綜合分析模塊使用。綜合分析模塊。該模塊是中心維護(hù)服務(wù)軟件的核心模塊，按照時間的順序，對指定記錄進(jìn)行分析。根據(jù)分析目的的不同，可以單獨分析指定聯(lián)鎖的信息、指定列車的位置或授權(quán)信息、指定ZC控制范圍內(nèi)所有列車的信息、指定時間段內(nèi)的報警信息等，這些功能均通過修改配置文件來實現(xiàn)。（4）信息輸出模塊。中心維護(hù)服務(wù)器軟件采用標(biāo)準(zhǔn)化的輸出格式，以文本的形式輸出系統(tǒng)分析結(jié)果，維護(hù)人員可以將分析結(jié)果導(dǎo)入 Excel 來進(jìn)行進(jìn)一步的篩選和圖形化的顯示，以提升故障分析的效率。
2·2 車站層維護(hù)終端的實現(xiàn)
車站層維護(hù)終端采用通用的工業(yè)控制計算機組成，通過高性能數(shù)據(jù)庫來記錄維護(hù)信息，車站層維護(hù)終端與中心維護(hù)服務(wù)器之間采用百兆以太網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)接，可以快速傳輸大容量的維護(hù)信息。車站層維護(hù)終端作為 ZC 系統(tǒng)的基本維護(hù)單元，通過獲取ZC 系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的交互數(shù)據(jù)和 ZC 系統(tǒng)的工作狀態(tài)，實現(xiàn) ZC 系統(tǒng)的維護(hù)信息記錄功能，同時提供可視化的界面，為 ZC 系統(tǒng)的維護(hù)及故障分析提供條件 。車站層維護(hù)終端使用成熟的系統(tǒng)語言進(jìn)行開發(fā)，采用模塊化的設(shè)計方法，將系統(tǒng)功能進(jìn)行高內(nèi)聚低耦合的劃分，降低了各模塊之間的依賴性，有利于維護(hù)終端系統(tǒng)的維護(hù)和后續(xù)開發(fā)。車站層維護(hù)終端劃分為 5 個模塊，分別為通信處理模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、信息顯示模塊、故障報警模塊和歷史記錄回放模塊。①通信處理模塊。負(fù)責(zé)與 ZC 系統(tǒng)和中心維護(hù)服務(wù)器進(jìn)行通信。②數(shù)據(jù)記錄模塊。采用高性能的數(shù)據(jù)庫，記錄集中站 ZC 系統(tǒng)相關(guān)的所有維護(hù)信息。③信息顯示模塊。實時顯示集中站 ZC 系統(tǒng)范圍內(nèi)所有的設(shè)備狀態(tài)信息及列車運行信息。④故障報警模塊。在單個集中站 ZC 系統(tǒng)發(fā)生故障時，采用主界面彈出對話框的方式對維護(hù)人員進(jìn)行提示。⑤歷史記錄回放模塊�；胤胖付〞r間段內(nèi) ZC 系統(tǒng)的工作狀態(tài)，用于故障的回溯分析。
3 ZC 系統(tǒng)預(yù)見性維護(hù)的應(yīng)用
3·1 預(yù)見性維護(hù)的基本流程
ZC 系統(tǒng)周期性地將輸入信息、輸出信息和工作狀態(tài)發(fā)送給車站維護(hù)終端。中心服務(wù)器按照系統(tǒng)維護(hù)的要求周期性地收集車站維護(hù)終端的記錄信息并對其進(jìn)行分析。預(yù)見性維護(hù)基本流程如圖 2所示。維護(hù)記錄分析的依據(jù)是系統(tǒng)設(shè)計時設(shè)定的各項指標(biāo)，按照時間順序逐項分析記錄中的種類信息，最終給出潛在的風(fēng)險點并向維護(hù)人員進(jìn)行提示。潛在風(fēng)險點有時間、車站、設(shè)備類型、風(fēng)險編碼、風(fēng)險級別及風(fēng)險原因等基本屬性，以便于維護(hù)人員對其進(jìn)行追蹤。對標(biāo)記的潛在風(fēng)險點，維護(hù)人員使用車載維護(hù)終端提供的歷史記錄回放功能，對潛在風(fēng)險點前后的場景進(jìn)行分析，確認(rèn)所標(biāo)記的潛在風(fēng)險點的性質(zhì)，偶發(fā)性和系統(tǒng)設(shè)計性的潛在風(fēng)險需要進(jìn)一步確認(rèn)。在確定了潛在風(fēng)險點的性質(zhì)后，再使用車站維護(hù)終端的信息顯示功能，查看潛在風(fēng)險點產(chǎn)生的原因。信息顯示功能在歷史記錄回放時可以查看事件發(fā)生時 ZC 系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)通信報文的詳細(xì)信息、系統(tǒng)內(nèi)部的核心變量信息、系統(tǒng)各硬件板卡的工作狀態(tài)及其他附加報警信息，結(jié)合這些信息，維護(hù)人員可以對潛在風(fēng)險進(jìn)行最終定位。在最終定位風(fēng)險源后，即可對系統(tǒng)提出維護(hù)/修改申請，按照系統(tǒng)變更的標(biāo)準(zhǔn)流程來對系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。
3·2 預(yù)見性維護(hù)的實例分析
由于 ZC 系統(tǒng)對其他系統(tǒng)提供的信息延時非常敏感，各種外部輸入的延時分析不僅是系統(tǒng)設(shè)計需要重點考慮的內(nèi)容，也是在系統(tǒng)維護(hù)過程中需要重點關(guān)注的內(nèi)容。ZC 系統(tǒng)在設(shè)計時，對每種通信報文的延時都設(shè)計了一個安全極限值。在系統(tǒng)正常運行的情況下，各種通信報文的延時都有一個正常的范圍，一旦某種通信報文的延時連續(xù)超出了這個正常范圍，說明與相關(guān)系統(tǒng)的通信處于一個“亞健康”狀態(tài)，隨時有可能超過安全限值而影響運營，這種情況被視為一個潛在的風(fēng)險。對通信延時的分析，主要通過 2 個維度來進(jìn)行，一個是指定時間段內(nèi)通信延時的時間分布，延時時間分布如圖 3 所示，如果通信發(fā)生異常，可以清晰看出通信異常的發(fā)生時間；另一個是通信延時時間的區(qū)間分布，延時區(qū)間分布如圖 4 所示，可以清晰看出某個時間段內(nèi)是否有通信延時異常及發(fā)生了多少次延時異常，為系統(tǒng)的通信維護(hù)提供依據(jù)。
4 結(jié)束語
ZC 系統(tǒng)的預(yù)見性維護(hù)系統(tǒng)不僅可以通過可視化的人機界面實時顯示 ZC 系統(tǒng)狀態(tài)及外部系統(tǒng)發(fā)送的行車相關(guān)數(shù)據(jù)，并對運行過程中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、查詢和回放，實時了解現(xiàn)場狀態(tài)和存在的問題，而且可以使用分析規(guī)則對記錄的通信信息和系統(tǒng)狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析，在一定程度上發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用中的薄弱點和潛在的風(fēng)險點，從而為區(qū)域控制中心系統(tǒng)的提前維護(hù)提供依據(jù)。此外，由于 ZC系統(tǒng)的預(yù)見性維護(hù)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)種類繁多，各種數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系復(fù)雜，應(yīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，提出更多的分析規(guī)則，為研究安全可靠的城市軌道交通列車控制系統(tǒng)提供重要支撐手段，也為城市軌道交通的安全運營提供更多的信息管理系統(tǒng)保障。
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