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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(hào)系統(tǒng)，其功能不依賴于列車占用檢測(cè)設(shè)備，集列車主動(dòng)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(dòng)控制系統(tǒng)。CBTC 系統(tǒng)包括列車自動(dòng)監(jiān)督 （ATS）、列車自動(dòng)防護(hù) （ATP）、列車自動(dòng)駕駛 （ATO）、計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖 （CBI）、數(shù)據(jù)通信 （DCS）、維護(hù)監(jiān)測(cè)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(jì)算機(jī)為主要技術(shù)手段實(shí)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(jì)算及 ZC 切換等功能 ，在保證列車行車安全、提高運(yùn)輸效率、改善勞動(dòng)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(yùn)營效率或運(yùn)營安全的情形發(fā)生后，采用故障報(bào)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(dòng)授權(quán)實(shí)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(shí)限速信息。作為一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，ZC 系統(tǒng)的運(yùn)行控制周期非常短，輸入輸出均需滿足一定的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)，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(diǎn)往往會(huì)影響后續(xù)列車的正常運(yùn)行，甚至?xí)䦟?dǎo)致整個(gè)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(hào)設(shè)備從新線建設(shè)到開通時(shí)間通常較短，維護(hù)人員難以在較短時(shí)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(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)隱患，檢測(cè)系統(tǒng)的外部輸入是否符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，在系統(tǒng)發(fā)生故障前即可對(duì)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(dòng)強(qiáng)度，提升整個(gè)系統(tǒng)安全性和運(yùn)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(dú)立設(shè)置于集中站的維護(hù)終端子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，主要包括數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)查詢和系統(tǒng)報(bào)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(shí)對(duì)信息的實(shí)時(shí)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(qiáng)制信息、列車的定位信息和授權(quán)信息、ATS 的臨時(shí)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(shí)，維護(hù)終端系統(tǒng)按照時(shí)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(gè)月。（2）實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示站場(chǎng)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(dòng)授權(quán)信息、計(jì)軸區(qū)段/邏輯區(qū)段的占用和鎖閉狀態(tài)、信號(hào)機(jī)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(shí)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(shí)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(chǔ)的歷史數(shù)據(jù)，以動(dòng)態(tài)顯示的方式，再現(xiàn)指定時(shí)間段內(nèi)站場(chǎng)的列車運(yùn)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(bào)警功能。維護(hù)終端系統(tǒng)對(duì) ZC 系統(tǒng)的報(bào)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(bào)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(shí)，在主顯示界面彈出窗口進(jìn)行報(bào)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(diǎn)：①維護(hù)終端系統(tǒng)只設(shè)置于集中站，通過集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供有限的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)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(dòng)強(qiáng)度；②系統(tǒng)報(bào)警被動(dòng)地依賴于ZC系統(tǒng)的故障報(bào)警設(shè)計(jì)，缺少主動(dòng)分析；③ZC 系統(tǒng)只能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，無法對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行長期監(jiān)測(cè)、對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)、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(shí)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(cuò)誤成為實(shí)際錯(cuò)誤前對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和更正的維護(hù)方式，ISO/TS16949：2009 對(duì)它的定義是：“基于過程數(shù)據(jù)，通過對(duì)可能的失效模式進(jìn)行預(yù)測(cè)而避免維護(hù)問題的活動(dòng)”。預(yù)見性維護(hù)的基本模式是：不定期或連續(xù)對(duì)表征設(shè)備實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；根據(jù)監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)；推測(cè)設(shè)備故障趨勢(shì)，識(shí)別最佳維護(hù)時(shí)機(jī)。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(yùn)營影響小的優(yōu)勢(shì)。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(cè)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(cè)功能。故障分析預(yù)測(cè)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(duì)一定時(shí)間范圍內(nèi)的單個(gè)集中站或全線的維護(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)系統(tǒng)可能存在的設(shè)計(jì)隱患和缺陷進(jìn)行警示，對(duì)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(gè)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(shí)現(xiàn)故障分析預(yù)測(cè)功能，對(duì)單個(gè)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)記錄、信息顯示、系統(tǒng)報(bào)警及歷史記錄回放功能。
2·1 中心維護(hù)服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
中心維護(hù)服務(wù)器采用商用高性能服務(wù)器，可對(duì)維護(hù)信息進(jìn)行綜合分析，如通信延時(shí)的分析、單列車授權(quán)的分析、報(bào)警信息綜合分析等。中心維護(hù)服務(wù)器是整個(gè)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(gè)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(shí)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(cè)試過程中的經(jīng)驗(yàn)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(shí)間的順序，對(duì)指定記錄進(jìn)行分析。根據(jù)分析目的的不同，可以單獨(dú)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(shí)間段內(nèi)的報(bào)警信息等，這些功能均通過修改配置文件來實(shí)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(shí)現(xiàn)
車站層維護(hù)終端采用通用的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn) ZC 系統(tǒng)的維護(hù)信息記錄功能，同時(shí)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(jì)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(gè)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(bào)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(shí)時(shí)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(yùn)行信息。④故障報(bào)警模塊。在單個(gè)集中站 ZC 系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，采用主界面彈出對(duì)話框的方式對(duì)維護(hù)人員進(jìn)行提示。⑤歷史記錄回放模塊�；胤胖付〞r(shí)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(duì)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(jì)時(shí)設(shè)定的各項(xiàng)指標(biāo)，按照時(shí)間順序逐項(xiàng)分析記錄中的種類信息，最終給出潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)并向維護(hù)人員進(jìn)行提示。潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有時(shí)間、車站、設(shè)備類型、風(fēng)險(xiǎn)編碼、風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別及風(fēng)險(xiǎn)原因等基本屬性，以便于維護(hù)人員對(duì)其進(jìn)行追蹤。對(duì)標(biāo)記的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，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(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)前后的場(chǎng)景進(jìn)行分析，確認(rèn)所標(biāo)記的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的性質(zhì)，偶發(fā)性和系統(tǒng)設(shè)計(jì)性的潛在風(fēng)險(xiǎn)需要進(jìn)一步確認(rèn)。在確定了潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)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(xiǎn)點(diǎn)產(chǎn)生的原因。信息顯示功能在歷史記錄回放時(shí)可以查看事件發(fā)生時(shí) ZC 系統(tǒng)與其他子系統(tǒng)通信報(bào)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(bào)警信息，結(jié)合這些信息，維護(hù)人員可以對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行最終定位。在最終定位風(fēng)險(xiǎn)源后，即可對(duì)系統(tǒng)提出維護(hù)/修改申請(qǐng)，按照系統(tǒng)變更的標(biāo)準(zhǔn)流程來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)。
3·2 預(yù)見性維護(hù)的實(shí)例分析
由于 ZC 系統(tǒng)對(duì)其他系統(tǒng)提供的信息延時(shí)非常敏感，各種外部輸入的延時(shí)分析不僅是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)考慮的內(nèi)容，也是在系統(tǒng)維護(hù)過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。ZC 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)每種通信報(bào)文的延時(shí)都設(shè)計(jì)了一個(gè)安全極限值。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，各種通信報(bào)文的延時(shí)都有一個(gè)正常的范圍，一旦某種通信報(bào)文的延時(shí)連續(xù)超出了這個(gè)正常范圍，說明與相關(guān)系統(tǒng)的通信處于一個(gè)“亞健康”狀態(tài)，隨時(shí)有可能超過安全限值而影響運(yùn)營，這種情況被視為一個(gè)潛在的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)通信延時(shí)的分析，主要通過 2 個(gè)維度來進(jìn)行，一個(gè)是指定時(shí)間段內(nèi)通信延時(shí)的時(shí)間分布，延時(shí)時(shí)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(shí)間；另一個(gè)是通信延時(shí)時(shí)間的區(qū)間分布，延時(shí)區(qū)間分布如圖 4 所示，可以清晰看出某個(gè)時(shí)間段內(nèi)是否有通信延時(shí)異常及發(fā)生了多少次延時(shí)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(jī)界面實(shí)時(shí)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(duì)運(yùn)行過程中的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、查詢和回放，實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)和存在的問題，而且可以使用分析規(guī)則對(duì)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(diǎn)和潛在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，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(duì)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(yùn)營提供更多的信息管理系統(tǒng)保障。
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