周 歡

（卡斯柯信號(hào)有限公司，北京 100070）

隨著國(guó)內(nèi)城市軌道交通行業(yè)的快速發(fā)展，行車速度和行車密度的不斷提高，運(yùn)營(yíng)安全的保障面臨著越來(lái)越大的挑戰(zhàn)，對(duì)作為軌道交通神經(jīng)中樞的信號(hào)系統(tǒng)的維護(hù)能力提出了更高的要求。目前常見的信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（MSS）已不能完全滿足運(yùn)營(yíng)要求。搭建基于智能化、信息化、集成化的智能運(yùn)維系統(tǒng)已成行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。為搭建基于大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)與智能分析技術(shù)的信號(hào)智能運(yùn)維系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)維修策略從故障修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變，提升維修效率，需要對(duì)現(xiàn)有信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集與處理方案進(jìn)行改良升級(jí)，實(shí)現(xiàn)更全面、更深入的全息感知，為大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和智能分析技術(shù)在智能運(yùn)維系統(tǒng)中的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集與處理

1.1 維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息采集與處理方案概述

信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)分布式的信號(hào)設(shè)備維護(hù)支持系統(tǒng)，采用三層系統(tǒng)架構(gòu)，包括中心服務(wù)器層、維護(hù)工作站層、站機(jī)層，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相應(yīng)的基礎(chǔ)信號(hào)設(shè)備運(yùn)行工作狀態(tài)和主要電氣性能進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，故障集中報(bào)警、故障診斷定位和維護(hù)管理等功能。

信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在功能邏輯層面上又可分為感知層和應(yīng)用層。如圖1 所示。

圖1 維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能架構(gòu)Fig.1 Functional architecture diagram of maintenance and monitoring system

系統(tǒng)通過(guò)感知層采集外電網(wǎng)、道岔、信號(hào)機(jī)、計(jì)軸設(shè)備、電纜絕緣測(cè)試、對(duì)地漏泄電流、屏蔽門、聯(lián)鎖、ATS、ATC、DCS 等設(shè)備的狀態(tài)信息。這些采集到的信息再通過(guò)維護(hù)網(wǎng)上傳到中心應(yīng)用服務(wù)器，為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層的邏輯處理，故障診斷與定位、報(bào)警提示與存儲(chǔ)、檢修管理等功能提供數(shù)據(jù)支持。

信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集信號(hào)設(shè)備信息的方式主要分為以下幾種。

1）自采集方式

信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在道岔、信號(hào)機(jī)、外電網(wǎng)、站臺(tái)門等不同的信號(hào)設(shè)備的相關(guān)電路關(guān)鍵點(diǎn)上安裝采集模塊，設(shè)計(jì)采集電路，從而采集信號(hào)設(shè)備狀態(tài)，通過(guò)通信接口分機(jī)、綜合分機(jī)將采集信息傳輸至站機(jī)，站機(jī)再將匯總過(guò)來(lái)的自采集信息通過(guò)維護(hù)網(wǎng)傳輸至中心應(yīng)用服務(wù)器。所有采樣都進(jìn)行電氣隔離，不影響被監(jiān)測(cè)設(shè)備及信號(hào)系統(tǒng)的正常工作，如圖2 所示。

圖2 自采集方式原理Fig.2 Schematic diagram of self-acquisition mode

2）接口的方式

信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與信號(hào)系統(tǒng)其他各子系統(tǒng)包括ATS、ATC、聯(lián)鎖、DCS 系統(tǒng)以及配套的信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備，包括計(jì)軸、智能電源屏(UPS 電源及電池)、燈絲報(bào)警儀等通過(guò)接口的方式進(jìn)行連接。ATS、ATC、DCS 等子系統(tǒng)設(shè)備具有自診斷及監(jiān)測(cè)報(bào)警功能，除在相應(yīng)的工作站上顯示監(jiān)測(cè)和報(bào)警外，設(shè)備狀態(tài)信息及報(bào)警信息還能通過(guò)與維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口傳送至信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中心應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)MSS 系統(tǒng)對(duì)信號(hào)CBTC 系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)與存儲(chǔ)。聯(lián)鎖、計(jì)軸、智能電源屏、燈絲報(bào)警儀等信號(hào)基礎(chǔ)設(shè)備則通過(guò)與站機(jī)直連的方式將設(shè)備狀態(tài)及報(bào)警信息傳送給站機(jī)。站機(jī)將獲取到的相關(guān)信息通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通道傳送給中心應(yīng)用服務(wù)器。如圖3 所示。

圖3 接口方式原理Fig.3 Schematic diagram of interface mode

MSS 在維修中心配置一套冗余中心應(yīng)用服務(wù)器，完成全線數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)工作，容量滿足全線要求。服務(wù)器存儲(chǔ)MSS 系統(tǒng)所有的歷史數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)的客戶端提供歷史數(shù)據(jù)源。同時(shí)主、從服務(wù)器進(jìn)行同步冗余，管理全線MSS 系統(tǒng)所有與應(yīng)用開發(fā)有關(guān)的參數(shù)，包括設(shè)備定義、設(shè)備報(bào)警、設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、報(bào)表統(tǒng)計(jì)等。當(dāng)其中一臺(tái)服務(wù)器發(fā)生故障時(shí)，不影響系統(tǒng)的正常工作。

1.2 維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息采集與處理方案面對(duì)的問(wèn)題

1）信息封閉

目前城市軌道交通項(xiàng)目中，同一城市的每條線路之間相互獨(dú)立，信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自成體系，線路之間信息封閉、監(jiān)測(cè)信息分散、維護(hù)信息不能共享。隨著近幾年城市軌道交通的快速發(fā)展，必然要對(duì)城市的所有軌道線路進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)管理，打破線路之間的封閉模式，實(shí)現(xiàn)信息共享，全面掌握所有線路運(yùn)營(yíng)情況，對(duì)所有線路進(jìn)行統(tǒng)一管理，提升全網(wǎng)維護(hù)效率，降低維護(hù)成本。而在現(xiàn)有維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集與處理方案下不能同時(shí)獲取多條線路的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，無(wú)法全面掌握全網(wǎng)線路的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。

2）數(shù)據(jù)支撐不足

近幾年大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的迅猛發(fā)展，為大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在信號(hào)系統(tǒng)維護(hù)平臺(tái)上的應(yīng)用提供技術(shù)可能，突破了技術(shù)壁壘。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用是指對(duì)信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)沉淀、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)深度挖掘，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)期性的、全生命周期的、規(guī)模性的、多維度的設(shè)備運(yùn)行規(guī)律，從而實(shí)現(xiàn)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的智能診斷功能。大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在維護(hù)平臺(tái)上的應(yīng)用需要進(jìn)行海量的數(shù)據(jù)采集。而在現(xiàn)有維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集方案下，數(shù)據(jù)量不足以構(gòu)成大數(shù)據(jù)特征，不能為大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的應(yīng)用提供底層數(shù)據(jù)支持。

2 智能運(yùn)維系統(tǒng)信息采集與處理方案

2.1 信息封閉問(wèn)題解決方案

2.1.1 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一

不同信號(hào)廠商對(duì)信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定義各異，互不兼容，維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集的信息數(shù)據(jù)來(lái)源又存在格式不同，結(jié)構(gòu)復(fù)雜問(wèn)題。要想打破線路之間信息封閉的問(wèn)題，需要對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)范和定義，對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理和存儲(chǔ)。通過(guò)增設(shè)數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)規(guī)范、數(shù)據(jù)處理方法實(shí)現(xiàn)將匯總過(guò)來(lái)的各條線路的各種格式的維護(hù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換處理與存儲(chǔ)，按照設(shè)備類型、線路信息等多維度角度對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、處理、格式統(tǒng)一及存儲(chǔ)，為后續(xù)線網(wǎng)級(jí)智能運(yùn)維實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)挖掘和智能分析提供便捷，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程Fig.4 Data processing flow chart

2.1.2 搭建線網(wǎng)中心服務(wù)器

目前，各線路的信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)只存在封閉的生產(chǎn)網(wǎng)域中。每條線路都設(shè)有中心應(yīng)用服務(wù)器，完成本條線的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)工作。通過(guò)增設(shè)線網(wǎng)級(jí)中心服務(wù)器，將各線路維護(hù)監(jiān)測(cè)平臺(tái)采集的感知數(shù)據(jù)整合到統(tǒng)一平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)跨線路、多維度的全設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)、智能預(yù)警、維護(hù)管理等功能。打破線路之間的信息封閉，實(shí)現(xiàn)信息共享，可能造成信息數(shù)據(jù)不安全、數(shù)據(jù)混亂、數(shù)據(jù)不一致等問(wèn)題，因此不僅需要在生產(chǎn)網(wǎng)域內(nèi)搭建線網(wǎng)級(jí)中心服務(wù)器，同時(shí)還需要搭建管理網(wǎng)域內(nèi)的線網(wǎng)級(jí)中心服務(wù)器，將生產(chǎn)網(wǎng)及管理網(wǎng)進(jìn)行強(qiáng)制隔離。在管理網(wǎng)域內(nèi)對(duì)維護(hù)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，不會(huì)影響生產(chǎn)網(wǎng)域內(nèi)的數(shù)據(jù)安全性及完整性。通過(guò)管理網(wǎng)域的搭建，在保證原有采集信息的安全性、完整性、一致性的情況下，又能達(dá)到信息共享、信息處理的靈活性和功能的可擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5 所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.5 Network architecture

2.2 數(shù)據(jù)支撐不足問(wèn)題解決方案

在傳統(tǒng)信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過(guò)不同感知技術(shù)、增加監(jiān)測(cè)采集模塊、集成各子系統(tǒng)平臺(tái)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)設(shè)備高精度、高密度的信息采集，完成關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)感知，構(gòu)成海量數(shù)據(jù)規(guī)模，為大數(shù)據(jù)智能分析提供更全面、更可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。例如，通過(guò)擴(kuò)展道岔表示電壓采集，可全面監(jiān)視道岔表示電路的健康狀態(tài)，并有助于區(qū)分室內(nèi)、外故障定位。通過(guò)增加道岔繼電器狀態(tài)監(jiān)測(cè)采集，實(shí)現(xiàn)道岔執(zhí)行電路時(shí)序邏輯監(jiān)視及異常診斷。通過(guò)集成聯(lián)鎖SDM 維護(hù)臺(tái)信息，實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖更多關(guān)鍵信息的直接接入，有助于聯(lián)鎖系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)的診斷及故障定位。通過(guò)集成ATS 維護(hù)臺(tái)信息，實(shí)現(xiàn)ATS 運(yùn)營(yíng)信息、ATS 業(yè)務(wù)信息的接入，并實(shí)現(xiàn)ATS 服務(wù)器、工作站計(jì)算機(jī)設(shè)備的完整狀態(tài)監(jiān)視。通過(guò)集成網(wǎng)管工作站的信息，實(shí)現(xiàn)DCS 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視集成，實(shí)時(shí)盯控網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)及性能異常，及時(shí)告警。通過(guò)實(shí)現(xiàn)車載日志自動(dòng)化下載功能，實(shí)現(xiàn)基于日志信息提升故障定位能力和運(yùn)營(yíng)規(guī)律挖掘能力。

2.3 信息采集與處理方案架構(gòu)

為解決城市軌道交通信號(hào)系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中面臨的上述數(shù)據(jù)問(wèn)題，本文研究了相應(yīng)的信息采集與處理方案。其架構(gòu)如圖6 所示。

如圖6 所示，信息采集與處理方案主要分為3層，包括數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層。

圖6 信息采集與處理方案架構(gòu)Fig.6 Architecture of information acquisition and processing scheme

數(shù)據(jù)采集層：數(shù)據(jù)采集主要分為車站級(jí)和線路級(jí)數(shù)據(jù)采集，采集方式和采集內(nèi)容在維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展和升級(jí)。數(shù)據(jù)采集層要保證數(shù)據(jù)的完整性、準(zhǔn)確性和實(shí)效性。數(shù)據(jù)采集時(shí)盡可能實(shí)時(shí)的采集足夠多且完整的信息，在采集過(guò)程中不能丟失數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)必須能夠正確反映設(shè)備真實(shí)狀態(tài)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。智能運(yùn)維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集量高且呈并發(fā)性，針對(duì)信號(hào)設(shè)備的不同子系統(tǒng)業(yè)務(wù)劃分為不同的集群，可提高信號(hào)系統(tǒng)各子系統(tǒng)維護(hù)信息的寫入的并發(fā)性能，提高系統(tǒng)吞吐量。

數(shù)據(jù)處理層：數(shù)據(jù)處理層主要設(shè)置中心應(yīng)用服務(wù)器、云應(yīng)用服務(wù)器集群、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器等。在線路層設(shè)置獨(dú)立中心應(yīng)用服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)本條線路采集信息的匯總、處理和存儲(chǔ)功能。在線網(wǎng)層基于虛擬化技術(shù)構(gòu)建云應(yīng)用服務(wù)器集群，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)線路采集信息的統(tǒng)一匯總、應(yīng)用服務(wù)和計(jì)算資源的統(tǒng)一分配和協(xié)調(diào)。在云應(yīng)用服務(wù)器集群資源中，可虛擬化相關(guān)通信前置服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、接口服務(wù)器、Web 服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器等多種應(yīng)用類型的服務(wù)器資源，滿足線網(wǎng)級(jí)應(yīng)用。線網(wǎng)層設(shè)置數(shù)據(jù)處理服務(wù)器，對(duì)全網(wǎng)格式各異、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的采集信息進(jìn)行規(guī)范化處理，方便對(duì)采集信息進(jìn)行數(shù)據(jù)管理及數(shù)據(jù)分析，滿足線網(wǎng)級(jí)關(guān)系型數(shù)據(jù)的持久化存儲(chǔ)。中心應(yīng)用服務(wù)器將本條線路的維護(hù)數(shù)據(jù)上傳至云應(yīng)用服務(wù)器集群，數(shù)據(jù)處理服務(wù)器將接收到的各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗處理后，應(yīng)用服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。通過(guò)將數(shù)據(jù)輸入到對(duì)應(yīng)的信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備故障模型庫(kù)中，判定設(shè)備是否故障，從而給出故障定位報(bào)警及維護(hù)建議。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層可分為業(yè)務(wù)存儲(chǔ)、消息存儲(chǔ)、離線存儲(chǔ)等。在線網(wǎng)層構(gòu)建基于大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)架構(gòu)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)及大數(shù)據(jù)分析，以支持系統(tǒng)大數(shù)據(jù)相關(guān)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)庫(kù)集群及大數(shù)據(jù)集群具備彈性可擴(kuò)展能力。

3 結(jié)束

本文研究了傳統(tǒng)信號(hào)維護(hù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的信息采集與處理方案，并根據(jù)傳統(tǒng)信息采集與處理方案展現(xiàn)的信息封閉和數(shù)據(jù)支撐不足問(wèn)題，提出了一系列的解決方法。此方法能夠打破線路之間的限制，掌握全網(wǎng)設(shè)備的工作狀態(tài)，為智能運(yùn)維系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)及智能分析技術(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)支持，從而實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)級(jí)的信號(hào)系統(tǒng)智能維護(hù)管理功能，提升線網(wǎng)整體維護(hù)效率。該解決方案已經(jīng)成功地在實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)用部署，具備實(shí)用價(jià)值。