轨道交通站台门智能运维系统设计

引言

轨道交通作为城市公共交通的一部分,具有容量大、效率高、环保经济、安全舒适等一系列优势,因而成为大中型城市居民出行最重要的方式之一。随着云技术、大数据、人工智能等先进技术的发展以及我国城市化道路建设的不断深入,中国在轨道交通运营里程、建设规模、技术装备等方面取得了举世瞩目的成就,走在了轨道交通行业发展的世界前沿。

2020年中国城市轨道交通协会发布了《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》,明确了创建智慧城轨八大体系,建立了一个城轨云与大数据平台,并制定了一整套中国智慧城轨技术标准体系,如图1所示:提出了"两步走"的中国特色智慧城轨发展路径,实现城轨行业的信息化、智能化、智慧化运营管理,使智能驾驶、智能技术装备、智能运维等关键核心技术进入世界前列,引领全球智慧城轨技术体系和产业链发展。

1站台门系统概述

站台门作为轨道交通车站机电设备的一部分,是保障乘客乘车安全的重要设备之一。同时,它对于地铁列车的安全、正点运行有着重要的作用。站台门系统主要由门体、门机系统、电源系统、控制系统等组成,涉及机械、电工电子、电气控制、计算机、信号、传感器技术等综合知识。在实际运行过程中,站台门系统一旦出现故障,将影响整个线路的运营,或引起夹人、人员伤亡事件,或导致列车延误,影响运营单位形象。为此,在轨道交通中专门成立了门梯车间或站台门工班,以保障站台门的安全运行。

地铁站台门控制系统工作时间长、使用频率高,其中电源、门控单元(DCU)、驱动电机、门锁装置、传感器等关键部件动作频率尤其高,特别是在上下班、节假日等高峰时间,站台门容易受到乘客挤压、倚靠等外部因素影响,导致站台门控制系统故障发生次数增加,给乘客出行带来不便,甚至可能引发重大安全责任事故,对地铁正常运营造成严重影响。因此,如何实现站台门系统的智能运维成为轨道交通运营单位研究的重点课题之一,而目前这方面的研究成果还比较少,基本处于探索研讨阶段。本文就站台门智能运维系统的平台架构、主要功能等方面进行了初步设计和规划,并将在后期的实践中逐步验证和实现。

2智能运维平台基本架构

轨道交通智能运维的核心内涵是应用云计算、大数据、人工智能等先进技术,对轨道交通相关的各种设备、设施、乘客、环境等数据信息进行全面检测、深度融合,利用智能算法建立一套完整的轨道交通运营管理模型,构建安全高效、绿色智能的现代化城市轨道交通体系,从而提升轨道交通装备智能化程度和运维效率,降低设备维护作业强度,减少运行管理成本,逐渐形成城轨装备智能化运维的标准体系。

站台门智能运维系统主要由智能维护监测服务器、智能运维监测工作站、现场设备、显示终端等组成。所有设备通过综合智能运维主干网连接,要求主干网与信号系统隔离,且具备入侵防御功能,可自动或手动检测系统存在的漏洞并处理。智能运维平台搭建主要包括数据采集、数据存储、应用开发等几个部分,如图2所示。

2.1数据采集平台

在站台门系统设备上安装各种传感器、视频监控等软硬件采集监控设备,对站台门系统供电电源、UPS、驱动电机、控制继电器、各种传感器、工作电压、工作电流、门状态指示灯等一系列信息进行检测,并将采集到的各种信息通过专用网络传输给数据共享平台。信息采集要考虑数据的多样性和增加采集数据对象的便捷性。

2.2数据存储平台

数据存储平台主要实现对关键数据的实时或定时存储,且满足平台内、平台间以及外部平台数据共享要求。为满足大数据的存储要求,需要考虑数据信息的多样性,例如结构化数据、半结构化数据、非结构化数据等:为满足数据量不断增加的要求,可增加磁盘阵列或者数据服务器:另外,为满足智能运维平台数据转换、数据治理、数据共享、数据清洗等潜在数据服务需求,需提供平台公共接口。

2.3应用开发平台

应用开发平台是采用神经网络、机器学习、蚁群算法、模式识别等先进算法和人工智能技术,利用数据库中的信息构建和训练算法模型,搭建满足用户需求的各种应用系统,使站台门智能运维系统更安全、精确和可靠,从而实现站台门系统运行的实时监测,并提供信息查询、信息管理、学习考核、运行状态显示、故障预警、移动监测等一系列功能。应用开发平台可通过大屏幕或计算机显示终端,实时显示站台门系统运行的整体情况,对关键设备和参数进行实时监测和状态更新,并进行智能预警,且能够根据运行情况和客户需求,方便快捷地进行应用修改和功能开发。

3智能运维平台功能设计

根据站台门智能运维系统的基本需求,可重点考虑系统设备基础信息管理、维护作业管理、系统学习与考核管理、系统故障实时监测与动态跟踪、重要部件的全生命周期跟踪监测、故障统计及预警、移动监测(手机App)等功能的应用开发。后期可根据平台内、平台间或平台外的需要,进行功能的完善和进一步开发。

3.1系统设备基础信息管理

站台门系统设备基础信息管理主要提供站台门设备信息的查询服务,并满足设备全生命周期的监测记录功能,主要管理站台门各系统设备的物资编号信息、规格型号、安装位置、维护安装手册等信息,方便工作人员快速了解设备构造,定位设备位置,掌握设备安装、使用及维护方法等。同时,为实现设备的全生命周期跟踪管理功能,可考虑增加关键设备或部件的原材料、生产厂家、出厂日期、安装日期、运行时间等信息。

在应用开发时,可考虑全模拟仿真系统设计方案,可提供站台门系统所有设备的实物仿真效果图,并能进行部件拆分和更新,当点击到某一设备或部件时,可实时显示该设备所有基础信息。

3.2维护作业管理

维护作业管理是将设备、物资、人员有机结合起来,对系统巡检、维修、保养的作业过程进行科学的管理,以提高系统设备维修保养的效率,提升设备维护保养的可追溯性。为了保证系统的安全性,在功能开发时,需要考虑不同人员权限设置,工作人员必须登录正确的工号和密码方可进入系统,从而完成设备维护作业的申报、审批,工作票的完善、归档等。

3.3系统学习与考核管理

系统学习与考核管理主要集成站台门系统相关的理论知识、专业技能知识、操作安全知识以及设备的维护保养知识、检修案例库、作业规程、规章制度等一系列资源,可包括在线课程、课件、PPT、视频、微课等不同类型。应用开发时可根据站台门系统的组成,分层分类整合资源,以方便现场工作人员或新员工在平台上查看、学习站台门相关的基础知识和技能,了解设备维护保养的方式方法,提高维护管理人员的技能水平。同时,应用开发还需具备资源库的更新功能,方便工作人员及时更新设备知识库和检修案例库,储备设备维护保养知识。

另外,还可根据该资源库设置一套考核系统,包含练习模式和考核模式,维护管理人员或新进员工可通过平台随时进行设备系统的知识和技能学习,也可开展技能竞赛或员工考核,从而降低新进员工的培养成本,缩短人才培养时间。

3.4系统故障实时监测与动态跟踪

该应用开发主要对站台门系统的运行状态和故障等进行实时监测和动态跟踪,主要监测站台门的开关门状态信息、指示灯信息、互锁解除、控制电源、驱动电源等数据,同时,以门体为主要背景,在滑动门门体顶部安装视觉监测装置,实时动画显示开关门状态。

当设备发生故障时,系统能够实时提示故障现象和大体位置。比如夹人夹物,可通过声光报警等进行提示,让值班人员在第一时间掌握设备故障情况:车站值班员可通过系统显示终端平台的模拟设备故障闪烁提示信号,告知现场维护人员快速定位故障设备。不同等级的报警用不同颜色或不同频率的声光信息进行提示,让工作人员能够快速定位需要重点关注的信息。同时,应用平台具备故障动态跟踪功能,可对每一次故障进行记录,包括故障现象、故障原因、解决方案及流程,建立设备故障处置大数据案例库,以方便事后学习和警示。

3.5重要部件的全生命周期跟踪监测

全生命周期跟踪监测的目的是通过对设备的基础信息管理、维护作业管理、运行状态监测等信息进行综合应用,形成设备的全生命周期管理图谱,通过先进的人工智能算法建立设备故障预警模型,预测该设备部件的故障和寿命,并为同类设备的维护保养提供参考,让设备维护保养有章可循。

针对站台门系统,可重点考虑电源、DCU、开关门继电器、门锁、门体、驱动电机、传动皮带、行程开关等设备部件。全生命周期需要考虑设备的原材料、生产日期、生产厂家、安装日期、运行次数、运行时长、工作电压、工作电流、机械寿命、电气寿命、剩余生命周期等信息,并采用神经网络、K-meanS聚类算法、PCA降维算法、蚁群算法等先进的人工智能算法,对该设备及系统的运行状态进行故障预警,从而提前预测故障的发生,降低系统的故障率,提高系统的安全性和可靠性。

3.6故障统计及预警

该应用开发主要有以下几方面目的:一是根据监测数据进行故障实时预警:二是事故回放处理,方便原因查找,追溯责任和警示后人:三是建立应急故障管理系统,当故障发生时应急管理人员可调阅应急预案,及时反馈紧急事件给调度管理中心,并发送给各应急单位或负责人,迅速处理紧急事件。

该应用软件需对设备的历史报警和全生命周期运行数据进行实时或间隔统计分析,以便工作人员提前关注容易发生故障的系统和设备,并能根据设备当前运行状态进行故障预警,从而清楚地了解经常发生或即将发生的系统故障,并进行重点预防和提前维护。

3.7移动监测(手机App)

由于轨道交通属于公共服务运输行业,保障其安全性是第一位的,很多岗位需要维护管理人员24h轮班值守。而站台门系统在列车运行期间,是乘客接触和使用最多的车站设备之一,一旦发生故障,需要工作人员第一时间进行维护处理。但是,地铁线路一般较长,且站点多,维护检修人员往往不能及时收到设备故障信息,从而导致抢修延误,甚至可能造成更大的安全责任事故。

因此,有必要开发一款手机App接入地铁站台门运行系统,工班长或当天值班的维护人员可通过工号登录系统,随时查看各站点的站台门运行状态以及设备故障和预警信息。系统一旦发生故障或报警,可通过App及时通知到当天的值班管理人员和站台门维护检修人员,从而实现系统的移动监测功能。在应用开发时,需要重点考虑系统的安全性,防止不法分子攻击和利用系统数据,造成负面社会影响。

4结语

智能运维系统的引入能够提高轨道交通运行效率和安全性,并有效降低运营成本。本文提出了站台门智能运维系统的基本架构,并对系统的主要功能设计进行了分析,后期将重点研究智能运维系统的实践运行。目前,智能运维的实践还处于摸索阶段,还有很多基础核心问题需要解决,比如故障预测模型和核心算法、系统的安全性,这些都关系到整个智能运维系统核心功能的准确性和可靠性,制约着当前技术的发展。无论如何,笔者相信,随着中国轨道交通的飞速发展和中国科技力量的不断提升,轨道交通智能运维系统必将在不远的将来得以实现。