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淺析城市軌道交通區域控制中心系統預見(jiàn)性維護論文

時(shí)間:2024-09-14 04:20:54 交通物流畢業(yè)論文 我要投稿
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淺析城市軌道交通區域控制中心系統預見(jiàn)性維護論文

  基于通信的列車(chē)控制系統 (CBTC) 是當前城市軌道交通領(lǐng)域的主流信號系統,其功能不依賴(lài)于列車(chē)占用檢測設備,集列車(chē)主動(dòng)定位技術(shù)、連續車(chē)—地雙向數據通信技術(shù)于一體,通過(guò)可執行安全功能的車(chē)載和地面處理器構建的連續式列車(chē)自動(dòng)控制系統。CBTC 系統包括列車(chē)自動(dòng)監督 (ATS)、列車(chē)自動(dòng)防護 (ATP)、列車(chē)自動(dòng)駕駛 (ATO)、計算機聯(lián)鎖 (CBI)、數據通信 (DCS)、維護監測子系統等子系統 ,其中 ATP 又包含車(chē)載控制單元 (OBCU) 和地面區域控制中心系統 (ZC)。ZC 系統是按照故障導向安全原則,以計算機為主要技術(shù)手段實(shí)現的列車(chē)控制系統,作為 CBTC 系統的地面核心設備,具有列車(chē)管理、授權 (MA) 計算及 ZC 切換等功能 ,在保證列車(chē)行車(chē)安全、提高運輸效率、改善勞動(dòng)條件、為管理現代化創(chuàng )造條件等方面起著(zhù)非常重要的作用。在系統維護階段,ZC 系統通常采用改正性維護方法作為系統維護的主要方式。改正性維護是一種事后維護的方式,即在系統使用過(guò)程中,影響運營(yíng)效率或運營(yíng)安全的情形發(fā)生后,采用故障報警查詢(xún),事件回放的方式來(lái)查詢(xún)和分析故障。ZC 系統的核心功能是通過(guò)向車(chē)載系統發(fā)送移動(dòng)授權實(shí)現列車(chē)安全間隔功能,其功能的完成依賴(lài)于車(chē)載提供的高精度列車(chē)定位信息,聯(lián)鎖系統提供的軌旁設備信息,相鄰 ZC 系統提供的 ZC 邊界信息及 ATS 系統提供的線(xiàn)路臨時(shí)限速信息。作為一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統,ZC 系統的運行控制周期非常短,輸入輸出均需滿(mǎn)足一定的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí),由于城市軌道交通行車(chē)密度大、追蹤間隔短,一輛列車(chē)的晚點(diǎn)往往會(huì )影響后續列車(chē)的正常運行,甚至會(huì )導致整個(gè)城市軌道交通系統的秩序紊亂。因此,ZC 系統維護工作需要滿(mǎn)足相關(guān)子系統多、維護信息密集且維護數據量大的要求。城市軌道交通的信號設備從新線(xiàn)建設到開(kāi)通時(shí)間通常較短,維護人員難以在較短時(shí)間內掌握設備的全過(guò)程特性,因而需要提供一種有效的技術(shù)手段,改善 ZC 系統現有的維護方法,及時(shí)發(fā)現系統的設計隱患,檢測系統的外部輸入是否符合系統設計要求,在系統發(fā)生故障前即可對維護人員進(jìn)行提示,以達到節約企業(yè)維護成本,降低維護人員勞動(dòng)強度,提升整個(gè)系統安全性和運營(yíng)效率的目的。

淺析城市軌道交通區域控制中心系統預見(jiàn)性維護論文

  1 ZC 系統的改正性維護

  1·1 主要功能

  ZC 系統的改正性維護是通過(guò)獨立設置于集中站的維護終端子系統實(shí)現的,主要包括數據記錄、實(shí)時(shí)監視、數據查詢(xún)和系統報警等功能。

 。1)數據記錄功能。ZC 系統接收和發(fā)送的信息種類(lèi)多,數據量大且相當密集,同時(shí)對信息的實(shí)時(shí)性要求很高,ZC 系統與維護終端系統采用 UDP的方式相連,通信周期需小于 250 ms。數據記錄功能負責分類(lèi)記錄系統的工作狀態(tài)信息及與其他系統的通信信息,包括聯(lián)鎖的軌旁設備信息和強制信息、列車(chē)的定位信息和授權信息、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),維護終端系統按照時(shí)間的先后順序,將收到的通信信息記錄于數據庫中。維護終端系統需要將所有的維護信息至少保存1個(gè)月。(2)實(shí)時(shí)監視功能。信息顯示功能是維護終端系統與維護人員的主要接口,維護終端系統需要實(shí)時(shí)顯示站場(chǎng)圖形信息、系統的工作狀態(tài)信息、列車(chē)的位置、速度和移動(dòng)授權信息、計軸區段/邏輯區段的占用和鎖閉狀態(tài)、信號機的開(kāi)放/關(guān)閉信息、道岔的定位/反位及鎖閉信息、屏蔽門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)、緊急停車(chē)按鈕和無(wú)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 系統與其他子系統的通信狀態(tài)等。由于需要顯示的信息種類(lèi)多,數據量大,需采用定時(shí)刷新的方式來(lái)進(jìn)行界面的更新。(3)數據查詢(xún)功能。維護終端系統可根據組合條件進(jìn)行數據查詢(xún),也可以依據數據記錄功能存儲的歷史數據,以動(dòng)態(tài)顯示的方式,再現指定時(shí)間段內站場(chǎng)的列車(chē)運行信息,設備變化信息及各種通信信息。通過(guò)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)系統報警功能。維護終端系統對 ZC 系統的報警信息、ZC 系統的工作狀態(tài)信息、ZC 系統與外部系統之間的通信狀態(tài)、系統功能執行情況等提供基本的報警功能。例如,當 ZC 系統與其他系統通信中斷或系統功能執行失敗而導向安全側時(shí),在主顯示界面彈出窗口進(jìn)行報警,提示維護人員進(jìn)行查看。

  1·2 存在問(wèn)題

  ZC 系統的改正性維護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(wèn)題,但仍然存在以下缺點(diǎn):①維護終端系統只設置于集中站,通過(guò)集中監測系統提供有限的遠程監測信息,故障發(fā)現依賴(lài)于維護人員的定期巡檢,增加了維護人員的勞動(dòng)強度;②系統報警被動(dòng)地依賴(lài)于ZC系統的故障報警設計,缺少主動(dòng)分析;③ZC 系統只能監測系統當前的狀態(tài),無(wú)法對系統參數進(jìn)行長(cháng)期監測、對故障進(jìn)行預測、在故障發(fā)生前提前進(jìn)行維護。

  2 ZC 系統預見(jiàn)性維護實(shí)現

  預見(jiàn)性維護是一種提前維護的方式,在系統中潛在的錯誤成為實(shí)際錯誤前對其進(jìn)行檢測和更正的維護方式,ISO/TS16949:2009 對它的定義是:“基于過(guò)程數據,通過(guò)對可能的失效模式進(jìn)行預測而避免維護問(wèn)題的活動(dòng)”。預見(jiàn)性維護的基本模式是:不定期或連續對表征設備實(shí)際運行狀態(tài)的參數進(jìn)行監測;根據監測結果進(jìn)行技術(shù)診斷,做出是否發(fā)生故障及故障類(lèi)型、故障程度的評價(jià);推測設備故障趨勢,識別最佳維護時(shí)機。與傳統的改正性維護相比,預見(jiàn)性維護具有發(fā)現故障早、安全影響小、運營(yíng)影響小的優(yōu)勢。ZC 系統的維護在傳統改正性維護方法的基礎上,增加維護系統的聯(lián)網(wǎng)功能和故障分析預測功能,以提供 ZC 系統的預見(jiàn)性維護能力,從而提高整個(gè)系統的運營(yíng)效率。ZC 系統的預見(jiàn)性維護系統可以通過(guò)增加維護終端系統的聯(lián)網(wǎng)功能,維護系統可以支持集中控區和中心服務(wù)器的大容量數據傳輸;通過(guò)在中心增加維護服務(wù)器,維護系統可以提供故障分析預測功能。故障分析預測功能是 ZC 系統預見(jiàn)性維護的核心內容,通過(guò)預先定義的分析規則,對一定時(shí)間范圍內的單個(gè)集中站或全線(xiàn)的維護數據進(jìn)行分析,對系統可能存在的設計隱患和缺陷進(jìn)行警示,對系統輸入的異常情況進(jìn)行標記,為提前進(jìn)行維護提供依據,ZC 系統的預見(jiàn)性維護系統結構分為中心維護服務(wù)器和車(chē)站層維護終端 2 個(gè)層次。其中,中心維護服務(wù)器是預見(jiàn)性維護的核心,負責實(shí)現故障分析預測功能,對單個(gè)集中站或整條線(xiàn)路的信息進(jìn)行綜合分析工作。車(chē)站層維護終端是預見(jiàn)性維護的基礎,負責接收各種數據信息并將其轉化為可視的圖形界面及可分析的數據,實(shí)現數據通信、數據記錄、信息顯示、系統報警及歷史記錄回放功能。

  2·1 中心維護服務(wù)器的實(shí)現

  中心維護服務(wù)器采用商用高性能服務(wù)器,可對維護信息進(jìn)行綜合分析,如通信延時(shí)的分析、單列車(chē)授權的分析、報警信息綜合分析等。中心維護服務(wù)器是整個(gè)預見(jiàn)性維護系統的核心部分,軟件使用通用腳本語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),根據維護系統需要完成的功能,將中心維護服務(wù)器軟件劃分為 4 個(gè)模塊,分別為數據讀取模塊、規則匹配模塊、綜合分析模塊及信息輸出模塊。(1)數據讀取模塊。維護服務(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終端記錄的維護信息,并建立索引信息,提供給綜合分析模塊使用。(2)規則匹配模塊。根據系統開(kāi)發(fā)過(guò)程和測試過(guò)程中的經(jīng)驗及專(zhuān)家意見(jiàn),將其歸納為故障分析規則,采用配置文件的方式,作為分析系統輸入。規則匹配模塊通過(guò)讀取該配置文件,生成分析規則,提供給綜合分析模塊使用。綜合分析模塊。該模塊是中心維護服務(wù)軟件的核心模塊,按照時(shí)間的順序,對指定記錄進(jìn)行分析。根據分析目的的不同,可以單獨分析指定聯(lián)鎖的信息、指定列車(chē)的位置或授權信息、指定ZC控制范圍內所有列車(chē)的信息、指定時(shí)間段內的報警信息等,這些功能均通過(guò)修改配置文件來(lái)實(shí)現。(4)信息輸出模塊。中心維護服務(wù)器軟件采用標準化的輸出格式,以文本的形式輸出系統分析結果,維護人員可以將分析結果導入 Excel 來(lái)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(chē)站層維護終端的實(shí)現

  車(chē)站層維護終端采用通用的工業(yè)控制計算機組成,通過(guò)高性能數據庫來(lái)記錄維護信息,車(chē)站層維護終端與中心維護服務(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信息。車(chē)站層維護終端作為 ZC 系統的基本維護單元,通過(guò)獲取ZC 系統與其他系統的交互數據和 ZC 系統的工作狀態(tài),實(shí)現 ZC 系統的維護信息記錄功能,同時(shí)提供可視化的界面,為 ZC 系統的維護及故障分析提供條件 。車(chē)站層維護終端使用成熟的系統語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā),采用模塊化的設計方法,將系統功能進(jìn)行高內聚低耦合的劃分,降低了各模塊之間的依賴(lài)性,有利于維護終端系統的維護和后續開(kāi)發(fā)。車(chē)站層維護終端劃分為 5 個(gè)模塊,分別為通信處理模塊、數據記錄模塊、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。負責與 ZC 系統和中心維護服務(wù)器進(jìn)行通信。②數據記錄模塊。采用高性能的數據庫,記錄集中站 ZC 系統相關(guān)的所有維護信息。③信息顯示模塊。實(shí)時(shí)顯示集中站 ZC 系統范圍內所有的設備狀態(tài)信息及列車(chē)運行信息。④故障報警模塊。在單個(gè)集中站 ZC 系統發(fā)生故障時(shí),采用主界面彈出對話(huà)框的方式對維護人員進(jìn)行提示。⑤歷史記錄回放模塊;胤胖付〞r(shí)間段內 ZC 系統的工作狀態(tài),用于故障的回溯分析。

  3 ZC 系統預見(jiàn)性維護的應用

  3·1 預見(jiàn)性維護的基本流程

  ZC 系統周期性地將輸入信息、輸出信息和工作狀態(tài)發(fā)送給車(chē)站維護終端。中心服務(wù)器按照系統維護的要求周期性地收集車(chē)站維護終端的記錄信息并對其進(jìn)行分析。預見(jiàn)性維護基本流程如圖 2所示。維護記錄分析的依據是系統設計時(shí)設定的各項指標,按照時(shí)間順序逐項分析記錄中的種類(lèi)信息,最終給出潛在的風(fēng)險點(diǎn)并向維護人員進(jìn)行提示。潛在風(fēng)險點(diǎn)有時(shí)間、車(chē)站、設備類(lèi)型、風(fēng)險編碼、風(fēng)險級別及風(fēng)險原因等基本屬性,以便于維護人員對其進(jìn)行追蹤。對標記的潛在風(fēng)險點(diǎn),維護人員使用車(chē)載維護終端提供的歷史記錄回放功能,對潛在風(fēng)險點(diǎn)前后的場(chǎng)景進(jìn)行分析,確認所標記的潛在風(fēng)險點(diǎn)的性質(zhì),偶發(fā)性和系統設計性的潛在風(fēng)險需要進(jìn)一步確認。在確定了潛在風(fēng)險點(diǎn)的性質(zhì)后,再使用車(chē)站維護終端的信息顯示功能,查看潛在風(fēng)險點(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 系統與其他子系統通信報文的詳細信息、系統內部的核心變量信息、系統各硬件板卡的工作狀態(tài)及其他附加報警信息,結合這些信息,維護人員可以對潛在風(fēng)險進(jìn)行最終定位。在最終定位風(fēng)險源后,即可對系統提出維護/修改申請,按照系統變更的標準流程來(lái)對系統進(jìn)行維護。

  3·2 預見(jiàn)性維護的實(shí)例分析

  由于 ZC 系統對其他系統提供的信息延時(shí)非常敏感,各種外部輸入的延時(shí)分析不僅是系統設計需要重點(diǎn)考慮的內容,也是在系統維護過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的內容。ZC 系統在設計時(shí),對每種通信報文的延時(shí)都設計了一個(gè)安全極限值。在系統正常運行的情況下,各種通信報文的延時(shí)都有一個(gè)正常的范圍,一旦某種通信報文的延時(shí)連續超出了這個(gè)正常范圍,說(shuō)明與相關(guān)系統的通信處于一個(gè)“亞健康”狀態(tài),隨時(shí)有可能超過(guò)安全限值而影響運營(yíng),這種情況被視為一個(gè)潛在的風(fēng)險。對通信延時(shí)的分析,主要通過(guò) 2 個(gè)維度來(lái)進(jìn)行,一個(gè)是指定時(shí)間段內通信延時(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)間的區間分布,延時(shí)區間分布如圖 4 所示,可以清晰看出某個(gè)時(shí)間段內是否有通信延時(shí)異常及發(fā)生了多少次延時(shí)異常,為系統的通信維護提供依據。

  4 結束語(yǔ)

  ZC 系統的預見(jiàn)性維護系統不僅可以通過(guò)可視化的人機界面實(shí)時(shí)顯示 ZC 系統狀態(tài)及外部系統發(fā)送的行車(chē)相關(guān)數據,并對運行過(guò)程中的歷史數據進(jìn)行記錄、查詢(xún)和回放,實(shí)時(shí)了解現場(chǎng)狀態(tài)和存在的問(wèn)題,而且可以使用分析規則對記錄的通信信息和系統狀態(tài)信息進(jìn)行綜合分析,在一定程度上發(fā)現系統應用中的薄弱點(diǎn)和潛在的風(fēng)險點(diǎn),從而為區域控制中心系統的提前維護提供依據。此外,由于 ZC系統的預見(jiàn)性維護系統記錄的數據種類(lèi)繁多,各種數據之間的邏輯關(guān)系復雜,應對數據進(jìn)行深入挖掘,提出更多的分析規則,為研究安全可靠的城市軌道交通列車(chē)控制系統提供重要支撐手段,也為城市軌道交通的安全運營(yíng)提供更多的信息管理系統保障。

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