浅析城市轨道交通区域控制中心系统预见性维护

　　基于通信的列车控制系统 (CBTC) 是当前城市轨道交通领域的主流信号系统，其功能不依赖于列车占用检测设备，集列车主动定位技术、连续车-地双向数据通信技术于一体，通过可执行安全功能的车载和地面处理器构建的连续式列车自动控制系统。CBTC 系统包括列车自动监督 (ATS)、列车自动防护 (ATP)、列车自动驾驶 (ATO)、计算机联锁 (CBI)、数据通信 (DCS)、维护监测子系统等子系统 ，其中 ATP 又包含车载控制单元 (OBCU) 和地面区域控制中心系统 (ZC)。ZC 系统是按照故障导向安全原则，以计算机为主要技术手段实现的列车控制系统，作为 CBTC 系统的地面核心设备，具有列车管理、授权 (MA) 计算及 ZC 切换等功能 ，在保证列车行车安全、提高运输效率、改善劳动条件、为管理现代化创造条件等方面起着非常重要的作用。在系统维护阶段，ZC 系统通常采用改正性维护方法作为系统维护的主要方式。改正性维护是一种事后维护的方式，即在系统使用过程中，影响运营效率或运营安全的情形发生后，采用故障报警查询，事件回放的方式来查询和分析故障。ZC 系统的核心功能是通过向车载系统发送移动授权实现列车安全间隔功能，其功能的完成依赖于车载提供的高精度列车定位信息，联锁系统提供的轨旁设备信息，相邻 ZC 系统提供的 ZC 边界信息及 ATS 系统提供的线路临时限速信息。作为一个实时控制系统，ZC 系统的运行控制周期非常短，输入输出均需满足一定的实时性要求。同时，由于城市轨道交通行车密度大、追踪间隔短，一辆列车的晚点往往会影响后续列车的正常运行，甚至会导致整个城市轨道交通系统的秩序紊乱。因此，ZC 系统维护工作需要满足相关子系统多、维护信息密集且维护数据量大的要求。城市轨道交通的信号设备从新线建设到开通时间通常较短，维护人员难以在较短时间内掌握设备的全过程特性，因而需要提供一种有效的技术手段，改善 ZC 系统现有的维护方法，及时发现系统的设计隐患，检测系统的外部输入是否符合系统设计要求，在系统发生故障前即可对维护人员进行提示，以达到节约企业维护成本，降低维护人员劳动强度，提升整个系统安全性和运营效率的目的。
　　1 ZC 系统的改正性维护
　　1.1 主要功能
　　ZC 系统的改正性维护是通过独立设置于集中站的维护终端子系统实现的，主要包括数据记录、实时监视、数据查询和系统报警等功能。
　　(1)数据记录功能。ZC 系统接收和发送的信息种类多，数据量大且相当密集，同时对信息的实时性要求很高，ZC 系统与维护终端系统采用 UDP的方式相连，通信周期需小于 250 ms。数据记录功能负责分类记录系统的工作状态信息及与其他系统的通信信息，包括联锁的轨旁设备信息和强制信息、列车的定位信息和授权信息、ATS 的临时限速命令和限速状态信息、相邻 ZC 的边界信息等。在记录相关信息时，维护终端系统按照时间的先后顺序，将收到的通信信息记录于数据库中。维护终端系统需要将所有的维护信息至少保存1个月。(2)实时监视功能。信息显示功能是维护终端系统与维护人员的主要接口，维护终端系统需要实时显示站场图形信息、系统的工作状态信息、列车的位置、速度和移动授权信息、计轴区段/逻辑区段的占用和锁闭状态、信号机的开放/关闭信息、道岔的定位/反位及锁闭信息、屏蔽门的开关状态、紧急停车按钮和无人折返按钮的状态信息、临时限速的范围和限值信息、ZC 系统与其他子系统的通信状态等。由于需要显示的信息种类多，数据量大，需采用定时刷新的方式来进行界面的更新。(3)数据查询功能。维护终端系统可根据组合条件进行数据查询，也可以依据数据记录功能存储的历史数据，以动态显示的方式，再现指定时间段内站场的列车运行信息，设备变化信息及各种通信信息。通过提供正常播放、快进、快退、单帧播放等功能，可以大大提高故障分析的效率。(4)系统报警功能。维护终端系统对 ZC 系统的报警信息、ZC 系统的工作状态信息、ZC 系统与外部系统之间的通信状态、系统功能执行情况等提供基本的报警功能。例如，当 ZC 系统与其他系统通信中断或系统功能执行失败而导向安全侧时，在主显示界面弹出窗口进行报警，提示维护人员进行查看。
　　1.2 存在问题
　　ZC 系统的改正性维护很好地解决了故障发生后的可视化回放、故障原因分析及故障定位等问题，但仍然存在以下缺点：①维护终端系统只设置于集中站，通过集中监测系统提供有限的远程监测信息，故障发现依赖于维护人员的定期巡检，增加了维护人员的劳动强度;②系统报警被动地依赖于ZC系统的故障报警设计，缺少主动分析;③ZC 系统只能监测系统当前的状态，无法对系统参数进行长期监测、对故障进行预测、在故障发生前提前进行维护。
　　2 ZC 系统预见性维护实现
　　预见性维护是一种提前维护的方式，在系统中潜在的错误成为实际错误前对其进行检测和更正的维护方式，ISO/TS16949：2009 对它的定义是：基于过程数据，通过对可能的失效模式进行预测而避免维护问题的活动。预见性维护的基本模式是：不定期或连续对表征设备实际运行状态的参数进行监测;根据监测结果进行技术诊断，做出是否发生故障及故障类型、故障程度的评价;推测设备故障趋势，识别最佳维护时机。与传统的改正性维护相比，预见性维护具有发现故障早、安全影响小、运营影响小的优势。ZC 系统的维护在传统改正性维护方法的基础上，增加维护系统的联网功能和故障分析预测功能，以提供 ZC 系统的预见性维护能力，从而提高整个系统的运营效率。ZC 系统的预见性维护系统可以通过增加维护终端系统的联网功能，维护系统可以支持集中控区和中心服务器的大容量数据传输;通过在中心增加维护服务器，维护系统可以提供故障分析预测功能。故障分析预测功能是 ZC 系统预见性维护的核心内容，通过预先定义的分析规则，对一定时间范围内的单个集中站或全线的维护数据进行分析，对系统可能存在的设计隐患和缺陷进行警示，对系统输入的异常情况进行标记，为提前进行维护提供依据，ZC 系统的预见性维护系统结构分为中心维护服务器和车站层维护终端 2 个层次。其中，中心维护服务器是预见性维护的核心，负责实现故障分析预测功能，对单个集中站或整条线路的信息进行综合分析工作。车站层维护终端是预见性维护的基础，负责接收各种数据信息并将其转化为可视的图形界面及可分析的数据，实现数据通信、数据记录、信息显示、系统报警及历史记录回放功能。
　　2.1 中心维护服务器的实现
　　中心维护服务器采用商用高性能服务器，可对维护信息进行综合分析，如通信延时的分析、单列车授权的分析、报警信息综合分析等。中心维护服务器是整个预见性维护系统的核心部分，软件使用通用脚本语言进行开发，根据维护系统需要完成的功能，将中心维护服务器软件划分为 4 个模块，分别为数据读取模块、规则匹配模块、综合分析模块及信息输出模块。(1)数据读取模块。维护服务器软件的输入处理模块，按照时间顺序分别读取各站维护终端记录的维护信息，并建立索引信息，提供给综合分析模块使用。(2)规则匹配模块。根据系统开发过程和测试过程中的经验及专家意见，将其归纳为故障分析规则，采用配置文件的方式，作为分析系统输入。规则匹配模块通过读取该配置文件，生成分析规则，提供给综合分析模块使用。综合分析模块。该模块是中心维护服务软件的核心模块，按照时间的顺序，对指定记录进行分析。根据分析目的的不同，可以单独分析指定联锁的信息、指定列车的位置或授权信息、指定ZC控制范围内所有列车的信息、指定时间段内的报警信息等，这些功能均通过修改配置文件来实现。(4)信息输出模块。中心维护服务器软件采用标准化的输出格式，以文本的形式输出系统分析结果，维护人员可以将分析结果导入 Excel 来进行进一步的筛选和图形化的显示，以提升故障分析的效率。
　　2.2 车站层维护终端的实现
　　车站层维护终端采用通用的工业控制计算机组成，通过高性能数据库来记录维护信息，车站层维护终端与中心维护服务器之间采用百兆以太网进行联接，可以快速传输大容量的维护信息。车站层维护终端作为 ZC 系统的基本维护单元，通过获取ZC 系统与其他系统的交互数据和 ZC 系统的工作状态，实现 ZC 系统的维护信息记录功能，同时提供可视化的界面，为 ZC 系统的维护及故障分析提供条件 。车站层维护终端使用成熟的系统语言进行开发，采用模块化的设计方法，将系统功能进行高内聚低耦合的划分，降低了各模块之间的依赖性，有利于维护终端系统的维护和后续开发。车站层维护终端划分为 5 个模块，分别为通信处理模块、数据记录模块、信息显示模块、故障报警模块和历史记录回放模块。①通信处理模块。负责与 ZC 系统和中心维护服务器进行通信。②数据记录模块。采用高性能的数据库，记录集中站 ZC 系统相关的所有维护信息。③信息显示模块。实时显示集中站 ZC 系统范围内所有的设备状态信息及列车运行信息。④故障报警模块。在单个集中站 ZC 系统发生故障时，采用主界面弹出对话框的方式对维护人员进行提示。⑤历史记录回放模块。回放指定时间段内 ZC 系统的工作状态，用于故障的回溯分析。
　　3 ZC 系统预见性维护的应用
　　3.1 预见性维护的基本流程
　　ZC 系统周期性地将输入信息、输出信息和工作状态发送给车站维护终端。中心服务器按照系统维护的要求周期性地收集车站维护终端的记录信息并对其进行分析。预见性维护基本流程如图 2所示。维护记录分析的依据是系统设计时设定的各项指标，按照时间顺序逐项分析记录中的种类信息，最终给出潜在的风险点并向维护人员进行提示。潜在风险点有时间、车站、设备类型、风险编码、风险级别及风险原因等基本属性，以便于维护人员对其进行追踪。对标记的潜在风险点，维护人员使用车载维护终端提供的历史记录回放功能，对潜在风险点前后的场景进行分析，确认所标记的潜在风险点的性质，偶发性和系统设计性的潜在风险需要进一步确认。在确定了潜在风险点的性质后，再使用车站维护终端的信息显示功能，查看潜在风险点产生的原因。信息显示功能在历史记录回放时可以查看事件发生时 ZC 系统与其他子系统通信报文的详细信息、系统内部的核心变量信息、系统各硬件板卡的工作状态及其他附加报警信息，结合这些信息，维护人员可以对潜在风险进行最终定位。在最终定位风险源后，即可对系统提出维护/修改申请，按照系统变更的标准流程来对系统进行维护。
　　3.2 预见性维护的实例分析
　　由于 ZC 系统对其他系统提供的信息延时非常敏感，各种外部输入的延时分析不仅是系统设计需要重点考虑的内容，也是在系统维护过程中需要重点关注的内容。ZC 系统在设计时，对每种通信报文的延时都设计了一个安全极限值。在系统正常运行的情况下，各种通信报文的延时都有一个正常的范围，一旦某种通信报文的延时连续超出了这个正常范围，说明与相关系统的通信处于一个亚健康状态，随时有可能超过安全限值而影响运营，这种情况被视为一个潜在的风险。对通信延时的分析，主要通过 2 个维度来进行，一个是指定时间段内通信延时的时间分布，延时时间分布如图 3 所示，如果通信发生异常，可以清晰看出通信异常的发生时间;另一个是通信延时时间的区间分布，延时区间分布如图 4 所示，可以清晰看出某个时间段内是否有通信延时异常及发生了多少次延时异常，为系统的通信维护提供依据。
　　4 结束语
　　ZC 系统的预见性维护系统不仅可以通过可视化的人机界面实时显示 ZC 系统状态及外部系统发送的行车相关数据，并对运行过程中的历史数据进行记录、查询和回放，实时了解现场状态和存在的问题，而且可以使用分析规则对记录的通信信息和系统状态信息进行综合分析，在一定程度上发现系统应用中的薄弱点和潜在的风险点，从而为区域控制中心系统的提前维护提供依据。此外，由于 ZC系统的预见性维护系统记录的数据种类繁多，各种数据之间的逻辑关系复杂，应对数据进行深入挖掘，提出更多的分析规则，为研究安全可靠的城市轨道交通列车控制系统提供重要支撑手段，也为城市轨道交通的安全运营提供更多的信息管理系统保障。