城市轨道交通环境与设备监控系统维护探讨

城市轨道交通环境与设备监控系统维护探讨

杨赞

深圳达实智能股份有限公司518057

摘要：随着经济的发展，地铁逐渐融入我们的日常生活并成为我们生活中不可分割的一部分，越来越多的城市也将修建城市轨道交通系统。众所周知，目前地铁运营成本居高不下，在轨道交通的电力能源消耗中，照明、通风空调系统、和列车动力各占三分之一。本文结合深圳地铁龙岗线设备监控系统，研究分析新型的城轨交通设备监控系统的组织结构及运行特点，对设备功能和节能的实现进行了进一步的探索和思考，并能在火灾等灾害或阻塞状态下，更好地协调车站设备的运行，充分发挥各种设备应有的作用，保证乘客的安全和设备的正常运行。

关键词：轨道交通；智能维护；模糊专家系统；健康评估

随着大型城市地铁线路的持续建设和联网运营，轨道交通系统将由“线路型”进入“网络化”发展的新阶段，线路之间的联动变得更加重要和紧密。环控系统的定位也将由“线路型”向“网络型”转变，监控对象增多、监控范围变广、监控难度加大。轨道交通形成网络化结构之后，若其中一个枢纽车站出现突发事件（如某隧道风机发生火灾），网络中其他节点（车站）必受影响，甚至影响列车的安全运行，故对环控系统中关键设备进行隐患（故障）的提前排除具有重要意义。本文提出了一种基于轨道交通的智能维护平台，通过建立一个对环控系统（未来可以是整个轨道交通系统）提供智能维护的平台，使轨道交通环控系统各关键设备始终处于近乎“零”故障的状态。

1发展趋势

1.1集成度越来越高

目前有些子系统仍然有其独立的系统，例如：环境与设备监控系统在车站通常有其专用的车站级集中监控系统；门禁、闭路电视和公务电话等在控制中心通常各自有其专用的集中控制系统。如果这些功能融入综合监控系统，则不仅能降低城市轨道交通建设成本，而且能简化调试工作。所有的子系统都可看作是前端采集和执行机构，而所有的收集信息、判断、决策都归于综合监控系统。

1.2实时控制功能越来越强

例如供电系统发生故障，保护动作后，需要把故障区域内的所有开关都跳开，以实现区域联跳功能。传统上采用拉硬线的方式，这不仅仅存在硬线拉得很长，工作繁重，降低了可靠性等问题，而且做单个开关试验时，由于有硬线的逻辑闭锁的影响，使得试验有时不能成功。如果区域联跳功能由综合监控系统来实施，则不要增加任何硬件投资，简单易行。因此，实时控制功能是综合监控系统生命力的重要体现。当然，这对综合监控系统、骨干网、测控单元等的可靠性和实时性提出了更高的要求。为了防止综合监控系统由于网络中断等原因导致不能实现联跳等实时控制功能，需要设置远后备保护功能，作为最后防线，以切除故障。

1.3智能分析和故障自诊断功能进一步增强

维修体制的变革经历了故障维修、预防性维修和预知性维修3个阶段。最初是故障维修，又称为事后维修，设备什么时候坏了，什么时候修，缺点是：维修盲目，无计划，设备损坏程度大，易造成设备的二次损坏，需要数量很大的零部件库存，维修费用高。预防性维修体制，也称计划维修，它是根据生产计划和经验，规定在设备运行一段时间后停下，进行解体、检查、修理、更换零部件。缺点是：无论设备有无毛病都要解体，是一种过剩维修，浪费人工、物料；机器过多拆卸，既容易降低原有精度又容易发生人为故障。因此，预防性维修带有很大的盲目性，既不经济又不合理。预知性维修是以状态监测与故障诊断技术为基础，以设备实际状况为依据，根据生产需要制定出的维修体制。预知性维修要求不断地测知表征设备实际状态的参数；对测得参数进行分析、判断，做出是否发生故障以及故障类型、故障程度的评价；推测机器状态的发展趋势，估算出最佳的维修时机。预知性维修是设备管理的大势所趋，是设备管理响应科学发展观的具体体现，它具有如下优势：（1）安全生产。对设备健康状况实行终生监测，发现隐患，及时消除，减少工伤事故，为设备安全运行提供科学依据；（2）节能、降耗。降低能耗，减少备品备件消耗，延长设备寿命；（3）质量控制。新设备进厂检验，维修保养质量验收；（4）科学检修。明确设备故障的部位和原因，指导在何时检修哪个设备，要准备什么备件，检修力量有重点投放领域，可提高设备使用效率，有利于设备挖潜，减少非计划性故障停运，减少连锁损坏，降低维修维护费用，减少备件库存，有利于合理安排库存，改善现场环境。

由于综合监控系统集成了各种子系统，收集了各个子系统的数据，为实现设备的预知性维修，乃至系统的智能分析和故障自诊断提供了可能性。收集的数据和分析的结果甚至可以通过网络，由远程的专家进行进一步的分析和指导，既提高了专业性，又降低了诊断和维护费用。例如：综合监控系统对断路器在额定短路电流下的开断次数和在额定电流下的开断次数分别进行自动统计，当开断次数接近断路器的额定参数时，自动提醒维护人员对断路器进行检修，从而减少了设备的检修次数，而且可在开关可能出现问题前进行检修，把故障消除在萌芽中。这样把以往对设备的定时维修，定期报废，改为状态维修，降低了设备故障引起的二次事故，减少了检修次数，从而提高系统的可靠性和安全性，提高系统可使用性，降低了运营成本。再比如，把风机振动信息接入综合监控系统，依据系统内预制的、可自学习的、可人工更新的专家系统，把设备按照正常、预警、报警、危险进行着色分级，指导检修人员对风机按照轻重缓急进行维护。

2智能维护

智能维护又称e维护，目前还没有统一的定义，但“智能维护”的概念已在工业界广泛传播。面对电子化制造、电子化商务等创新技术对维护方面提出的新需求，智能维护无疑涉及当今最先进的信息与通信技术、远程维护技术、人工智能技术、电子化协同技术等，电子化协同不仅允许共享和交换信息，而且允许共享知识和电子智能。此外，科学理论方面的进展也有力地支撑了智能维护的发展，例如，粗糙集理论在预知维护领域具有巨大的潜力，它是一种自动提取隐藏在数据库中有用信息的数学技术。这些技术和理论的发展为实施智能维护奠定了坚实的基础。

2.1实施智能维护所需的资源

实施智能维护的资源已经具备。首先，无处不在的网络（Web技术）允许访问、交互各种标准开放平台所发布的信息，智能传感器通过内嵌网络模块可随时随地接入网络。其次，无线通信技术的发展显著降低了企业部署智能维护平台的成本，且变得更加柔性化；应用非接触式技术、遥感技术和宽带通信技术使远程数据传输、监视和控制变得更加便利，甚至可将本地工厂的设备信息在世界上任何一个角落共享。这些新技术的应用使实现智能维护的可能性大增：可充分利用来自多源和多种类型的数据；海量数据处理能力对系统高级推理和综合决策提供了支持；更加容易实现电子化协同。

2.2环控系统对智能维护的要求

轨道交通环控系统控制的设备地理位置分散。且有些深入地下，处于恶劣（高温、高湿、高压等）的环境，因此，对智能维护在方式、策略、支持工具等方面提出了不同的要求。

环控系统对维护方式的要求主要包括4方面：远程维护、协同维护、分布式维护和预知维护，其中预知维护是核心。预测故障和扰动，估计设备组件、机械系统的剩余寿命对研究人员和工程师都构成了莫大的挑战。在轨道交通环控系统领域，许多设备（如电梯、水泵等）的故障诊断已经不是问题。随着传感器、信号处理方法、状态监视方法和故障诊断方法不断的标准化，后续研究焦点将集中于故障预诊和维护决策支持。

环控系统对维护支持工具的需求由3方面组成：故障（隐患）分析、维护文档记录、企业支持服务。

（1）故障（隐患）分析。快速发展的传感器技术、信号处理技术及基于状态监控和故障诊断的信息与通信技术，使得从来自不同信号源的海量数据中提取有用知识变成了可能。环控系统设备运行出现不稳定征兆之后，由传感器捕获信息，利用各种先进技术工具进行故障（隐患）分析。

（2）维护文档记录。为快速故障诊断及预测事件走向提供额外帮助。

（3）企业服务支持。目的是破除设备制造者与环控系统现场设备之间的信息隔阂，由设备制造企业随时随地向用户提供必要设备知识信息，使用户系统得到有力支持。

3轨道交通环境与设备监控系统智能维护平台

3.1智能维护平台建立的目的

本文的智能维护平台可在现有轨道交通环控系统的基础上进行集成，充分利用环控系统自身的设备状态信息，将主要执行以下任务：

（1）持续地从安装于设备中的传感器和环控系统处收集设备运行状态、环境状态等参数；

（2）持续地处理收集到的信息并在线评估系统及设备各个组件的健康状况，同时侦测性能下降或异常征兆，健康状态评估是基于系统、设备组件的正常行为模型，而初期故障诊断将基于多种智能故障诊断技术；

（3）持续在系统设计者、制造者和维护者三者之间共享和交换一切必要的设备维护信息、维护知识，以互相支持。

3.2智能维护平台的架构

为达成上述目的，需要一个以模块化组织的系统平台来支持一系列的功能需求，并将产品设计制造者、系统集成商等与该智能维护平台集成，外部人员可在此平台上进行系统支持业务。智能维护平台架构：该智能维护平台主要由背景信息预处理模块、异常侦测模块、健康状况评估模块、诊断（预诊）专家模块、预测性维护决策模块、维护效用评价模块等组成。背景信息预处理模块是对来自传感器、环控系统及维护人员3方的数据进行预处理，使用工具方法库对海量数据进行特征提取及选择；预处理所得信息（若干设备、组件正常行为模型和特征参数等）分别输出给系统数据库和第三方服务支持商（产品设计制造者、系统集成商等）。这些模型的建立主要基于对动态非线性过程具有较好建模效果的人工神经网络技术。异常侦测模块：通过比较正常行为模型与实时监测数据，获得偏差度，抓取异常信息用于健康评估及确定异常原因。健康状况评估模块在线评估每一个设备、组件的健康状况，它的功能实现依赖于该设备或组件的正常行为模型。

结语

综合监控系统已经在城市轨道交通领域得到了广泛应用，其应用的广度和深度正在不断拓展，一些新需求的提出、一些新技术在城市轨道交通领域的应用，也给综合监控系统提出了新的挑战，积极应对这些挑战，将给综合监控系统提供新的、更大的发展机遇。

参考文献：

[1]魏晓东.城市轨道交通自动化系统与技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[2]陈愚.基于IEC61850的数字化变电站技术综述[J].四川电力技术，2010，33（4）.