地铁的信号维护支持系统

周庭梁 张兵建

(卡斯柯信号有限公司,200071,上海∥第一作者,工程师)

随着我国城市轨道交通的快速发展,以及CBTC(Communication-Based Train Control,基于通信的列车控制)模式信号系统和无人驾驶等先进技术的应用,使列车的行车间隔越来越短。为此,一方面需要缩短地铁信号设备的故障恢复间隔,以提高设备的运行效率;另一方面,需要根据设备的运营数据和故障统计,制定合理的预防性维护策略,以提高设备的可用性。

在轨道交通信号系统中引入地铁信号的维护支持系统(Maintenance Support System,简为MSS),作为整个信号系统设备状态监测和维护的辅助工具,在自动列车监控(ATS)系统、列车自动防护(ATP)系统、列车自动运行(ATO)系统、计算机联锁(Computer Based Interlocking,简为CBI)、通信等系统故障情况下,可帮助信号维护人员定位故障设备,管理维修作业,并提供相应的维护指导文档,辅助制定维护计划。

1 地铁信号维护支持系统的现状

目前,国内地铁信号设备的配套维护系统一般采用以下几种方式:

1)分立模式,即每个子系统都有一套独立的故障诊断系统。分立模式有利于提供各子系统内专业的故障诊断及分析功能,但各个子系统之间容易形成维护信息孤岛,缺乏统一故障监测和维护管理的信息化平台,不利于实行统一的设备维护工作。

2)通过 ATS系统,管理所有报警信息。由于ATS系统的主要功能是进行运营调度,仅能够提供有限的报警信息,无法给信号维护人员提供完善的维护支持功能,也无法系统地计划与安排维护工作。

3)单独设置一套信号维护监测子系统,用于维护支持和管理。目前CBTC系统的核心设备都是从国外进口,一般由信号供货商提供核心系统[1](ATS、ATP、ATO 和微机联锁等)的维护支持系统;轨旁基础信号设备则由国内采购,一般采用符合铁道部标准的微机监测系统进行监测。该方式在没有实现国产化的系统中普遍采用。其缺点是,维护人员需要通过两套独立的系统才能实现完整的维护支持,而且两套系统之间一般不能通信,也不利于实行统一的维护管理。

在我国国家标准《地铁设计规范》中,并没有对地铁信号系统维护相关领域提出明确的要求。为此,需要引入地铁信号维护支持系统,使其完全国产化,并与微机监测系统进行整合,实现对信号系统的统一监督与维护管理。

2 地铁信号维护支持系统的结构

针对城市轨道交通现状,有必要在线路维修中心(一般在车辆段)设置独立的地铁信号维护支持系统,完成对列车运行的监视和整个信号系统所有设备的集中报警功能,并对在线运行的信号设备进行维护管理和支持。

地铁信号维护支持系统从结构上包括中心(控制中心、维修中心)和车站(沿线各信号工区、设备集中站、车辆段、停车场等)两部分。整个系统的网络连接结构图如图1所示。

图1 地铁信号维护支持系统网络结构图

2.1 中心级子系统

中心级子系统包括:

1)两套位于维修中心的中央应用、数据库服务器,主要采集 ATS、ATP 、ATO 、CBI等系统的设备状态,产生合适的事件和报警,并保存到报警历史数据库中;由其管理全线维护支持系统的相关参数(包括设备出厂信息、运行参数),维护工单,维护计划等。

2)位于维修中心、控制中心的维护调度工作站,用于提供全线设备状态及报警的实时显示与报警确认,下达维护工单,并跟踪维护工单执行情况(例如,已关闭或是正在执行等);对报警历史(时间、设备类型、位置、供应商等)进行过滤和检索,制定维护计划。

3)系统配置工作站,用于系统初始化,分配人员角色及权限,配置设备清单,进行设备发现等。

2.2 车站级子系统

车站级子系统包括:

1)信号工区维护终端,用于接收中心维护调度下达的维护指令,查阅相关的维护文档,并将设备的维护结果报告中心维护调度。

2)集中站维护终端,设置在设备集中站的车站维护终端,除具备信号工区维护终端功能以外,还作为信号微机监测站机,收集基础信号设备状态信息(主要是一、二级报警信息)。

3)车辆段、停车场维护终端,其作用同信号工区维护终端。

4)便携维护终端,其作用同信号工区维护终端,并可用于车载信号系统离线维护数据的下载与处理。

3 地铁信号维护支持系统的功能

地铁信号维护支持系统主要提供对二级维护的支持,其功能包括设备状态的采集、报警信息的生成、维护管理和统计分析等。此处的二级维护是指ATP、ATO、CBI或通信子系统故障情况下,能定位故障设备(或设备的故障部件),并对故障设备(部件)进行替换及验证的工作。

3.1 信号设备状态信息采集及报警生成

地铁信号维护支持系统通过主干网采集信号设备状态和维护信息,包括轨旁设备(联锁等)、车载设备(ATP、ATO等)、网络设备(交换机等)、计算机设备等,如图1所示。

维护支持系统采集数据的方式有两种:

1)通过简单网管协议(Simple Network Management Protocol,简为SNMP)轮询信号设备的管理信息库(Management Information Base,简为MIB)。信号设备的MIB,用于存储该设备的状态及故障信息,通过按照固定频率轮询信号设备MIB,来获取设备状态。

2)接收信号子系统主动上传的故障报警。ATS、ATP、ATO 、CBI等子系统具有自诊断及报警功能。当这些子系统诊断到故障报警时,除在相应的终端上显示报警信息外,还以SNMP陷阱信息的形式,主动将报警信息发送给维护支持系统,由维护支持系统对该状态信息进行分析处理。

在获取设备状态信息,或是接收到设备主动上传的故障报警后,维护支持系统会对这些信息进行分析,只有在满足报警条件后,系统才生成对应类型的报警。

根据故障的来源、成因、重要性等方面,维护支持系统将生成的报警分为4大类,包括:①故障报警(设备或其部件发生故障,影响正常使用);②通信中断(维护支持系统与车载ATP、ATO或其他子系统连接超时);③超限报警(设备模拟量或开关量达到或超出预设门限值时,生成报警);④手动报警(维护支持系统也支持维护调度手动生成报警)。

所有报警都需由维护调度进行确认。

3.2 维护管理

针对不同的报警信息,维护支持系统提供三种类型的维护管理,包括预防修、状态修和计划修。预防修意味着报警可在故障发生前显示,当设备运行了一段时间周期(或是一个车辆运行公里数)后,提示根据维护程序对设备进行预防性检查和处理。状态修是在设备监测过程中,一旦发现设备处于异常状态,按照维护程序对故障设备(或故障部件)进行更换。计划修则是在对设备故障、维护的历史数据进行统计和分析后,根据运行参数的变化趋势,制定设备大修计划。

3.2.1 预防修

当设备运行过程中,特定技术参数频繁超出预设限值时,维护支持系统会向维护调度发出“该设备可能在近期发生故障,应组织相应的预防性维护检查”的警告。

例如,对于车轮传感器,每运行2 00万km后应肉眼检查并进行清洁。因此,列车运行2 00万km后,系统会向中心维护调度发出报警,要求进行检查和清洁。

通过预防性维护,可提高信号设备的安全运行效率,延长其使用寿命,尽量减少因设备发生故障而影响地铁线路的正常运行。

3.2.2 状态修

一旦检测到设备发生故障时,维护支持系统会立即通知中心的维护调度,在运营状态下进行部件替换,隔日功能调试,或是在运营服务完成后(夜间)再进行设备维护工作。同时,维护支持系统也会提供足够的维护辅助信息,包括设备的历史状态、错误描述信息和相关维护文档,指导维护人员使用合适的工具进行现场维护工作,使维护的实施更为容易。

当前地铁信号技术已经比较成熟,许多信号设备都采用冗余设计或模块化设计,允许在不影响设备正常运行的情况下,拆除、更换故障的设备(或部件),这也为状态修提供了条件。

3.2.3 计划修

维护支持系统能够提供完备的设备基础信息,以及报警、维护等历史信息和统计分析数据,辅助维护调度根据设备的运行状况、保养情况、故障记录,来制定相应的维护策略和计划,以便定期地对设备进行检查维护。例如,当某集中站内设备频繁出现故障,或是全线特定类型的设备频繁出现故障,那么维护调度可以有针对性地加强对故障频发地点设备的维护检修力度,科学分配有限的维护资源。

3.3 维护数据的统计分析

维护支持系统能够针对设备报警、维护历史的记录,自动进行统计分析,生成所有被监测设备的列表,显示其台帐信息和当前状态;列举所有类型的报警信息,显示设备名称、发生时间、处理状态、报警原因等;并能够按照年、月、周或者任意时间段,对车载设备产生的故障报警等信息进行统计。通过完善的维护数据统计分析,可为设备维护计划的制定提供科学依据,保障信号系统的正常运行。

3.4 相关维护人员角色

维护支持系统涉及的使用人员包括维护中心内的维护调度、各信号工区内的维护人员(见图2所示)。

1)维护调度主要负责:处理维护支持系统生成的设备报警信息,并通过分配维护工单的方式,将信号设备维护要求下达给维护人员;维护工作的结果将体现在维护工单上,同样由维护调度负责验证设备是否恢复正常,并决定是否可以关闭该维护工单;根据维护支持系统生成的历史报警、维护数据分析报告(例如故障频发设备的类型、场所、时段,设备平均修复时间等),制定合理的维护计划。

2)各信号工区的维护人员主要根据调度分配的维护工单,利用维护支持系统提供的相关设备(部件)维护手册,执行合适的维护程序。

图2 报警管理及维护流程

4 设计原则

4.1 接口标准化

考虑到信号系统日趋复杂,内部各子系统之间接口数量、种类也越来越多,如果针对每个信号子系统都开发专门的通信协议,既增加了维护支持系统集成的难度,又不利于维护对象的扩容。因此,有必要在维护支持系统与其它信号子系统之间采用标准化的接口。为此,维护支持系统采用标准的SNMP与其它信号子系统进行通信。

4.2 保证被监测设备的正常运行

系统正常运营期间,大多数信号设备都是高负荷运行的,频繁地轮询设备状态,会影响设备的运行效率。而随着信号技术的发展,信号设备的平均故障间隔时间(Mean Time Between Failures,简为MTBF)也越来越长,设备状态轮询间隔过短,就没有太大的意义。同时,考虑到维护支持系统监测的信号设备数量庞大,频繁地轮询设备状态会占用大量有效带宽,影响主干网中连接的其他信号子系统的正常通信。因此,在运营时段,维护支持系统主要采用被动接收信号设备故障报警的方式,来监视设备的状态。而在凌晨运营准备及夜间停运时段,维护支持系统可以按照一定顺序完整地查询整个信号系统的设备状态。

5 结语

我国正处于城市轨道交通发展的高峰时期,信号系统的安全和稳定是推动城市轨道交通和谐发展的保证。从地铁信号维护支持系统的设计初衷和理念来看,正是顺应了这种发展趋势,实现对信号系统的集中监测和信号设备维护工作的科学管理。

本文介绍的地铁信号维护支持系统,首先应用于上海轨道交通10号线信号项目,并将逐步推广到北京、广州、深圳等城市的轨道交通信号系统中。

[1]严波,李旭宏.城市轨道交通信号系统的维护与保养模式[J].城市轨道交通研究,2005(5):39.