地鐵接觸網關鍵設備PHM平臺建設的規劃探討

王瑞鋒，賴聲鋼，蔣中志

（1. 成都唐源電氣股份有限公司，成都 610072；2. 廣州地鐵集團有限公司，廣州 510330）

近年來，城市軌道交通快速發展，運營線路劇增，導致運維工作量大、時間長、費用高，發展基礎設施智能運維技術刻不容緩[1]。

根據城市軌道交通接觸網系統的特點，結合接觸網運行環境與設備故障模型間的關系，對接觸網運行狀態數據進行深入挖掘，并借助深度學習和時間預測算法模型，預測、監控和管理接觸網關鍵設備的健康狀態[2-3]。充分利用云計算、大數據等技術，開發基于數據驅動的接觸網關鍵設備——故障預測與健康管理(prognostic and health management，PHM)平臺，其目的是對表征接觸網運行過程的全維數據進行分析和處理，自動形成接觸網系統及零部件的維修策略[4-5]，全面提高接觸網維修效率，提升運行可靠性，降低維護成本[6]。

1 接觸網關鍵設備概述

接觸網關鍵設備 PHM 平臺是以大數據技術為核心，以接觸網維護管理信息和接觸網設備檢測數據為支撐，按照地鐵運營公司-車輛段兩級管理架構進行設計和建設的[7-8]。接觸網關鍵設備PHM平臺建設的目標主要如下：

1) 建立接觸網關鍵設備PHM云計算基礎設施。利用云計算技術，申請廣州地鐵云平臺服務器資源、存儲資源、網絡資源，并對云平臺資源進行虛擬化整合，形成低成本、高性能、高可用、高可靠、高擴展的可動態管理調度的計算基礎設施資源池，為接觸網設備故障診斷和性能預測的數據分析處理提供硬件基礎。

2) 提供接觸網關鍵設備PHM算法框架?；诮佑|網檢測監測數據、維修臺賬等信息，對地鐵線路各區段進行健康綜合評價。根據計算的健康度，可判斷在役接觸網狀態所處的等級。借助深度學習和時間預測算法構建模型，在限定的時間區間內，根據運行工況、外部環境，以及已發現的零部件故障或參數異常等信息，推斷所關注的設備及零部件發生故障的概率；然后根據預測的概率大小，并考慮故障引發弓網事故的可能性，明確特定范圍內預防性維修時的檢查重點。

3) 提供接觸網設備PHM業務系統。在云計算設施的基礎上，開發部署接觸網關鍵設備PHM平臺，接入檢測數據中心和接觸網管理信息的數據。通過PHM算法，對接觸網健康狀態和零部件特性進行建模，實現故障診斷和剩余壽命估計，進而為接觸網運檢修管理提供決策參考報告和直觀豐富的可視化呈現。

2 PHM平臺系統設計

根據接觸網生產運行維修管理的業務需求，結合云計算技術，設計平臺技術框架，構建接觸網關鍵設備PHM平臺的技術體系。

2.1 系統結構

接觸網關鍵設備PHM平臺主要由3個層面構成，如圖1所示。

圖1 接觸網關鍵設備PHM平臺架構Figure 1 PHM platform architecture of catenary’s key equipment

2.1.1 數據采集層

數據采集層的職責是收集接觸網運行過程數據，包括接觸網基礎結構、6C系統檢測監測以及PDA/人工采集的各類檢修、零部件檢驗、各種環境參數和運行工況等數據，并將其引入到接觸網智能運維系統中，供發現、轉換和訪問。

數據采集層又包括3個子層：裝置設備層、轉換判別層和存儲處理層。裝置設備層是通過 1C～6C裝置、PDA及電子標簽、零部件振動/疲勞試驗臺、環境監測儀等，采集接觸網運行過程數據；轉換判別層是通過專用的軟件系統或技術人員將各類數據尤其是多媒體數據(如圖像、視頻的空間關系和底層特征等)轉換為存儲處理層可讀取的數據；存儲處理層包括6C數據中心和接觸網 MIS，用來存儲管理數據并創建描述各類數據源的描述信息，支持查詢和基本的統計分析。

2.1.2 數據處理層

數據處理層的職責是實現接觸網 PHM 的高級功能，通過數據挖掘、機器學習等數據處理方法，滿足接觸網系統健康管理的要求，同時提供使用的資源和服務。數據處理層以大數據與云計算技術為核心，以接觸網管理信息系統和6C數據中心的數據為支撐，提供應用服務。

2.1.3 數據消費層

數據消費層的職責是通過數據處理層提供的接口按需訪問信息，為接觸網維修決策人員提供可視的及事后可查的交互，并將輔助維修策略反饋至接觸網管理信息系統。

PHM系統扮演的角色是數據處理層，由框架提供者和應用提供者兩部分組成?？蚣芴峁┱甙ɑA設施、平臺、處理框架、信息交互/通信和資源管理5個活動，應用提供者包括數據收集、預處理、分析處理、可視化和訪問5個活動。

2.2 資源需求

2.2.1 數據需求

地鐵接觸網關鍵設備 PHM 平臺的核心思想是數據驅動。根據地鐵運營的實際狀況，所需數據主要有4類：基礎數據、檢測監測數據、維修數據和故障數據。

1) 基礎數據。包括線路對應的地理位置信息，所屬的責任部門以及零部件和關鍵設備的固有技術參數，具體參數類型如表1所示。

表1 基礎數據Table 1 Basic data

2) 檢測監測數據。根據獲取途徑，可大致分為6C數據和人工數據，提供這兩類數據時都必須明確其采集時的地理位置，具體數據特點如表2所示。

表2 檢測監測數據Table 2 Detection and monitoring datasheet

3) 維修數據。必須提供維修的日期，其目的是通過分析，降低或提升不同區段接觸網的維修層次，調整維修頻率，具體數據情況如表3所示。

表3 維修數據Table 3 Maintenance datasheet

4) 故障數據。對其進行分類，應估計或準確定義是內因故障還是外因故障；應提供故障發生的地理位置與發生故障的零部件或設備種類，同時應對故障狀態進行標準化描述，建立統一的數據字典，具體數據類型如表4所示。

表4 故障數據Table 4 Fault datasheet

2.2.2 數據量分析

接觸網的關鍵設備 PHM 平臺是接觸網運維管理的核心系統，包含了大量的接觸網基礎數據以及建設資料、運行狀態、維修檢修等海量數據，具體數據的明細如表5所示。

表5 數據量明細Table 5 Details of data volume

2.3 硬件需求

建設基于云計算的硬件基礎設施，為接觸網關鍵設備PHM平臺提供計算能力、存儲能力和網絡交互能力。通過云計算技術，將基礎設施整合到統一的資源池中，可以為接觸網關鍵設備健康管理系統的應用提供超大規模的計算能力、高可靠性的業務保障；同時云計算技術支持的高可擴展性，也能根據接觸網關鍵設備健康管理系統的實際需求進行動態伸縮，可節省用戶投資。

根據本文第2.2.2節中的數據量需求分析，本平臺的計算及存儲資源需求如下：存儲為1年26.3 TB，5年約 135 TB；批量計算為 10 000條/s；實時計算為5 000條/s；數據訪問查詢時間小于1 s，實時計算時間小于3 s。

綜上所述，與廣州地鐵現有接觸網監測管理系統(CMMS)緊密結合，整合服務器和存儲資源，設計服務器及存儲方案，如圖2所示。

圖2 接觸網關鍵設備PHM平臺硬件方案Figure 2 The hardware scheme of PHM platform for catenary’s key equipment

既有硬件包括2臺數據庫系統服務器，1臺接口服務器，2臺Web應用服務器，2臺視頻圖像及分析服務器，1套800 TB存儲設備?？烧?4核CPU，256 GB內存和800 TB存儲。為滿足計算要求，該系統需CPU170核、576 GB內存和83 TB儲存。需增加4臺服務器，其中CPU為2顆10核，內存256 GB，硬盤600 GB×2，網卡為千兆網卡×2，HBA卡為16 GB單口×2，電源 1 100W×2。本方案對系統資源進行整體規劃，投資減少，資源利用率高。

3 平臺功能實現與應用

3.1 故障診斷分析

3.1.1 功能描述

接觸網關鍵設備 PHM 平臺根據接觸網構成邏輯，提供基于故障樹和貝葉斯推理的零部件故障診斷功能，主要步驟如下：確定節點，建立有向無環圖；確定條件概率表和先驗概率；采用近似或精確推理推斷。

系統可根據接觸網零部件結構形式、故障路徑、故障原因等，生成接觸網系統的故障樹模型，功能如下：

1) 分析零部件重要度、零部件關聯關系及零部件間的影響程度，對零部件級故障概率進行預測，確定重點維修對象。

2) 診斷接觸網的關鍵與薄弱環節，結合零部件抽檢試驗，對關鍵零部件剩余壽命進行估計。

接觸網關鍵設備 PHM 平臺通過故障診斷功能，提供對零部件故障的影響程度、故障率的評判，為用戶確定重點維修對象提供參考。

3.1.2 功能實現

接觸網關鍵設備PHM平臺在大數據基礎平臺中，建立并保存可配置的接觸網系統和各子系統/零部件的故障樹模型與貝葉斯推理模型。系統在通過接口獲取到接觸網當前運行的缺陷數據后，累加到歷史數據中；系統大數據模塊將診斷周期內的所有缺陷數據發生的頻率、次數以及時間等作為參數，傳遞給大數據平臺；調用故障樹或貝葉斯推理模型，計算當前狀態的系統和設備故障概率及剩余壽命，得出診斷結果和準確率，并通過界面向用戶反饋[9]。

以2012—2018《廣州地鐵接觸網故障報告》(含故障原因)為例，構建支持裝置的貝葉斯推理模型，如圖3所示?？梢缘玫街饕到y元件及其故障概率，如表6所示。

表6 主要元件故障概率Table 6 Failure probability of main components

圖3 支持裝置的貝葉斯推理模型Figure 3 Bayesian inference model of a support device

3.2 健康綜合評價

3.2.1 功能描述

利用數據中心和管理信息系統中收集到的海量動靜態檢測、監測、檢修、實驗數據，通過集成深度學習算法模型分析，提供接觸網系統級的性能預測功能。

PHM平臺可以分段、分區評估接觸網系統的健康狀態，綜合多源、多維的歷史數據信息，擬合演變趨勢，其功能主要包括：

1) 對接觸網關鍵設備健康狀態的評估。根據檢測及維修數據，分類、分區、分段評估出接觸網系統的健康狀態(健康、亞健康、輕微病態、中度病態和嚴重病態以及失效)，并且給出量化的評價分值。

2) 接觸網設備和零部件質量的鑒定。對單項設備、整體設備及零部件狀態進行綜合統計分析，掌握設備整體的技術狀態。

3.2.2 功能實現

在接觸網關鍵設備 PHM 平臺中，建立并存儲接觸網系統健康值量化評分標準。該標準采用層次分析法(AHP)和熵權法組合賦權的方式[10]，根據接觸網構成，逐級對設備零部件、支柱、線路進行健康評分。根據當前接觸網系統的零部件缺陷、系統性能缺陷以及潛在隱患情況，健康值評估程序將自動分析，計算系統的健康狀態，并量化分值；同時系統通過反向的可視化逐層分析方式，向用戶呈現系統健康狀態和剩余維修時間的估計情況。健康狀態評估流程如圖4所示。

圖4 健康狀態評估流程Figure 4 Health status assessment process

在健康度計算的基礎上，線路多維度評價標準如圖5所示。

圖5 線路多維度評價Figure 5 Multi-dimensional evaluation of routes

3.3 維修前剩余時間

3.3.1 功能描述

接觸網關鍵設備健康管理系統通過對接觸網的檢測、監測、檢查、零部件檢驗等，統計分析情況，結合故障診斷及性能預測結果，實現接觸網關鍵設備的質量評價、質量鑒定，提供對接觸網系統的全面綜合評價，實現接觸網系統的閉環健康管理，其功能主要包括：

1) 對接觸網系統級剩余維修時間的評估。根據歷史綜合統計分析結果，同時基于系統當前的健康值，給出當前狀態下接觸網系統的剩余維修時間。

2) 接觸網關鍵設備健康管理系統。通過健康管理功能，幫助接觸網運行維護單位實現質量、維修雙閉環管理，為全壽命周期(生產、設計、施工、運維)的質量控制提供指導意見。

3.3.2 功能實現

如上所述，根據接觸網系統評估的健康度H，可以將系統劃分為6個健康等級，每個健康等級表示接觸網系統處于一種服役狀態。{H(t),t=1, …, 6}表示不同健康等級下評估的健康度，接觸網系統在6個狀態{S(t),t=1, …, 6}之間轉換。在健康等級t下，健康度H(t)僅依賴于狀態S(t)，與其他狀態和健康度無關；同時，t時段的狀態S(t)僅依賴于上一時段的狀態S(t-1)。若假設接觸網系統下一時段的狀態僅由當前狀態決定，不依賴于以往的任何狀態，則可以將接觸網系統健康狀態、功能降低狀態、失效理解為馬爾科夫鏈(HMM)?；谶@種依賴關系，所有接觸網系統狀態的聯合概率分布為

通過歷史數據，確定馬爾科夫鏈的參數矩陣。

1) 狀態轉移矩陣：是模型在各個狀態間轉換的概率，有

2) 輸出評估概率：模型根據當前狀態，獲得各個評估健康度的概率，有

3) 初始狀態概率：模型在初始時段各狀態出現的概率為

然而，對于HMM模型，接觸網系統某狀態停留一定時間的概率隨時間的推移呈指數下降，這與實際情況不符。隱半馬爾可夫模型(HSMM)是考慮狀態駐留概率分布為顯式的一種 HMM[11]。在接觸網系統的HSMM中，一個狀態對應估計的健康度。因此，接觸網系統的HSMM可以定義為

式中，D表示最大駐留時間，π、a、b與馬爾科夫鏈定義相同。

HSMM 的基本算法有前向-后向算法、Viterbi算法。若假設駐留時間服從高斯分布，則可得到狀態駐留時間的均值μ(S(t))和方差σ2(S(t))，那么狀態駐留時間為

則接觸網系統處于某個健康狀態下，系統維修前的剩余時間(RUL)為

3.4 可視化功能呈現

3.4.1 功能描述

接觸網關鍵設備 PHM 平臺是基于大數據的分析和預測系統，海量接觸網基礎信息、狀態數據和分析結果的展示和呈現，需要借助于可視化手段直觀地傳達關鍵特征。

接觸網關鍵設備健康管理系統的可視化功能，通過靈活、易用、高性能的可視化分析能力，可以讓用戶更直觀地洞察接觸網系統的生產運行狀態，發現問題并采取行動。

3.4.2 功能實現

接觸網關鍵設備健康管理系統通過可視化圖表和綜合儀表臺等形式，呈現接觸網當前運行的健康狀態；以樹形或分層模式，呈現接觸網系統、設備和零部件的狀態；根據接觸網構成和定位數據，提供基于示意圖或GIS地圖的接觸網設備和零部件的呈現，并展示故障缺陷部件的具體位置。

1) 接觸網營運監控的可視化管理界面。圖6是廣州地鐵3號線與8號線系統的管理界面，可以總覽線路的整體健康狀態和缺陷趨勢。

圖6 廣州地鐵3、8號線的界面展示Figure 6 Interface display of Guangzhou Metro Line 3 and Line 8

2) 接觸網健康管理功能。圖7所示為線路健康管理界面，可以直觀地看到線路的整體健康狀態，以及線路中各區間的健康度排名。點擊線路健康度柱狀圖，可顯示該線路整體健康度隨時間的變化趨勢。

圖7 健康管理功能界面Figure 7 Health management function interface

3) 接觸網數據統計分析功能。圖8所示為接觸網統計分析界面，對數據庫中重點設備參數異常的記錄和缺陷記錄進行統計，可在不同時間尺度(年、季度、月)與空間尺度(線路、區間、錨段)，展示關鍵設備參數異常率的趨勢。

圖8 接觸網統計分析界面Figure 8 Statistical analysis interface of catenary

4 結語

以地鐵運營業務需求為基礎，以標準規范建設為前提，運用云計算等技術，對接觸網關鍵設備 PHM平臺進行規劃和設計，實現對地鐵接觸網狀態的全面實時監測和狀態預測。這有助于將運營維修從故障修升級到狀態修，降低運營成本，提高運營質量，為全面提高城市軌道交通運行安全和運營管理水平提供強有力的技術支撐與保障。