物联网的多线路共用接触网监测管理系统方案和功能架构

　　摘要：接触网检测技术在城市轨道交通上的应用尚处于起步阶段，尚无体系化的接触网数据中心应用案例。本文根据城市轨道交通多线路资源共享及接触网检测检修功能需求，将物联网智能传感、车地综合通信、智能手持移动终端、地理信息等技术应用于接触网检测，提出基于物联网的多线路共用接触网监测管理系统方案和功能架构，为轨道交通接触网检修提供技术支撑，具有很好的工程实用价值。

 

　　关键词：城市轨道交通; 接触网监测管理系统; 功能需求; 系统方案;

 

　　Research on Internet of Things based Multiple Line Use OCL Monitoring and Management System

 

　　DANG Xiaoyong WANG Jia

 

　　Abstract：The application of OCL inspection technologies on urban rail transit is still in its initial stage and there is no case of systematic application of OCL data center. The paper illustrates that the technologies of intelligent sensing of internet of things, vehicle ground integrated communication, intelligent handheld mobile devices, geographic information and other technologies are applied to OCL inspection, puts forward the scheme and functional architecture for multiple line use OCL monitoring and management system based on internet of things, which is able to provide the technical support for the maintenance of OCL of rail transit and has a good engineering practical value.

 

　　0 引言

 

　　目前，电气化铁路供电安全检测监测系统（6C系统）及其综合数据处理中心已在电气化铁路系统推广应用，以提高其牵引供电系统安全性和可靠性。由于城市轨道交通接触网与电气化铁路接触网存在较大差异，有必要对城市轨道交通接触网检测及检修作业需求进行研究，提出适用于城市轨道交通的接触网检测监测技术方案，为城市轨道交通接触网检修维护提供技术支撑。

 

　　1 6C系统应用现状

 

　　电气化铁路接触网6C系统主要由弓网综合检测装置（1C）、接触网安全巡检装置（2C）、车载接触网运行状态检测装置（3C）、接触网悬挂状态检测监测装置（4C）、受电弓滑板监测装置（5C）、接触网及供电设备地面监测装置（6C）六大类装置及综合数据处理中心组成。目前，6C系统在城市轨道交通的应用尚处于起步阶段，仅广州、深圳等城市为数不多的地铁线路应用了接触网检测装置，装置存在如下问题：结构简单，功能单一，仅实现基本弓网综合检测功能；车载检测数据未通过车地网络实时传送到地面，无法实现实时报警；未构建接触网数据处理中心，无法进行接触网数据的综合分析及展示，无法提高接触网故障分析的效率，对接触网维修支撑不够。

 

　　2 城市轨道交通接触网检测检修功能需求

 

　　2.1 完善6C系统检测监测装置配置的需求

 

　　完善城市轨道交通接触网检测监测装置配置，对接触网定期进行检测，开展即时、定期分析诊断，并按照标准值、警示值、限界值界定设备状态，划分缺陷等级，为接触网设备维修维护提供支持。结合城市轨道交通接触网运营维修特点，在电客车和检测车上配置1C、3C、4C检测装置，出入段线配置5C检测装置，不单独配置2C和6C地面检测装置。电客车配置的车载6C检测装置的设备状态数据和接触网系统报警数据应通过车地综合通信系统实时传送到地面数据中心。

 

　　2.2 构建6C系统综合数据处理中心的需求

 

　　6C车载检测装置彼此独立，采集到的数据可在车载主机硬盘存储并实时分析，但车载检测装置存储数据容量有限，无法实现本线路各检测装置数据的统一采集、集中分析、统一存储和关联分析，制约了接触网检修人员对采集数据的综合分析和车载分析结果的综合利用。因此，为提高接触网检测监测数据的分析应用水平，需要对线路多个检测设备、多线路接触网检测监测的数据进行整合，建立数据集中存储、互通共享、关联分析的6C系统综合数据处理中心。

 

　　2.3 实现接触网基础数据管理的需求

 

　　目前，城市轨道交通接触网专业基本未构建接触网一杆一档等的基础数据，多为不甚完善的传统纸质设备技术规格书、设计图纸等台账资料，现场维修作业查阅资料不便，主要靠经验进行作业，用纸张记录作业中的检测数据，作业完成后，再由专人将作业过程中随手记录的数据整理到台账中，整个过程冗余重复，既浪费人力又容易出错。因此，亟需构建接触网基础数据库，以对接触网检测检修涉及的各类设备、人员、周边环境、竣工图纸、维修维护的标准规范等各类台账及功能基础数据进行定义和管理，实现接触网基础数据的电子化。

 

　　2.4 实现接触网巡检管理信息化的需求

 

　　大部分城市轨道交通接触网巡检作业主要依靠传统人工巡检的方式，存在巡检信息延误及漏检问题，巡检记录采用纸质表单记录，不易保存，检修作业智能化水平和自动化程度低。因此，亟需结合基于物联网的RFID电子标签、智能手持移动终端及无线通信等技术，依靠电子化的手段实施接触网日常运营管理工作，实现接触网基础数据、设备信息、技术资料的实时查阅和完善，以提高接触网的巡检效率[2]。

 

　　2.5 实现接触网数据资源共享的需求

 

　　接触网综合数据处理中心的构建可为更高一层次的轨道交通运维系统提供数据共享，可用于更高级别大数据的存储和分析，便于接触网及牵引供电系统的故障预测及健康管理。

 

　　3 多线路共用接触网监测管理系统方案

 

　　3.1 系统总体架构

 

　　针对城市轨道交通接触网特点及维修作业功能需求，以多线路资源共享的先进理念为指导，构建以运营单位为主体的多线路共用接触网监测管理系统（CMMS系统），实现接触网基础数据管理、接触网检测数据汇总和综合分析、接触网数据的可视化展示、接触网巡检管理信息化、接触网数据共享等功能，可极大节约系统投资成本，提升设备及数据资源利用率，为接触网运维提供数据支撑。

 

　　CMMS系统采用基于WEB的B/S结构，由多线路中心级设备、线路汇聚节点、线路主干网络、线路接触网工区级设备和现场级设备构成，总体架构如图1所示。

 

　

　　图1 CMMS系统总体架构   

 

　　3.2 系统方案架构

 

　　CMMS系统采用分层分布架构设计，其构成如图2所示。

 

　　多线路中心级：配置核心交换机、系统服务器、磁盘阵列、WEB应用服务器、视频及图片分析服务器、防火墙、数据分析工作站、网管及防病毒工作站、大屏幕投影显示系统、打印机及其它配套设备等；可通过导入离线数据将接触网1C、3C、4C等检测数据汇集到CMMS系统数据中心，同时通过车地综合通信网络（LTE/WLAN/5G等）进行车载1C、3C、4C检测数据及设备状态数据的实时传输；可与运维综合管理平台和接触网故障预测及健康管理系统接口，提供接触网1C、3C、4C检测缺陷数据、一杆一档数据等。

 

　　图2 CMMS系统构成   

 

　　线路汇聚节点：配置三层汇聚以太网交换机、接口服务器、防火墙，实现多线路接触网检测数据的接入。各接入线路设置三层接入交换机及防火墙，实现各线路工区设备及本线车载接触网检测装置数据接入多线路中心级系统。

 

　　线路主干网络：用于多线路中心与线路汇聚节点、线路汇聚节点与工区的局域网互联。CMMS系统主干网络由通信专业提供的以太网传输通道构建。中心级局域网采用冗余的交换式100/1 000M以太网，工区采用冗余的交换式100 M以太网。车地综合通信网络可采用LTE、WALN或5G，实现车载检测数据实时传送到CMMS系统。

 

　　线路接触网工区级：接触网维修工区设置工区工作站和智能手持移动终端。工区工作站通过主干网络获取CMMS系统的数据。智能手持移动终端实现现场数据采集及巡检，可通过工区工作站将数据回传到CMMS系统，可从CMMS系统获取巡检计划，并进行移动终端数据的实时更新。

 

　　现场级：沿线接触网支柱配置RFID卡，在电客车或检测车配置车载1C、3C、4C检测装置，实现接触网现场数据采集及接触网点巡检。

 

　　3.3 系统功能架构

 

　　多线路共用接触网监测管理系统（CMMS系统）功能架构包括感知层、基础网络层、基础设施层、运维管理层和应用展示层，如图3所示。

 

　

　　图3 CMMS系统功能架构   

 

　　感知层：主要包括接触网系统配置的1C、3C、4C等检测装置及智能手持移动终端，实现接触网基础数据、运行状态数据及现场数据的采集接入。

 

　　基础网络层：为CMMS系统提供主干通信网络，为车载检测装置数据实时落地提供车地综合通信网络；可采用LTE、WLAN或5G通信技术。

 

　　基础设施层：为CMMS系统运行及接触网巡检提供资源，包括工作站、服务器、交换机、磁盘阵列、GIS（地理信息系统）及安装于接触网支柱或隧道内的RFID卡。

 

　　运维管理层：实现数据库管理、人员管理、统计与报表等通用功能；实现接触网数据综合分析；实现问题库管理；实现接触网系统网络管理及防病毒维护；实现接触网基础数据管理；实现接触网GIS管理；实现接触网在线报警；实现手持移动终端的基础数据采集及巡检等功能。

 

　　应用展示层：实现接触网系统设备的缺陷、故障报警监控；实现接触网数据的可视化展示，GIS地图展示及智能手持移动终端的移动展示。

 

　　4 CMMS系统发展展望

 

　　基于上述研究成果，CMMS系统已在北京轨道交通新机场线一期工程中得到应用，实现了接触网车载检测设备状态监控、一杆一档数据管理、接触网系统智能巡检、检测数据汇总收集及综合分析、接触网缺陷识别管理、接触网数据可视化展示等功能，降低了接触网维护工作强度，提高了接触网的检测检修效率。

 

　　未来，随着地铁线路不断投运将产生大量接触网检测监测、故障、维修、检验等数据，积累维修经验，可依托大数据和人工智能技术构建更加综合智能的CMMS系统平台，实现接触网海量数据辨析、抽取、清洗、分布式存储、关联分析及可视化展示。同时，以数据为驱动，利用机器学习算法、工业大数据算法模型对接触网海量数据进行挖掘分析，提升接触网系统缺陷智能识别及分析的准确性，实现对接触网可用性、可靠性、可维修性的统计分析，实现对接触网系统的故障预测、寿命预测、维修前剩余时间评估、零部件剩余寿命评估，给出接触网系统的综合评价和最佳维修策略，形成综合评估报告[3]，实现接触网的故障预测和健康管理，为接触网智能运维提供辅助决策支持，实现由计划修向状态修的改变，提升运营单位接触网健康管理水平和运维效率。

 

　　5 结语

 

　　牵引供电系统接触网无备用，其安全可靠运行非常重要。本文对城市轨道交通接触网6C系统应用现状进行总结，分析了城市轨道交通接触网检测检修功能需求，并提出基于物联网的多线路共用接触网监测管理系统方案和功能架构。结合大数据和人工智能等信息技术发展，（下转第78页）对构建综合智能的CMMS系统，实现接触网故障预测及健康状态评估的发展方向进行了展望，对指导城市轨道交通接触网检测监测系统构建具有很好的工程实用价值。

 

　　参考文献

 

　　[1]王涛.供电段6C系统综合数据处理中心设计与实现[D].成都：西南交通大学，2017.

　　[2]宋留洋.城市轨道交通接触网巡检管理信息系统的研究[J].科技展望，2016(4):189.

　　[3]安英霞.高速铁路牵引供电系统PHM技术架构与方案研究[J].中国铁路，2018(4):51-52.