智能預警在地鐵車(chē)站設備監控系統中的應用

根據軌道交通監控系統的特點(diǎn),結合現有軌道交通車(chē)站設備監控系統架構,應用智能預警技術(shù),建立新型軌道交通機電設備監控系統,實(shí)現設備故障早期預警。討論多傳感器數據融合構成、多級報警方案等問(wèn)題,并將基于智能多級預警的設備監控系統與現有的監控系統進(jìn)行比較。關(guān)鍵詞軌道交通多傳感器融合設備監控嵌入式技術(shù)1軌道交通設備監控系統的智能預警軌道交通具有高速、準時(shí)和載客量大的特點(diǎn),是大中型城市解決交通擁堵最有效的手段之一。

1 軌道交通設備監控系統的智能預警
      軌道交通具有高速、準時(shí)和載客量大的特點(diǎn),是大中型城市解決交通擁堵最有效的手段之一。為了給乘客創(chuàng )造安全、可靠和舒適的候車(chē)環(huán)境,軌道交通工程的地下車(chē)站均設有通風(fēng)空調、給排水、自動(dòng)扶梯、屏蔽門(mén)、照明、車(chē)站導向標志等機電設備。軌道交通車(chē)站機電設備監控系統(簡(jiǎn)稱(chēng)為EMCS)負責對車(chē)站的這些機電設備進(jìn)行全面、有效的自動(dòng)化監控及管理,對保障人身安全、降低設備的運行能耗、提高管理效率和服務(wù)水平具有重要作用。
      然而,絕大部分在研或建成的軌道交通車(chē)站監控系統大都存在著(zhù)兩個(gè)問(wèn)題:“過(guò)嚴”和“延遲”。有時(shí)候,某個(gè)設備的一個(gè)小故障可能對整個(gè)大系統并沒(méi)有太大的影響,但是監控系統卻報警甚至停用設備;有時(shí)候,某個(gè)設備已經(jīng)存在嚴重故障,監控系統的診斷卻姍姍來(lái)遲。這些問(wèn)題不但造成設備報廢的損失,而且對乘客的生命安全及軌道交通的正常運行造成巨大的威脅和隱患。在國外,智能預警技術(shù)已應用于電力設備監控、大型工廠(chǎng)設備監控等領(lǐng)域,并有逐步向各領(lǐng)域延伸的趨勢。將智能多級預警技術(shù)應用在軌道交通車(chē)站機電設備監控系統中,能從根本上提高機電設備故障監測的靈敏度,從而實(shí)現準確的故障早期預警,防止因設備故障影響軌道交通的正常運營(yíng)。

2 嵌入式控制系統與傳統監控系統的比較
      應用智能多級預警技術(shù)的嵌入式控制系統,具有可編程控制器(PLC)所沒(méi)有的體積小、功耗低、柔性大、功能強等優(yōu)勢,在智能化、柔性度方面的優(yōu)勢更為明顯(見(jiàn)表1)。

相對于原有系統,應用智能多級預警的監控系統,能夠在強大的、實(shí)現面向車(chē)站設備的在線(xiàn)狀態(tài)分析與預報,即通過(guò)設備狀態(tài)的信息獲取、特征提取及在線(xiàn)分析,實(shí)現設備故障的多層次預報,在監控歷史數據庫基礎上,構造監控及運營(yíng)管理專(zhuān)家系統,從而提高運營(yíng)管理水平,減少工作人員的人工維護,減少設備故障率,提高設備的運營(yíng)效率,改善車(chē)站人員的工作環(huán)境,降低運營(yíng)成本。在盡量不改變或少改變現有設備的基礎上,通過(guò)局部的嵌入式技術(shù)應用,實(shí)現對軌道交通車(chē)站監控設備的智能化改造;對既有不同設備進(jìn)行信息整合,通過(guò)信息和智能技術(shù),提升設備監控系統的性能�；�于現代交通對技術(shù)發(fā)展的需求,綜合考慮設計周期、系統成本、可靠性、體積、功耗、系統智能化程度等多方面因素,將基于嵌入式技術(shù)的智能多級預警控制器用于軌道交通,在區域控制器中有很大優(yōu)勢�？梢灶A見(jiàn),該類(lèi)系統將成為未來(lái)幾年城市軌道交通車(chē)站機電設備監控的發(fā)展方向。

3 智能算法的選用———多傳感器數據融合 
      軌道交通中的機電設備眾多,且發(fā)生故障的表象特征也各有不同,為實(shí)現故障的準確預警,應利用多種傳感器不同特點(diǎn)、使用范圍和精度,獲得各種機電設備的局部情況和數據。通過(guò)多傳感器之間的協(xié)調和性能互補,克服單個(gè)傳感器的不確定性和局限性,通過(guò)運算分析,可以獲得對被測對象的一致性解釋與描述[1]。數據融合技術(shù)涉及信號處理、特征提取、推理決策三大環(huán)節,本研究所采用的多傳感器系統數據融合同樣也由這三大部分組成,其過(guò)程如圖1所示。由于被測對象多為具有不同特征的非電量,所以首先將它們通過(guò)傳感器轉換成為電信號,經(jīng)過(guò)A/D轉換將現場(chǎng)參數變?yōu)榭捎晌⑻幚砥魈幚淼臄底至?span>[2]。數字化后的電信號經(jīng)過(guò)預處理,可以濾除數據采集過(guò)程中現場(chǎng)環(huán)境下的干擾和噪聲;對處理后的目標信號做特征提取,根據所提取的特征信號進(jìn)行數據融合,最終輸出結果。
      數據融合技術(shù)雖然未形成完整的理論體系和有效的融合算法,但是在不少應用領(lǐng)域已經(jīng)提出了許多成熟并且有效的融合方法,主要有經(jīng)典推理法、卡爾曼濾波法、貝葉斯估計法、Dempster-Shafer證據推理法、聚類(lèi)分析法等[3]。

  在設備故障特征識別中,采用經(jīng)典的自適應加權融合估計算法進(jìn)行數據融合,其模型如圖2所示。這種數據融合方法不要求知道傳感器測量數據的任何知識,只是靠傳感器所提供的測量數據,通過(guò)自動(dòng)計算和調整,就可得出均方誤差最小的數據融合值[4]。
      算法先對各傳感器在某一時(shí)刻的測量值進(jìn)行估計,當估計真值為常量時(shí),就可根據各個(gè)傳感器歷史數據的均值來(lái)進(jìn)行估計。

因為不同的傳感器都有相應的加權數,在總均方誤差最小這一最優(yōu)條件下,根據各個(gè)傳感器所得到的測量值,以自適應的方式尋找其對應的權數,可使圖2融合后的X^達到最優(yōu)[5]。

4 預警系統構成及多級報警的方案
      根據現行的軌道交通車(chē)站設備監控系統架構,結合智能預警在設備、網(wǎng)絡(luò )等方面的特殊要求,擬采用嵌入式系統取代現有的PLC作為區域控制器,傳感器、處理器和控制器之間形成網(wǎng)絡(luò )控制系統。嵌入式控制器既能管理通信,同時(shí)又具有輸入/輸出以及控制的功能,對預警功能的實(shí)現具有較大的作用。本機電設備預警監控系統,利用數據采集卡對信息進(jìn)行預處理,然后用通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸,再由上層PC的軟件對壓縮的數據信息進(jìn)行融合。車(chē)站級軟件采用組態(tài)軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā),上層信息融合中心軟件采用高級軟件開(kāi)發(fā),軟件之間采用DDE(動(dòng)態(tài)數據交換)以及OBDC(開(kāi)放式數據庫連接)技術(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)與同步。系統原形結構如圖3。
      硬件上采用性?xún)r(jià)比相對較高的三星公司的S3C2440處理器,作為軌道交通嵌入式機電設備監控系統的車(chē)站現場(chǎng)執行層的核心處理器。嵌入式操作系統采用了微軟的WinCE. net,數據采集軟件采用應用程序MicrosofteMbeddedVisualC++集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。
      軟件可在分析與應用程序調度軟件的控制下運行,可按照預先設定的方式,在計算機硬盤(pán)內建立有關(guān)機電設備檔案,記錄各設備開(kāi)/停時(shí)間、故障狀況、累計運行時(shí)間、維修狀況,并根據這些信息,定期編排維修計劃。系統還可以給高級工程人員提供在線(xiàn)編輯、在線(xiàn)調試和在線(xiàn)診斷的手段,使系統的可操縱性更強[6]。

當通過(guò)多傳感器數據融合技術(shù)的自適應加權融合估計算法測出設備即將故障后,立即在監控系統中提示檢修。若無(wú)人應答,且實(shí)時(shí)數據通過(guò)新一輪的檢測運算后仍得出設備即將故障的結果,則在中央級監控系統上進(jìn)行提示維修檢測;若依然無(wú)人應答,則通過(guò)組態(tài)軟件智能發(fā)送短消息,提示給主要設備負責人,進(jìn)行維修檢測,從而實(shí)現多級報警。

5 結語(yǔ)
      現代軌道交通車(chē)站機電設備監控系統建立在網(wǎng)絡(luò )和智能設備的基礎上,智能預警系統的應用可以使更多設備具有智能性預防故障停機的能力,從而促進(jìn)現代監控技術(shù)的快速提高和發(fā)展[7]。針對機電監控中控制系統的設計問(wèn)題,提出智能化設備監控及維護方案,為智能化在大型監控領(lǐng)域應用和推廣提供了一個(gè)實(shí)用的設計方法。特別是區域控制器使用嵌入式技術(shù),能夠在不大規模改動(dòng)現有設備的前提下推廣應用這一新技術(shù),實(shí)現軌道交通車(chē)站機電設備監控系統的智能化與柔性化。嵌入式技術(shù)在EMCS系統中的應用研究,是基于上海市科委重大科技攻關(guān)項目,在成功實(shí)現智能預警的應用后,期望遠期達到基于遠程設備的在線(xiàn)故障診斷和維護,從而提高系統的維護水平。