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摘　要 根據(jù)軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn),結(jié)合現(xiàn)有軌道交通車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu),應(yīng)用智能預(yù)警技術(shù),建立新型軌道交通機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障早期預(yù)警。討論多傳感器數(shù)據(jù)融合構(gòu)成、多級報(bào)警方案等問題,并將基于智能多級預(yù)警的設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行比較。
關(guān)鍵詞 軌道交通　多傳感器融合　設(shè)備監(jiān)控　嵌入式技術(shù)
 
1 軌道交通設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的智能預(yù)警
      軌道交通具有高速、準(zhǔn)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、可靠和舒適的候車環(huán)境,軌道交通工程的地下車站均設(shè)有通風(fēng)空調(diào)、給排水、自動扶梯、屏蔽門、照明、車站導(dǎo)向標(biāo)志等機(jī)電設(shè)備。軌道交通車站機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(簡稱為EMCS)負(fù)責(zé)對車站的這些機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面、有效的自動化監(jiān)控及管理,對保障人身安全、降低設(shè)備的運(yùn)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站監(jiān)控系統(tǒng)大都存在著兩個(gè)問題:“過嚴(yán)”和“延遲”。有時(shí)候,某個(gè)設(shè)備的一個(gè)小故障可能對整個(gè)大系統(tǒng)并沒有太大的影響,但是監(jiān)控系統(tǒng)卻報(bào)警甚至停用設(shè)備;有時(shí)候,某個(gè)設(shè)備已經(jīng)存在嚴(yán)重故障,監(jiān)控系統(tǒng)的診斷卻姍姍來遲。這些問題不但造成設(shè)備報(bào)廢的損失,而且對乘客的生命安全及軌道交通的正常運(yùn)行造成巨大的威脅和隱患。在國外,智能預(yù)警技術(shù)已應(yīng)用于電力設(shè)備監(jiān)控、大型工廠設(shè)備監(jiān)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(yù)警技術(shù)應(yīng)用在軌道交通車站機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中,能從根本上提高機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測的靈敏度,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障早期預(yù)警,防止因設(shè)備故障影響軌道交通的正常運(yùn)營。

2 嵌入式控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的比較
      應(yīng)用智能多級預(yù)警技術(shù)的嵌入式控制系統(tǒng),具有可編程控制器(PLC)所沒有的體積小、功耗低、柔性大、功能強(qiáng)等優(yōu)勢,在智能化、柔性度方面的優(yōu)勢更為明顯(見表1)。

　　相對于原有系統(tǒng),應(yīng)用智能多級預(yù)警的監(jiān)控系統(tǒng),能夠在強(qiáng)大的、實(shí)現(xiàn)面向車站設(shè)備的在線狀態(tài)分析與預(yù)報(bào),即通過設(shè)備狀態(tài)的信息獲取、特征提取及在線分析,實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的多層次預(yù)報(bào),在監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,構(gòu)造監(jiān)控及運(yùn)營管理專家系統(tǒng),從而提高運(yùn)營管理水平,減少工作人員的人工維護(hù),減少設(shè)備故障率,提高設(shè)備的運(yùn)營效率,改善車站人員的工作環(huán)境,降低運(yùn)營成本。在盡量不改變或少改變現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上,通過局部的嵌入式技術(shù)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)對軌道交通車站監(jiān)控設(shè)備的智能化改造;對既有不同設(shè)備進(jìn)行信息整合,通過信息和智能技術(shù),提升設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的性能?；诂F(xiàn)代交通對技術(shù)發(fā)展的需求,綜合考慮設(shè)計(jì)周期、系統(tǒng)成本、可靠性、體積、功耗、系統(tǒng)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(yù)警控制器用于軌道交通,在區(qū)域控制器中有很大優(yōu)勢?？梢灶A(yù)見,該類系統(tǒng)將成為未來幾年城市軌道交通車站機(jī)電設(shè)備監(jiān)控的發(fā)展方向。

3 智能算法的選用———多傳感器數(shù)據(jù)融合
      軌道交通中的機(jī)電設(shè)備眾多,且發(fā)生故障的表象特征也各有不同,為實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確預(yù)警,應(yīng)利用多種傳感器不同特點(diǎn)、使用范圍和精度,獲得各種機(jī)電設(shè)備的局部情況和數(shù)據(jù)。通過多傳感器之間的協(xié)調(diào)和性能互補(bǔ),克服單個(gè)傳感器的不確定性和局限性,通過運(yùn)算分析,可以獲得對被測對象的一致性解釋與描述[1]。數(shù)據(jù)融合技術(shù)涉及信號處理、特征提取、推理決策三大環(huán)節(jié),本研究所采用的多傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合同樣也由這三大部分組成,其過程如圖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傳感器轉(zhuǎn)換成為電信號,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換將現(xiàn)場參數(shù)變?yōu)榭捎晌⑻幚砥魈幚淼臄?shù)字量[2]。數(shù)字化后的電信號經(jīng)過預(yù)處理,可以濾除數(shù)據(jù)采集過程中現(xiàn)場環(huán)境下的干擾和噪聲;對處理后的目標(biāo)信號做特征提取,根據(jù)所提取的特征信號進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,最終輸出結(jié)果。
      數(shù)據(jù)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(yīng)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(jì)法、Dempster-Shafer證據(jù)推理法、聚類分析法等[3]。

      在設(shè)備故障特征識別中,采用經(jīng)典的自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,其模型如圖2所示。這種數(shù)據(jù)融合方法不要求知道傳感器測量數(shù)據(jù)的任何知識,只是靠傳感器所提供的測量數(shù)據(jù),通過自動計(jì)算和調(diào)整,就可得出均方誤差最小的數(shù)據(jù)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(jì),當(dāng)估計(jì)真值為常量時(shí),就可根據(jù)各個(gè)傳感器歷史數(shù)據(jù)的均值來進(jìn)行估計(jì)。

      因?yàn)椴煌膫鞲衅鞫加邢鄳?yīng)的加權(quán)數(shù),在總均方誤差最小這一最優(yōu)條件下,根據(jù)各個(gè)傳感器所得到的測量值,以自適應(yīng)的方式尋找其對應(yīng)的權(quán)數(shù),可使圖2融合后的X^達(dá)到最優(yōu)[5]。

4 預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)成及多級報(bào)警的方案
      根據(jù)現(xiàn)行的軌道交通車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu),結(jié)合智能預(yù)警在設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)等方面的特殊要求,擬采用嵌入式系統(tǒng)取代現(xiàn)有的PLC作為區(qū)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(tǒng)。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(yù)警功能的實(shí)現(xiàn)具有較大的作用。本機(jī)電設(shè)備預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng),利用數(shù)據(jù)采集卡對信息進(jìn)行預(yù)處理,然后用通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,再由上層PC的軟件對壓縮的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合。車站級軟件采用組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā),上層信息融合中心軟件采用高級軟件開發(fā),軟件之間采用DDE(動態(tài)數(shù)據(jù)交換)以及OBDC(開放式數(shù)據(jù)庫連接)技術(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)與同步。系統(tǒng)原形結(jié)構(gòu)如圖3。
      硬件上采用性價(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(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的車站現(xiàn)場執(zhí)行層的核心處理器。嵌入式操作系統(tǒng)采用了微軟的WinCE. net,數(shù)據(jù)采集軟件采用應(yīng)用程序MicrosofteMbeddedVisualC++集成開發(fā)環(huán)境。
      軟件可在分析與應(yīng)用程序調(diào)度軟件的控制下運(yùn)行,可按照預(yù)先設(shè)定的方式,在計(jì)算機(jī)硬盤內(nèi)建立有關(guān)機(jī)電設(shè)備檔案,記錄各設(shè)備開/停時(shí)間、故障狀況、累計(jì)運(yùn)行時(shí)間、維修狀況,并根據(jù)這些信息,定期編排維修計(jì)劃。系統(tǒng)還可以給高級工程人員提供在線編輯、在線調(diào)試和在線診斷的手段,使系統(tǒng)的可操縱性更強(qiáng)[6]。

      當(dāng)通過多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)的自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法測出設(shè)備即將故障后,立即在監(jiān)控系統(tǒng)中提示檢修。若無人應(yīng)答,且實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過新一輪的檢測運(yùn)算后仍得出設(shè)備即將故障的結(jié)果,則在中央級監(jiān)控系統(tǒng)上進(jìn)行提示維修檢測;若依然無人應(yīng)答,則通過組態(tài)軟件智能發(fā)送短消息,提示給主要設(shè)備負(fù)責(zé)人,進(jìn)行維修檢測,從而實(shí)現(xiàn)多級報(bào)警。

5 結(jié)語
      現(xiàn)代軌道交通車站機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)建立在網(wǎng)絡(luò)和智能設(shè)備的基礎(chǔ)上,智能預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用可以使更多設(shè)備具有智能性預(yù)防故障停機(jī)的能力,從而促進(jìn)現(xiàn)代監(jiān)控技術(shù)的快速提高和發(fā)展[7]。針對機(jī)電監(jiān)控中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題,提出智能化設(shè)備監(jiān)控及維護(hù)方案,為智能化在大型監(jiān)控領(lǐng)域應(yīng)用和推廣提供了一個(gè)實(shí)用的設(shè)計(jì)方法。特別是區(qū)域控制器使用嵌入式技術(shù),能夠在不大規(guī)模改動現(xiàn)有設(shè)備的前提下推廣應(yīng)用這一新技術(shù),實(shí)現(xiàn)軌道交通車站機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的智能化與柔性化。嵌入式技術(shù)在EMCS系統(tǒng)中的應(yīng)用研究,是基于上海市科委重大科技攻關(guān)項(xiàng)目,在成功實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警的應(yīng)用后,期望遠(yuǎn)期達(dá)到基于遠(yuǎn)程設(shè)備的在線故障診斷和維護(hù),從而提高系統(tǒng)的維護(hù)水平。