基於通信的列車控制系統 （CBTC） 是當前城市軌道交通領域的主流信號系統，其功能不依賴於列車佔用檢測設備，集列車主動定位技術、連續車—地雙向數據通信技術於一體，透過可執行安全功能的車載和地面處理器構建的連續式列車自動控制系統。CBTC 系統包括列車自動監督 （ATS）、列車自動防護 （ATP）、列車自動駕駛 （ATO）、計算機聯鎖 （CBI）、數據通信 （DCS）、維護監測子系統等子系統 ，其中 ATP 又包含車載控制單元 （OBCU） 和地面區域控制中心繫統 （ZC）。ZC 系統是按照故障導向安全原則，以計算機爲主要技術手段實現的列車控制系統，作爲 CBTC 系統的地面核心設備，具有列車管理、授權 （MA） 計算及 ZC 切換等功能 ，在保證列車行車安全、提高運輸效率、改善勞動條件、爲管理現代化創造條件等方面起着非常重要的作用。在系統維護階段，ZC 系統通常採用改正性維護方法作爲系統維護的主要方式。改正性維護是一種事後維護的方式，即在系統使用過程中，影響運營效率或運營安全的情形發生後，採用故障報警查詢，事件回放的方式來查詢和分析故障。ZC 系統的核心功能是透過向車載系統發送移動授權實現列車安全間隔功能，其功能的完成依賴於車載提供的高精度列車定位資訊，聯鎖系統提供的軌旁設備資訊，相鄰 ZC 系統提供的 ZC 邊界資訊及 ATS 系統提供的線路臨時限速資訊。作爲一個實時控制系統，ZC 系統的執行控制週期非常短，輸入輸出均需滿足一定的實時性要求。同時，由於城市軌道交通行車密度大、追蹤間隔短，一輛列車的晚點往往會影響後續列車的正常執行，甚至會導致整個城市軌道交通系統的秩序紊亂。因此，ZC 系統維護工作需要滿足相關子系統多、維護資訊密集且維護數據量大的要求。城市軌道交通的信號設備從新線建設到開通時間通常較短，維護人員難以在較短時間內掌握設備的全過程特性，因而需要提供一種有效的技術手段，改善 ZC 系統現有的維護方法，及時發現系統的設計隱患，檢測系統的外部輸入是否符合系統設計要求，在系統發生故障前即可對維護人員進行提示，以達到節約企業維護成本，降低維護人員勞動強度，提升整個系統安全性和運營效率的目的。
1 ZC 系統的改正性維護
1·1 主要功能
ZC 系統的改正性維護是透過獨立設定於集中站的維護終端子系統實現的，主要包括數據記錄、實時監視、數據查詢和系統報警等功能。
（1）數據記錄功能。ZC 系統接收和發送的資訊種類多，數據量大且相當密集，同時對資訊的實時性要求很高，ZC 系統與維護終端系統採用 UDP的方式相連，通信週期需小於 250 ms。數據記錄功能負責分類記錄系統的工作狀態資訊及與其他系統的通信資訊，包括聯鎖的軌旁設備資訊和強制資訊、列車的定位資訊和授權資訊、ATS 的臨時限速命令和限速狀態資訊、相鄰 ZC 的邊界資訊等。在記錄相關資訊時，維護終端系統按照時間的先後順序，將收到的通信資訊記錄於數據庫中。維護終端系統需要將所有的維護資訊至少儲存1個月。（2）實時監視功能。資訊顯示功能是維護終端系統與維護人員的主要接口，維護終端系統需要實時顯示站場圖形資訊、系統的工作狀態資訊、列車的位置、速度和移動授權資訊、計軸區段/邏輯區段的佔用和鎖閉狀態、信號機的開放/關閉資訊、道岔的定位/反位及鎖閉資訊、屏蔽門的開關狀態、緊急停車按鈕和無人折返按鈕的狀態資訊、臨時限速的範圍和限值資訊、ZC 系統與其他子系統的通信狀態等。由於需要顯示的資訊種類多，數據量大，需採用定時重新載入的方式來進行介面的更新。（3）數據查詢功能。維護終端系統可根據組合條件進行數據查詢，也可以依據數據記錄功能存儲的歷史數據，以動態顯示的方式，再現指定時間段內站場的列車執行資訊，設備變化資訊及各種通信資訊。透過提供正常播放、快進、快退、單幀播放等功能，可以大大提高故障分析的效率。（4）系統報警功能。維護終端系統對 ZC 系統的報警資訊、ZC 系統的工作狀態資訊、ZC 系統與外部系統之間的通信狀態、系統功能執行情況等提供基本的報警功能。例如，當 ZC 系統與其他系統通信中斷或系統功能執行失敗而導向安全側時，在主顯示介面彈出視窗進行報警，提示維護人員進行檢視。
1·2 存在問題
ZC 系統的改正性維護很好地解決了故障發生後的可視化回放、故障原因分析及故障定位等問題，但仍然存在以下缺點：①維護終端系統只設定於集中站，透過集中監測系統提供有限的遠程監測資訊，故障發現依賴於維護人員的定期巡檢，增加了維護人員的勞動強度；②系統報警被動地依賴於ZC系統的故障報警設計，缺少主動分析；③ZC 系統只能監測系統當前的狀態，無法對系統參數進行長期監測、對故障進行預測、在故障發生前提前進行維護。
2 ZC 系統預見性維護實現
預見性維護是一種提前維護的方式，在系統中潛在的錯誤成爲實際錯誤前對其進行檢測和更正的維護方式，ISO/TS16949：2009 對它的定義是：“基於過程數據，透過對可能的失效模式進行預測而避免維護問題的活動”。預見性維護的基本模式是：不定期或連續對錶徵設備實際執行狀態的參數進行監測；根據監測結果進行技術診斷，做出是否發生故障及故障類型、故障程度的評價；推測設備故障趨勢，識別最佳維護時機。與傳統的改正性維護相比，預見性維護具有發現故障早、安全影響小、運營影響小的優勢。ZC 系統的維護在傳統改正性維護方法的基礎上，增加維護系統的聯網功能和故障分析預測功能，以提供 ZC 系統的預見性維護能力，從而提高整個系統的運營效率。ZC 系統的預見性維護系統可以透過增加維護終端系統的聯網功能，維護系統可以支援集中控區和中心服務器的大容量數據傳輸；透過在中心增加維護服務器，維護系統可以提供故障分析預測功能。故障分析預測功能是 ZC 系統預見性維護的核心內容，透過預先定義的'分析規則，對一定時間範圍內的單個集中站或全線的維護數據進行分析，對系統可能存在的設計隱患和缺陷進行警示，對系統輸入的異常情況進行標記，爲提前進行維護提供依據，ZC 系統的預見性維護系統結構分爲中心維護服務器和車站層維護終端 2 個層次。其中，中心維護服務器是預見性維護的核心，負責實現故障分析預測功能，對單個集中站或整條線路的資訊進行綜合分析工作。車站層維護終端是預見性維護的基礎，負責接收各種數據資訊並將其轉化爲可視的圖形介面及可分析的數據，實現數據通信、數據記錄、資訊顯示、系統報警及歷史記錄回放功能。
2·1 中心維護服務器的實現
中心維護服務器採用商用高性能服務器，可對維護資訊進行綜合分析，如通信延時的分析、單列車授權的分析、報警資訊綜合分析等。中心維護服務器是整個預見性維護系統的核心部分，軟件使用通用腳本語言進行開發，根據維護系統需要完成的功能，將中心維護服務器軟件劃分爲 4 個模組，分別爲數據讀取模組、規則匹配模組、綜合分析模組及資訊輸出模組。（1）數據讀取模組。維護服務器軟件的輸入處理模組，按照時間順序分別讀取各站維護終端記錄的維護資訊，並建立索引資訊，提供給綜合分析模組使用。（2）規則匹配模組。根據系統開發過程和測試過程中的經驗及專家意見，將其歸納爲故障分析規則，採用配置檔案的方式，作爲分析系統輸入。規則匹配模組透過讀取該配置檔案，生成分析規則，提供給綜合分析模組使用。綜合分析模組。該模組是中心維護服務軟件的核心模組，按照時間的順序，對指定記錄進行分析。根據分析目的的不同，可以單獨分析指定聯鎖的資訊、指定列車的位置或授權資訊、指定ZC控制範圍內所有列車的資訊、指定時間段內的報警資訊等，這些功能均透過修改配置檔案來實現。（4）資訊輸出模組。中心維護服務器軟件採用標準化的輸出格式，以文字的形式輸出系統分析結果，維護人員可以將分析結果匯入 Excel 來進行進一步的篩選和圖形化的顯示，以提升故障分析的效率。
2·2 車站層維護終端的實現
車站層維護終端採用通用的工業控制計算機組成，透過高性能數據庫來記錄維護資訊，車站層維護終端與中心維護服務器之間採用百兆以太網進行聯接，可以快速傳輸大容量的維護資訊。車站層維護終端作爲 ZC 系統的基本維護單元，透過獲取ZC 系統與其他系統的交互數據和 ZC 系統的工作狀態，實現 ZC 系統的維護資訊記錄功能，同時提供可視化的介面，爲 ZC 系統的維護及故障分析提供條件 。車站層維護終端使用成熟的系統語言進行開發，採用模組化的設計方法，將系統功能進行高內聚低耦合的劃分，降低了各模組之間的依賴性，有利於維護終端系統的維護和後續開發。車站層維護終端劃分爲 5 個模組，分別爲通信處理模組、數據記錄模組、資訊顯示模組、故障報警模組和歷史記錄回放模組。①通信處理模組。負責與 ZC 系統和中心維護服務器進行通信。②數據記錄模組。採用高性能的數據庫，記錄集中站 ZC 系統相關的所有維護資訊。③資訊顯示模組。實時顯示集中站 ZC 系統範圍內所有的設備狀態資訊及列車執行資訊。④故障報警模組。在單個集中站 ZC 系統發生故障時，採用主介面彈出對話框的方式對維護人員進行提示。⑤歷史記錄回放模組。回放指定時間段內 ZC 系統的工作狀態，用於故障的回溯分析。
3 ZC 系統預見性維護的應用
3·1 預見性維護的基本流程
ZC 系統週期性地將輸入資訊、輸出資訊和工作狀態發送給車站維護終端。中心服務器按照系統維護的要求週期性地收集車站維護終端的記錄資訊並對其進行分析。預見性維護基本流程如圖 2所示。維護記錄分析的依據是系統設計時設定的各項指標，按照時間順序逐項分析記錄中的種類資訊，最終給出潛在的風險點並向維護人員進行提示。潛在風險點有時間、車站、設備類型、風險編碼、風險級別及風險原因等基本屬性，以便於維護人員對其進行追蹤。對標記的潛在風險點，維護人員使用車載維護終端提供的歷史記錄回放功能，對潛在風險點前後的場景進行分析，確認所標記的潛在風險點的性質，偶發性和系統設計性的潛在風險需要進一步確認。在確定了潛在風險點的性質後，再使用車站維護終端的資訊顯示功能，檢視潛在風險點產生的原因。資訊顯示功能在歷史記錄回放時可以檢視事件發生時 ZC 系統與其他子系統通信報文的詳細資訊、系統內部的核心變量資訊、系統各硬件板卡的工作狀態及其他附加報警資訊，結合這些資訊，維護人員可以對潛在風險進行最終定位。在最終定位風險源後，即可對系統提出維護/修改申請，按照系統變更的標準流程來對系統進行維護。
3·2 預見性維護的實例分析
由於 ZC 系統對其他系統提供的資訊延時非常敏感，各種外部輸入的延時分析不僅是系統設計需要重點考慮的內容，也是在系統維護過程中需要重點關注的內容。ZC 系統在設計時，對每種通信報文的延時都設計了一個安全極限值。在系統正常執行的情況下，各種通信報文的延時都有一個正常的範圍，一旦某種通信報文的延時連續超出了這個正常範圍，說明與相關係統的通信處於一個“亞健康”狀態，隨時有可能超過安全限值而影響運營，這種情況被視爲一個潛在的風險。對通信延時的分析，主要透過 2 個維度來進行，一個是指定時間段內通信延時的時間分佈，延時時間分佈如圖 3 所示，如果通信發生異常，可以清晰看出通信異常的發生時間；另一個是通信延時時間的區間分佈，延時區間分佈如圖 4 所示，可以清晰看出某個時間段內是否有通信延時異常及發生了多少次延時異常，爲系統的通信維護提供依據。
4 結束語
ZC 系統的預見性維護系統不僅可以透過可視化的人機介面實時顯示 ZC 系統狀態及外部系統發送的行車相關數據，並對執行過程中的歷史數據進行記錄、查詢和回放，實時瞭解現場狀態和存在的問題，而且可以使用分析規則對記錄的通信資訊和系統狀態資訊進行綜合分析，在一定程度上發現系統應用中的薄弱點和潛在的風險點，從而爲區域控制中心繫統的提前維護提供依據。此外，由於 ZC系統的預見性維護系統記錄的數據種類繁多，各種數據之間的邏輯關係複雜，應對數據進行深入挖掘，提出更多的分析規則，爲研究安全可靠的城市軌道交通列車控制系統提供重要支撐手段，也爲城市軌道交通的安全運營提供更多的資訊管理系統保障。