全国各大城市的轨道交通正在大规模建设，并逐步呈网络化格局^[1]。通信系统是轨道交通生产系统的重要组成部分，其构成包括传输、车地综合通信、专用电话、无线集群、视频监控、乘客信息、广播等子系统，覆盖上千个设备^[2]。

目前，城市轨道交通大多采用传统的设备运营维护（简称：运维）模式，中心级运维工作处于“一线路、一中心、一网络管理（简称：网管）室”模式，建设线网级运维中心无法有效减少线路级运维人员的人工巡检工作量，不能满足网络化运营下通信系统集约化发展的要求^[3-7]。主要存在问题有：（1）各子系统网管相对分散独立，运维人员，巡检工作量大；（2）每条线路的网管室终端数量较多，不仅大量占据了网管室的空间，也增加了日常网管设备维护的工作量；（3）设备网络中断后，无法进行远程维护，需要专人现场处理，维修效率较低；（4）在管理更多线路后，传统运维模式在不增加人员及班组的情况下，无法实现对多线路网管设备7×24 h的不间断监控；（5）若采用网管工作站远程登录的方式对各子系统设备进行巡检和操作，不能满足网络安全等级保护要求，易产生安全隐患。

为解决上述问题，本文设计通信系统集约化管控平台（简称：管控平台），采用设备集中、管理集中的模块化布局理念，围绕通信系统深度管控目标，建立管控平台与通信系统信息嵌套互联模式，为促进城市轨道交通通信系统多线路运维巡检集约化的发展提供参考。

1   管控平台架构设计

1.1   总体架构

管控平台总体架构如图1所示。

图  1  通信系统集约化管控平台总体架构

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基于通信专业子系统架构，从机房一体化监测、专用设备监控、业务应用监测这3个维度挖掘数据采集、告警分析、健康管理及故障预测需求；围绕运行监测、故障诊断、智能预测、维修生产这4种服务进行通信集约化管控，方便网管、维修、巡检工班等用户进行“线网、线路、车站”三级部署下的通信系统多专业集约式运维管理。

（1）面向“线网级”：管控平台实现对多线路网管设备及核心服务器的统一管理和集中监控。（2）面向“线路级”：采用多元化承载的通信传输监测系统与可靠性保障手段，增强设备运行状态数据监测的广度和深度，从而为设备运营故障和健康状态的分析提供支持。（3）面向“车站级”：充分利用物联网和大数据技术，基于故障调用链追踪与分布式联合诊断实现设备状态的实时监测和故障预测。管控平台通过采集和分析大量的设备状态数据，及时发现潜在故障，提前进行维护和修复，提高通信系统的可靠性和可用性。

1.2   网络架构

管控平台的监测目标包括无线通信、时钟、乘客信息等通信子系统的硬件状态、软件状态、业务运行状态、业务访问数据、告警数据、链路数据、开关数据等关键信息。管控平台由管控中心层设备和各线路侧的控制中心层设备构成，实现对不同线路的网管设备和核心服务器轮询切换，其网络架构如图2所示。

图  2  管控平台网络架构

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管控平台使用允许用户通过IP网络远程访问和控制服务器（KVM Over IP）的技术，通过捕获计算机的键盘、显示器和鼠标接口的模拟信号，将其转换成数字信息包，并利用网络中的TCP/IP连接进行加密和压缩的安全数据传输，以实现对通信设备的远程控制^[8]。具体过程为：KVM Over IP技术将连接的所有管理对象的视频和控制的模拟信息转换为数字信号，并将其压缩为IP包后通过网络传输；控制设备的客户端接收来自管理对象的IP包后，对其进行解码和重新组合，以恢复原始的数字模式，并将其转换为模拟信号传输到控制客户机的屏幕上；网管员通过控制屏幕查看管理对象的当前信息状态，并使用本地的键盘和鼠标发出一系列控制命令；这些命令经过控制客户端的组合和加密后，以IP包的形式通过网络传输到通信设备进行解包，并将其转换为视频和控制的模拟信号，然后传输到被管理对象，从而执行相应的操作，实现对多个设备的操作控制。

使用KVM Over IP技术的管控平台不仅可以利用既有资源进行二次开发，对既有线路网管集约化运维管控提供支撑，同时，可对多条线路控制中心原生网管、网络设备（交换机）、服务器等多网管多设备集中管控，从而节约通信网管室空间。集约化的方式提升了城市轨道交通运维效能，也降低了运维人员的工作强度及运营单位的人工成本。

1.3   功能架构

管控平台对各子系统集成管理，通过搭建基础运行环境和资源，以设备监测及维修维护为目标，实现多个子系统集中控制管理、设备报警自动触发、故障阈值计算分析、高能耗设备精确定位、设备健康预警等功能，降低运维人员劳动强度，提供维修辅助决策支持功能，从而实现减员增效的目的。管控平台功能架构如图3所示。

图  3  管控系统平台功能架构

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（1）运营维修人员通过使用管控平台对多线路设备网管和核心服务器7×24 h的不间断监控，实现了多线路数据资源的综合共享，以及全局事件快速处理和一体化管理。运营维修人员无须在各线路网管室定期巡视，实现了维修效率的提升和维修人员成本的降低；实现了对多个子系统集中控制管理，故障快速发现，不需要在被管控的主机上安装任何软件和硬件，不占用生产设备硬件资源。同时，网管工作站采用集约化布置，省去了大量的桌面空间和网管室空间。

（2）管控平台覆盖控制中心、车站和备用控制中心设备，实现现场多种通信终端的统一接入，有效缩短各子系统间联动路径，在接收到如异物入侵报警系统、电子围栏系统等安防系统因特殊风险事件而产生的触发指令时，管控平台可自动联动至相应的报警区域，并发出报警信息提示工作人员处理。

（3）基于通信系统设备状态智能感知、告警管控、状态回传及能耗监测，运用数据挖掘理论的关联规则算法、知识图谱和聚类分析算法，对通信故障类别划分及风险等级智能判定，通过数据模型分析计算，将实时态势数据、分析结果数据、预警告警信息，进行多维度、全时空的可视化，为用户提供可视决策支持，实现通信设备健康管理及智能管控。基于图像采集和深度学习的智能巡检功能可实时监控机房内设备及电路状况，对采集的视频数据进行精确处理分析，一旦设备发生异常，可通过预设的模型迅速判定故障类别及位置，提升巡检效率及精确度。

2   关键技术

通信系统中的传输子系统是轨道交通系统中多个关键业务系统的骨干神经网络，连接各个线路，提供通畅、自动、智能运行的信息传输通道。然而，目前轨道交通的车地无线通信和信号车地无线通信均为单独组网，导致了重复投资和资源浪费。为了解决这一问题，可将综合承载链路故障监测技术应用于传输系统中，通过监测链路故障，确保传输通道的稳定性和可靠性。同时，利用通信运营装备故障特征提取与性能预警技术，提取故障特征进行性能预警，提前发现潜在问题，避免故障发生，提高系统的整体性能。采用光纤数字化设备可以有效建立自愈环网结构，使数据能够通过自愈网结构进行针对性传输，实现大量数据和信息的精准高效传送，从而实现系统保护、自愈、扩容、升级、组网和自诊断功能。

2.1   综合承载链路故障监测技术

针对通信传输链路点多、线长、面广、隐蔽性强等特性，基于车—地双向高效的通信基础设备在线监测，通过故障定位单元发射微功率的射频信号，依据多个射频信号的回波损耗值和时延，计算出故障点的驻波比值和位置，实现“米级”精度的通信异常链路的自动定位监测、分析和集中管控，大幅增强稳定性和高可用性，显著提高了因脱落、侵界等风险引发致命灾害的规避能力。综合承载链路故障监测设备由链路故障监测系统（包括各种传感器、处理器、通信模块等硬件，以及用于数据采集、分析和报告的软件）、现场管理单元及监测主机组成。综合承载链路故障监测设备组成如图4所示。

图  4  综合承载链路故障监测设备组成示意

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综合承载链路故障监测技术可在线实时监测传输设备（包括核心网设备、基带处理单元、射频拉远单元）的端口及指标状态，能够实时在线监测边缘层链路的通断情况和传输性能，并即时发出告警信息；同时，能够对关键边缘层链路设备（如轨旁设备、漏缆电缆、接头、跳线、避雷器、直流阻断器、馈缆、天线、合路器等）进行全面在线监测，包括每个位置的回波损耗和驻波值，并能够准确定位故障发生的具体位置。此外，还具备故障定位分析、用户管理、配置管理、数据备份和实时告警等功能，能够对设备运行数据进行统计处理，并生成各种统计报表。

2.2   通信运营装备故障特征提取与性能预警技术

城市轨道通信系统涉及传输、广播、乘客信息、视频监控等多个子系统，设备故障跨系统联动分析、状态修预测修策略制定难，本文提出跨网关的通信设施设备故障特征提取方法，在不完备条件下提取设备数据有效特征，形成故障状态特征库，基于通信设备状态预警和跨子系统故障快速定位方法，为通信运营装备的精准维修和节能预警提供辅助决策，更好地适应超大城市轨道交通网络化运营需求。管控平台通过数据采集或样本集训练提取KVM Over IP和通信系统设备故障，形成故障特征库，实现“故障特征提取—状态监测—故障诊断—故障预测—保障决策”的多网管多设备集约化闭环管理，提升通信系统可靠性和稳定性，如图5所示。

图  5  故障特征提取流程

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（1）利用设备采集状态数据和故障数据进行归集等预处理，构建故障状态仿真模型，获取通信系统中典型故障，形成故障状态特征库；（2）采用常用特征提取方法，建立通信系统各种特征描述的故障演化趋势曲线；（3）对各种特征描述的故障演化趋势进行分析，并计算其对故障演化过程的跟踪能力；（4）通过比较，选择具有最大跟踪能力的特征作为故障预测特征；（5）利用BP神经网络预测模型，建立具有机器自学习能力的通信系统信息采集网络故障智能分析功能。

此外，可以利用通信系统设备状态参数与历史数据样本学习和分析，提取出关键设备指标劣化特征和趋势，掌握各子系统的运行状态趋势和关键设备指标劣化规律，推演出故障预警并指导维修，实现“数据采集—故障分析—运维策略生成”全流程的闭环控制。

3   结束语

本文通过构建通信系统集约化管控平台，对多线路各类子系统设备进行集中管理和控制，实现设备的监测、故障诊断与修复、设备状态的实时监控等功能，为城市轨道交通提供跨专业融合、集约式管控、统一可视的技术手段，同时，该平台有助于轨道交通运营公司实现对管辖的多条线路的集中管控，实现中心各线路机房设备、网管设备、调度大厅设备和电源设备的巡检，以及控制中心和所有线路车站通信信号设备的故障响应及处理，最大限度减小对既有运营的影响，具有推广价值。后续将进一步研究通信系统健康评估、数据挖掘等方向，以满足通信系统在设备故障快速定位、跨系统联动分析、智能化运维、精细化运维成本管理等方面的管理要求。