劉純潔 王大慶

(上海申通地鐵集團有限公司， 201103， 上海//第一作者， 教授級高級工程師)

1 超大規(guī)模城市軌道交通路網(wǎng)運營現(xiàn)狀

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴大，城市軌道交通獲得了迅猛發(fā)展，已逐漸成為城市公共交通的主力。以上海為例，截至2018年底，軌道交通日均客流量超過1 000萬人次,軌道交通已經(jīng)成為市民出行的主要形式，是城市公共交通的主力軍，呈現(xiàn)典型的網(wǎng)絡化運營特征。根據(jù)規(guī)劃，到2020年，上海將形成18條線路、850 km、506座車站的超大規(guī)模軌道交通線網(wǎng)。北京、廣州、深圳等大城市的情況也非常類似，按照規(guī)劃，在不遠的將來都將形成超大規(guī)模軌道交通線網(wǎng)。如何高效運營、高效維護是城市軌道交通企業(yè)普遍面臨的關(guān)鍵課題[1]。

城市軌道交通主要專業(yè)的維?，F(xiàn)狀分析如下：

(1) 工務專業(yè)：承擔軌道交通線路、基礎及相關(guān)各種附屬設施的檢查、維修工作，保證線路的安全暢通。目前，城市軌道線路檢測主要為靜態(tài)檢測。靜態(tài)檢測是指在沒有車輪荷載作用的情況下，用人工或輕型測量小車對線路進行的檢查，作業(yè)過程通常采用手工方式，效率低、勞動強度高，人工讀取的數(shù)據(jù)還會不可避免地引起誤差。也有部分專用軌道檢查車輛，用于定期巡檢收集數(shù)據(jù)。工務專業(yè)的各種數(shù)據(jù)基本采用離線分析形式，以人工分析為主，自動化程度較低。

(2) 車輛專業(yè)：維護保障工作量較大，自動化、智能化尚處于初級階段；建有多個零散的子系統(tǒng)，目前正在逐步整合，向體系化方向發(fā)展。以上海軌道交通為例，車輛專業(yè)規(guī)劃建設的鷹眼、平輪檢測、車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€子系統(tǒng)已初步實現(xiàn)車輛關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集和分析。

(3) 通信信號專業(yè)：在CBTC(基于通信的列車控制)系統(tǒng)廣泛應用、全自動運行線路日益增多的背景下，列車行車間隔越來越小，保障行車安全的核心——信號系統(tǒng)日益受到高度重視。信號系統(tǒng)的安全性有一系列相關(guān)的國際標準進行規(guī)范，可靠性和可用性方面則主要由RAMS(可靠性、可用性、可維修性、安全性)進行規(guī)范，在高效智慧的運行維護方面則缺乏有明確約束力的標準和規(guī)范。城市軌道交通企業(yè)迫切需要配置相應的技術(shù)裝備，實現(xiàn)有效的檢修、維護和管理，及時發(fā)現(xiàn)和處理運行中的故障，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。另一方面，城市軌道交通運營線路不斷擴張，逐漸演化為大規(guī)模乃至超大規(guī)模復雜線網(wǎng)拓撲，容易形成蝴蝶效應，即單點的偶發(fā)故障可能產(chǎn)生無法預料的連鎖反應，進而誘發(fā)全線網(wǎng)大面積擁堵甚至癱瘓。從目前國內(nèi)各個城市的軌道交通的運營情況看，通信信號的維保僅能夠滿足基本的設備維修需求，還存在較多問題。當前不同線路的維護支持系統(tǒng)存在較大的差異性，且可用性較差。隨著運營線路的不斷增加，維保工作量也在不斷增加，受到人員編制限制，維護人員的數(shù)量增長也總是滯后。這也是無法滿足日益增加的維護需求的原因之一。另外，還存在以下問題：缺乏通信信號維護行業(yè)標準，維護系統(tǒng)所要采集的監(jiān)測信息不統(tǒng)一，監(jiān)測信息采集不全面；維護系統(tǒng)的集成化、綜合化、智能化水平不足，不能有效支撐設備維修模式向狀態(tài)修轉(zhuǎn)變；數(shù)據(jù)分析功能有待進一步加強；信號故障處理支持較弱。

(4) 供電專業(yè)：在城市軌道交通供電領域，設備維護保障系統(tǒng)中的電力數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(PSCADA)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對主變電所、牽引變電所等的遙控、遙信、遙測、遙調(diào)和遙視，改善變電站運行安全可靠水平、改善運行速率、減少運行成本投入以及保證供電品質(zhì)，但仍然存在信息單一、缺乏集成等缺點。

面對超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)，需要從頂層設計開始，強化網(wǎng)絡層面的統(tǒng)一指揮協(xié)調(diào)功能。建設網(wǎng)絡化運營指揮中心，建立全網(wǎng)統(tǒng)一的各項業(yè)務管理平臺，并不斷優(yōu)化運營生產(chǎn)指揮體系，提升網(wǎng)絡統(tǒng)一指揮與協(xié)調(diào)聯(lián)動能力。設施設備上，不斷提升裝備系統(tǒng)的智能化水平。為提高超大規(guī)模網(wǎng)絡設施設備的運行可靠性，提高列車運行效率，以及提升運營服務質(zhì)量，需將新技術(shù)、新裝備、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等現(xiàn)代科學技術(shù)應用到運營管理和運營服務過程中，以設備來代替人，用技術(shù)來保障運營，打造智慧高效的城市軌道交通網(wǎng)絡。

為此，需要做到：充分依靠技術(shù)裝備和技術(shù)方法，盡可能替代人工的重復性檢修工作，實現(xiàn)智慧化的故障診斷與預測預警；消除各專業(yè)的條塊分隔，智能調(diào)配人、財、物等；實現(xiàn)全線網(wǎng)級別的資源共享，形成適應超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)的維護解決方案，即全壽命周期健康管理系統(tǒng)，實現(xiàn)線網(wǎng)管理的綜合化、標準化、智能化和高效化。

從國內(nèi)外的現(xiàn)狀來看，超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)全壽命周期健康管理系統(tǒng)尚處于概念階段，沒有普遍適用的成熟經(jīng)驗，因此有必要廣泛調(diào)研國內(nèi)外城市軌道交通線網(wǎng)的運維現(xiàn)狀，參考和借鑒高速鐵路、航空航天、核電等關(guān)鍵安全行業(yè)的運維系統(tǒng)，同時關(guān)注能夠推動高效運營維護的先進理論和新興技術(shù)，為超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)的全壽命周期健康管理提供技術(shù)支持。

2 全壽命周期健康管理的參照系統(tǒng)和支撐技術(shù)

目前，在城市軌道交通行業(yè)已經(jīng)開始研究智能運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)是建立在設備使用現(xiàn)場的以預測性微信模式為主的一體化平臺，可以在大數(shù)據(jù)中心支持下，實現(xiàn)關(guān)鍵設備在線實時故障診斷，自動生成維修工單等功能[2]?，F(xiàn)對相關(guān)關(guān)鍵安全行業(yè)的運維系統(tǒng)應用情況進行分析。

2.1 鐵路行業(yè)現(xiàn)狀

在我國鐵路行業(yè)，中國鐵路集團有限公司的高速鐵路全壽命周期健康管理系統(tǒng)尚處于概念階段，尚未出現(xiàn)跨專業(yè)的綜合化集成系統(tǒng)。以鐵路電務系統(tǒng)為例，存在數(shù)據(jù)采集手段落后、檢測數(shù)據(jù)分散、共享率低，以及網(wǎng)絡管理效率低下、電務系統(tǒng)生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)綜合分析智能化低等缺陷。先后有研究人員提出基于故障預測與健康管理(PHM)的設備維修新模式的管理模型,并在高鐵信號設備維護管理[3]和智能一體化電務檢測維護方案[4]等方面進行了一些嘗試和探索，但是尚未得到實際部署。智能一體化電務檢測維護系統(tǒng)，通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)分布在不同地點的ATP(列車自動保護)車載設備檢測信息、地面設備集中檢測信息和通信綜合檢測信息，實時地與電務生產(chǎn)決策部門的管理系統(tǒng)有效同步，解決檢測數(shù)據(jù)分散、共享率低，以及網(wǎng)絡管理效率低的問題；電務生產(chǎn)資源綜合分析平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)電務生產(chǎn)資源的智能診斷分析、故障實時監(jiān)測預警及對電務生產(chǎn)資源配置決策形成指導建議等功能，解決電務生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)綜合分析智能化低的問題，實現(xiàn)快速、準確和智能化的決策過程。

高速鐵路智能化電務檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示：綜合檢測層主要完成對ATP車載設備、地面設備和通信設備的智能綜合檢測；網(wǎng)絡層主要完成所有檢測數(shù)據(jù)的傳輸和共享；智能分析層實現(xiàn)電務生產(chǎn)資源綜合分析，通過對各類檢測數(shù)據(jù)的智能化關(guān)聯(lián)、統(tǒng)計和分析，實現(xiàn)對電務生產(chǎn)資源優(yōu)化配置的指導。

注：ATP——列車自動保護

2.2 航空航天領域現(xiàn)狀

在航空航天領域，形成了PHM的概念，PHM一般技術(shù)框架如圖2所示。PHM是指利用盡可能少的傳感器系統(tǒng)，借助各種智能推理算法，對系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行評估；在系統(tǒng)故障發(fā)生之前對故障進行預測，并根據(jù)預測結(jié)果采取一系列維修措施以實現(xiàn)裝備的視情維修[5]。PHM概念是在美國的JSF聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機計劃中被正式提出的，是JSF聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機實現(xiàn)經(jīng)濟承受性、保障性和生存性目標的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，并由此引發(fā)全球性的PHM研究熱潮。PHM技術(shù)優(yōu)勢在美國F-35戰(zhàn)斗機上得到了充分的展現(xiàn)：PHM的應用改變了維修原理，使得故障檢測覆蓋飛機的各大重要系統(tǒng)，可以實現(xiàn)故障的精確診斷和定位；能夠預測關(guān)鍵部件的剩余壽命，減少了中繼級測試設備和驗證設備，取消了O級測試設備；減少了保障延誤時間，提高了保障效率，降低了維修成本，并簡化了使用和維修訓練程序。根據(jù)美國軍方的統(tǒng)計，JSF聯(lián)合攻擊戰(zhàn)斗機與F-16戰(zhàn)斗機相比，人力成本降低了約30%，保障設備減少了50%，維護人員減少了20%～40%，架次生成率增加了25%。PHM技術(shù)在民航領域也得到了廣泛應用，波音公司運用PHM技術(shù)開發(fā)出飛機狀態(tài)管理(AHM)系統(tǒng),已在全球53家航空公司近2 000架飛機上安裝了該系統(tǒng)，包括B777、B747-400、A320、A330和A340等主流機型。全球最大的航空發(fā)動機制造商羅-羅公司開發(fā)的發(fā)動機健康管理(EHM)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控上萬臺發(fā)動機，在馬航 MH370失聯(lián)事件中提供了重要信息。我國C919大型寬體客機采用的PHM系統(tǒng)，能夠?qū)?萬多項飛機數(shù)據(jù)中涉及飛行安全的4 000個關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)了故障診斷、維修控制決策、飛機運行管理、發(fā)動機監(jiān)控、健康狀態(tài)評估及維修品質(zhì)分析等功能。我國以此建立了國產(chǎn)大型客機的數(shù)據(jù)中心，為大型客機擴展應用服務奠定了堅實的基礎。

圖2 PHM一般技術(shù)框架

2.3 核電領域現(xiàn)狀

在核電領域，核電站設計壽命大多在40年以上，其設備和組件會隨運行時間增加而產(chǎn)生老化和損傷，如何有效檢查和探測結(jié)構(gòu)損傷以確定合適的維護管理策略值得深入探討。核電廠的運營和維護成本占整個核電廠成本的60%～70%，燃料成本只占15%～30%。核電廠的PHM系統(tǒng)可以預測可能發(fā)生的故障，從而能夠進行預防性維護，降低經(jīng)濟損失[6]。

另一方面，5G、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，為超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)的全壽命周期健康管理系統(tǒng)提供了強有力的技術(shù)支撐。物聯(lián)網(wǎng)可以支持各個末梢節(jié)點數(shù)據(jù)采集和短距離傳輸；5G能夠為關(guān)鍵數(shù)據(jù)的大容量快速傳輸提供通道，并提供相應的精確定位[7]；云計算實現(xiàn)了計算資源的按需靈活部署、彈性均衡和高容災，使得企業(yè)可以聚焦于核心業(yè)務集成，直接使用云計算供應商提供的計算資源，而無需耗費大量人力、物力建設機房；大數(shù)據(jù)技術(shù)支撐了超大規(guī)模城市軌道交通路網(wǎng)的海量運行數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的價值化；以深度學習為代表的人工智能具有特征提取和快速分類能力[8]，可以用于各類設施設備故障的自動識別、自動分類，極大地減少了人工重復檢查工作，并確保了檢查質(zhì)量。

3 超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)全壽命周期健康管理系統(tǒng)

3.1 體系架構(gòu)

超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)全壽命周期健康管理系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖3所示。體系架構(gòu)自底向上依次分為三層：多維可信數(shù)據(jù)感知平臺、大數(shù)據(jù)驅(qū)動型維修支持平臺和綜合智慧運維管理平臺。通過三層平臺的相互配合實現(xiàn)跨專業(yè)、跨線網(wǎng)互操作的統(tǒng)一化綜合運維業(yè)務。

圖3 超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)全壽命周期健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

(1) 多維可信數(shù)據(jù)感知平臺直接面向在途運營設備，通過可信數(shù)據(jù)采集、多源數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)的采集和預處理，為上層應用提供可信的、海量的設備工況信息。實現(xiàn)關(guān)鍵設備數(shù)據(jù)有效無損的采集和融合，為挖掘數(shù)據(jù)蘊含的設備健康度和故障信息提供全面、可靠的數(shù)據(jù)來源。

(2) 大數(shù)據(jù)驅(qū)動型維修支持平臺通過分布式存儲、跨專業(yè)多元異構(gòu)海量數(shù)據(jù)存取等關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速訪問；健康度評測和故障診斷的智能化技術(shù)實現(xiàn)設備故障預測與診斷，為維修決策提供參考。

(3) 綜合智慧運維管理平臺以故障應急管理為中心，實現(xiàn)維修人員調(diào)度、備品管理、業(yè)務工單生成等功能，而且能夠為運營提供相關(guān)業(yè)務統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

3.2 智能化運維研究

本系統(tǒng)的創(chuàng)新部分是基于人工智能對關(guān)鍵設備進行異常檢測，因此，需要研究的是：如何有效利用多傳感器采集的大量數(shù)據(jù)，綜合分析出能準確反應設備健康程度的量化評估值；如何通過設備健康度曲線分析設備不同階段的臨界點及變化趨勢，準確預測和診斷設備的故障；如何通過大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，智能化分析出設備的故障機理。之后，對于分析的結(jié)果，通過可視化來表達，讓所有的人理解一致、執(zhí)行一致、結(jié)果一致。

3.2.1 多維可信數(shù)據(jù)采集研究

城市軌道交通涵蓋車輛、線路、供電、通信信號等眾多專業(yè)，是一個大聯(lián)動機，只有眾多人員的協(xié)同配合和諸多設備的有序運行，才能實現(xiàn)整個城市軌道交通系統(tǒng)的正常運行。目前各專業(yè)的設備運行數(shù)據(jù)采集往往是專業(yè)內(nèi)部的、孤立的，沒有充分考慮關(guān)聯(lián)專業(yè)的輸入條件。例如，軌道電路的偶發(fā)紅光帶，有可能由軌道電路故障引起，也可能由工務維修人員檢修線路導致，此類故障數(shù)據(jù)需要人工甄別，耗費大量人力，效率低下。另外，現(xiàn)有設備監(jiān)測系統(tǒng)對長時間尺度預測效果不佳，數(shù)據(jù)可信度將大大降低。因此需要研究城市軌道交通設備運行數(shù)據(jù)的多維可信采集，為挖掘數(shù)據(jù)蘊含的設備健康度和故障信息提供全面、可靠的信息來源。

3.2.2 跨專業(yè)多元異構(gòu)海量數(shù)據(jù)實時存取研究

基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠有效采集到實時的設備運維數(shù)據(jù)，但數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為每個運維子部門(專業(yè))提供的數(shù)據(jù)格式和表述方式不完全一致，即數(shù)據(jù)存在異構(gòu)性。而且，設備設施產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大，如何實時存取各個專業(yè)的異構(gòu)海量數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)中心，是整個城市軌道交通線網(wǎng)全壽命周期健康管理系統(tǒng)的基本保障?；贖adoop分布式架構(gòu)的云存儲系統(tǒng)[9]是實現(xiàn)多元異構(gòu)海量數(shù)據(jù)實時存取的關(guān)鍵系統(tǒng)。相比于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，Hadoop分布式架構(gòu)的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)存儲的分布式處理方式，能夠?qū)碜愿鱾€專業(yè)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)分布式存儲于各個機柜中。分布式架構(gòu)采用并行處理方式，因此能夠加快數(shù)據(jù)的存儲速度。同時，需要研究基于Hadoop分布式架構(gòu)的高效數(shù)據(jù)備份策略，當數(shù)據(jù)庫遭受異常事件，數(shù)據(jù)部分或全部丟失時，使用備份策略能夠?qū)G失的數(shù)據(jù)及時恢復。

3.2.3 關(guān)鍵設備健康度評測與故障診斷的智能化研究

準確地對設備進行健康度量化評估，并預測診斷設備的故障，得到設備的健康狀態(tài)信息，需要用傳感器或者其他監(jiān)測工具對設備進行實時信息采集。通常，不同的傳感器采集得到的信息反應了設備不同層面的健康狀態(tài)。因此，通過部署多個傳感器采集設備運行時產(chǎn)生的實時大數(shù)據(jù)，然后利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等前沿技術(shù)，從不同層面整體考慮設備的健康情況，計算得到一個設備的整體綜合量化健康度評估值，即可用具體的健康度指數(shù)反應設備的健康程度。通常情況下，在沒有發(fā)生突發(fā)異?；蚪煌ㄊ鹿实臈l件下，設備的健康度函數(shù)是隨著時間單調(diào)遞減的[11]。長期對設備進行監(jiān)測，能描繪出設備整個生命周期的健康度變化曲線，清晰地看出設備不同時間段的健康程度。綜合分析各個型號設備的健康度曲線，計算不同時段臨界點與特殊點，在線預測正在運行的設備的健康度變化，及時預測或診斷出設備的故障。

3.2.4 信息可視化研究

通過人機交互、數(shù)據(jù)挖掘、圖像技術(shù)和圖形學等學科的理論和方法的結(jié)合，將抽象信息和數(shù)據(jù)進行模擬和類比，使之轉(zhuǎn)化成為形象、具體的可視信息。將抽象信息以直觀的視覺方式表現(xiàn)出來，也使得人們能夠充分利用視覺和感知能力去觀察、處理信息，從而發(fā)現(xiàn)信息之間的關(guān)系和隱藏的模式[12]。對于全壽命周期健康管理系統(tǒng)來說，提供一種高效、一致性、透明化、面向用戶的服務是運維的價值所在，這樣就要求屏蔽其提供的服務背后的所有實現(xiàn)細節(jié)。利用信息可視化技術(shù)，對復雜的維護保障工作流程進行可視化表達，可以讓所有的人理解一致、執(zhí)行一致、結(jié)果一致。

4 結(jié)語

超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)全壽命周期健康管理系統(tǒng)，采用跨專業(yè)頂層設計，具有預警智能化、維修可視化、管理綜合化三大典型特征，將車輛、工務、通信信號和供電等專業(yè)集成到統(tǒng)一的健康管理平臺，實現(xiàn)跨專業(yè)平臺化運行，消除信息孤島，顯著提高檢修維護效率。

全壽命周期健康管理系統(tǒng)以系統(tǒng)安全為底層基礎，以系統(tǒng)可用性為指標，通過故障事件驅(qū)動，實現(xiàn)人、財、物的自動化智能配置，打破了工務、車輛、供電和通信信號等各個運維業(yè)務的條塊分隔，消除了采購、倉儲、維修、結(jié)算等業(yè)務流程的縱向延遲，實現(xiàn)了人員調(diào)度、備品備件、維修工單、統(tǒng)計數(shù)據(jù)的自動觸發(fā)融合，最大程度地實現(xiàn)資源統(tǒng)籌和共享，是解決超大規(guī)模城市軌道交通線網(wǎng)集約發(fā)展的必由之路。