黃寶靜，周凌云，桑曉明

（1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司運輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081；2.鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

依據(jù)2014年中華人民共和國國務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于調(diào)整城市規(guī)模劃分標(biāo)準(zhǔn)的通知》，城區(qū)常住人口1 000萬以上的城市為超大城市。為緩解超大城市交通的壓力，方便市民的日常出行，北京、上海、廣州等地紛紛修建了龐大的地鐵網(wǎng)絡(luò)，隨之而來的運維成本和壓力也大幅增加。為有效提高地鐵運維效率、提升運營安全水平，實現(xiàn)“經(jīng)驗型計劃修”向“感知型狀態(tài)修”的轉(zhuǎn)變，引入智能化技術(shù)顯得十分迫切。同時，隨著物聯(lián)網(wǎng)、5G通信、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)的興起，信息物理系統(tǒng)（Cyber-Physical Systems，CPS）也隨之孕育而生。CPS將計算、通信與物理技術(shù)有機地融合，可實現(xiàn)對設(shè)備的實時感知、動態(tài)控制和信息服務(wù)?；贑PS技術(shù)特征構(gòu)建的超大城市地鐵機電設(shè)備智能運維體系是在站臺門、自動售檢票機、空調(diào)、電梯、排風(fēng)扇等設(shè)備運行數(shù)據(jù)的提取、分析、建?；A(chǔ)上，實現(xiàn)對上述設(shè)備的狀態(tài)實時診斷、故障提前預(yù)警、維修工單自動生成及物料庫存動態(tài)調(diào)整。

1 超大城市地鐵機電設(shè)備運維現(xiàn)狀

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會統(tǒng)計，截至2019年底，我國內(nèi)地已開通地鐵城市37個，總運營里程超過5 180.6 km，網(wǎng)絡(luò)化運營“規(guī)模體量大、線路分布廣、樞紐數(shù)量多、運營負(fù)荷強度大”的特點日益突出，從而對地鐵機電設(shè)備運維管理提出了更高的要求。為此，北京、上海、廣州等超大城市，結(jié)合本地地鐵網(wǎng)絡(luò)運維要求，紛紛構(gòu)建了本土化的智能運維系統(tǒng)。全國及北京、上海、廣州地鐵在2013年—2019年的運營里程如圖1所示。

1.1 北京地鐵

北京地鐵第一條線路于1971年正式開通，截至2019年底已開通運營線路22條，覆蓋了11個市轄區(qū)，運營總里程為637.6 km。為有效解決定期人工巡檢方式所造成的效率低、成本高等問題，北京地鐵結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)，初步構(gòu)建了設(shè)備在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了站臺門、自動售檢票機、空調(diào)、電梯、封閉柜體及過軌穿管內(nèi)不可視設(shè)備運行狀態(tài)的實時檢測、故障預(yù)警，大幅提升了北京地鐵場站機電專業(yè)設(shè)備的檢測效率和精準(zhǔn)度。

圖1 全國及北京、上海、廣州地鐵在2013年 — 2019年運營里程

1.2 上海地鐵

上海地鐵網(wǎng)絡(luò)的運營設(shè)備由車輛、信號、通信、信息、變電、接觸網(wǎng)、線路、土建、控制中心和車站機電10大專業(yè)設(shè)備組成，截至2019年底已開通運營線路18條，運營總里程達(dá)669.5 km。為提升設(shè)備狀態(tài)檢測的精準(zhǔn)度和故障處理的敏捷度，上海地鐵依托物聯(lián)網(wǎng)、自動控制、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)智能感知、故障遠(yuǎn)程自動預(yù)處理。例如，在車輛專業(yè)，上海地鐵自主搭建了由鷹眼、平輪檢測、車地數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€子系統(tǒng)組成的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)智能分析平臺，初步實現(xiàn)了車輛專業(yè)關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和分析。對于其他如供電、工務(wù)、通號、機電等專業(yè)，上海地鐵也分別建有多個零散的子系統(tǒng)，目前正在逐步整合。

1.3 廣州地鐵

廣州地鐵是服務(wù)于中國廣東省廣州市和珠江三角洲的城市軌道交通系統(tǒng)，截至2019年底運營線路14條，運營總里程為489.4 km。在設(shè)備運維智能化方面，廣州地鐵以專業(yè)化、精細(xì)化作業(yè)為主，建立了由輪軌接觸幾何狀態(tài)、受電弓及車頂狀態(tài)、站臺門閉合狀態(tài)、空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)等檢測模塊組成的智能運維系統(tǒng)，但目前該系統(tǒng)各模塊采集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場故障數(shù)據(jù)、維修工單數(shù)據(jù)、庫存物料信息等并未實現(xiàn)共享。

2 超大城市地鐵機電設(shè)備運維存在的問題

2.1 自動化、智能化運維手段不足

隨著新修線路與場站的增加，地鐵車站內(nèi)機電設(shè)備數(shù)量和種類也在不斷增長，使得保障超大城市地鐵高效、可靠運行與設(shè)備維護(hù)任務(wù)艱巨之間的矛盾在不斷加劇。受成本與技術(shù)的限制，當(dāng)前北京、上海、廣州等地鐵智能化運維尚處于初級階段，大量設(shè)備的運維仍以人工開展為主，各類自動化檢測裝備配備相對薄弱。以上海地鐵為例，為實現(xiàn)全網(wǎng)5 000余臺（套）自動售票機、1 000余臺（套）垂直升降梯、800余組冷水機組等設(shè)備的檢修，上海地鐵配置了約1 000名專職維保人員；同時，為保障乘客出行安全，所有一線站務(wù)人員還需兼職負(fù)責(zé)對上述設(shè)備進(jìn)行有效的日常維護(hù)和管理。

2.2 既有運維系統(tǒng)與設(shè)備間匹配程度低

目前，北京、上海、廣州等超大城市部分地鐵線路壽命已超過10年，隨著后續(xù)線路的開通和新設(shè)備的大量投用，網(wǎng)絡(luò)中新老系統(tǒng)之間設(shè)備型號和接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問題逐步加劇，各系統(tǒng)之間的兼容性存在不足，對網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)籌共享、車站機電設(shè)備的統(tǒng)籌運用都造成一定的限制，影響了全網(wǎng)運行可靠性和效率的發(fā)揮。以上海地鐵為例，由于在線路規(guī)劃建設(shè)階段對各專業(yè)系統(tǒng)與設(shè)備功能、型號考慮不夠充分，造成系統(tǒng)與設(shè)備間匹配性不夠，僅2018年為實現(xiàn)各條線路系統(tǒng)與設(shè)備的一致性，上海地鐵設(shè)立了152個改造項目，其中涉及車站機電系統(tǒng)與設(shè)備改造的有44項，占總改造項目的29%。

2.3 設(shè)備運維狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸實時性低、可靠性較差

地鐵機電設(shè)備運維數(shù)據(jù)按照類型可以劃分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)2類，其中結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如旅客進(jìn)出站一卡通數(shù)據(jù)、設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、車站溫濕度數(shù)據(jù)等；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)如各類設(shè)備圖像與視頻數(shù)據(jù)、運維臺賬與報表等。當(dāng)前超大城市地鐵機電設(shè)備運維數(shù)據(jù)采集過程由于受數(shù)據(jù)采集傳感器布置數(shù)量、位置、性能及傳輸網(wǎng)絡(luò)可靠性、帶寬等的影響，很難達(dá)到較高的實時性。同時，數(shù)據(jù)采集過程易受異常斷電、網(wǎng)絡(luò)失效等因素影響，可靠性也較差。

3 超大城市地鐵機電設(shè)備智能CPS運維體系

3.1 定義

從地鐵機電設(shè)備專業(yè)化、可視化運維管理的需求出發(fā)，以地鐵站臺門、空調(diào)、電梯等設(shè)備實時狀態(tài)感知和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)為基礎(chǔ)，通過對數(shù)據(jù)的特征提取、分析、建模，實現(xiàn)設(shè)備的運行狀態(tài)在線診斷、故障提前預(yù)警；通過工業(yè)現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)的融合，實現(xiàn)設(shè)備運維數(shù)據(jù)高效、可靠的傳輸及設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

3.2 體系架構(gòu)

在借鑒北京、上海、廣州地鐵設(shè)備運維管理經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，本文根據(jù)超大城市地鐵機電設(shè)備實際運維管理的需要，構(gòu)建由物理感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、資源服務(wù)層和應(yīng)用管理層組成的超大城市地鐵機電設(shè)備智能CPS運維體系，如圖2所示。

（1）物理感知層。物理感知層是地鐵設(shè)備運維數(shù)據(jù)閉環(huán)流動的起點和終點。物理感知層包含地鐵電梯、站臺門、空調(diào)等設(shè)備，涉及速度傳感器、紅外探測或激光探測器、溫濕度傳感器、信號讀取器等感知/檢測裝置。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。網(wǎng)絡(luò)通信層是實現(xiàn)物理設(shè)備與系統(tǒng)間運維數(shù)據(jù)高可靠性、低延遲傳輸?shù)臉蛄骸８黝愋蛡鞲衅鲗⒉杉降脑O(shè)備運維狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)現(xiàn)場總線、無線網(wǎng)絡(luò)等方式傳送到服務(wù)器，實現(xiàn)各類設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。

（3）資源服務(wù)層。資源服務(wù)層是保障運維數(shù)據(jù)可靠存儲、計算、分析的關(guān)鍵，通常由圖像與視頻數(shù)據(jù)庫、運維日志、分布式服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)“上行”為應(yīng)用管理層提供各類數(shù)據(jù)分析與運算服務(wù)；數(shù)據(jù)“下行”為物理感知層的圖像、視頻等提供數(shù)據(jù)存儲服務(wù)。

（4）應(yīng)用管理層。應(yīng)用管理層是向地鐵機電設(shè)備運維管理人員及其他管理者采用圖表化展示各類設(shè)備實時狀態(tài)的窗口，其基本功能模塊包括在線檢測、異常預(yù)警、故障診斷、維修績效考核、維修施工調(diào)度、物料庫存管理等。

3.3 運維體系關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 設(shè)備在線檢測技術(shù)

設(shè)備在線檢測技術(shù)是通過安裝在地鐵上的各類傳感器，從不同維度對設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行感知與采集，然后按照提前約定的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，將檢測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時傳輸，從而實現(xiàn)對各類設(shè)備運行狀態(tài)實時監(jiān)管的技術(shù)。目前大多數(shù)地鐵設(shè)備運維主要以人工檢修為主，不僅需要耗費大量人力，還難以做到設(shè)備狀態(tài)的實時感知與采集。地鐵機電設(shè)備智能CPS運維體系最底層是由激光傳感器、加速度傳感器、溫濕度傳感器、煙霧監(jiān)測傳感器等各類感知元器件組成的傳感網(wǎng)，通過對屏蔽門間隙、電梯升降情況、車站溫濕度等實時狀態(tài)進(jìn)行采集、分析，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的在線識別和管理。

3.3.2 設(shè)備故障診斷技術(shù)

設(shè)備故障診斷技術(shù)是在利用物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過對采集到的設(shè)備海量運維數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，判斷設(shè)備是否健康運行的技術(shù)。地鐵機電設(shè)備智能CPS運維體系中涉及信號傳輸、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備自動控制等操作流程，需要在線檢測、遠(yuǎn)程控制等技術(shù)進(jìn)行支撐。以上海地鐵機電專業(yè)為例，全網(wǎng)站臺門與安全門共約有20 000樘、檢票閘機約有10 000臺（套）、自動扶梯約有3 300臺（套），機電設(shè)備每天將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如何對海量設(shè)備的健康狀態(tài)進(jìn)行診斷是實現(xiàn)地鐵安全、高效運行的關(guān)鍵。為此，本文針對不同場景下機電設(shè)備運維管理的需要，通過在地鐵機電設(shè)備上安裝不同類型的狀態(tài)感知元器件，實現(xiàn)對管理對象運行狀態(tài)的實時自動采集，然后利用大數(shù)據(jù)分析得到一個整體綜合量化的地鐵機電設(shè)備健康度評估值，從而提高地鐵機電設(shè)備健康診斷與異常檢測的準(zhǔn)確率。

3.3.3 設(shè)備遠(yuǎn)程控制與管理技術(shù)

設(shè)備遠(yuǎn)程控制與管理技術(shù)是在對設(shè)備狀態(tài)診斷的基礎(chǔ)上，通過工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等傳輸技術(shù)，實現(xiàn)傳感器與服務(wù)器雙向通信、應(yīng)用管理層對檢測設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。高速率、低延時的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是實現(xiàn)地鐵機電設(shè)備遠(yuǎn)程控制與管理的關(guān)鍵，目前地鐵機電設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸通常由上述3種方式完成。其中，工業(yè)現(xiàn)場總線負(fù)責(zé)地鐵車站通風(fēng)空調(diào)、站臺門、自動扶梯等設(shè)備的控制；工業(yè)以太網(wǎng)用于自動售檢票機、車站照明裝置、風(fēng)機等設(shè)備的控制；隨著5G及下一代無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種傳感器與設(shè)備之間的“交互”將更加頻繁，低時延、高帶寬的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將成為海量機電設(shè)備遠(yuǎn)程控制與管理的重要保障。

3.4 應(yīng)用展望

超大城市地鐵機電設(shè)備智能CPS運維的實現(xiàn)，從長遠(yuǎn)看，一是有利于地鐵可靠性、可用性、可維護(hù)性、安全性目標(biāo)的實現(xiàn)；二是有利于地鐵運營主體精細(xì)化管理目標(biāo)的達(dá)成；三是有利于地鐵運維質(zhì)量和水平的提升。以地鐵機電專業(yè)為例，傳統(tǒng)人工檢修成本高、周期長，且對安裝在柜機里面不可視設(shè)備的運行狀態(tài)難以有效檢修；而隨著智能CPS運維體系的建立，機電專業(yè)各類設(shè)備將實現(xiàn)狀態(tài)實時在線檢測、故障自動診斷、異常狀態(tài)智能預(yù)警、關(guān)鍵設(shè)備遠(yuǎn)程控制、庫存物料動態(tài)調(diào)整等功能，這對提高機電設(shè)備診斷效率、提升設(shè)備運維服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)地鐵設(shè)備“少人化、智能化”運維管理具有重要的作用。

4 結(jié)語

超大城市地鐵機電設(shè)備智能化運維，是降低運維成本、提高運維質(zhì)量的重要手段，是實現(xiàn)地鐵安全、可靠運營的關(guān)鍵。為改變傳統(tǒng)地鐵設(shè)備以“經(jīng)驗型計劃修”為主的維修體系，本文通過建立具有CPS技術(shù)特征的超大城市地鐵機電設(shè)備智能運維體系，實現(xiàn)了設(shè)備運維由“經(jīng)驗型計劃修”向“感知型狀態(tài)修”的轉(zhuǎn)變，滿足了超大城市地鐵海量機電設(shè)備在線實時診斷、故障提前預(yù)警、庫存物料動態(tài)調(diào)整、運維人員科學(xué)分配的要求，可助力超大城市地鐵的高質(zhì)量運營管理。