鄭儆醒

（溫州鐵路與軌道交通投資集團有限公司 浙江省溫州市 310052）

近年來，我國城軌交通進入高速發(fā)展新時期，運營規(guī)模、在建線路長度、規(guī)劃線路長度逐年屢創(chuàng)新高，可研批復(fù)投資額、投資完成額達到歷史最高水平。而運維是貫穿城市軌道交通系統(tǒng)生命周期的關(guān)鍵生產(chǎn)活動。保持保質(zhì)量的運維，對提高安全服務(wù)水平、保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，控制運維成本有重要作用。

隨著時代的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等智能技術(shù)不斷發(fā)展成熟，“智能運維”成為城市軌道交通新行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，也是各維護方致力于發(fā)展的方向。運用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實現(xiàn)“計劃修”到“狀態(tài)修”、“預(yù)測修”，構(gòu)建符合軌道建設(shè)運營實際需求的智能維修技術(shù)體系和發(fā)展路線，成為推動該市軌道交通運維體系實現(xiàn)跨越式升級的關(guān)鍵。

按照國家“十四五”智慧地鐵規(guī)劃，需達到提升生產(chǎn)業(yè)務(wù)維保能力，減少人工工時，解決既有維護監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測不全面、數(shù)據(jù)利用率低、智能化程度低等問題，應(yīng)對運營線路增加、設(shè)備復(fù)雜度增長的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)減員增效的目的。規(guī)范信號維護監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，拓展維護監(jiān)測系統(tǒng)的范圍、增加系統(tǒng)功能要求，加快研究和推廣智能檢測和運維技術(shù)，將新興信息技術(shù)與信號專業(yè)深度融合，促進信號維保向智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、平臺化發(fā)展，提升運營安全及設(shè)備穩(wěn)定性是當(dāng)下應(yīng)大力研究的方向。

1 現(xiàn)狀分析

目前，城市軌道交通信號專業(yè)仍處在監(jiān)測階段，并且相關(guān)監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)的分級部署模式，數(shù)據(jù)較為分散，無法高效集成整合；在不同線路上，各系統(tǒng)商采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不一，數(shù)據(jù)的一致性、完整性難以保證；導(dǎo)致大量有價值信息流失。在信號運維方面，運維手段落后，基本依靠人力，生產(chǎn)數(shù)據(jù)人為記錄，缺乏智能的信息收集手段，使得在大數(shù)據(jù)分析中缺少核心信息。

2 需求分析

針對現(xiàn)城市軌道交通信號專業(yè)的運維的現(xiàn)狀，首先要從數(shù)據(jù)的采集和存儲入手，設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入主要為基礎(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)備數(shù)據(jù)，生產(chǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的接入主要為信號專業(yè)日常的維護和生產(chǎn)數(shù)據(jù)、人員信息數(shù)據(jù)，以及設(shè)備、物料的全生命履歷信息，包括無法測量的主觀數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取與存儲是構(gòu)建運維體系的基石，故監(jiān)測數(shù)據(jù)的全面、合理、穩(wěn)定至關(guān)重要。

有良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)后，其次從功能層面，主要可分為五大中心，即監(jiān)測中心、分析中心、生產(chǎn)中心、應(yīng)急中心、健康中心。通過各中心功能實現(xiàn)狀態(tài)的在線監(jiān)控、基于專家系統(tǒng)以及大數(shù)據(jù)的故障、日志的診斷與分析、故障預(yù)警及預(yù)測、故障判斷和和應(yīng)急的指導(dǎo)功能、基于PHM的健康管理，為生產(chǎn)維修提供指導(dǎo)。

最后在結(jié)構(gòu)上，需要將單線路的運維數(shù)據(jù)匯總，擴展到線網(wǎng)級別的運維，建立共同經(jīng)驗體與線網(wǎng)級的集中智慧管控，通過大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)，多維度數(shù)據(jù)提煉與積累經(jīng)驗，為維護的輔助決策和管理的發(fā)展打好基礎(chǔ)。

3 方案研究

3.1 云平臺框架

為滿足上述需求，城市軌道交通信號專業(yè)線網(wǎng)級中心智能運維應(yīng)基于大數(shù)據(jù)云平臺進行構(gòu)建，利用云平臺分布式存儲、云計算、高可用、高擴展性、成本低等特點，通過多方渠道采集各線路智能運維系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息，打造智能運維數(shù)據(jù)中臺，結(jié)合基礎(chǔ)平臺和云管理平臺在中心構(gòu)建滿足城市線網(wǎng)級的中心智能運維云服務(wù)平臺，并在安全生產(chǎn)網(wǎng)、內(nèi)部管理網(wǎng)、外部服務(wù)網(wǎng)分域部署。安全生產(chǎn)網(wǎng)、內(nèi)部管理網(wǎng)、外部服務(wù)網(wǎng)之間以及單網(wǎng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)交換由通過大數(shù)據(jù)平臺進行，平臺要根據(jù)國家網(wǎng)絡(luò)安全等保做好信息共享、隔離機制、數(shù)據(jù)安全防護，保證數(shù)據(jù)的安全。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1：系統(tǒng)總體框架

網(wǎng)級中心智能運維架構(gòu)可分為五層，即數(shù)據(jù)源層、數(shù)據(jù)集成層、數(shù)據(jù)存儲層、應(yīng)用支撐層、產(chǎn)品應(yīng)用層。

（1）數(shù)據(jù)源層。各線路匯集實時監(jiān)測設(shè)備的工作運行數(shù)據(jù)、微機監(jiān)測監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)、維護檢修數(shù)據(jù)、人員信息數(shù)據(jù)、物料全生命周期履歷數(shù)據(jù)、信號生產(chǎn)作業(yè)類數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)等。詳細(xì)見表1。

表1：數(shù)據(jù)源信息

（2）數(shù)據(jù)集成層。運用可監(jiān)控的數(shù)據(jù)集成技術(shù)，采用消息隊列、流式計算、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)同步、ETL等數(shù)據(jù)集成和預(yù)處理技術(shù)及技術(shù)組合，滿足不同業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)集成處理的需要。大數(shù)據(jù)平臺需要支持結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，在識別不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源時，構(gòu)建業(yè)務(wù)模塊到數(shù)據(jù)源類型的映射表；對不同的數(shù)據(jù)源，采用匹配的數(shù)據(jù)采集，適配當(dāng)前數(shù)據(jù)的采集場景，做好數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查；對數(shù)據(jù)預(yù)處理，可通過批處理或流處理的方式對數(shù)據(jù)加工；數(shù)據(jù)加載時做好全量裝載或時間戳、主鍵的方式裝載，以保證數(shù)據(jù)的一致性、完整性以及及時性。

（3）數(shù)據(jù)存儲層。在數(shù)據(jù)存儲方面也需要匹配數(shù)據(jù)集成的要求，需要滿足結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非機構(gòu)化三中不同數(shù)據(jù)的存儲需求。在數(shù)據(jù)庫中定期做好同步功能，滿足傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫可遷移需求、滿足傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫、ftp/sftp文件之間的批量導(dǎo)入/導(dǎo)出需求。數(shù)據(jù)倉儲需要梳理出數(shù)據(jù)接入-數(shù)據(jù)存儲-數(shù)據(jù)開發(fā)-數(shù)據(jù)應(yīng)用全鏈路的數(shù)據(jù)中臺服務(wù)，即實時數(shù)倉、離線數(shù)倉同時存在的數(shù)據(jù)架構(gòu)，滿足數(shù)據(jù)挖掘、非實時分析、數(shù)據(jù)匯總的需求；統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，定義信號設(shè)備單元、參數(shù)定義和分類、故障分類等規(guī)則，實現(xiàn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和數(shù)據(jù)集成。

（4）應(yīng)用支持層。應(yīng)用支持對信號相關(guān)內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)源進行加工、處理、關(guān)聯(lián)，建立數(shù)據(jù)經(jīng)驗共享、分析專題、數(shù)據(jù)挖掘和檢索、多維度數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視化等。針對關(guān)鍵業(yè)務(wù)建立專門的分析模型，統(tǒng)一數(shù)據(jù)主題庫、專題庫的數(shù)據(jù)加工標(biāo)準(zhǔn)，給上層業(yè)務(wù)分析提供數(shù)據(jù)支持；數(shù)據(jù)挖掘上應(yīng)運用數(shù)據(jù)收集、預(yù)處理、分類、回歸分析、特征抽取等科學(xué)分析方法，建立并支持關(guān)系數(shù)據(jù)庫、面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫、空間數(shù)據(jù)庫、時態(tài)數(shù)據(jù)庫、文本數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫等多種數(shù)據(jù)形式；支持多維度分析，為上層BI工具提供傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)、NoSQL數(shù)據(jù)庫、CUBE工具、多維分析數(shù)據(jù)庫等多種形式的數(shù)據(jù)源接入。數(shù)據(jù)可視化利用圖像處理技術(shù)、計算機視覺等，通過BIM、GIS建模等技術(shù)為產(chǎn)品應(yīng)用提供直觀展示數(shù)據(jù)展示基礎(chǔ)。

（5）產(chǎn)品應(yīng)用層。通過大數(shù)據(jù)存儲、智能分析以及中間控件的支持（如BIM、GIS、規(guī)則引擎等），可將運維設(shè)計的所有數(shù)據(jù)及信息匯總、分類，在產(chǎn)品應(yīng)用上實現(xiàn)設(shè)備的綜合監(jiān)控、故障智能診斷、設(shè)備健康管理、全生命周期管理、運營決策支持、運維綜合分析、數(shù)據(jù)大屏、BI分析等應(yīng)用。

3.2 主要功能

城市軌道交通信號專業(yè)智能運維體系主要功能可以分為五個中心的形式實現(xiàn)，分別為監(jiān)測運行中心、數(shù)據(jù)分析中心、健康管理中心、應(yīng)急管理中心、維修生產(chǎn)中心。通過五個中心的展示，可全面的呈現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)、報警、健康情況，大數(shù)據(jù)智能分析診斷、預(yù)測與輔助決策，人員維護生產(chǎn)狀態(tài)、設(shè)備全生命周期履歷、應(yīng)急指揮、運營監(jiān)控等。

3.2.1 監(jiān)測運行中心

監(jiān)測運行中心主要負(fù)責(zé)設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境等的實時監(jiān)測功能、報警功能、所有設(shè)備數(shù)據(jù)的收集和查詢功能、基本圖形化報表、日志的收集與查詢、一般報警閥值的界面設(shè)定、用戶權(quán)限管理、視頻監(jiān)控等功能。

（1）設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境等的實時監(jiān)測功能。通過圖形化方式，按照各站、各設(shè)備種類等分類情況，展示設(shè)備的詳細(xì)動靜態(tài)信息，細(xì)節(jié)到最小可維修單元，包括但不局限于位置信息、屬性、狀態(tài)、報警、時間等。

（2）報警功能。按照等級劃分不同類別報警，報警的方式可以彈出式、聲光報警等，并針對報警等級有自定義的設(shè)定，支持用戶自主匹配。

（3）所有設(shè)備數(shù)據(jù)的收集和查詢功能。支持各設(shè)備的電氣化特性的圖形化展示，包括實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)。如設(shè)備的開關(guān)量、模擬量、狀態(tài)量、實時視頻、各類曲線等。

（4）基本圖形化報表?？勺詣踊蛘呤謩由a(chǎn)關(guān)鍵設(shè)備圖形報表，包含設(shè)備的趨勢、占比、次數(shù)等適配對應(yīng)數(shù)據(jù)的報表類型，從不同的時間維度、種類維度等多維展示基本的統(tǒng)計信息。

（5）日志的收集與查詢。匯總各設(shè)備的時間、狀態(tài)、報警日志，做到日志統(tǒng)一管理、存儲。

（6）一般報警閥值的界面設(shè)定。針對關(guān)鍵設(shè)備的重點參數(shù)可作手動調(diào)整，根據(jù)當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)以及波動，做好更精準(zhǔn)、有效的報警適配。

（7）用戶權(quán)限管理。根據(jù)用戶管理模式，自定義用戶操作查看權(quán)限，通過準(zhǔn)確定位用戶工作內(nèi)容，提高工作效率。

（8）視頻監(jiān)控。具備重點場所的視頻監(jiān)控功能，對重點場所的進出、人員的操作和行為卡控、環(huán)境異常，增強管理便捷性。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析中心

數(shù)據(jù)分析中心應(yīng)基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的實時分析和運維歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘及分析，可提供歷史規(guī)律價值的量化評估及指導(dǎo)分析，綜合分析設(shè)備整體性能及利用率，能為后續(xù)的設(shè)備運維決策和管理過程決策提供支持。主要功能包括但不限于綜合分析診斷、故障智能診斷分析、實時預(yù)警分析、人員行為分析、系統(tǒng)日志分析等。

（1）綜合分析診斷。對信號專業(yè)各子系統(tǒng)的運行狀態(tài)、壓力等相互關(guān)聯(lián)的綜合性分析，實現(xiàn)系統(tǒng)及故障診斷及隱患預(yù)測。

（2）故障智能診斷分析。基于專家經(jīng)驗系統(tǒng)，剖析單元設(shè)備狀態(tài)的關(guān)鍵影響因素，搭建關(guān)鍵設(shè)備的故障診斷模型，并將同類別故障記錄匯總為案例庫，供大數(shù)據(jù)及機器學(xué)習(xí)，運用圖像識別、模糊匹配算法等技術(shù)，自動診斷分析故障，并能給出正確維修參考。如道岔故障智能診斷，根據(jù)專家系統(tǒng)，從道岔動作機理及電氣特性出發(fā)，提取動作曲線、功率曲線、繼電器動作時序、表示電壓曲線關(guān)鍵數(shù)據(jù)，分析道岔動作過程的啟動、動作、緩階段數(shù)據(jù)以及到位狀態(tài)的電壓數(shù)據(jù)，自動診斷分析出道岔機械或者電路中的異常以及故障點。在曲線的分析上可基于Resnet50算法模型，自動識別與參考曲線的異常及故障點；也可采用基于DTW（基于動態(tài)時間歸整）和ResNet（殘差網(wǎng)絡(luò)）算法，進行轉(zhuǎn)轍機設(shè)備實時故障診斷。

（3）實時預(yù)警分析。根據(jù)設(shè)備電氣特性，采用不同周期的趨勢變化跟蹤分析，并結(jié)合波形分析、故障樹分析等方法實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)實時診斷預(yù)警分析。

（4）人員行為分析。根據(jù)人員日常表現(xiàn)、業(yè)務(wù)能力、技能評估記錄、個人性格、個人習(xí)慣等多維度信息，為員工用戶畫像，提供員工綜合能力評分，并根據(jù)綜合能力合理分配工作、預(yù)測工作完成評分。

（5）系統(tǒng)日志分析。收集各設(shè)備或系統(tǒng)日志，針對不同關(guān)鍵設(shè)備設(shè)定不同分析主題，如車載系統(tǒng)中EB主題、信標(biāo)讀取分析主題、列車無線網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)分析主題、列車停車精準(zhǔn)度分析主題等；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中無線場強分析主題、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點流量分析、鏈路擁塞分析等主題；聯(lián)鎖系統(tǒng)中聯(lián)鎖進路異常根因分析、進路無法開放分析等主題；檢修數(shù)據(jù)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)與季節(jié)變化關(guān)聯(lián)分析、數(shù)據(jù)變化與故障預(yù)防關(guān)聯(lián)分析等。

3.2.3 健康管理中心

針對關(guān)鍵設(shè)備建立基于PHM建立全面的故障預(yù)測、健康度管理系統(tǒng)，其目的不是為了直接消除故障，而是預(yù)防故障何時可能發(fā)生，以確定一種優(yōu)化的維修策略，降低維修工作量與成本、提高維修效率的手段。具體實施需要統(tǒng)一設(shè)備故障編碼，形成故障字典，拆分設(shè)備零件，逐一零件評估劣化程度和影響比重，建立定制化的健康模型，可通過AHP+熵權(quán)的組合評分，定義健康狀態(tài)、功能降低狀態(tài)、不能工作狀態(tài)，掌握缺陷變化規(guī)律，輔助人員決策檢修計劃；使用科學(xué)的預(yù)測模型如貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，實現(xiàn)故障預(yù)測，根據(jù)設(shè)備特性建立隱半馬爾科夫模型（HSMM），描述系統(tǒng)退化過程，實現(xiàn)計算維修前剩余時間評估工作。

3.2.4 應(yīng)急管理中心

應(yīng)提供應(yīng)急故障處置、應(yīng)急指揮系統(tǒng)、故障影響自動判斷、運營輔助決策等功能。

（1）應(yīng)急故障處置。系統(tǒng)能自動診斷故障，并在中心提供故障應(yīng)急流程指導(dǎo)、故障應(yīng)急處理方案、故障應(yīng)急小隊組建、故障應(yīng)急物資分配等，并通過個人單兵設(shè)備或APP服務(wù)，自動推送相關(guān)人員，實時反饋現(xiàn)場故障處理進度及情況。

（2）應(yīng)急指揮系統(tǒng)。中心可通過故障的情況，人員、物料、車輛等相關(guān)定位，通過GIS、電子地圖、衛(wèi)星地圖等多種直觀方式實現(xiàn)對應(yīng)急情況的現(xiàn)場指揮和協(xié)調(diào)，可通過視頻、語音等方式遠程指導(dǎo)、指揮現(xiàn)場工作。

（3）故障影響自動判斷。根據(jù)故障經(jīng)驗?zāi)Ｐ图熬S修經(jīng)驗數(shù)據(jù)，預(yù)測故障處置時間、估算應(yīng)急過程耗時、動態(tài)評估調(diào)整故障處置流程狀態(tài)、預(yù)判故障延時情況并估算對運營可能造成的影響。

3.2.5 維修生產(chǎn)中心

維修生產(chǎn)中心主要功能實現(xiàn)工單的下發(fā)、跟蹤、卡控、閉環(huán)，維修質(zhì)量及流程的卡控，物資物料全生命周期履歷，知識庫的管控等功能，做好與外部系統(tǒng)如CMMS（設(shè)備維護管理系統(tǒng)）、EAM（企業(yè)固定資產(chǎn)管理系統(tǒng)）接口對接，為設(shè)備維修生產(chǎn)做好輔助作用。

4 總結(jié)

結(jié)合城市軌道交通信號專業(yè)對運維的需求，在信號專業(yè)運維上實現(xiàn)“智能化”，跟上國家對智慧城軌的發(fā)展與規(guī)劃，為智慧城軌以至于智慧城市的建設(shè)打好基礎(chǔ)。本文結(jié)合當(dāng)下城市軌道交通信號專業(yè)運維趨勢、運維痛點，為建立線網(wǎng)級的城市軌道交通信號運維平臺提供參考。