廖 云

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

“十四五”期間，我國城市軌道交通發(fā)展戰(zhàn)略提出，智能化是其技術發(fā)展的主方向。以新一代信息技術與城市軌道交通（簡稱“城軌”）深度融合為主線，推進城軌信息化，發(fā)展智能系統(tǒng)，建設智慧城軌，這是實現(xiàn)城市軌道交通高質量發(fā)展的技術推動力。在中國城市軌道交通協(xié)會頒布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》中，智能運維安全體系是其重要支柱之一。目前，全自動運行已成為城軌發(fā)展的趨勢，其要求各專業(yè)系統(tǒng)高度聯(lián)動、信息高度互聯(lián)、人機協(xié)同緊密、設備及系統(tǒng)復雜度提高，給傳統(tǒng)的維保工作帶來新的挑戰(zhàn)[1]。

目前，城軌關鍵設備運維能力不足，主要表現(xiàn)在：基于預防修和故障修維修機制，無法有效向狀態(tài)修機制轉變；維護作業(yè)信息化程度低，依賴人工傳遞信息，運維效率較低；設備維護管理流程數(shù)字化程度低，維護作業(yè)不及時，應急處置不到位；運維系統(tǒng)建設缺乏或獨立分散，缺少數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理、統(tǒng)一分析的智能化大數(shù)據(jù)應用平臺[2]。傳統(tǒng)的綜合監(jiān)控以及信號ATS調度系統(tǒng)對車站供電、機電以及信號設備具備一定程度的在線監(jiān)視能力，但其核心功能主要是控制與運營調度服務，缺乏設備數(shù)據(jù)分析與健康管理等復雜應用功能。因此，有必要考慮通過各機電專業(yè)設備運維系統(tǒng)的統(tǒng)籌建設，利用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網和人工智能等新興技術，實現(xiàn)各專業(yè)設備的狀態(tài)監(jiān)測、特征提取、狀態(tài)評估、故障診斷、故障預測、維修模式優(yōu)化和維修決策等智能化應用功能，構建集合城市軌道交通車輛、供電、信號、站臺門、軌道等與行車安全密切相關的多專業(yè)智能運維系統(tǒng)，達到多專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、數(shù)據(jù)綜合監(jiān)視、故障聯(lián)動分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)綜合展示的目的。本文通過對構建多專業(yè)智能運維系統(tǒng)的技術特點和應用進行思考與分析，提出了一種多專業(yè)智能運維系統(tǒng)架構，其通過平臺數(shù)據(jù)共享實現(xiàn)跨專業(yè)綜合運維；并對系統(tǒng)構建所需要解決的網絡通信技術、大數(shù)據(jù)平臺技術和應用開發(fā)技術等關鍵技術進行了描述。

1 城市軌道交通多專業(yè)智能運維系統(tǒng)架構

智能運維是指利用先進傳感技術獲取被管理系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)信息，并借助大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術手段及各種推理算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和環(huán)境因素等，對被管理系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測和故障預測；與此同時，對被管理系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行評估，并結合基地維修資源情況給出合適的維修決策，以實現(xiàn)關鍵部件的狀態(tài)修[3]。城軌系統(tǒng)通過應用智能運維技術，可實現(xiàn)減少備件、保障設備和維修人力等保障資源的需求，以降低維修保障費用；并可減少過度維修次數(shù)以及因設備故障引發(fā)的額外維修次數(shù)，縮短設備全生命周期中的維修時間，提高設備可用性。此外，通過實時監(jiān)測及故障診斷，可降低設備運行期間因故障引起的風險，保障運營安全。

多專業(yè)智能運維系統(tǒng)集合了車輛、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、站臺門以及軌道等與行車相關的多專業(yè)運維系統(tǒng)，對原有的各專業(yè)智能運維系統(tǒng)數(shù)據(jù)需進行有效整合，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享資源池、系統(tǒng)應用統(tǒng)一規(guī)劃。隨著基于云計算技術的城軌云平臺的應用，多專業(yè)智能運維系統(tǒng)可基于城軌云平臺架構開發(fā)與應用。多專業(yè)智能運維平臺架構如圖1所示，分為監(jiān)測對象層、數(shù)據(jù)采集層、大數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)分析處理層、數(shù)據(jù)應用及展示層。

圖1 多專業(yè)智能運維系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of the multi-disciplinary operation and maintenance system

監(jiān)測對象主要是城軌機電系統(tǒng)中涉及行車安全的車輛以及供電、軌道、信號、站臺門等各系統(tǒng)及專業(yè)設備。

通過各種傳感設備及通信手段對各專業(yè)系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)字化后的采集數(shù)據(jù)，通過軌道交通通信網絡與多專業(yè)智能運維平臺的通信通道，傳送至平臺數(shù)據(jù)資源池進行存儲與分析。數(shù)據(jù)采集層的數(shù)據(jù)主要是來自各專業(yè)系統(tǒng)的實時傳輸數(shù)據(jù)、庫內離線文件下載數(shù)據(jù)以及來自各檢測設備和車場信息化系統(tǒng)的運維數(shù)據(jù)。車場信息包括檢修作業(yè)信息、作業(yè)環(huán)境信息、維修物資信息、工具及作業(yè)人員信息等。

大數(shù)據(jù)平臺層通過建立數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)服務構建大數(shù)據(jù)平臺，可完成各專業(yè)設備數(shù)據(jù)的匯聚與分析。其數(shù)據(jù)接入主要是利用消息隊列、關系型數(shù)據(jù)庫接口、實時通信網關等成熟的IT技術來實現(xiàn)；數(shù)據(jù)存儲和分析主要是利用關系型與非關系型數(shù)據(jù)庫解決多維異構數(shù)據(jù)的存儲、查詢和檢索，并利用Spark及Python等軟件工具實現(xiàn)面向海量數(shù)據(jù)的分析和挖掘（如分類、聚類、特征變換回歸推薦、自然語言處理等）。

應用及展示層由多專業(yè)綜合分析展示及各專業(yè)智能運維數(shù)據(jù)展示構成。多專業(yè)綜合分析展示面向需要綜合分析數(shù)據(jù)的各管理層；專業(yè)智能運維數(shù)據(jù)展示面向需要關注各專業(yè)數(shù)據(jù)的分析人員及維修技術人員。

從以上分析可以看出，多專業(yè)智能運維系統(tǒng)的構建分為3個部分：一是針對專業(yè)智能運維的大數(shù)據(jù)基礎平臺構建；二是各機電專業(yè)的智能運維系統(tǒng)開發(fā)與應用；三是基于各專業(yè)運維數(shù)據(jù)基礎上的跨專業(yè)綜合應用。

此外，該多專業(yè)智能運維平臺構建亦可延伸至車站服務相關系統(tǒng)和各基礎設施，以實現(xiàn)城軌各機電系統(tǒng)智能運維綜合應用。

2 系統(tǒng)組成及功能開發(fā)

多專業(yè)智能運維系統(tǒng)的構建包括多專業(yè)智能運維大數(shù)據(jù)基礎平臺的搭建以及基于大數(shù)據(jù)平臺的車輛、供電、信號、站臺門和軌道等專業(yè)設備的智能運維系統(tǒng)的開發(fā)。

對多專業(yè)智能運維大數(shù)據(jù)平臺而言，應建立各專業(yè)基于綜合智能運維的接口規(guī)范和數(shù)據(jù)服務規(guī)范?？紤]多專業(yè)智能運維系統(tǒng)的安全性、系統(tǒng)復雜程度以及系統(tǒng)維護升級對軌道交通運營所帶來的影響，系統(tǒng)建設時應保留一定的獨立性，以不影響傳統(tǒng)的綜合監(jiān)控及信號ATS控制為原則；但可以提供接口信息，為原有的運營調度提供更為豐富的設備健康信息以及應急處置建議。

2.1 多專業(yè)智能運維大數(shù)據(jù)平臺搭建

多專業(yè)智能運維大數(shù)據(jù)平臺（圖2）為智能運維信息化系統(tǒng)重要的技術平臺。其通過數(shù)據(jù)實時采集、數(shù)據(jù)離線采集實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚；數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)實時處理、數(shù)據(jù)存儲處理及數(shù)據(jù)離線處理等；平臺提供應用開發(fā)、工具組件和數(shù)據(jù)管理等數(shù)據(jù)服務功能；通過大數(shù)據(jù)平臺應用可實現(xiàn)多個專業(yè)系統(tǒng)海量、高頻、高并發(fā)數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)的匯聚、處理及數(shù)據(jù)服務，并利用平臺提供多種數(shù)據(jù)應用及服務工具，實現(xiàn)各專業(yè)數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析[4]。

圖2 多專業(yè)智能運維系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺Fig.2 Big date platform of the multi-disciplinary intelligent operation and maintenance system

2.2 各專業(yè)智能運維系統(tǒng)應用開發(fā)

基于大數(shù)據(jù)平臺架構進行車輛、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、站臺門、軌道等專業(yè)設備的智能運維應用開發(fā)，實現(xiàn)包括實時監(jiān)視、輔助應急處置、故障診斷、故障預警、壽命預測、健康管理、專家知識庫及維修過程管理支持等應用功能[5]。在設備層面，可增加適當?shù)母兄O備，如通過增加在線感知傳感器以及智能巡檢設備來提高設備的感知及監(jiān)視能力，以利于系統(tǒng)的健康管理[6]。同時，由相關專業(yè)廠商進行專業(yè)運維技術應用開發(fā)[7-9]。技術開發(fā)應遵循的基本準則包括：與大數(shù)據(jù)平臺建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口規(guī)范，以利于系統(tǒng)升級及擴展應用；提出應用的基本需求，由大數(shù)據(jù)平臺按照其相應的功能制定基礎數(shù)據(jù)及功能服務模塊；面向用戶接口宜采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)界面展示風格，避免各專業(yè)廠家運維界面差異明顯。一般，各專業(yè)智能運維系統(tǒng)的開發(fā)應側重于專業(yè)設備的健康管理技術挖掘，涉及檢修管理類生產作業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)時，應做好功能接口及數(shù)據(jù)接口的劃分。

2.3 跨專業(yè)綜合運維開發(fā)

基于各專業(yè)智能運維的綜合智能運維功能開發(fā)原則上應不與各專業(yè)智能運維系統(tǒng)的功能重疊，可以從跨專業(yè)分析及數(shù)據(jù)綜合統(tǒng)計的角度進行功能挖掘和開發(fā)。

2.3.1 故障綜合監(jiān)視

各專業(yè)系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)被納入統(tǒng)一的資源池，并采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式進行存儲，以利于實現(xiàn)各專業(yè)設備實時故障數(shù)據(jù)的共享，實現(xiàn)各專業(yè)系統(tǒng)實時故障數(shù)據(jù)綜合監(jiān)視；同時，可利用故障數(shù)據(jù)進行綜合計算分析，為應急處置、故障處置提供綜合輔助決策，并對各專業(yè)系統(tǒng)報警進行統(tǒng)一的存儲并支持查詢。

由于車輛是直接與乘客打交道的移動載體，而且信號、供電、軌道、工務等專業(yè)可以看作確保軌道交通車輛可靠運營的基礎運行環(huán)境，下面提供一種以車輛監(jiān)控為核心的具體開發(fā)應用示例（圖3）。監(jiān)視界面應直觀體現(xiàn)線路環(huán)境及線路的具體要素，如車站、供電所、高架、橋梁、隧道、線路坡道及彎道等信息。針對關聯(lián)子系統(tǒng)，應體現(xiàn)具體故障位置、故障時間及故障條目信息窗口，如車輛，可體現(xiàn)其具體健康狀態(tài)、運行位置、速度、控制等信息，也可在故障信息窗口欄中查看故障信息?？捎貌煌伾珌韰^(qū)分不同信息，并根據(jù)實際需求進行配置。

圖3 線路故障綜合監(jiān)測示例Fig.3 Example of integrated monitoring of line faults

2.3.2 多專業(yè)數(shù)據(jù)回放

通過分析車輛、信號系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、弓網及軌道之間的相互接口關系，識別相應的跨專業(yè)接口數(shù)據(jù)內容，并在系統(tǒng)中對相關數(shù)據(jù)進行記錄和存儲。由綜合診斷生成車輛故障的基準時間或基準位置，并形成獨立的事件記錄報表。用戶選取了事件記錄及回放數(shù)據(jù)內容后，系統(tǒng)同步提取前后一定時間段或一定線路位置段的數(shù)據(jù)并在用戶人機接口界面呈現(xiàn)；系統(tǒng)也可支持由用戶選取固定時間點或線路固定位置點進行前后時間段或前后位置段的數(shù)據(jù)綜合回放，示例見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)綜合回放示例Fig.4 Example of integrated data playback

2.3.3 多專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

利用多專業(yè)智能運維平臺的數(shù)據(jù)綜合分析功能，可對城軌機電系統(tǒng)進行大數(shù)據(jù)綜合分析，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結果來更加全面地掌握軌道交通各機電系統(tǒng)運用情況，了解系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，從而為系統(tǒng)管理優(yōu)化提供數(shù)據(jù)基礎。其具體功能如下：

（1）設備能耗統(tǒng)計。綜合統(tǒng)計供電、信號、車輛及站臺門等各專業(yè)系統(tǒng)的能源消耗，按專業(yè)、場地或時間段來實現(xiàn)供電所、車站、場段及區(qū)間的能耗統(tǒng)計分析。

（2）設備健康統(tǒng)計。對各專業(yè)設備故障率、故障占比及故障率趨勢等進行統(tǒng)計、分析，為系統(tǒng)管理者與運營者有針對性地進行系統(tǒng)維護及優(yōu)化提供依據(jù)?；诙鄬I(yè)故障數(shù)據(jù)，可進行特定運營指標統(tǒng)計分析，如車輛因線路原因造成的下線比例、供電所因車輛故障造成的跳閘保護次數(shù)等。

3 系統(tǒng)組建關鍵技術分析

城市軌道交通多專業(yè)智能運維系統(tǒng)的開發(fā)需要利用大數(shù)據(jù)、現(xiàn)代計算機、網絡通信等先進信息化技術，并結合軌道交通多個專業(yè)的設備故障診斷與健康管理應用技術來協(xié)同開展。

3.1 網絡通信技術

多專業(yè)智能運維系統(tǒng)構建不僅需要網絡搭建所需的各種通信技術，包含各專業(yè)系統(tǒng)設備感知層、站場層、中心層通信組網分層規(guī)劃；同時還需滿足各種機電設備接入且符合行業(yè)標準通信協(xié)議的通信網關設計技術。對于智能運維的通信通道，建議采用獨立或網絡隔離劃分的維護網絡通道，以避免對信號系統(tǒng)、綜合監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號造成影響。系統(tǒng)網絡通信還需要考慮網絡冗余、網絡安全等技術運用問題。

3.2 大數(shù)據(jù)平臺技術

智能運維系統(tǒng)通過運用大數(shù)據(jù)平臺可以對數(shù)據(jù)采集、儲存、分析及展示等多個環(huán)節(jié)進行有效處理。大數(shù)據(jù)平臺開發(fā)需要用到各專業(yè)多源異構數(shù)據(jù)融合、海量數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)安全、BI(business intelligence)、平臺服務開發(fā)及系統(tǒng)管理等技術。大數(shù)據(jù)平臺需要考慮與各專業(yè)系統(tǒng)之間通信的數(shù)據(jù)傳輸周期及數(shù)據(jù)量大小，以形成專業(yè)數(shù)據(jù)資源池，并滿足各專業(yè)數(shù)據(jù)帶寬流量及記錄容量需求；同時確保平臺能提供足夠的計算能力，避免產生數(shù)據(jù)瓶頸。較長的數(shù)據(jù)處理延時、歷史數(shù)據(jù)不足等因素將影響各專業(yè)運維系統(tǒng)的實際應用。為提高數(shù)據(jù)處理及服務效率，平臺應建立與多專業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲及數(shù)據(jù)服務等相關的技術規(guī)范。

3.3 應用開發(fā)技術

軌道交通各機電專業(yè)運維系統(tǒng)需具備針對自身專業(yè)設備應用所需的故障診斷技術、故障預測與健康管理技術、檢修管理技術及相關專業(yè)數(shù)據(jù)聯(lián)動分析技術等。結合大數(shù)據(jù)與人工智能技術的應用，智能運維系統(tǒng)將逐步支持各專業(yè)設備維修模式由“故障修”“計劃修”向“狀態(tài)修”和“預防修”的轉變；同時通過多專業(yè)數(shù)據(jù)挖掘進行跨專業(yè)數(shù)據(jù)融合與聯(lián)動分析，以幫助運營管理者快速掌握現(xiàn)場設備情況并通過系統(tǒng)應急處置來提高設備故障事件處置效率。

4 系統(tǒng)測試環(huán)境構建

針對軌道交通車輛、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、站臺門及軌道等專業(yè)設備進行運維需求分析，打造模擬數(shù)據(jù)環(huán)境與大數(shù)據(jù)平臺，開展多專業(yè)智能運維系統(tǒng)測試，并在模擬環(huán)境下集中開展各專業(yè)運維系統(tǒng)應用功能測試。在模擬環(huán)境或者半實物環(huán)境下對各專業(yè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集模擬與應用開發(fā)測試，對系統(tǒng)構建實施及展示效果進行充分的地面測試驗證，以證明基于大數(shù)據(jù)平臺打造城市軌道交通多專業(yè)智能運維技術方案可行。通過平臺技術與應用開發(fā)的深度結合，有效開展平臺模塊化研究，可為各專業(yè)運維系統(tǒng)的快速開發(fā)奠定基礎；通過系統(tǒng)測試環(huán)境打造，驗證平臺的穩(wěn)定性、安全性及可拓展性，可為各專業(yè)運維信息化系統(tǒng)開發(fā)及工程應用提供應用開發(fā)與測試基礎環(huán)境。

5 結語

本文基于大數(shù)據(jù)平臺，提出一種多專業(yè)智能運維系統(tǒng)架構，其通過對軌道交通進行車輛、供電系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、軌道、站臺門、工務等多專業(yè)智能運維系統(tǒng)統(tǒng)籌建設，可有效提高設備狀態(tài)監(jiān)測信息化水平，有利于實現(xiàn)設備健康管理與狀態(tài)修檢修模式，降低維護人員數(shù)量需求及勞動強度，優(yōu)化維護周期及維護成本。通過對各機電專業(yè)智能運維數(shù)據(jù)融合，有效提高系統(tǒng)跨專業(yè)故障分析能力，提高運營響應及故障處置效率，并提高系統(tǒng)安全性。該多專業(yè)融合的智能運維體系可為城軌各機電系統(tǒng)的智能運維應用建立平臺及應用基礎，有利于運營組織機構信息化管理水平的提高以及軌道交通線網運營的組織實施，也更能適應軌道交通全自動運行乃至智能化運行的運維及安全需求。