王瑞鋒

（成都唐源電氣股份有限公司，四川成都 610046）

我國早期城市軌道交通采用傳統(tǒng)運維模式，主要為依靠事后維修，即故障發(fā)生后維修。傳統(tǒng)運維模式安全保障力弱，容易使小隱患釀成大故障，維修成本高。隨著修程修制的制定，城市軌道交通運維模式逐步發(fā)展為周期修，在一定程度上降低了故障率，但仍然存在“欠維修”和“過度維修”的情況。當前運維模式逐步向狀態(tài)修、預(yù)知修、預(yù)測修過渡。其中靜態(tài)監(jiān)測和車載動態(tài)檢測已經(jīng)在城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施及車輛檢測中大規(guī)模應(yīng)用，監(jiān)測及檢測精度不斷提高，監(jiān)測檢測數(shù)據(jù)量不斷增大，大數(shù)據(jù)及人工智能等前沿信息技術(shù)在部分城市軌道交通運維過程中也逐步發(fā)揮作用，但數(shù)據(jù)標準、數(shù)據(jù)共享、專業(yè)融合等方面的問題仍普遍存在[1-3]。本文提出城市軌道交通運營維護應(yīng)建立檢測監(jiān)測智能化、全壽命周期管理、運維管理智能化、生產(chǎn)作業(yè)智能化的智能業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通過建立和定義數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)服務(wù)及設(shè)施設(shè)備評價標準，基于智能化裝備和系統(tǒng)，對設(shè)施設(shè)備運行狀態(tài)及發(fā)展趨勢進行精準分析，對有故障隱患的設(shè)備進行針對性的維修、精準施治，減少維修時間，降低維修成本，推進城市軌道交通運維模式向預(yù)知維修轉(zhuǎn)變。

1 智能運維現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢與存在問題

1.1 現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

近年來，我國城市軌道交通發(fā)展迅速，運營規(guī)模不斷擴大，運輸壓力不斷攀升，線路技術(shù)水平差異越來越大，設(shè)備規(guī)格也朝著多樣化迅速發(fā)展。2020 年，全國城市軌道交通投資完成6 286 億元。截至2020 年底，全國城市軌道交通運營線路達244 條，運營線路總長度達7 969.7 km[4]。城市軌道交通對基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性、可用性、可維修性和安全性的要求越來越高。

隨著大量城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施相繼進入養(yǎng)護期，目前以人工靜態(tài)檢查為主、少量動態(tài)檢測車為輔的運維模式難以適應(yīng)城市軌道交通的高速發(fā)展。維修速度慢、占用線路時間長、運維成本高已經(jīng)成為基礎(chǔ)設(shè)施運維的痛點，不但影響城市軌道交通運營服務(wù)質(zhì)量的提高，更是隱藏著難以識別的安全隱患。

隨著“萬物互聯(lián)”時代的來臨，先進的檢測監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的發(fā)展也給城市軌道交通注入新的活力，并為其運維產(chǎn)業(yè)開辟了極其廣闊的發(fā)展空間與良好的發(fā)展機遇。

未來城市軌道交通的發(fā)展不僅僅局限在車輛和鐵路基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)備上，更多的將體現(xiàn)在數(shù)據(jù)驅(qū)動的實時智能控制和維護上。智能運維系統(tǒng)穩(wěn)定、安全、高效的接入和管理檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)，并進行高效準確的智能分析，能夠有效提高設(shè)備運行的可靠性，提升運維效率，降低運維成本，引領(lǐng)城市軌道交通智能運維模式的深度變革。

1.2 存在的主要問題

1.2.1設(shè)備老舊與數(shù)字化程度較低

現(xiàn)行城市軌道交通運維系統(tǒng)中，仍存在部分系統(tǒng)技術(shù)陳舊，新技術(shù)應(yīng)用、彈性擴展困難的問題。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)水平較低，帶寬受限，移動帶寬接入困難。同時，數(shù)字化、智能化程度較低，智能感知水平有限，監(jiān)測覆蓋面不全，制約了城市軌道交通智能運維的應(yīng)用和智能輔助決策。

1.2.2數(shù)據(jù)跨專業(yè)、跨系統(tǒng)融合困難

在智能運維技術(shù)發(fā)展過程中，數(shù)據(jù)一直是整個智能運維的核心與基礎(chǔ)。當前城市軌道交通各個運維系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分別進行運維管理，各系統(tǒng)開放性差，各專業(yè)、各系統(tǒng)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通困難，存量數(shù)據(jù)普遍存在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)差異化、數(shù)據(jù)完整性低等問題，存在大量信息孤島現(xiàn)象，給智能運維的大數(shù)據(jù)挖掘和智能分析帶來很大的難度。

1.2.3缺乏技術(shù)參數(shù)和標準

當前在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域，針對設(shè)備技術(shù)狀態(tài)的評價標準較少，缺乏技術(shù)性內(nèi)容的規(guī)定[5]。同時，不同企業(yè)在智能運維技術(shù)的側(cè)重點和發(fā)展方向上存在差異，缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準、接口標準和評價體系[6-9]。

1.2.4智能運維集成化、系統(tǒng)化程度較低

我國城市軌道交通智能運維仍處在發(fā)展之中，很多智能運維系統(tǒng)僅僅針對運維體系的某一個或幾個方面，如供電、軌道、隧道等。各自獨立實現(xiàn)其業(yè)務(wù)領(lǐng)域的智能運維，難以形成系統(tǒng)化、全面化的整體智能運維應(yīng)用工具，呈現(xiàn)分散化的狀態(tài)[10-12]。各自的平臺在運營單位內(nèi)難以做到數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、標準統(tǒng)一[13]。

2 智能運維建設(shè)

2.1 智能運維系統(tǒng)概述

智能運維是指利用先進的檢測監(jiān)測、網(wǎng)絡(luò)傳輸、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)手段，推動城市軌道交通運維模式從人工到智能的轉(zhuǎn)變，提高城市軌道交通日常運營維護、故障快速分析處理的能力。城市軌道交通智能運維應(yīng)具備更全面的狀態(tài)感知、更廣泛的互聯(lián)互通、更準確的預(yù)警分析和更深入的智能化處理能力[2]。

基于設(shè)備監(jiān)測與大數(shù)據(jù)故障診斷技術(shù)的城市軌道交通智能運維系統(tǒng)，對基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備實施精準的狀態(tài)感知、可靠的狀態(tài)預(yù)測，整合智能感知網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進行深度挖掘分析，實現(xiàn)快速精確的故障定位，預(yù)測設(shè)備故障與運行趨勢，指導(dǎo)設(shè)備檢修作業(yè)并輔助維修決策。同時，對多維度、多專業(yè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析、深度學(xué)習(xí)，可達到主動學(xué)習(xí)和自我完善的目的。

2.2 智能運維系統(tǒng)架構(gòu)

城市軌道交通智能運維系統(tǒng)包括兩大組成部分：①以云計算、大數(shù)據(jù)構(gòu)成的技術(shù)支撐平臺，是開展智能運維的載體，也是技術(shù)保障；②由故障預(yù)測與健康管理、智能化生產(chǎn)作業(yè)構(gòu)成的智能業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，涵蓋了城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施與設(shè)備管理以及運維管理2 個方面。智能運維系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 智能運維系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2.1云計算與大數(shù)據(jù)平臺

云計算平臺采用虛擬化技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)將大量硬件連接起來，集成各種服務(wù)器、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)和其他資源以提供可靈活調(diào)整、低消耗、高效能、高可用性、高擴展性的計算服務(wù)[1]；支持基礎(chǔ)設(shè)施檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)的整合與分布式存儲，為實時和非實時數(shù)據(jù)集群分類處理、大數(shù)據(jù)并行計算、模型計算、數(shù)據(jù)接口服務(wù)等提供支撐，徹底解決各系統(tǒng)之間相互孤立、互聯(lián)互通困難的問題[3]。

在城市軌道交通智能運維系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的精加工和深挖掘能力是通過基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的數(shù)據(jù)建模與人工智能算法實現(xiàn)的。大數(shù)據(jù)平臺采用分布式架構(gòu)，使用分布式處理、分布式數(shù)據(jù)庫和云存儲、虛擬化技術(shù)，對海量的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、文本、視頻圖像、語音等進行聯(lián)合分析、深度挖掘，對運維規(guī)律進行趨勢性分析，最大限度地減小分析結(jié)果錯誤的概率，并且使分析的過程和結(jié)果可視化、全程可追溯。實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)從專家決策到人工智能決策、從經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷綑C器自動化智能化學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變[3]，是城市軌道交通智能運維的核心大腦。

2.2.2檢測監(jiān)測智能化

檢測監(jiān)測智能化是指實現(xiàn)城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的實時狀態(tài)在線診斷辨識和動態(tài)高精度檢測，包括實時監(jiān)測和動態(tài)巡檢2 部分。

（1）實時監(jiān)測是針對變電所、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施進行實時智能監(jiān)測。變電所智能監(jiān)測通過紅外成像、高清視頻等設(shè)備，配合動態(tài)圖像智能識別等技術(shù)，自動監(jiān)視并記錄變電所的安全情況、設(shè)備運行情況以及環(huán)境狀態(tài)；采用遠程自動化、智能化巡視替代人工巡視、手動巡視；接入安防、消防、環(huán)境監(jiān)測以及變電所關(guān)聯(lián)設(shè)備模塊，智能采集運行狀態(tài)、故障與報警信息，實現(xiàn)遠程控制?；谖锫?lián)網(wǎng)平臺的隧道在線監(jiān)測通過在隧道施工期間安裝的光柵光纖、應(yīng)力應(yīng)變、光電傳感等傳感器設(shè)備，融合光纖傳感、激光傳感、電學(xué)傳感和視頻監(jiān)控等多種技術(shù)手段，對隧道關(guān)鍵部位的應(yīng)力、形變、沉降、振動、位移、聲譜、溫度、氣體、水位、圖像以及行為特征進行實時檢測，實現(xiàn)對地下基礎(chǔ)設(shè)施的結(jié)構(gòu)形變、內(nèi)部損傷和外部侵害一體化探測，以及智能化實時狀態(tài)在線診斷、辨識。

（2）動態(tài)巡檢主要以檢測專用車輛、運營車輛、機器人平臺為載體，利用基于復(fù)雜環(huán)境下激光高精度動態(tài)測量、高速車載在線測量誤差動態(tài)補償以及高速移動綜合精確定位、高速圖像智能識別等技術(shù)，實現(xiàn)對隧道表面掉塊、滲水、裂縫、錯臺等的動態(tài)識別，對鋼軌、扣件、軌道板、道床等的成像檢測，對反映弓網(wǎng)關(guān)系的接觸網(wǎng)檢測、弓網(wǎng)在線檢測、接觸懸掛成像檢測等，以及對反映輪軌關(guān)系的軌道幾何參數(shù)、鋼軌廓形、鋼軌病害等的檢測。

目前，全國各城市軌道交通公司均不同程度地配置了各類動態(tài)巡檢設(shè)備。特別是近年來，基于運營車輛的在線檢測系統(tǒng)在城市軌道交通線路開通前的評估及日常運營維護中已發(fā)揮重要作用，新建設(shè)開通線路已在每臺運營車輛上選擇配備弓網(wǎng)在線檢測設(shè)備。其中，運營車軌道在線檢測、運營車限界在線檢測、運營車線路巡檢等設(shè)備不斷地投入到實際線路運營檢測中，部分城市軌道交通運營公司已籌劃成立專門的檢測分析隊伍，建立檢測監(jiān)測大數(shù)據(jù)分析平臺，及時地預(yù)警和分析診斷設(shè)備運行故障，為車輛運行安全保駕護航。

2.2.3全壽命周期管理智能化

全壽命周期管理建立在大數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，是城市軌道交通智能運維的基礎(chǔ)。它集成各專業(yè)設(shè)備設(shè)施的基礎(chǔ)信息、動態(tài)信息、歷史信息、設(shè)備檢測信息等數(shù)據(jù)，梳理設(shè)備設(shè)施之間、資產(chǎn)與設(shè)備設(shè)施之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，基于主數(shù)據(jù)建模思想，建立適用于各專業(yè)的設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與資產(chǎn)數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)設(shè)備設(shè)施從采購到報廢、資產(chǎn)從開始到結(jié)束的全壽命周期數(shù)字化管理。

全壽命周期管理的核心是數(shù)據(jù)標準化，通過數(shù)據(jù)標準化編碼對基礎(chǔ)設(shè)施從設(shè)計、施工、運維到報廢各個階段的各類數(shù)據(jù)進行不斷地清洗、轉(zhuǎn)換、擴充、完善、入庫，最終形成智能運維數(shù)據(jù)倉庫，建立城市軌道交通智能運維數(shù)據(jù)歸集的標準規(guī)范，為智能運維數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)保障。同時，利用建筑信息模型（BIM）+地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)對數(shù)據(jù)進行可視化呈現(xiàn)，直觀地展示城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施全壽命周期的數(shù)據(jù)演變過程。

2.2.4運維管理智能化

運維管理智能化是智能運維的核心，集設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、故障診斷、計劃管理、智能維護的綜合監(jiān)測與維護為一體，通過融合智能學(xué)習(xí)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合與時空數(shù)據(jù)、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、故障預(yù)測與管理系統(tǒng)（PHM）方法論等技術(shù)，實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)評估、健康綜合評價、故障預(yù)測、壽命預(yù)測、運維輔助決策等功能。北京市軌道交通、廣州市軌道交通、成都市軌道交通等運營管理部門均建立了以各專業(yè)為單位的同類系統(tǒng)，其主要系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)的3 大核心功能是健康評估、性能預(yù)測和維修決策。

（1）健康評估。健康評估功能是指建立城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施健康評價體系，制定基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施健康評價指標，根據(jù)健康評價指標建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)評價模型，并針對基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施當前服役狀態(tài)，綜合考慮質(zhì)量評價、質(zhì)量鑒定、系統(tǒng)可用性、系統(tǒng)可維修性等，評估在役設(shè)備設(shè)施狀態(tài)，即健康狀態(tài)、功能降低狀態(tài)、不能工作狀態(tài)。

（2）性能預(yù)測。性能預(yù)測主要包括對設(shè)備缺陷變化規(guī)律預(yù)測、故障預(yù)測、剩余維修時間估計、零部件剩余壽命預(yù)測，通過海量數(shù)據(jù)及經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷膽?yīng)用實現(xiàn)預(yù)測、預(yù)估。

（3）維修決策。維修決策是指根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的健康評估、性能預(yù)測分析結(jié)果，給出基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施推薦的維修層次、維修活動、維修單元，并且自動形成綜合修、精測精修的修前評估和修后評價報告。

2.2.5生產(chǎn)作業(yè)智能化

生產(chǎn)作業(yè)智能化依托云計算與大數(shù)據(jù)平臺，結(jié)合全壽命周期管理與運維管理智能化兩大應(yīng)用的分析結(jié)果，實現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)全過程管理智能化，包括生產(chǎn)作業(yè)計劃的編制、維修作業(yè)一體化、生產(chǎn)作業(yè)流程卡控、生產(chǎn)作業(yè)監(jiān)控以及維修質(zhì)量評估等。

生產(chǎn)作業(yè)智能化運用智能終端、智能工具、智能頭盔、智能工具器柜、應(yīng)急裝置等，實現(xiàn)維修作業(yè)過程的可視化管理與監(jiān)控、遠程生產(chǎn)指揮，以及維修質(zhì)量評估。通過智能統(tǒng)計分析結(jié)果對生產(chǎn)搶修作業(yè)進行決策輔助，特別是對故障狀態(tài)下的遠程應(yīng)急指揮實施、輔助搶修作業(yè)具有重大效果與意義。

3 結(jié)束語

隨著城市軌道交通的迅猛發(fā)展，其對基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性、可用性、可維修性與安全性要求越來越高。本文介紹的基于智能檢測監(jiān)測、云計算與大數(shù)據(jù)等先進技術(shù)的智能運維系統(tǒng)可對城市軌道交通運營過程中海量運維數(shù)據(jù)進行整理融合、深度挖掘與智能分析，對基礎(chǔ)設(shè)施進行全壽命周期管理，可實現(xiàn)運維管理智能化與生產(chǎn)作業(yè)智能化，推動運維模式逐步向狀態(tài)修、預(yù)知修、預(yù)測修過渡，促進城市軌道交通運維的預(yù)知維修體制發(fā)展。