婁亭

（上海電科智能系統(tǒng)股份有限公司，上海 普陀 200063）

0 引言

從上海軌道交通系統(tǒng)占市公共交通出行比例來看，上海地鐵已經(jīng)成為上海市民出行的最主要渠道，20 多年來公交分擔(dān)率由1996 年的3.2%上升至66.7%，增長(zhǎng)了20 多倍。市民公共出行依賴地鐵，安全可靠的設(shè)施設(shè)備是上海地鐵正常運(yùn)營(yíng)的前提，亦是乘客高效出行的重要保障。隨著上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)化規(guī)模不斷擴(kuò)大，車站機(jī)電系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備呈現(xiàn)出裝備數(shù)量多、種類多、體量大、多階段并存的特征。傳統(tǒng)的維護(hù)維修策略、日常檢修生產(chǎn)組織、故障診斷水平難以適應(yīng)不斷提升的運(yùn)營(yíng)安全服務(wù)需求，使近年來地鐵設(shè)備可靠性持續(xù)下降，設(shè)施設(shè)備的故障數(shù)不斷上升，這些故障的發(fā)生必然會(huì)影響地鐵日常運(yùn)營(yíng)的安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，2016至2020 年上海地鐵15min 及以上嚴(yán)重晚點(diǎn)事件中，設(shè)施設(shè)備的故障是主要因素，占比達(dá)74%以上。因此，通過建立以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興信息技術(shù)為基礎(chǔ)的軌道交通車站機(jī)電設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)，充分提升軌道交通底層機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備的接入以及感知能力，提高車站機(jī)電系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備可用率，降低設(shè)備維護(hù)成本，是軌道交通實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的有效路徑[1]。

1 車站機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維現(xiàn)狀

1.1 設(shè)備規(guī)模體量大

車站機(jī)電系統(tǒng)主要包括車站建筑范圍內(nèi)的環(huán)控系統(tǒng)、低壓配電系統(tǒng)、導(dǎo)向標(biāo)識(shí)及照明系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電扶梯系統(tǒng)、站臺(tái)門系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警及消防系統(tǒng)、自動(dòng)售檢票系統(tǒng)等。涉及的風(fēng)、水、電系統(tǒng)設(shè)備分布在車站站廳層、站臺(tái)層的設(shè)備區(qū)、公共區(qū)以及隧道區(qū)間的各個(gè)角落。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)非換乘地下車站的車站機(jī)電系統(tǒng)設(shè)備約有上百類超過千余個(gè)設(shè)備，系統(tǒng)繁多且設(shè)備種類復(fù)雜。由此可見，車站機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)維涉及的設(shè)備規(guī)模體量非常大。

1.2 設(shè)備維修資源遞減

車站的機(jī)電設(shè)備保養(yǎng)目前主要由設(shè)備管理人員與委外單位的工作人員共同承擔(dān)，按照上級(jí)部門下發(fā)的年度維護(hù)計(jì)劃對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的維修和保養(yǎng)，維護(hù)周期分為雙周保養(yǎng)、月度保養(yǎng)、季度保養(yǎng)、半年度保養(yǎng)、年度保養(yǎng)。運(yùn)營(yíng)部門會(huì)按照巡檢計(jì)劃安排大量人員對(duì)車站設(shè)施進(jìn)行巡檢，主要目的在于及時(shí)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障的設(shè)施并通知相關(guān)部門進(jìn)行維修，確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全。由于車站機(jī)電系統(tǒng)繁雜，涉及風(fēng)、水、電等眾多專業(yè)，不同專業(yè)設(shè)備位置分布區(qū)域較廣，自動(dòng)化系統(tǒng)孤立，業(yè)務(wù)執(zhí)行需要操作多個(gè)終端；需要高頻次在多區(qū)域執(zhí)行人工巡檢造成了巡檢效率較低，人力資源浪費(fèi)，巡檢質(zhì)量欠缺、設(shè)備維修資源遞減等一系列問題[2]。在此情況下要保證設(shè)備的可靠性、可用性只能越來越依靠計(jì)劃修，致使計(jì)劃修清單越來越長(zhǎng)，使情況進(jìn)一步惡化，從而形成惡性循環(huán)，使維護(hù)工作的及時(shí)性和準(zhǔn)確性進(jìn)一步降低。

1.3 維修業(yè)務(wù)貫通不暢

目前上海地鐵既有維護(hù)保障業(yè)務(wù)流程的各個(gè)環(huán)節(jié)如維修規(guī)程管理、維修計(jì)劃管理、工單管理、施工過程管理等均已有相應(yīng)信息系統(tǒng)支持，這些系統(tǒng)是在長(zhǎng)期的運(yùn)維過程中在不同時(shí)期開發(fā)，為滿足特定功能開發(fā)的系統(tǒng)，系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)不統(tǒng)一、流程難以對(duì)接。一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，維修人員通常需要查詢多個(gè)系統(tǒng)并翻閱大量的資料，才能夠?qū)ふ业较嚓P(guān)的信息資料，浪費(fèi)大量的時(shí)間，無法保證設(shè)備的快速恢復(fù)。甚至遇到圖紙錯(cuò)誤，或需要進(jìn)行設(shè)計(jì)變更時(shí)，由于信息的分散，更新速度較慢，無法保證相關(guān)信息的關(guān)聯(lián)性表達(dá)，造成在維修過程中設(shè)備的各類信息發(fā)生頻繁重復(fù)的修改，這樣一方面會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的效率低下，另一方面還會(huì)延誤工期，甚至影響乘客的人身安全。

因此，為滿足軌道交通遠(yuǎn)期發(fā)展需要將車站機(jī)電專業(yè)全過程業(yè)務(wù)貫通和數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，通過數(shù)字化采集、自動(dòng)監(jiān)控、分析等手段，提高業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)原生水平，實(shí)現(xiàn)前期設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與環(huán)境、質(zhì)量、安全、成本、人員等維修過程數(shù)據(jù)的有效融合，為實(shí)現(xiàn)車站數(shù)字化運(yùn)營(yíng)與維護(hù)保障奠定基礎(chǔ)，建設(shè)軌道交通的車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)是十分必要的。

2 車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)以大數(shù)據(jù)技術(shù)為驅(qū)動(dòng)，以三維可視化技術(shù)為基礎(chǔ)，充分發(fā)揮BIM模型三維信息顯示的優(yōu)勢(shì)，在地鐵車站三維模型的基礎(chǔ)上整合機(jī)電設(shè)備的動(dòng)靜態(tài)數(shù)據(jù)，搭載標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)維業(yè)務(wù)流程，打通數(shù)據(jù)流向，實(shí)現(xiàn)車站運(yùn)維業(yè)務(wù)流程的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化和運(yùn)維管理的可視化、精細(xì)化，提升軌道交通車站智能化運(yùn)維管理水平，為智慧地鐵建設(shè)提供基礎(chǔ)支撐。

基于綜合監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，輔助增加必要的智能傳感設(shè)備作為補(bǔ)充，可大幅節(jié)省系統(tǒng)建設(shè)的成本、縮短系統(tǒng)建設(shè)周期。車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息化與自動(dòng)化系統(tǒng)相結(jié)合，通過設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)持續(xù)、有效積累，為后期大數(shù)據(jù)分析提供數(shù)據(jù)支持，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理工作信息化，生產(chǎn)組織標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)備運(yùn)行、維修管理、物資使用等生產(chǎn)管理信息有機(jī)聯(lián)動(dòng)，減少人為參與程度，實(shí)現(xiàn)維護(hù)作業(yè)模式向智能化智慧化方向轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)總體架構(gòu)圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

軌道交通車站機(jī)電設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)分為設(shè)備感知層、數(shù)據(jù)處理層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和決策支持層4 個(gè)層級(jí)。

2.1 設(shè)備感知層

作為實(shí)現(xiàn)地鐵機(jī)電設(shè)備運(yùn)維，電子化、數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化管理的基礎(chǔ)，機(jī)電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)等底層數(shù)據(jù)的接入尤為必要。通過借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、RFID 技術(shù)及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)設(shè)備進(jìn)行全時(shí)段、全生命周期監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)低壓配電設(shè)備、暖通設(shè)備、照明設(shè)備等數(shù)據(jù)上傳，使設(shè)備信息電子化、狀態(tài)化、規(guī)范化、便捷化，為建立起比較完善、有效的全面規(guī)劃生產(chǎn)維護(hù)體系提供基礎(chǔ)。

2.2 數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理層是保障數(shù)據(jù)資源沉淀、管理和數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。車站機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)主要分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)兩類，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括車站信息、設(shè)備信息、系統(tǒng)信息、協(xié)議信息等，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要由狀態(tài)數(shù)據(jù)、聚合計(jì)算數(shù)據(jù)等組成。數(shù)據(jù)處理層通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分類、數(shù)據(jù)計(jì)算等處理，整合基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為車站智能運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)支撐，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資產(chǎn)沉淀和服務(wù)的基礎(chǔ)保障。

2.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

業(yè)務(wù)應(yīng)用層作為車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)的重要組成部分，支持在設(shè)備電子履歷、異常狀態(tài)檢測(cè)、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)化構(gòu)造智能運(yùn)維服務(wù)應(yīng)用體系，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、維護(hù)執(zhí)行、應(yīng)急處理、巡檢管理、輔助維修等維修業(yè)務(wù)相關(guān)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)維修業(yè)務(wù)間的互通和流程、維修模式的優(yōu)化。

2.4 決策支持層

決策支持層在業(yè)務(wù)應(yīng)用層之上，通過全過程監(jiān)測(cè)和分析設(shè)備的健康狀態(tài)，在系統(tǒng)中集成專業(yè)分析模塊實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)分析隱患預(yù)警、故障智能診斷、健康度評(píng)估、輔助決策和維修建議支持。同時(shí)，可以通過三維可視化的形式直觀反映車站設(shè)備情況、數(shù)據(jù)價(jià)值、業(yè)務(wù)需求，為使用人員進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、分析、運(yùn)維等提供決策支持。

3 車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)核心功能

車站機(jī)電設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)視車站機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行信息、故障信息和設(shè)備履歷信息，并對(duì)海量歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用發(fā)掘數(shù)據(jù)間的潛在關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過構(gòu)建故障診斷和預(yù)警模型對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行趨勢(shì)分析和提前預(yù)警，并結(jié)合專家系統(tǒng)給出維修決策支持。從而實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備短期預(yù)警、中長(zhǎng)期狀態(tài)維修建議及健康管理的智能維修新模式。

軌道交通車站機(jī)電設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)基于智能運(yùn)維的業(yè)務(wù)需求，通過設(shè)備智能監(jiān)測(cè)、專家系統(tǒng)的智能化分析過程及運(yùn)維數(shù)據(jù)的深度挖掘，主要實(shí)現(xiàn)了設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、全壽命周期管理、故障診斷及定位、設(shè)備隱患預(yù)警、健康評(píng)估分析等核心功能。

3.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控主要依托智能傳感、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，通過智能傳感設(shè)備進(jìn)行底層數(shù)據(jù)收集，對(duì)車站各種機(jī)電關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能感知、異常判斷、實(shí)時(shí)傳輸，使運(yùn)維人員有效掌握設(shè)施設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，并為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)。例如暖通大系統(tǒng)風(fēng)機(jī)異常故障時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，此時(shí)采集到的監(jiān)測(cè)指標(biāo)可與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中的包絡(luò)譜頻率幅值進(jìn)行對(duì)比，不同故障的異常震動(dòng)信號(hào)頻率不同，這些指標(biāo)可以量化，輔助判斷設(shè)備屬性和狀態(tài)[3]。

3.2 全壽命周期管理

設(shè)備的全生命周期管理集成了設(shè)備從安裝調(diào)試到運(yùn)營(yíng)運(yùn)維所有的運(yùn)行信息及維修養(yǎng)護(hù)、更新替換的全壽命周期過程，為設(shè)備的信息化管理、智能化運(yùn)維提供了基礎(chǔ)保障。以三維模型為統(tǒng)一底座，可以直觀定位、快速獲取設(shè)施設(shè)備全壽命周期履歷信息；通過搭載標(biāo)準(zhǔn)化運(yùn)維業(yè)務(wù)流程，可以打通數(shù)據(jù)流向，集成多部門多系統(tǒng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)跨部門跨專業(yè)協(xié)同工作。同時(shí)通過大數(shù)據(jù)的定性和定量分析，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的進(jìn)一步提升，利用智能化手段為設(shè)備提供維護(hù)策略建議。

3.3 故障診斷定位

故障診斷定位主要對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行根因分析，通過分析設(shè)備的可靠性指標(biāo)變化情況，深挖設(shè)備產(chǎn)生故障的根本原因。傳統(tǒng)的故障告警通常基于單源的邏輯條件實(shí)現(xiàn)對(duì)故障診斷定位，缺乏對(duì)于多維度、多層級(jí)故障的挖掘研判及分析能力，而故障往往是具備因果性、衍生性或并發(fā)性特點(diǎn)的。車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)與圖譜動(dòng)態(tài)結(jié)合，可以輔助解決復(fù)雜查詢、關(guān)聯(lián)分析、根因追蹤等場(chǎng)景的需求，基于數(shù)據(jù)分析手段，通過多級(jí)數(shù)據(jù)反饋結(jié)果，完成對(duì)故障根源的搜索定位，確定故障原因、故障等級(jí)、影響范圍等；并根據(jù)專家?guī)燧敵鼍S修指導(dǎo)建議，改善設(shè)施設(shè)備維護(hù)措施，輔助維護(hù)人員快速定位故障并進(jìn)行排故作業(yè)。

3.4 設(shè)備隱患預(yù)警

車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)通過對(duì)數(shù)據(jù)處理后產(chǎn)生的特征數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備的典型故障特征提取?；谌斯ぶ悄艿墓收显\斷算法進(jìn)行大數(shù)據(jù)的定性和定量分析、存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的提升[4]。利用機(jī)電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)設(shè)備未來的特征值變化，最終實(shí)現(xiàn)故障發(fā)生時(shí)間的預(yù)測(cè)、設(shè)備性能衰退的趨勢(shì)分析，從而預(yù)防影響運(yùn)營(yíng)的重大故障發(fā)生，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)及設(shè)備的隱患預(yù)警分析。通過故障定位及隱患預(yù)警可輔助壓縮故障時(shí)間、提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，降低設(shè)備故障率，提升設(shè)備可靠度。

3.5 健康評(píng)估分析

健康評(píng)估分析是實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能運(yùn)維的關(guān)鍵核心功能。通過構(gòu)建算法對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)變化進(jìn)行跟蹤，挖掘可用的增值信息，逐層對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾、增強(qiáng)、組合、分析、歸類后生成健康狀態(tài)模型。通過邏輯分析、專家系統(tǒng)、人工智能算法綜合評(píng)估設(shè)備的壽命狀態(tài)、健康狀態(tài)及技術(shù)性能?；趯＜抑R(shí)庫及業(yè)務(wù)建模，結(jié)合推理機(jī)完成故障推理演繹過程，并通過在線數(shù)據(jù)注入完成整個(gè)實(shí)時(shí)故障診斷計(jì)算，為系統(tǒng)實(shí)時(shí)定位故障處所及故障原因提供后臺(tái)支撐。從而提高健康診斷與異常檢測(cè)的成功率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備安全服役期限內(nèi)的最大壽命使用。

4 車站機(jī)電設(shè)備維修業(yè)務(wù)優(yōu)化

在原有維修業(yè)務(wù)流程中，設(shè)備維修人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查和巡視，發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障后通過故障報(bào)修平臺(tái)進(jìn)行報(bào)修錄入，調(diào)度確認(rèn)故障信息后派發(fā)工單至維修班組或委外單位。責(zé)任部門/班組在接收到工單后，提交施工計(jì)劃申請(qǐng)，經(jīng)審批后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維修，故障修復(fù)后返回處置結(jié)果、故障原因以及恢復(fù)運(yùn)行時(shí)間，車站和班組進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)確認(rèn)，故障閉環(huán)[5]。維修流程優(yōu)化圖見圖2。

圖2 維修流程優(yōu)化圖

通過車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)，可以解決車站日常維修業(yè)務(wù)中關(guān)鍵設(shè)備數(shù)據(jù)采集的瓶頸問題，增強(qiáng)時(shí)效性，通過進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障；形成專家系統(tǒng)，基于專家經(jīng)驗(yàn)庫、趨勢(shì)分析故障預(yù)警和設(shè)備健康度評(píng)估，使各系統(tǒng)數(shù)據(jù)互通，快速診斷故障原因，分級(jí)、分發(fā)故障，生成工單，增強(qiáng)故障排除及判斷的時(shí)效性，并更新設(shè)備履歷，實(shí)現(xiàn)全壽命周期管理。車站機(jī)電智能運(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)施在設(shè)備管理、檢修管理、施工管理、故障管理等各環(huán)節(jié)進(jìn)行管理效率的提升和流程的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)車站的智能管理。

5 結(jié)語

軌道交通車站機(jī)電設(shè)備智能運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)將全面提升車站機(jī)電設(shè)備的維修質(zhì)量和效率，依托基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)，分析設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，完善修程修制，在原有故障修基礎(chǔ)上，逐步形成更為合理的經(jīng)驗(yàn)型計(jì)劃修模式；依托系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)在線感知能力，逐步形成感知型狀態(tài)修模式；依托精準(zhǔn)維修理念、在線監(jiān)測(cè)狀態(tài)數(shù)據(jù)，逐步形成專家型故障修模式。維修方式的轉(zhuǎn)變可以使車站機(jī)電設(shè)備維修業(yè)務(wù)以設(shè)備本身特點(diǎn)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)維修策略的優(yōu)化，同時(shí)節(jié)省車站設(shè)備維護(hù)成本，從而保障車站運(yùn)營(yíng)安全、提升設(shè)備維護(hù)效率。