賈連志 林道中

(1. 洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司， 471023， 洛陽；2. 中鐵建電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司， 471013， 洛陽∥第一作者， 高級(jí)工程師)

近年來，在城市軌道交通(以下簡為“城軌”)產(chǎn)業(yè)內(nèi)，構(gòu)建“智慧城軌”已成為一個(gè)熱門話題。《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》從8個(gè)專業(yè)出發(fā)，給出了在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系下共同建設(shè)城軌云和大數(shù)據(jù)平臺(tái)的指導(dǎo)建議。北京、上海及廣州等已具有完善城軌網(wǎng)絡(luò)的城市，多通過對原有設(shè)施設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)或加入新元素等方式來建設(shè)“智慧城軌”。而洛陽的城軌建設(shè)剛剛起步，尚未成網(wǎng)，完全可以利用后起優(yōu)勢，在初期建設(shè)階段就參考發(fā)達(dá)城市，建設(shè)“智慧城軌”線網(wǎng)。

洛陽具有優(yōu)越的地理位置、深厚的歷史底蘊(yùn)、豐富的旅游資源，一直致力于打造文化旅游城市的名片，吸引了大量游客。由文獻(xiàn)[1]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，自2013年至2019年，洛陽市旅游人數(shù)從0.86億人次增長到1.42億人次， 2019年洛陽市旅游總收入達(dá)到1 321.02億元。根據(jù)運(yùn)營方數(shù)據(jù)，洛陽地鐵1號(hào)線開通前期，受“牡丹花會(huì)”的帶動(dòng)，日客運(yùn)量達(dá)24.64萬人次。此外，第七次人口普查結(jié)果顯示，洛陽市城鎮(zhèn)人口比重上升了20.88%。就此可預(yù)見，居民出行需求也將隨之增長?？焖僭鲩L的游客需求和居民出行需要，都凸顯了洛陽軌道交通較強(qiáng)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

其他城市發(fā)展已經(jīng)表明，現(xiàn)有的城軌系統(tǒng)已經(jīng)很難適應(yīng)快速增長的客流、服務(wù)品質(zhì)、服務(wù)響應(yīng)時(shí)效性的需求，洛陽城軌亟待探索最大限度優(yōu)化利用資源，發(fā)揮先進(jìn)技術(shù)設(shè)施效能，打造面向乘客、面向服務(wù)的智慧城軌體系。本文探討了洛陽智慧城軌體系的構(gòu)建，從智慧城軌的全生命周期建設(shè)出發(fā)，探討了設(shè)計(jì)建設(shè)期的智慧建造、建設(shè)運(yùn)營期的資產(chǎn)管理，以及運(yùn)營維護(hù)期的智能維護(hù)。

1 洛陽智慧城軌體系的構(gòu)建

1.1 其他城市經(jīng)驗(yàn)

城軌建設(shè)經(jīng)驗(yàn)豐富的城市已嘗試構(gòu)建智慧城軌體系。北京智慧城軌的體系主要從5個(gè)方面落實(shí)：智慧乘客服務(wù)、智能車輛及設(shè)備運(yùn)行、智能車輛及設(shè)備維護(hù)、云平臺(tái)構(gòu)建、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系建立[2]。上海用“SMART”來詮釋智慧城軌的特征，即狀態(tài)感知(state perception)、數(shù)據(jù)管控(data management)、自動(dòng)診斷(automatic analysis)、業(yè)務(wù)閉環(huán)(route loop)、持續(xù)進(jìn)化(tenacious evolution)，概括了智慧城軌從對象數(shù)字化到執(zhí)行智能化、到最終實(shí)現(xiàn)決策與聯(lián)動(dòng)智慧化的發(fā)展過程[3]。南京地鐵示范工程以都市圈城軌云、大數(shù)據(jù)平臺(tái)及5G(第5代移動(dòng)通信技術(shù))公專網(wǎng)傳輸網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，圍繞乘客服務(wù)、運(yùn)營管理和設(shè)備維護(hù)三大業(yè)務(wù)場景，重點(diǎn)突破跨市域乘客服務(wù)、多網(wǎng)融合智能調(diào)度、多專業(yè)綜合運(yùn)維、普適性列車簡統(tǒng)及全生命周期管理等關(guān)鍵技術(shù)[4]。

1.2 洛陽智慧城軌體系的架構(gòu)

綜合考慮洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司架構(gòu)(見圖1)、線路規(guī)劃及運(yùn)營情況等，洛陽智慧城軌體系以洛陽市軌道交通集團(tuán)綜合交通樞紐發(fā)展有限責(zé)任公司為總體出發(fā)點(diǎn)，同洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司運(yùn)營分公司協(xié)調(diào)，梳理建設(shè)與運(yùn)營的關(guān)系。以線網(wǎng)運(yùn)行和樞紐節(jié)點(diǎn)為重點(diǎn)構(gòu)建線網(wǎng)運(yùn)營調(diào)度指揮中心，充分考慮運(yùn)營需要，對各線路的設(shè)計(jì)方案、設(shè)施設(shè)備及運(yùn)營組織等進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃，在運(yùn)維過程中建立人員、機(jī)器、環(huán)境、管理四要素的管理體系，實(shí)現(xiàn)城軌的安全、綠色發(fā)展。

圖1 洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司架構(gòu)圖

如圖2所示，洛陽智慧城軌體系主要?jiǎng)澐譃閿?shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算、數(shù)據(jù)應(yīng)用等3個(gè)層面。

圖2 洛陽智慧城軌體系的架構(gòu)Fig.2 Architecture of Luoyang smart urban rail

1.2.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要包括建設(shè)期的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和運(yùn)行期的狀態(tài)數(shù)據(jù)采集。依托于建設(shè)期的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集儀、各類傳感器及無線模塊等智能化設(shè)備，利用數(shù)字孿生技術(shù)可以較為容易地獲得土建、車輛等基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)及車輛、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過IC卡、手機(jī)支付端、進(jìn)站閘機(jī)等采集乘客信息，此外，還可導(dǎo)入已有的物資管理數(shù)據(jù)、工作人員信息、公司組織架構(gòu)、制度規(guī)范等，進(jìn)而構(gòu)建全方位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

數(shù)字孿生(digital twin)技術(shù)以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力[5]。該技術(shù)可解決BIM(建筑信息模型)+GIS(地理信息系統(tǒng))方法中靜態(tài)建模、數(shù)據(jù)孤立、細(xì)節(jié)不到位等問題，充分利用模型、數(shù)據(jù)、智能并集成多學(xué)科的技術(shù)，提供更加實(shí)時(shí)、高效、智能的服務(wù)。

智慧城軌為智慧城市的一部分。在交通管理部門的協(xié)調(diào)下，智慧城軌的數(shù)據(jù)可與地面公共交通數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享互通，便于乘客正常換乘銜接或應(yīng)急接駁等服務(wù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與計(jì)算采用區(qū)塊鏈技術(shù)來實(shí)現(xiàn)去中心化和加密處理。在區(qū)塊鏈中，數(shù)字孿生的數(shù)據(jù)唯一且可追溯，其既能實(shí)時(shí)更新設(shè)備狀態(tài)及工作人員動(dòng)向，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享性、真實(shí)性和即時(shí)性，也能保證閉環(huán)管控，避免遺漏。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算采取深度學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)，結(jié)合專家知識(shí)庫，對行業(yè)累積數(shù)據(jù)與本土數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練。云計(jì)算提高了數(shù)據(jù)計(jì)算效率。5G保證了通信數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

數(shù)據(jù)應(yīng)用包含建設(shè)管理、資產(chǎn)管理、運(yùn)營組織、設(shè)備維修、乘客服務(wù)及環(huán)境管理等。數(shù)據(jù)采集后通過云計(jì)算，可基本實(shí)現(xiàn)智慧城軌相關(guān)數(shù)據(jù)的整理。數(shù)據(jù)應(yīng)用可實(shí)現(xiàn)多種功能：可用于模擬演示建設(shè)施工、車輛運(yùn)行及大客流狀態(tài)等，以發(fā)掘存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，便于及時(shí)管控；可進(jìn)行智慧資產(chǎn)管理，增強(qiáng)資產(chǎn)保值增值能力；可基于多元客流數(shù)據(jù)、列車載運(yùn)能力、列車運(yùn)行狀態(tài)及城市交通出行特征，合理地安排調(diào)度，優(yōu)化子系統(tǒng)參數(shù)配置，進(jìn)而提高運(yùn)行效率；面對突發(fā)事件，可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)來判斷事件的嚴(yán)重程度，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)分級(jí)管控措施；可通過調(diào)整智能化設(shè)備、及時(shí)調(diào)配人員來處置突發(fā)事件，減少信息傳送和分析決策的時(shí)間，減少突發(fā)事件對運(yùn)營的影響；通過對全系統(tǒng)設(shè)備的管控，可為乘客提供更加豐富準(zhǔn)確的信息，增強(qiáng)與乘客的互動(dòng)，提升服務(wù)質(zhì)量；基于能耗和噪聲振動(dòng)等狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，可在車型改造、車輛運(yùn)行、車站管理等方面提出優(yōu)化策略，從而降低能源消耗和污染排放，降噪減振，給乘客良好的乘車體驗(yàn)，保護(hù)城市風(fēng)貌。

2 洛陽智慧城軌的全生命周期建設(shè)

城軌的全生命周期一般包含概念、系統(tǒng)定義與應(yīng)用條件、風(fēng)險(xiǎn)分析與評估、系統(tǒng)要求、系統(tǒng)架構(gòu)和要求分配、設(shè)計(jì)和應(yīng)用、制造、安裝、系統(tǒng)確認(rèn)、系統(tǒng)驗(yàn)收、操作、維護(hù)、性能監(jiān)測、退役等階段。

在傳統(tǒng)地鐵項(xiàng)目中，前期設(shè)計(jì)建設(shè)階段和后期運(yùn)營維護(hù)階段多有所割裂，且設(shè)計(jì)建設(shè)階段的投入尤受重視。然而，根據(jù)深圳市地鐵集團(tuán)有限公司2017年的分析，城市軌道交通30年運(yùn)營全費(fèi)用約為建設(shè)費(fèi)用的3.3～3.7倍[6]?？梢姡蛟熘腔鄢擒?，其全生命周期的建設(shè)都應(yīng)引起重視。簡單來說，智慧城軌的全生命周期建設(shè)主要包括設(shè)計(jì)建設(shè)階段的智慧建造、建設(shè)運(yùn)營階段的智慧資產(chǎn)管理及運(yùn)營維護(hù)階段的智能運(yùn)維。

2.1 智慧建造

智慧建造是將新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)設(shè)計(jì)施工技術(shù)深度融合，并貫穿工程活動(dòng)各環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自適應(yīng)等功能的新型建造方式。當(dāng)前，智慧建造較多采用BIM+GIS和數(shù)字孿生等技術(shù)。

智慧建造理念立足于全生命周期，要求運(yùn)營主管單位在工程前期就要考慮后期的運(yùn)營規(guī)劃。在工程可行性研究階段，由運(yùn)營主管單位牽頭，在設(shè)計(jì)單位開展設(shè)計(jì)工作的同時(shí)，編制以實(shí)現(xiàn)智慧城軌目標(biāo)為主線、詳細(xì)且規(guī)范的運(yùn)營規(guī)劃系列文件。這些文件的內(nèi)容可包括(并不限于)運(yùn)營規(guī)劃與目標(biāo)、運(yùn)營服務(wù)大綱、系統(tǒng)功能要求、運(yùn)營模式、維修策略及運(yùn)營管理等[7]。將建設(shè)期和運(yùn)維期串聯(lián)起來之后，洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司更能科學(xué)高效地統(tǒng)籌土建基礎(chǔ)工程的建設(shè)、機(jī)車車輛的制造、設(shè)備的采購安裝及站點(diǎn)的銜接分配。

洛陽地鐵建設(shè)主要存在地勢不平、淺層文物較多等問題，需做好文物保護(hù)，并兼顧經(jīng)濟(jì)性和可持續(xù)發(fā)展性。對此，洛陽智慧城軌建設(shè)的智慧建造應(yīng)包括：在規(guī)劃期和建設(shè)期，應(yīng)利用先進(jìn)的探測設(shè)備，不斷補(bǔ)充完善建設(shè)環(huán)境資料，為土建工程展開提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)支撐；對工程質(zhì)量進(jìn)行多元數(shù)據(jù)記錄，采用實(shí)時(shí)預(yù)警的質(zhì)量整改方案；對機(jī)電設(shè)備及機(jī)車車輛進(jìn)行數(shù)字建模，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并利用5G進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

通過智慧建設(shè)，洛陽智慧城軌可從這些數(shù)據(jù)中挖掘建設(shè)階段存在的風(fēng)險(xiǎn)隱患，通過自主學(xué)習(xí)的方式尋求最優(yōu)解決方案，以指導(dǎo)相關(guān)工作的展開，還可將這些數(shù)據(jù)作為竣工驗(yàn)收的有力參考。在建設(shè)過程中通過數(shù)字孿生積累的大量數(shù)據(jù)將對指導(dǎo)運(yùn)營工作有重要意義：若之后出現(xiàn)工程問題，則可更加高效地追責(zé)整改，降低溝通成本，地鐵運(yùn)營質(zhì)量也得到有效提高。

此外，洛陽地鐵車輛的制造方可在智慧建設(shè)中學(xué)習(xí)全自動(dòng)運(yùn)行列車的范例，對車載設(shè)備進(jìn)行智能化升級(jí)，在設(shè)計(jì)建造階段采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，并為列車保留升級(jí)改造空間，為日后線網(wǎng)的互聯(lián)互通打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.2 智慧資產(chǎn)管理

根據(jù)《洛陽市城市軌道交通第一期建設(shè)規(guī)劃》，洛陽地鐵1號(hào)線和2號(hào)線一期工程，總長41.3 km，總投資達(dá)310億元。對于如此重型的資產(chǎn)行業(yè)，洛陽智慧城軌建設(shè)應(yīng)積極挖掘資產(chǎn)潛力，提升資產(chǎn)管理水平，增強(qiáng)資產(chǎn)保值增值能力。

由我國城軌建設(shè)經(jīng)驗(yàn)可知：地鐵資產(chǎn)具有資產(chǎn)種類多、區(qū)域分布廣、管理周期長及資金總量大的特點(diǎn)；城軌資產(chǎn)管理不僅要面對資產(chǎn)全壽命周期管理過程復(fù)雜、資產(chǎn)價(jià)值管理和實(shí)物管理難以協(xié)調(diào)、資產(chǎn)管理程序相對嚴(yán)格等難題，還存在資產(chǎn)信息不完整、初始臺(tái)賬不規(guī)范、資產(chǎn)與實(shí)物沒有實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)，以及資產(chǎn)變更更新不及時(shí)等問題。

洛陽市軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司可基于《國際資產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)》，從資產(chǎn)全壽命周期管理和安全效能成本管理的理念出發(fā)，結(jié)合自身實(shí)際資產(chǎn)規(guī)模，構(gòu)建智慧資產(chǎn)管理系統(tǒng)。

在建設(shè)階段，依托資產(chǎn)臺(tái)賬，利用數(shù)字孿生技術(shù)，將車站、線路、網(wǎng)絡(luò)，以及各專業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備等實(shí)物資產(chǎn)，轉(zhuǎn)為虛擬化、數(shù)字化表達(dá)，并對各類資產(chǎn)的全壽命周期信息進(jìn)行采集、展示及統(tǒng)計(jì)。這就需要明確設(shè)備資產(chǎn)管理范圍、制定設(shè)備模型建模標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備編碼體系，并進(jìn)行相關(guān)調(diào)試驗(yàn)證，以確保設(shè)備資產(chǎn)信息可從智慧資產(chǎn)管理系統(tǒng)中導(dǎo)出[8]。

除了在建設(shè)階段可將資產(chǎn)數(shù)字化，在后續(xù)的運(yùn)營階段也可實(shí)時(shí)獲取與修正數(shù)字化資產(chǎn)。借助自動(dòng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)智能采集、物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)，智慧資產(chǎn)管理系統(tǒng)匯總收集、分類清洗和轉(zhuǎn)換分析不同種類資產(chǎn)的屬性信息和狀態(tài)位置，并對資產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字孿生，可實(shí)時(shí)精確獲取各類資產(chǎn)的所有信息。通過工業(yè)自動(dòng)化和信息化融合技術(shù)，將云平臺(tái)和邊緣智能前后端結(jié)合，資產(chǎn)管理系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對資產(chǎn)管理現(xiàn)狀的自主感知和分析診斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)場景的展現(xiàn)、模式的識(shí)別，甚至實(shí)現(xiàn)方案執(zhí)行的軟件化。最終建立集精準(zhǔn)感知、深度分析、智慧決策、高效實(shí)施和自主學(xué)習(xí)于一體的智慧資產(chǎn)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類資產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通[9]。

2.3 智能運(yùn)維

目前，我國城市軌道交通運(yùn)營規(guī)?？焖侔l(fā)展，服務(wù)品質(zhì)要求日益提升，服務(wù)時(shí)效要求愈加嚴(yán)格。

而現(xiàn)有的運(yùn)維服務(wù)模式無法滿足相關(guān)需求。洛陽智慧城軌建設(shè)需要構(gòu)建集運(yùn)營、檢修、維護(hù)于一體的智慧運(yùn)維云平臺(tái)。洛陽市智慧城軌智能運(yùn)維云平臺(tái)框架圖如圖3所示。

圖3 智能運(yùn)維云平臺(tái)框架圖Fig.3 Framework diagram of intelligent operation and maintenance cloud platform

智慧運(yùn)維云平臺(tái)的建設(shè)內(nèi)容包括：建立與智能調(diào)度相協(xié)調(diào)的運(yùn)營保障系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對車輛、通信、信號(hào)、供電、機(jī)電等專業(yè)系統(tǒng)設(shè)施的實(shí)時(shí)智能監(jiān)控；建設(shè)列車控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行速度，載荷情況，位置信息，以及客室溫度、濕度及照度等狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控[10]；構(gòu)建互聯(lián)互通的多線路融合網(wǎng)絡(luò)，利用無線射頻識(shí)別技術(shù)、藍(lán)牙、局域網(wǎng)等將全網(wǎng)絡(luò)設(shè)施設(shè)備互相聯(lián)通；通過視頻圖像采集設(shè)備和各類傳感器智能感知設(shè)施設(shè)備狀態(tài)，借助5G傳輸實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障率，并作系統(tǒng)性分析[11]；將設(shè)備設(shè)施的全壽命周期數(shù)據(jù)整理上傳至云平臺(tái)，為日后的智能檢修維護(hù)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

此外，需建立設(shè)備健康狀態(tài)管理平臺(tái)，利用在線狀態(tài)監(jiān)測和遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)，建立各類設(shè)備的劣化模型，進(jìn)行劣化趨勢分析，摸索設(shè)備劣化規(guī)律，并智能生成最優(yōu)的維修計(jì)劃和方案。使維修工作從傳統(tǒng)的“故障修”、“計(jì)劃修”轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦A(yù)測修”和“狀態(tài)修”。重點(diǎn)關(guān)注影響運(yùn)營安全和效率的各系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備，提高其實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的可靠性，根據(jù)故障發(fā)生頻率和影響嚴(yán)重程度建立風(fēng)險(xiǎn)矩陣，逐步完善各關(guān)鍵設(shè)備或子系統(tǒng)維修策略，從而解決規(guī)模化運(yùn)營帶來的大量關(guān)鍵設(shè)施設(shè)備檢修維護(hù)工作[12]。

最終建設(shè)成集狀態(tài)監(jiān)測與評估、特征提取與分析、故障預(yù)測與診斷、最優(yōu)維修模式與策略的智能運(yùn)維云平臺(tái)。該云平臺(tái)用于集成各系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)、列車運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)營調(diào)度數(shù)據(jù)和故障檢修數(shù)據(jù)等，并對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、分類整理、轉(zhuǎn)換融合、深度分析，從而打破各線路、各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)層到分析層到應(yīng)用層再到展示層的閉環(huán)跟蹤環(huán)節(jié)。

3 結(jié)語

各地的智慧城軌建設(shè)之路仍在探索之中。本文基于各地相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)，梳理了洛陽智慧城軌體系的構(gòu)建內(nèi)容，并探討了洛陽智慧城軌的全生命周期建設(shè)要點(diǎn)。洛陽智慧城軌建設(shè)應(yīng)遵循綜合、綠色、安全、人性化、自主化、智慧化的策略，在宏觀上把握洛陽智慧城軌發(fā)展方向，在微觀上因地制宜、協(xié)調(diào)發(fā)展，加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)交流，學(xué)習(xí)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。