金建飛 徐正良 何利英 趙曉峰 劉宏祥

(1.上海有軌電車工程技術研究中心，200125，上海；2.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，200125，上海；3.上海電氣自動化設計研究所有限公司，200023，上?！蔚谝蛔髡撸呒壒こ處?

當前有軌電車運營調(diào)度管理系統(tǒng)主要是設計面向調(diào)度人員的運營調(diào)度功能。常言道“三分建、七分管”。隨著各系統(tǒng)后期維護管理愈發(fā)受到重視，如何升級為面向全生命周期的資產(chǎn)管理系統(tǒng)是設計和運維人員面臨的共同課題。

本文探討的有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)，是面向資產(chǎn)密集型企業(yè)的解決方案，它通過信息化手段優(yōu)化維修任務，合理安排維修計劃、資源及活動，并以提高資產(chǎn)可利用率、降低運營維護成本、追求設備壽命周期費用最經(jīng)濟和設備效能最高為目標[1]。

1 系統(tǒng)設計背景及構建原則

近年來，有軌電車新建項目多以調(diào)度管理系統(tǒng)為主體，集成或互聯(lián)通信、票務和電力監(jiān)控等專業(yè)，并與智能交通等外部系統(tǒng)互通，構建了綜合運營調(diào)度管理平臺，如深圳、成都、嘉興等城市。但其仍存在一些問題：①建設成本較高，每個弱電系統(tǒng)都有獨立硬件和網(wǎng)絡設備，接口多使用點對點通信協(xié)議，信息共享不足，跨業(yè)務聯(lián)動、應急快速響應能力有待提高；②建設單位或設計院負責協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)供貨商進行接口設計、發(fā)貨、安裝和聯(lián)調(diào)工作，工作量大；③同一線路設置多個分立工區(qū)，人力不能充分運用，導致整體運維效率不高。

這里有必要提出有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)為有軌電車網(wǎng)絡運營管理提供互聯(lián)互通和大數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)子系統(tǒng)的快速聯(lián)動反應，可進一步提升整體運營管理性能；同時將各子系統(tǒng)的運營大數(shù)據(jù)集中處理和分析，把有效的狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至運維管理系統(tǒng)，以實施有軌電車系統(tǒng)全生命周期的資產(chǎn)管理。在確保安全運營的基礎上，集成優(yōu)化運營管理，可節(jié)約人力物力投入，減少運營維護成本，真正實現(xiàn)有軌電車的經(jīng)濟運行。

2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》[2]提出了有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)構建的原則：

1) 統(tǒng)一的硬件和網(wǎng)絡平臺。構建全線網(wǎng)綜合信息平臺，處理生產(chǎn)調(diào)度和安防管理、信息發(fā)布與票務管理、企業(yè)管理及辦公自動化等業(yè)務。所有子系統(tǒng)掛接同一骨干網(wǎng)絡，業(yè)務間使用網(wǎng)閘隔離。

2) 統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺。采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫存儲各子系統(tǒng)業(yè)務數(shù)據(jù)和功能結構化數(shù)據(jù)，通過平臺的消息機制分發(fā)給不同客戶端；基于實時庫中不同的業(yè)務關鍵閾值，實現(xiàn)可定制跨業(yè)務聯(lián)動場景服務。

3) 統(tǒng)一的操作界面和診斷維護。設計統(tǒng)一的多工種操作界面，根據(jù)賬號授予不同工作站和不同操控權限。通過綜合設備維護界面，進行所有設備的狀態(tài)監(jiān)督、指標預警、壽命管理等，引入人工智能的關聯(lián)分析，提高故障診斷和預測能力。

2 系統(tǒng)微服務架構

有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)主要由應用服務器、消息服務器、集群數(shù)據(jù)庫服務器和客戶端代理等部件組成。應用服務器執(zhí)行數(shù)據(jù)采集和預處理、計劃觸發(fā)響應、工單流轉處理和維護預測判定等。消息服務器是系統(tǒng)對外通信的中轉站；集群數(shù)據(jù)庫服務器通過磁盤陣列存儲報警、事件、計劃、工單和臺賬，能滿足至少一年的容量要求；客戶端代理提供人機接口，支持跨平臺應用，以及移動端、物聯(lián)網(wǎng)和云平臺的擴展。

為部署的靈活性和后期維護的可擴展性，該系統(tǒng)采用了更強調(diào)服務專業(yè)化和精細化的微服務架構。有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)微服務架構如圖1所示。其主要服務是基于Docker容器技術的部署方式，根據(jù)項目需求加載更多專業(yè)，每類服務均按需使用基礎設施和基礎服務，協(xié)調(diào)服務之間的配合關系和運行時序。當客戶端代理與服務端建立通信時，在處理安全策略和訪問認證后才能通過資源調(diào)度網(wǎng)關和資源調(diào)度程序接口調(diào)用服務[3]。

圖1 有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)微服務架構Fig.1 Micro service architecture of tram asset full life cycle management system

2.1 高性能協(xié)議

應用服務器之間、應用服務器與數(shù)據(jù)庫服務器之間，傳輸數(shù)據(jù)量非常大，實時性要求很高，所使用的高性能數(shù)據(jù)通信協(xié)議屬于異步事件驅(qū)動的網(wǎng)絡應用程序框架，緩沖區(qū)功能強大，能提供很多類接口，亦可將接收緩沖區(qū)包轉換成所需數(shù)據(jù)格式；而二進制數(shù)據(jù)格式的Protobuf協(xié)議編解碼工具庫，具備更好的傳輸和組解包效率，可廣泛支持人工智能、區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)等應用。

2.2 消息隊列

作為系統(tǒng)關鍵部分，應用服務器的任務處理壓力很大，所以在與外部子系統(tǒng)通信時增加消息服務器，使用提供統(tǒng)一消息服務的應用層標準高級消息隊列協(xié)議AMQP(應用間消息通信的一種協(xié)議)，是面向消息的中間件設計，其不受客戶端/中間件產(chǎn)品、開發(fā)語言等限制，支持一對一、一對多、自動分享模式，在降低連接復雜度的同時，能保證通信消息的可靠性[4]。

2.3 集成框架

為確保列車運行實時監(jiān)控核心功能的可靠性和安全性，同時兼顧各弱電專業(yè)操作和維護功能，采用了嵌入式集成框架。該框架基于開源網(wǎng)頁瀏覽器控件，支持Windows、Linux、Mac平臺，提供C、C++、.NET、Python等多計算機語言接口，實現(xiàn)HTML5(第5代超文本標記語言)特性，且具備多進程管理功能。

3 系統(tǒng)功能

有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)在原有運營調(diào)度管理模塊基礎上拓展出豐富的智能化維保功能。

3.1 計劃管理

計劃管理是維?；顒拥目偩V，包括編制、審核、修改、發(fā)布、執(zhí)行、核驗等環(huán)節(jié)。按工作周期有年、月、周、日計劃；按工作性質(zhì)有生產(chǎn)性、故障修、狀態(tài)修、欠修返修、配合作業(yè)及臨時性計劃。計劃管理以年計劃起始，生產(chǎn)主管基于維護管理規(guī)程、上一年計劃執(zhí)行情況、新增技術改造等來進行編制。完成的年計劃經(jīng)過維保公司內(nèi)部維保部經(jīng)理、技術部經(jīng)理、質(zhì)安部經(jīng)理、調(diào)度室經(jīng)理、生產(chǎn)副總各級審批后，由調(diào)度室計劃員報集團公司計劃部審批，通過后作為下一年度計劃性指導文件。年計劃審批流程見圖2。

其中，年計劃含年表和月表，內(nèi)容有計劃編碼、維修類別、線路、部門、班組、設備、設備類別、專業(yè)、位置、作業(yè)要求、作業(yè)內(nèi)容、維護方式、供應商編碼、檢修頻次、計劃工時(分鐘)、合計工時(分鐘)、年計工時(分鐘)和觸發(fā)條件等。每一條計劃任務編制前，需先創(chuàng)建標準工作，然后針對不同設備和位置進行復制修改；觸發(fā)條件也是先編制通用觸發(fā)事件，定義標準工作前置條件，然后在創(chuàng)建具體計劃任務時自動關聯(lián)。

圖2 年計劃審批流程Fig.2 Year plan review process

3.2 工單管理

工單管理是結合預定義工單模板，生成作業(yè)、質(zhì)檢工單后派發(fā)給班組人員以具體落實工作，相關人員完成工作后回填工單，作為總結記錄信息。工單管理流程見圖3。工單管理包括模板管理、工單生成、查詢、審核、派發(fā)、執(zhí)行和關閉等。工單有生產(chǎn)、維修、質(zhì)量和其他通用等類型。生產(chǎn)性工單對應生產(chǎn)性計劃，屬于常規(guī)檢修作業(yè)，具有規(guī)程和作業(yè)指導書，通過設備類型、作業(yè)內(nèi)容和周期來匹配工單模板自動生成工單；維修性工單對應故障修計劃，通過現(xiàn)場提報且已確認的故障報告來人工創(chuàng)建工單，系統(tǒng)羅列出根據(jù)故障現(xiàn)象查詢的專家?guī)煳臋n作為維修參考；質(zhì)量工單對應檢修完成后的質(zhì)檢計劃，是生產(chǎn)性或維修性工單的后續(xù)工單，用于評價操作性工單執(zhí)行效果；其他通用工單泛指非常規(guī)性計劃工單，此類計劃參考資料需臨時導入，同時保留維修記錄和過程信息。

圖3 工單管理流程Fig.3 Year plan review process

工單模板包括工單號、工單類型、工單狀態(tài)、設備編碼、設備類型、設備位置、作業(yè)內(nèi)容(生產(chǎn)性工單)、作業(yè)周期(生產(chǎn)性工單)、故障報告(維修性工單)、所需物料、人員資質(zhì)要求、所需工具、作業(yè)指導書、規(guī)程、作業(yè)記錄單、危險點分析以及防范措施、安全措施及注意事項等。

除上述工單填報和流轉外，系統(tǒng)還提供針對現(xiàn)場的工作許可管理，即在工單確認實施后現(xiàn)場開工前，與調(diào)度室統(tǒng)一確認施工時間地點、協(xié)調(diào)配合及是否動車等，以提前發(fā)現(xiàn)施工沖突和作業(yè)危害。

3.3 庫存管理

備品備件庫存管理包含基礎數(shù)據(jù)管理、物料收發(fā)流程管理、庫存盤點及特殊物料管理，以保證物料收、發(fā)、用的全程信息跟蹤?；A數(shù)據(jù)主要是定義和維護倉庫、物料的基礎信息；物料收發(fā)流程包括收料、入庫、領料、退料、出庫、調(diào)撥、移庫、特殊入庫、報廢等，以支撐日常維保作業(yè)；庫存盤點是以倉庫為單位，進行存貨的核查、查詢及庫存量欠缺、超限報警提醒等[5]。

此外還有物料月消耗分析?；谖锪铣鰩煨畔?，結合關聯(lián)工單，將統(tǒng)計結果細化到計劃性、非計劃、應急搶修、報廢等各類消耗，這些與其他計劃性消耗匯總整合為完整的物資需求計劃。

3.4 物資管理

物資管理是對工器具、勞保用品、辦公用品的登記和處置，內(nèi)容包括所屬專業(yè)、所屬系統(tǒng)、物資名稱、物資分類、物資編碼、規(guī)格型號、單位、供應商、價格和鑒定周期等。

較重要的工器具檢定，包括上一次和下一次檢定日期查詢、送檢和回填。檢定日期參考物資基礎信息中的檢定周期，若檢定周期為0，則無需檢定。

3.5 設備臺賬

包括設備基礎信息、履歷管理、配置管理、RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)管理、LCC(全生命周期成本)管理，用于收集設備運行基礎數(shù)據(jù)，統(tǒng)計、分析、計算高階運維指標，為預測性維護打基礎。

1) 設備基礎信息是定義和維護設備類型和臺賬作為智能化維保業(yè)務主數(shù)據(jù)。設備類型包括類型的編碼、名稱、型號、描述和技術資料(圖紙、安裝使用手冊、維護規(guī)程、作業(yè)指導書)等。設備臺賬包括所屬專業(yè)、系統(tǒng)、設備代碼、名稱、類型、規(guī)格型號、描述、供應商、制造商、出廠序列號、安裝位置、上線日期、使用年限和附件等。

2) 設備履歷管理包含檢修、故障、配置更改、更換等履歷。所有履歷信息，均對應施工作業(yè)數(shù)據(jù)以涵蓋全生命周期。設備履歷管理見圖4。

圖4 設備履歷管理Fig.4 Equipment account management

3) 設備配置管理是為各設備配置公里數(shù)上限、使用次數(shù)上限、壽命到期日期、質(zhì)保到期日期等，根據(jù)配置的上限和規(guī)則到期自動提醒。

4) RAMS管理包括設計指標錄入、運維指標計算、設計和運維指標比較分析、技術改造成果統(tǒng)計，使RAMS分析形成從設計到運維的閉環(huán)管理。

5) LCC管理主要是建立以有軌電車維保構型為基礎的設備全壽命周期成本模型，實現(xiàn)LCC指標配置與管理，從現(xiàn)有系統(tǒng)或?qū)敕绞将@取設備業(yè)務、履歷與成本信息以計算LCC指標，其中關鍵成本信息至少包括采購、運營、維修、技術升級、管理、報廢處置等費用[6]。

3.6 預測性維護

預測性維護即狀態(tài)修，是最具智能部分，在實時狀態(tài)監(jiān)測基礎上，分析報警數(shù)據(jù)，運用故障模型進行預警和建議，以提高維修效率、降低庫存成本。

狀態(tài)監(jiān)測以原理圖、設備布置圖等形式展示設備實時運行狀態(tài)，以列表形式實時展示設備報警、預警信息，包括設備類型、名稱、安裝位置、報警描述、報警時間、報警級別、恢復時間和處理狀態(tài)等。點擊設備圖元和報警信息，可快捷查看設備基本信息、運行參數(shù)和履歷等。

故障預測即設備剩余使用壽命預測，綜合使用回歸法、外推法、相似法建立故障模型，對不同可修部件采用不同模型進行有效預測[7]?；貧w法是通過訓練準確的回歸模型來描述性能狀態(tài)變化過程與剩余壽命的映射關系，輸入性能退化過程參數(shù)后得到剩余壽命，有明確使用壽命和退化曲線的部件常使用此模型，如車輛各類機械部件；外推法是利用設備投用后的性能數(shù)據(jù)重新建立退化曲線并預測后續(xù)發(fā)展趨勢，設備從當前時刻到達預設失效閾值或失效面的時間為剩余壽命，該模型適合無明確壽命或退化曲線的復雜機電設備，如道岔轉轍機。相似法是利用兩個或以上前服役設備與歷史樣本設備性能退化曲線進行相似度匹配，確定最相似的樣本作為參考集，通過數(shù)據(jù)融合方法預測當前樣本剩余壽命，適用于壽命不長的部件，如各類電源系統(tǒng)中的蓄電池。

通過故障預測模型得到各類預警信息后，還需進行忽略和處置，篩選最有效信息，提報故障、制定檢修計劃、生成并派發(fā)作業(yè)工單。忽略或處置后的預警歸入歷史預警信息內(nèi)容，包括設備類型、名稱、安裝位置、預警描述、預警時間、預警級別、處置或忽略時間、預警狀態(tài)等。

通過故障預測模型還可輸出維修建議并分析計算結果，按優(yōu)先級進行性能排隊，支持不同維度的篩選查詢。當工程師認可維修建議后，允許根據(jù)此維修建議新建臨時作業(yè)計劃。對于輸出的備件需求預測結果，同樣在工程師確認后，合并入年、月物料需求計劃。

4 結語

有軌電車資產(chǎn)全生命周期管理系統(tǒng)是對現(xiàn)有運營調(diào)度管理系統(tǒng)的再次升級，依托部署靈活、拓展方便的微服務架構，配合高性能協(xié)議、大容量消息隊列和嵌入式框架等關鍵技術，重點增強面向多專業(yè)的統(tǒng)一的智能化維保功能，覆蓋計劃修、故障修、狀態(tài)修等范圍，打造出計劃、工單、庫存和物資等基本管理模塊，構建統(tǒng)一的設備數(shù)據(jù)平臺，以實現(xiàn)全生命周期的設備臺賬、RAMS指標、LCC指標的收集、分析、計算、存儲，并進行預測性維護的有益嘗試。該系統(tǒng)設計將在實際運用中不斷積累數(shù)據(jù)、修正模型，以幫助有軌電車提高設施設備運維管理水平和公共服務水平。