李政江，樊茜琪，韓斌

（1.同濟大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，上海 201804；2.同濟大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；3.上海軌道交通檢測認(rèn)證（集團）有限公司，上海 201804）

0 引言

城市軌道交通是高效、安全、環(huán)保的公共交通方式，為城市發(fā)展和居民出行提供了重要支撐，其運行質(zhì)量和安全性直接關(guān)系到城市發(fā)展和人民生活［1］。為保障城市軌道交通正常運營，需要對其進行有效的運維管理，提高設(shè)備可靠性和安全性、降低故障率和維修成本、延長設(shè)備壽命。

目前，城市軌道交通運維管理主要有2種模式：傳統(tǒng)運維模式和智能運維模式。傳統(tǒng)運維模式指根據(jù)設(shè)備制造商提供的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，按照固定的時間間隔或使用壽命對設(shè)備進行定期檢查、更換、修理等預(yù)防性運維活動，以及在設(shè)備發(fā)生故障時進行緊急處理的反應(yīng)性運維活動［2］。這種模式依賴人工經(jīng)驗判斷，缺乏對設(shè)備實時狀態(tài)的監(jiān)測和分析，容易導(dǎo)致過度或不足的維護，造成資源浪費或存在安全隱患。智能運維模式是指利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)手段，通過對設(shè)備進行實時在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、分析挖掘等過程，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的精準(zhǔn)診斷、預(yù)測和優(yōu)化，并根據(jù)設(shè)備實際需要制定個性化、靈活的運維計劃和方案，以及在設(shè)備發(fā)生故障時進行快速響應(yīng)和恢復(fù)的主動性維護活動［3］。這種模式可以提高設(shè)備效率和可用性，降低故障風(fēng)險和停機損失，節(jié)約人力物力。

智能運維成為城市軌道交通運維模式發(fā)展的必然趨勢，建立智能運維模式下的科學(xué)合理運維管理指標(biāo)體系對于評價和監(jiān)控城市軌道交通運行狀況及運維效果至關(guān)重要。通過建立指標(biāo)體系，可以為軌道交通運營商提供客觀、公正、透明的評價工具，更好地了解軌道交通設(shè)施的運行情況，為軌道交通設(shè)施的運維管理提供科學(xué)依據(jù)，幫助其制定合理的運維計劃和策略、優(yōu)化資源配置、提高服務(wù)質(zhì)量、提高設(shè)施的可靠性和安全性；可以為軌道交通監(jiān)管部門提供有效、可靠、靈活的監(jiān)督手段，幫助其制定合理的政策和標(biāo)準(zhǔn)，加強對運營商的指導(dǎo)和督促，保障公共利益；可以為軌道交通研究機構(gòu)提供豐富、詳實、動態(tài)的數(shù)據(jù)源，幫助其深入地研究和分析，推動軌道交通技術(shù)和管理的創(chuàng)新及發(fā)展。

1 運維模式

1.1 傳統(tǒng)

傳統(tǒng)運維模式主要依靠人工巡檢、定期保養(yǎng)、故障排除等方式，各專業(yè)獨立維保，信息共享程度低，數(shù)據(jù)較分散；受不同運營管理主體、不同素養(yǎng)層次的維保人員約束，數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性、規(guī)范性、統(tǒng)一性難以保證；多源異構(gòu)數(shù)據(jù)缺乏有效的深入分析，在本領(lǐng)域一直未形成有效的研究，導(dǎo)致大量有價值的信息流失［4］。

1.2 智能

智能運維模式通過提升設(shè)備智能化水平，實現(xiàn)對設(shè)備全生命周期狀態(tài)信息的獲取與分析，并根據(jù)分析結(jié)果制定最優(yōu)運營策略。

（1）實時監(jiān)測：通過安裝各類傳感器采集設(shè)備各項參數(shù)數(shù)據(jù)，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至云端平臺進行存儲與處理。

（2）預(yù)測預(yù)警：通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)進行挖掘及建模，結(jié)合人工智能技術(shù)對未來趨勢進行預(yù)測與預(yù)警，并及時向相關(guān)人員發(fā)送報警信息。

（3）診斷優(yōu)化：通過人工智能技術(shù)對故障原因進行自動診斷，并根據(jù)診斷結(jié)果制定相應(yīng)的優(yōu)化方案，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

1.3 兩種模式差異

城市軌道交通在傳統(tǒng)運維模式和智能運維模式下的運維管理指標(biāo)體系存在較大差異。

（1）目標(biāo)層：傳統(tǒng)運維模式注重保證基本功能正常工作，并滿足相關(guān)法規(guī)要求；而智能運維模式追求提升整體性能水平，并實現(xiàn)持續(xù)改進。

（2）內(nèi)容層：傳統(tǒng)運維模式關(guān)注單個設(shè)備或部件的狀態(tài)參數(shù)；而智能運維模式關(guān)注整個系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。

（3）方法層：傳統(tǒng)運維模式采用經(jīng)驗法則或固定公式計算；而智能運維模式采用數(shù)據(jù)驅(qū)動或機器學(xué)習(xí)方法建立。

（4）評價層：傳統(tǒng)運維模式以事后分析為主；而智能運維模式以事前預(yù)警為主。

因此，在運維模式新要求下，要根據(jù)不同的場景需求和技術(shù)條件合理建立運維管理指標(biāo)體系，并不斷完善更新。

2 智能運維管理指標(biāo)體系

2.1 目標(biāo)

為實現(xiàn)智能運維，需要建立科學(xué)合理的管理指標(biāo)體系，以評價城市軌道交通的設(shè)備狀況和運行效果，并為后續(xù)的優(yōu)化改進提供依據(jù)。傳統(tǒng)的運維管理通常只關(guān)注設(shè)備層面，智能運維管理考慮經(jīng)濟因素、乘客因素、監(jiān)管認(rèn)可等方面，以更全面的視角實施管理。智能運維管理指標(biāo)體系應(yīng)當(dāng)可以識別智能運維模式下影響城市軌道交通系統(tǒng)運維質(zhì)量和成本的關(guān)鍵因素；建立反映智能運維管理目標(biāo)、過程和結(jié)果的綜合性、分層次的指標(biāo)體系；建立基于數(shù)據(jù)分析和多標(biāo)準(zhǔn)決策的定量評價方法，以衡量智能運維管理的績效和效果；為改進智能運維管理策略和時間提供意見和建議。

2.2 定義

運維管理指標(biāo)體系是指從不同角度和層次，對城市軌道交通設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)、性能、質(zhì)量和效益等進行量化及評價的一系列指標(biāo)。

2.3 原則

為真實反映城市軌道交通實行智能運維后設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)，提出目標(biāo)導(dǎo)向性、系統(tǒng)性、可操作性、可比性、動態(tài)性等幾個原則，基于此原則進行智能運維管理指標(biāo)體系的構(gòu)建。

（1）目標(biāo)導(dǎo)向性：指標(biāo)體系應(yīng)與城市軌道交通智能運維目標(biāo)一致，并反映其重點關(guān)注領(lǐng)域。

（2）系統(tǒng)性：指標(biāo)體系應(yīng)涵蓋城市軌道交通各子系統(tǒng)及其相互關(guān)聯(lián)影響，反映其整體情況。

（3）可操作性：具有清晰的數(shù)據(jù)來源和采集方式，可驗證性高，便于實施和監(jiān)控。

（4）可比性：一定程度上采用統(tǒng)一的定義和可轉(zhuǎn)換的計算方法，使不同設(shè)備或系統(tǒng)之間可以進行比較。

（5）動態(tài)性：根據(jù)城市軌道交通發(fā)展變化、設(shè)備或系統(tǒng)的變化情況，及時調(diào)整指標(biāo)的權(quán)重和范圍。

2.4 方法

采用頭腦風(fēng)暴法和德爾菲法［5］相結(jié)合的方式進行智能運維管理指標(biāo)體系的構(gòu)建。通過文獻閱讀整理進行影響因素篩選，經(jīng)討論求證后建立影響因素清單，同時將智能運維管理的相關(guān)背景和評價體系的要求目的向若干有經(jīng)驗的專家提出；專家提出的指標(biāo)綜合后再反饋給專家，如此反復(fù)多次；通過頭腦風(fēng)暴法形成最終的智能運維管理指標(biāo)體系。通過以上方式，可最大限度地減少指標(biāo)制定的隨意性，使指標(biāo)體系更全面、合理、可靠。

2.5 體系架構(gòu)

從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個層次構(gòu)建城市軌道交通智能運維管理指標(biāo)體系。從目標(biāo)層開始根據(jù)不同指標(biāo)類型進行細分，直至細化到單個可驗證、可獲取的指標(biāo)。城市軌道交通智能運維管理指標(biāo)體系架構(gòu)見圖1。

圖1 城市軌道交通智能運維管理指標(biāo)體系架構(gòu)

第1層次為目標(biāo)層，將“城市軌道交通智能運維管理”作為目標(biāo)，指導(dǎo)整個指標(biāo)體系建立。第2層次為準(zhǔn)則層，以設(shè)備可靠性、設(shè)備安全性、運營質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量作為支撐進行綜合評價。第3層次為指標(biāo)層，即分析維護管理的各個因素，并評估權(quán)重為智能運維模式優(yōu)化提供建議。

2.5.1 設(shè)備可靠性

設(shè)備可靠性指標(biāo)反映設(shè)備在正常工作條件下無故障運行的能力［6］。

（1）平均無故障里程（MTBF）：指單位列車在一定時間內(nèi)行駛的總里程與發(fā)生故障次數(shù)之比，反映列車運行中發(fā)生故障的頻率。

（2）平均修復(fù)時間（MTTR）：指單位列車發(fā)生故障后，從停止運行到恢復(fù)正常運行所需的平均時間，反映列車維修效率和能力。

（3）故障率（Failure Rate）：指單位列車在一定時間內(nèi)發(fā)生故障次數(shù)與總運行時間之比，反映列車運行中出現(xiàn)問題的概率。

（4）故障密度（Failure Density）：指單位長度軌道或單位數(shù)量信號系統(tǒng)等在一定時間內(nèi)發(fā)生故障次數(shù)與總長度或總數(shù)量之比，反映非移動式設(shè)備出現(xiàn)問題的頻率。

設(shè)備可靠性指標(biāo)還包含設(shè)備的平均使用壽命、平均維修次數(shù)、剩余壽命等。

2.5.2 設(shè)備安全性

設(shè)備安全性指標(biāo)反映在異常情況下不造成人員傷害或者環(huán)境污染的能力。

（1）可用度：指單位列車在一定時間內(nèi)處于可供使用狀態(tài)的時間與總時間之比，反映列車對運營需求的滿足程度。

（2）事故率：指在一定時間內(nèi)，線網(wǎng)內(nèi)發(fā)生運營質(zhì)量事件的頻次。

（3）嚴(yán)重事故率：嚴(yán)重事故定義為城市軌道交通主要運營險性事件，即列車脫軌；列車沖突；列車撞擊；列車擠岔；列車、車站公共區(qū)、區(qū)間、主要設(shè)備房、控制中心、主變電所、車輛基地等發(fā)生火災(zāi)；乘客踩踏；車站、軌行區(qū)淹水倒灌；橋隧結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、坍塌，路基塌陷；大面積停電；通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓；信號系統(tǒng)重大故障；接觸網(wǎng)斷裂或塌網(wǎng)；電梯和自動扶梯重大故障；夾人夾物動車造成乘客傷亡；網(wǎng)絡(luò)安全事件；造成人員死亡、重傷、3人（含）以上輕傷，以及正線連續(xù)中斷行車1 h（含）以上的其他運營事件［7］。

2.5.3 運營質(zhì)量

（1）有效利用率（OEE）：指真正有效的計劃生產(chǎn)時間百分比。該指標(biāo)旨在準(zhǔn)確跟蹤實現(xiàn)“完美生產(chǎn)”的進度以支持TPM計劃。

（2）投資回報率（ROI）：指通過投資而應(yīng)返回的價值，即從投資活動中得到的經(jīng)濟回報，用年平均利潤占投資額的比重表示。可相應(yīng)地計算投資回收期（PBP）=1/ROI。

（3）效益成本比（BCR）：指測算公司收益和成本的比率，可總結(jié)擬議項目的收益和相對成本之間的總體關(guān)系［8］。

2.5.4 服務(wù)質(zhì)量

（1）乘客投訴率：在單位時間內(nèi)，乘客對由設(shè)備維保引起體驗不佳的投訴量。

（2）回訪調(diào)查滿意率：通過對乘客進行問卷訪談等形式，調(diào)查乘客對運維的滿意程度。

（3）監(jiān)管部門認(rèn)可度：反映專業(yè)或監(jiān)管中存在的問題，由監(jiān)管部門或者第三方評價機構(gòu)出具的評議結(jié)果作為監(jiān)管部門認(rèn)可度指標(biāo)。

2.6 權(quán)重分析

城市軌道交通是復(fù)雜的巨大系統(tǒng)，以設(shè)備運維劃分即有車輛、土建、機電、供電、通信、信號等幾個專業(yè)子系統(tǒng)，若干子系統(tǒng)之間又相互關(guān)聯(lián)，因此若以城市軌道交通整體為評價對象，需要先解決各專業(yè)所占權(quán)重問題，再對同一子系統(tǒng)內(nèi)部不同要素的重要性做出評價。

層次分析法可以很好地解決指標(biāo)權(quán)重分配問題。將復(fù)雜問題以有序的階梯層次結(jié)構(gòu)表示后，對同一層級的各項指標(biāo)進行兩兩比較，構(gòu)造比較判斷矩陣，通過人的判斷對決策方案優(yōu)劣進行排序。該方法適用于評價指標(biāo)數(shù)大于4、小于9的評價對象［9］。

邀請行業(yè)專家對運維管理關(guān)注的各個因素比較并進行等級評定，得到A-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C 判斷矩陣，分別計算權(quán)重并進行一致性檢驗（見表1—表6）。CI 為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，RI 為判斷矩陣的平均隨機一致性指標(biāo)，CR 為判斷矩陣的隨機一致性比率，CR=CI/RI，當(dāng)CR<0.10時，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受。

表1 A-B層次判斷矩陣

表2 B1-C層次判斷矩陣

表3 B2-C層次判斷矩陣分析

表4 B3-C層次判斷矩陣

表6 影響因素權(quán)重匯總%

從權(quán)重分析可得平均無故障里程、嚴(yán)重事故率、事故率、效益成本比、剩余壽命、平均修復(fù)時間、監(jiān)管部門認(rèn)可度、回訪調(diào)查滿意率是維護管理評價的主要因素。

在智能運維模式下，借助先進的傳感器、巡檢機器人等可以對設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測和壽命評估，更快速定位故障，指導(dǎo)維修策略優(yōu)化，防止過度修或者欠修，提高設(shè)備可靠性，延長使用壽命；智能化設(shè)備不僅可提高巡檢維護的效率也可降低成本，智能化投入成本回收效率較高；維護質(zhì)量提升和數(shù)據(jù)共享也可以獲得乘客和監(jiān)管部門的認(rèn)可。

2.7 車輛段自巡檢裝備適應(yīng)性

傳統(tǒng)模式下，為保證車輛安全運行，巡視人員需每日對車輛進行巡檢作業(yè)，每列車有數(shù)千個檢測項目。勞動強度大，重復(fù)性強；檢查質(zhì)量受個人技術(shù)水平影響，容易漏檢誤檢造成安全隱患；工作過程存在一定的人員安全風(fēng)險；車輛段巡檢天窗期較短，一旦發(fā)現(xiàn)故障進行處理則難以按時完成巡檢任務(wù)，影響正常運營。因此亟須利用智能機器人代替人工對車輛關(guān)鍵部位進行自動化檢測，提高檢修的效率。

車輛段自巡檢裝備適用于城市軌道交通車底、車側(cè)的日檢作業(yè)，借助機器人、圖像識別、人工智能、大數(shù)據(jù)分析與處理等技術(shù)，實現(xiàn)對車輛關(guān)鍵部位螺釘緊固類、關(guān)鍵部位液位、制動閘瓦厚底等的測量，提供自動檢測功能、故障自動識別上報功能、定位功能、作業(yè)信息管理功能等。

車輛段自巡檢裝備的應(yīng)用可以有效提升車輛的設(shè)備可靠性、設(shè)備安全性、運營質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量等水平。

（1）設(shè)備可靠性：車輛段自巡檢裝備可以通過智能化手段全面發(fā)現(xiàn)、深入挖掘存在的異常情況，并及時進行預(yù)警上報。這樣可以避免設(shè)備故障或損壞，延長設(shè)備壽命，降低維修成本和停運時間。

（2）設(shè)備安全性：車輛段自巡檢裝備可以對車輛的關(guān)鍵部件進行全面檢查，如輪對、制動器、牽引電機等，及時發(fā)現(xiàn)磨損、裂紋、松動等隱患。這樣可以保證車輛的安全運行，防止事故發(fā)生，保障乘客和工作人員的生命財產(chǎn)安全。

（3）運營質(zhì)量：車輛段自巡檢裝備可以高效完成巡檢任務(wù)，即使存在故障維修情況也可以對其他車輛進行同步巡檢；而且可以根據(jù)車輛的運行狀態(tài)和需求，智能調(diào)度和優(yōu)化車輛的檢修計劃和流程，減少人工干預(yù)和等待時間。這樣可以提高車輛的利用率，縮短行程時間，增加運力和客流量。同時也可以通過提高設(shè)備可靠性、安全性和運營效率，降低設(shè)備維修成本和停運損失，提高車輛的收入和利潤。

（4）服務(wù)質(zhì)量：車輛段自巡檢裝備可以通過保證車輛的安全、舒適、準(zhǔn)時和高效的運行，提升乘客的出行體驗和滿意度。車輛段自巡檢裝備可以將所有采集數(shù)據(jù)上傳到云端平臺。這樣可以方便相關(guān)運營部門和監(jiān)管單位對車輛的性能、質(zhì)量、安全、效率等方面進行監(jiān)督評議，并及時反饋意見和建議。

3 結(jié)束語

利用建立的智能運維管理指標(biāo)體系對某地智能運維與傳統(tǒng)運維進行對比，智能運維模式通過實時監(jiān)測和預(yù)警、快速故障診斷和處理等手段提高了服務(wù)質(zhì)量；通過自動化控制系統(tǒng)、優(yōu)化算法等手段提高了服務(wù)效率；通過傳感器、視頻監(jiān)控［10］等手段對設(shè)備狀態(tài)進行實時監(jiān)測和預(yù)警，減少人工巡檢的頻率和范圍、降低巡檢成本；通過大數(shù)據(jù)分析和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段對設(shè)備故障進行診斷和預(yù)測，提高維修效率和準(zhǔn)確性的同時降低了維修成本。

智能運維管理指標(biāo)體系的建立與運維單位的管控治理相輔相成、相互促進。先進的技術(shù)設(shè)備可以為實現(xiàn)全方位、全過程的管理提供更多可能，而智能運維管理指標(biāo)體系完備的指標(biāo)要求相關(guān)監(jiān)測、檢修設(shè)備實現(xiàn)進一步的發(fā)展，因此，相對動態(tài)的調(diào)整指標(biāo)體系以適應(yīng)企業(yè)發(fā)展是必要的。