大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在上海軌道交通車(chē)輛運(yùn)維中的初步應(yīng)用

陳燕燕

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司車(chē)輛分公司,200233,上海//工程師)

超大規(guī)模的軌道交通網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)給上海軌道交通帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在車(chē)輛的運(yùn)維管理方面，對(duì)運(yùn)維安全性、可靠性和可維修性的要求越來(lái)越高，而軌道交通的可持續(xù)發(fā)展則需要降低相應(yīng)的運(yùn)維成本，這就意味著需要更加智能高效的設(shè)備運(yùn)維手段。

軌道交通設(shè)備大數(shù)據(jù)運(yùn)維管理系統(tǒng)能夠有效地提升城市軌道交通系統(tǒng)設(shè)備的管理水平，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的異常預(yù)警和故障預(yù)測(cè)，使得眾多設(shè)備的管理更加經(jīng)濟(jì)高效[3]。因此，要提高軌道交通車(chē)輛設(shè)備的運(yùn)維效率，就需要開(kāi)發(fā)一套技術(shù)先進(jìn)且符合自身特點(diǎn)的信息化系統(tǒng)——大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

1 上海軌道交通車(chē)輛設(shè)備運(yùn)維現(xiàn)狀和預(yù)期發(fā)展

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)設(shè)備維修過(guò)程認(rèn)識(shí)的不斷深入，設(shè)備維修方式的演變經(jīng)歷了事后維修、預(yù)防維修和預(yù)知維修3個(gè)階段。

1) 事后維修：它是初級(jí)的維修方式，亦稱(chēng)故障維修，即設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)至故障停止才進(jìn)行維修。

2) 預(yù)防維修：它是以時(shí)間(或其他參數(shù))為基礎(chǔ)的維修，通常稱(chēng)為定期計(jì)劃?rùn)z修。這種維修方式不需要對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行檢查和檢測(cè)，大、中、小修按規(guī)定的時(shí)間(或其他參數(shù))間隔(即檢修周期)進(jìn)行計(jì)劃維修。

3) 預(yù)知維修(亦稱(chēng)狀態(tài)維修)：它是以設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)為基礎(chǔ)的檢修，這種維修方式不規(guī)定檢修周期，而是要對(duì)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，根據(jù)設(shè)備監(jiān)測(cè)和診斷的結(jié)果，視設(shè)備劣化或故障的程度，安排在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間進(jìn)行必要的設(shè)備維修[4]。

目前，發(fā)達(dá)國(guó)家的工業(yè)企業(yè)中普遍采用的是以狀態(tài)維修為主的維修方式[5]，與其他兩種維修方式相比，具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

1) 可以向運(yùn)行人員提供及時(shí)的信息，有效地支持運(yùn)行，提高設(shè)備使用的合理性、運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，可充分挖掘設(shè)備潛力，延長(zhǎng)服役期限，提高設(shè)備運(yùn)行效果。

2) 利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷技術(shù)，能實(shí)現(xiàn)由局部推測(cè)整體、由現(xiàn)象判斷本質(zhì)，以及由當(dāng)前預(yù)測(cè)未來(lái)等，而不需要把設(shè)備逐一拆開(kāi)分別檢驗(yàn)，這樣不僅極為方便省力，而且可實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)及動(dòng)態(tài)的測(cè)量，并保證各種設(shè)備可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，極大地滿足了現(xiàn)代化設(shè)備使用、維修及生產(chǎn)的需要。

上海軌道交通車(chē)輛設(shè)備目前采用的是上述的事后維修(故障維修)和預(yù)防維修(計(jì)劃?rùn)z修)，計(jì)劃?rùn)z修分為日檢、均衡修、架修和大修。這些維修方式缺乏對(duì)故障的預(yù)見(jiàn)性和針對(duì)性，并且維修效率較低。目前，上海軌道交通車(chē)輛設(shè)備管理中雖然已經(jīng)開(kāi)始引入預(yù)知維修，但仍處于研究和小規(guī)模試驗(yàn)階段。

上海申通地鐵集團(tuán)有限公司已建立了故障報(bào)修平臺(tái)、施工管理系統(tǒng)、車(chē)輛信息管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)，以及點(diǎn)巡檢系統(tǒng)、受電弓和平輪監(jiān)測(cè)等在線檢測(cè)系統(tǒng)。

車(chē)輛設(shè)備的運(yùn)維主要依賴車(chē)輛信息管理(VIM)系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋了全網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)列車(chē)的日常維修作業(yè)。列車(chē)正線運(yùn)營(yíng)時(shí)發(fā)生的故障，由人工輸入故障報(bào)修平臺(tái)，通過(guò)接口傳入VIM系統(tǒng)。各種檢修作業(yè)以工單方式發(fā)布，最終形成處理結(jié)果(包括物料消耗)。VIM系統(tǒng)是目前可靠性分析數(shù)據(jù)的唯一來(lái)源。

受電弓和平輪監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是兩個(gè)完全獨(dú)立的在線檢測(cè)系統(tǒng)，僅提供故障報(bào)警。因缺乏數(shù)據(jù)分析，預(yù)警參數(shù)的設(shè)定缺乏科學(xué)依據(jù)，報(bào)警的準(zhǔn)確性亦無(wú)法評(píng)估，不能替代人工檢修作業(yè)。

因?yàn)闃I(yè)務(wù)管理系統(tǒng)與在線檢測(cè)系統(tǒng)間獨(dú)立運(yùn)作，信息孤島之間缺乏體系建設(shè)并無(wú)法綜合運(yùn)用，各系統(tǒng)的硬件設(shè)備也存在無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及計(jì)算能力的問(wèn)題，不能滿足大數(shù)據(jù)分析的需求。因此，本文將從建立大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的要求入手，借助在線檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)分析及檢修方式等手段，建立網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)管控的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)及維修綜合化，以達(dá)到提高城市軌道交通車(chē)輛設(shè)備運(yùn)維效率的目的。

2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的構(gòu)建

為了改變傳統(tǒng)的車(chē)輛設(shè)備以故障維修和計(jì)劃維修為主的檢修體系，急需構(gòu)建基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷及故障預(yù)測(cè)等狀態(tài)維修的系統(tǒng)。

2. 1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)可分為在線監(jiān)測(cè)和離線監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)是通過(guò)安裝在生產(chǎn)線和設(shè)備上的各類(lèi)監(jiān)測(cè)裝置，對(duì)生產(chǎn)及設(shè)備的信號(hào)進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并將監(jiān)測(cè)信息上傳至終端接收端。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：

1) 信號(hào)變送：檢測(cè)的反映設(shè)備狀態(tài)的物理量，通過(guò)相應(yīng)的傳感器傳送到后續(xù)單元。

2) 信號(hào)處理：對(duì)傳感器變送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行抑制。

3) 數(shù)據(jù)采集：采集、轉(zhuǎn)換和記錄經(jīng)過(guò)處理的信號(hào)。

4) 信號(hào)傳輸：傳送采集到的信號(hào)到后續(xù)單元。

5) 數(shù)據(jù)處理：處理和分析所采集的數(shù)據(jù)。

6) 故障診斷：將當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，再給出診斷結(jié)果。

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將其運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)和故障實(shí)時(shí)診斷。在線監(jiān)測(cè)因工作量大和成本高，故其監(jiān)測(cè)對(duì)象以關(guān)鍵設(shè)備為主。

鑒于上述理論，上海申通地鐵集團(tuán)有限公司車(chē)輛分公司著手建立了車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)、車(chē)輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)、檢修平臺(tái)可視化管理系統(tǒng)及點(diǎn)巡檢系統(tǒng)，這些系統(tǒng)和原有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)構(gòu)成了大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)源。

2. 2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，分為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)能力層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層和接口層。

圖1 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)

2. 2. 1 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)能力層

數(shù)據(jù)基礎(chǔ)能力層包括數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析。

1) 數(shù)據(jù)源：根據(jù)車(chē)輛設(shè)備在線檢測(cè)系統(tǒng)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，按數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问椒譃闊o(wú)線鏈接、流媒體數(shù)據(jù)、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。這些組成了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。

2) 數(shù)據(jù)接入：針對(duì)無(wú)線鏈接接入的傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)解析車(chē)載通信設(shè)備的通信協(xié)議，并通過(guò)消息隊(duì)列傳入流式數(shù)據(jù)處理工具進(jìn)行總線協(xié)議的解析。流媒體數(shù)據(jù)的接入、轉(zhuǎn)碼和存儲(chǔ)都由流媒體服務(wù)器完成；關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)接入則需要根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析報(bào)表的業(yè)務(wù)需求定制ETL(數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù))工具；文件數(shù)據(jù)的接入則主要通過(guò)FTP(文件傳輸協(xié)議)或基于http(超文本傳輸協(xié)議)的工具完成。

3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：針對(duì)經(jīng)過(guò)解析后的時(shí)序傳感器數(shù)據(jù)(無(wú)線鏈接或文件方式接入)，因具有數(shù)據(jù)量大且增長(zhǎng)迅速等典型大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，系統(tǒng)采用分布式Nosql數(shù)據(jù)庫(kù)與分布式文件系統(tǒng)兩種方式對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)流媒體服務(wù)器轉(zhuǎn)存的視頻文件則存儲(chǔ)于文件系統(tǒng)中;對(duì)于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的方式存儲(chǔ)。

4) 數(shù)據(jù)分析：對(duì)于大數(shù)據(jù)，Hadoop軟件系統(tǒng)提供了大量分布式環(huán)境下的分析工具，包括大批量數(shù)據(jù)分析工具、流數(shù)據(jù)分析工具、基于SQL(結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言)的分析工具及基于內(nèi)存的分析工具。

2. 2. 2 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)應(yīng)用層包括主數(shù)據(jù)管理、領(lǐng)域知識(shí)和通用工具。

1) 主數(shù)據(jù)管理：主數(shù)據(jù)是指具有高業(yè)務(wù)價(jià)值的、可以在企業(yè)內(nèi)跨越各部門(mén)被重復(fù)使用的數(shù)據(jù)，是單一、準(zhǔn)確且權(quán)威的數(shù)據(jù)來(lái)源，如線路、車(chē)站、車(chē)型，列車(chē)號(hào)、員工信息等。通過(guò)主數(shù)據(jù)管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同數(shù)據(jù)庫(kù)之間進(jìn)行傳輸和同步，以及在使用這些數(shù)據(jù)的不同應(yīng)用系統(tǒng)之間的傳輸和同步[6]。

2) 領(lǐng)域知識(shí)：是指公司核心業(yè)務(wù)流程所需的規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等，如預(yù)警規(guī)則、設(shè)備故障樹(shù)、RAMS(可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性)指標(biāo)定義及故障診斷模型等。

3) 通用工具：指業(yè)務(wù)系統(tǒng)中一些通用的功能。如通知機(jī)制，系統(tǒng)利用通用工具可自定義通知發(fā)生的事件、通知人員和通知方式。通知方式包括郵件、短信和微信等。

2. 2. 3 接口層

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過(guò)接口層對(duì)外提供數(shù)據(jù)服務(wù)，如主數(shù)據(jù)查詢、列車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)查詢等。業(yè)務(wù)接口主要包括在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口。

3 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應(yīng)用與探討

上海軌道交通車(chē)輛運(yùn)維大數(shù)據(jù)系統(tǒng)目前已完成初步建設(shè)和應(yīng)用，已有100多輛列車(chē)接入車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)中。上海軌道交通17號(hào)線的車(chē)輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)也開(kāi)始使用，該系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的搭建提升了城市軌道交通車(chē)輛設(shè)備健康運(yùn)維管理的水平，它將基于大數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行車(chē)輛設(shè)備運(yùn)行健康評(píng)估、故障診斷智能化及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛設(shè)備的智能運(yùn)維。

3. 1 正線故障處理實(shí)時(shí)監(jiān)控

車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)是上海軌道交通車(chē)輛設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)牽引、輔助、制動(dòng)、通信、車(chē)門(mén)、空調(diào)、旁路、緊急制動(dòng)和軸箱的設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)提供車(chē)輛設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)數(shù)據(jù)，如速度、網(wǎng)壓、主風(fēng)壓力、蓄電池電壓、客室溫度及車(chē)輛載荷等；同時(shí)可完全復(fù)制列車(chē)司機(jī)顯示屏的所有功能，幫助工程技術(shù)人員實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)故障和預(yù)警信息，以及及時(shí)推薦最佳維修策略。該系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)架構(gòu)中的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和分析功能，幫助工程技術(shù)人員實(shí)時(shí)了解全網(wǎng)列車(chē)實(shí)時(shí)行駛位置和故障信息，如圖2所示。

圖2 車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)界面

當(dāng)列車(chē)在正線運(yùn)營(yíng)中發(fā)生故障時(shí)，工程技術(shù)人員能在第一時(shí)間通過(guò)該系統(tǒng)了解故障等級(jí)、故障代碼、故障名稱(chēng)、故障系統(tǒng)及其他相關(guān)的技術(shù)參數(shù)數(shù)據(jù)，快速定位故障原因，遠(yuǎn)程進(jìn)行故障診斷，推薦最佳處理策略，并以微信、郵件及短信等多種方式，通知相關(guān)人員及時(shí)處置。

3. 2 提升檢修作業(yè)的自動(dòng)化

3. 2. 1 車(chē)輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)

車(chē)輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)搭建在列車(chē)通過(guò)的軌道上，包括線陣相機(jī)、碳滑板磨耗檢測(cè)相機(jī)、激光測(cè)距儀及溫度傳感器等。該系統(tǒng)對(duì)經(jīng)過(guò)的列車(chē)進(jìn)行檢測(cè)，替代檢修過(guò)程中的人工檢查檢測(cè)作業(yè)，從而提高了工作效率，減少了人工成本。綜合檢測(cè)的內(nèi)容包括車(chē)體外觀檢測(cè)、受電弓檢測(cè)、軸溫平輪檢測(cè)、輪對(duì)尺寸測(cè)量、360°輪廓掃描及車(chē)底紅外溫度檢測(cè)等。例如，360°輪廓掃描是通過(guò)布置在軌旁的線陣相機(jī)，對(duì)駛過(guò)列車(chē)的車(chē)體、車(chē)頂及車(chē)底進(jìn)行360°掃描，結(jié)合先進(jìn)的圖像識(shí)別算法，智能識(shí)別螺栓脫落、電氣箱蓋脫落、異物入侵及接地線纜脫落等故障。該功能可完全替代檢修人員的現(xiàn)場(chǎng)檢查目測(cè)工作。車(chē)輛綜合檢測(cè)系統(tǒng)的相機(jī)顯示清晰度非常高，能清晰看到軸箱上緊固螺絲的防松標(biāo)記，因此檢修人員無(wú)需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，即可對(duì)列車(chē)進(jìn)行外觀檢查。

3. 2. 2 檢修平臺(tái)可視化管理系統(tǒng)

檢修平臺(tái)可視化管理系統(tǒng)的作用是為了在關(guān)鍵監(jiān)控點(diǎn)位輔以實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)查看監(jiān)控畫(huà)面，便于更加準(zhǔn)確、直觀地得到現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，減少誤判率，以及提升運(yùn)維監(jiān)控能力。當(dāng)列車(chē)進(jìn)入檢修平臺(tái)后，通過(guò)該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢查列車(chē)整體結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵部位設(shè)施設(shè)備是否完好，如通過(guò)車(chē)頂安裝的高清攝像頭可查看受電弓及空調(diào)機(jī)組的細(xì)節(jié)畫(huà)面，從而替代檢修人員登車(chē)檢查的工作。

3. 3 大數(shù)據(jù)分析探討

構(gòu)建城市軌道交通車(chē)輛大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是以可靠性為中心的維修理論。立足于車(chē)輛設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷，逐步建立狀態(tài)維修的檢修策略。

大數(shù)據(jù)分析未來(lái)還將探討以下幾個(gè)內(nèi)容：①車(chē)輛設(shè)備故障率實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)與系統(tǒng)分析；②車(chē)輛設(shè)備狀態(tài)特征變化趨勢(shì)跟蹤；③車(chē)輛設(shè)備健康狀態(tài)的測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)等。通過(guò)對(duì)大量在線檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析和車(chē)輛設(shè)備運(yùn)維狀態(tài)的跟蹤，不斷摸索設(shè)備劣化規(guī)律，優(yōu)化車(chē)輛關(guān)鍵部位的維修周期，在確保設(shè)備可靠運(yùn)行的同時(shí)，最大程度地節(jié)約維修成本。

總之，車(chē)輛設(shè)備狀態(tài)維修主要是采用先進(jìn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)和系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)手段，根據(jù)檢測(cè)的數(shù)據(jù)，通過(guò)比較和分析，利用其變化的大小和變化趨勢(shì)提出車(chē)輛設(shè)備的檢修建議。

4 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通車(chē)輛大數(shù)據(jù)系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能和大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，采集車(chē)輛設(shè)備全壽命周期的所有相關(guān)數(shù)據(jù)，包括車(chē)輛設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、軌旁檢測(cè)數(shù)據(jù)及管理信息數(shù)據(jù)。基于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控列車(chē)狀態(tài)、遠(yuǎn)程故障診斷與處理及故障狀態(tài)的預(yù)警。通過(guò)該系統(tǒng)，能有效提高車(chē)輛設(shè)備的運(yùn)行可靠性、提升運(yùn)維效率，并可降低運(yùn)維成本。