城市軌道交通智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念與需求分析

袁和耀

（昆明軌道交通四號(hào)線投資管理有限公司 云南昆明 655600）

0 引言

城市軌道交通是重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，在滿足人們出行需要與促進(jìn)城市發(fā)展方面具有關(guān)鍵意義。而隨著各地新建線路的不斷增加，運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本和壓力也隨之增大，因此，利用信息化與智能化手段提升運(yùn)維管理水平和效率具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于大數(shù)據(jù)的信息化技術(shù)應(yīng)用思路

1.1 總體應(yīng)用思路

大數(shù)據(jù)是范指規(guī)模巨大在采集、存儲(chǔ)、分析、挖掘、管理方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)如關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)等能力范圍的數(shù)據(jù)集合，其關(guān)鍵意義就是為對(duì)數(shù)據(jù)的專業(yè)化處理[1]。現(xiàn)階段大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)在軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面的應(yīng)用有物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、智能支付、GIS和BIM等，基本應(yīng)用思路主要是在總體設(shè)計(jì)上遵循數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、處理、分析及應(yīng)用的邏輯順序，在應(yīng)用框架上可以分為數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層、業(yè)務(wù)層、管理層、決策層和應(yīng)用層等。其邏輯思路能夠概括為以下兩種：

第一種思路為從底向上，首先從采集數(shù)據(jù)源出發(fā)，利用智能化的數(shù)據(jù)采集設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)維工作的數(shù)據(jù)化，而后建立規(guī)模龐大并不斷更新的數(shù)據(jù)庫(kù)資源，最后在各種設(shè)備的維保業(yè)務(wù)中將數(shù)據(jù)加以應(yīng)用。這一思路具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)較為明確、系統(tǒng)性好、完整性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，有利于維保數(shù)據(jù)的共享和調(diào)用。具體應(yīng)用實(shí)例有京投公司的北京軌道交通資產(chǎn)管理系統(tǒng)、京港地鐵的運(yùn)營(yíng)資產(chǎn)全生命周期管理理念等。

第二種思路為從頂向下，主要利用數(shù)據(jù)相關(guān)性來(lái)決策實(shí)際問(wèn)題和相應(yīng)的管理需求，根據(jù)不同的運(yùn)維業(yè)務(wù)和運(yùn)維場(chǎng)景，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)化立體模型，最終形成包含各類維護(hù)信息的數(shù)據(jù)資源。具有目標(biāo)較為明確、能夠以需求為導(dǎo)向的特點(diǎn)，并能很快體現(xiàn)出信息化應(yīng)用對(duì)維保業(yè)務(wù)和管理決策的支持作用。

1.2 應(yīng)用架構(gòu)

對(duì)于設(shè)備運(yùn)維信息化應(yīng)用思路，其應(yīng)用原則具有一致性，也就是首先獲取數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析，最后進(jìn)行應(yīng)用。根據(jù)這一邏輯關(guān)系構(gòu)建出基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層的三層架構(gòu)體系。

其中，基礎(chǔ)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取和存儲(chǔ)，具體可以分為底層硬件基礎(chǔ)設(shè)備、數(shù)據(jù)環(huán)境以及數(shù)據(jù)源采集。通過(guò)搭建智能監(jiān)測(cè)設(shè)備、智能采集設(shè)備、低容量存儲(chǔ)設(shè)備、低能耗網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備等硬件基礎(chǔ)體系以保證數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境的安全性等。并能利用各種平臺(tái)將基礎(chǔ)信息、維修記錄、故障數(shù)據(jù)等錄入系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)層分為數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)更新三部分，能夠?qū)⒒A(chǔ)層獲得的全部信息進(jìn)行集中，將數(shù)據(jù)分類、轉(zhuǎn)換格式，并整理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與半結(jié)構(gòu)化，而后根據(jù)運(yùn)維場(chǎng)景分類，對(duì)不同場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用性分析、經(jīng)濟(jì)性分析、數(shù)據(jù)化分析等，主要包括設(shè)備健康曲線、故障曲線、趨勢(shì)圖、狀態(tài)修提醒等方面，最后根據(jù)時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行迭代更新并多備份存儲(chǔ)。

應(yīng)用層從頂向下可以分為數(shù)據(jù)決策層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)接口層四個(gè)層級(jí)，數(shù)據(jù)決策層主要提供企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略、績(jī)效成本等。數(shù)據(jù)管理層主要包括資產(chǎn)管理和人力資源管理，能夠管理資產(chǎn)的核算、更新、改造、報(bào)廢，人員的考勤、排班和資質(zhì)。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)層主要包括設(shè)備管理、作業(yè)管理、維修計(jì)劃、標(biāo)準(zhǔn)管理、物資管理等方面，各個(gè)業(yè)務(wù)部門可以根據(jù)以上內(nèi)容開發(fā)相應(yīng)的系統(tǒng)及平臺(tái)。數(shù)據(jù)接口層預(yù)留了設(shè)施設(shè)備運(yùn)維管理與列車實(shí)時(shí)監(jiān)控、客運(yùn)組織、應(yīng)急防災(zāi)決策、信息發(fā)布等應(yīng)用的接口，以便于數(shù)據(jù)資源的共享，以及促進(jìn)不同業(yè)務(wù)和專業(yè)的信息交流。

2 基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通運(yùn)維信息化技術(shù)的應(yīng)用

2.1 主要城市應(yīng)用實(shí)例

2.1.1 北京地鐵

北京市基礎(chǔ)設(shè)施投資有限公司通過(guò)建立北京軌道交通資產(chǎn)管理信息系統(tǒng)。對(duì)于投資、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)三方面的信息進(jìn)行了統(tǒng)一的共享與傳遞。該系統(tǒng)從資產(chǎn)生命周期管理角度（ALC）出發(fā)，能夠加強(qiáng)軌道交通資產(chǎn)在形成、使用、維修、移交、更新、改造、報(bào)廢處置等方面的聯(lián)系，利用工具進(jìn)行分析查詢，對(duì)資產(chǎn)價(jià)值鏈與實(shí)物進(jìn)行管理。對(duì)投資、建設(shè)與運(yùn)營(yíng)三部分在信息的共享和傳遞上實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一管理，提高了對(duì)線路運(yùn)營(yíng)資產(chǎn)的分析能力和決策能力。截至2016年1、2、5號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線、大興線已接入該系統(tǒng)，2020年預(yù)計(jì)接入18條線路。在資產(chǎn)管理系統(tǒng)建立初期，主要任務(wù)是將數(shù)據(jù)梳理和錄入，在數(shù)據(jù)積累達(dá)到一定時(shí)間后，利用前期接口對(duì)輔助決策體系進(jìn)行進(jìn)一步構(gòu)建與完善。

北京京港地鐵有限公司在2008年即開始在設(shè)備運(yùn)維中應(yīng)用信息化技術(shù)，以“運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)信息化管理”為公司網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)基本原則。在2009年自主研發(fā)了我國(guó)首個(gè)全面的運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，能夠?qū)π熊囆畔ⅰ⒖土餍畔ⅰ⑦\(yùn)力配置、運(yùn)營(yíng)指標(biāo)、等數(shù)據(jù)做出分析，提高了對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和維修養(yǎng)護(hù)方面的管理水平。京港地鐵還開發(fā)了地鐵運(yùn)營(yíng)信息發(fā)布系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠充分結(jié)合無(wú)線與有線通信技術(shù)，能夠提升數(shù)傳遞和資源調(diào)配的效率，還可以對(duì)線路的各類基礎(chǔ)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，促進(jìn)日常維修和維護(hù)的數(shù)據(jù)信息化，對(duì)比管理設(shè)施設(shè)備設(shè)計(jì)全生命周期，以及資產(chǎn)的實(shí)際運(yùn)行。

2.1.2 上海地鐵

上海地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司在2005年建立了施工計(jì)劃調(diào)度系統(tǒng)和整合執(zhí)法系統(tǒng)，能夠?qū)€路資源做出調(diào)配，根據(jù)時(shí)間和空間對(duì)人、電、車等資源合理分布，施工中進(jìn)行資源安全鎖閉控制，對(duì)于具體施工項(xiàng)目進(jìn)行人、電、車的沖突檢查以保證施工過(guò)程的安全。2013年成立的上海地鐵維護(hù)保障有限公司設(shè)立了車輛、供電、通號(hào)、物資、工務(wù)、后勤五個(gè)分公司。目前上海地鐵設(shè)施設(shè)備的維護(hù)體系中也通過(guò)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)構(gòu)建了線網(wǎng)級(jí)維護(hù)支持系統(tǒng)、試驗(yàn)室、電子維修中心等維修體系。比如2015年通號(hào)分公司通過(guò)搭建信號(hào)數(shù)據(jù)分析平臺(tái)。這一平臺(tái)起到了對(duì)各個(gè)線路集中監(jiān)控以及信號(hào)各子系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和預(yù)警的作用。此外，上海地鐵還建立了保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)信息平臺(tái)，能夠集中處理和分析保護(hù)區(qū)的項(xiàng)目監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。還有基于多維在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立的列車維護(hù)場(chǎng)景，能夠運(yùn)用軌旁綜合檢測(cè)、車地?zé)o線傳輸?shù)认到y(tǒng)監(jiān)視和分析列車的狀態(tài)與故障，還可以實(shí)時(shí)查詢遠(yuǎn)程故障。

2.1.3 廣州地鐵

廣州地鐵通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控作業(yè)過(guò)程，注重維修現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的精細(xì)化，在系統(tǒng)考慮人、財(cái)、物協(xié)同性的基礎(chǔ)上建立維修信息系統(tǒng)。系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)分為維修業(yè)務(wù)管理層、支撐管理層、決策支持層和渠道接入層共4層。該系統(tǒng)能夠在設(shè)備檢修周期到期之前60d自動(dòng)生成工單，具有固化維修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、利用手持終端對(duì)設(shè)備技術(shù)文檔等文件進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、采集和錄入現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備狀態(tài)和音頻、照片、視頻等故障信息等現(xiàn)場(chǎng)信息、生成設(shè)備管理統(tǒng)計(jì)報(bào)表等作用，使管理效率得到提高，故障防控能力得到加強(qiáng)。該系統(tǒng)建立于2013年10月，2014年4月開始在3號(hào)線北延段試運(yùn)行，目前已經(jīng)投入使用的線路有4條，管理設(shè)備9萬(wàn)臺(tái)左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)在40萬(wàn)個(gè)以上，分標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)模板3500個(gè)左右，并有預(yù)防性維護(hù)計(jì)劃4萬(wàn)份左右。

2.2 軌道運(yùn)維安全管理的大數(shù)據(jù)應(yīng)用

大數(shù)據(jù)在軌道運(yùn)維安全管理方面的應(yīng)用主要有兩方面，第一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，第二是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)在軌道運(yùn)維安全管理的不同階段向動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變，同時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)不斷更新，顯示軌道的所有信息。大數(shù)據(jù)用于軌道運(yùn)維安全管理，能夠起到控制運(yùn)維成本、延長(zhǎng)軌道壽命、保障城市軌道交通性能的作用，使決策管理的智能化與信息化程度提高。

2.2.1 設(shè)備劣化規(guī)律分析

大數(shù)據(jù)技術(shù)可以用于軌道幾何劣化規(guī)律分析、鋼軌狀態(tài)劣化規(guī)律分析和道岔大軌件劣化規(guī)律分析。軌道幾何劣化規(guī)律分析主要是分析軌道單元區(qū)段軌道幾何狀態(tài)的歷史變化、不同軌道單元區(qū)段軌道幾何狀態(tài)排序和軌道單元區(qū)段軌道幾何狀態(tài)預(yù)測(cè)。軌道幾何劣化規(guī)律分析主要是基于TQI、公里扣分、狀態(tài)變化速率等指標(biāo)進(jìn)行分析和定位的。鋼軌狀態(tài)劣化規(guī)律分析可以利用里程信息與每根鋼軌的狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合，分析單根鋼軌狀態(tài)的歷史變化趨勢(shì)，也可以根據(jù)狀態(tài)指標(biāo)對(duì)不同鋼軌的狀態(tài)進(jìn)行排序分析，為狀態(tài)劣化較快路段的維修計(jì)劃提供依據(jù)，還可以將單根鋼軌作為分析單元，根據(jù)歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)和時(shí)間序列、壽命分布等建立性能狀態(tài)變化規(guī)律數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)每根鋼軌狀態(tài)的預(yù)測(cè)。道岔大軌件劣化規(guī)律分析與鋼軌狀態(tài)劣化規(guī)律分析類似，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單組道岔大軌件歷史變化趨勢(shì)的分析、不同組道岔大軌件的排序分析和道岔大軌件的狀態(tài)預(yù)測(cè)。

2.2.2 軌道狀態(tài)安全預(yù)警

軌道狀態(tài)安全預(yù)警主要是根據(jù)管理者對(duì)軌道設(shè)備狀態(tài)劣化程度設(shè)置的閾值，利用幾何劣化規(guī)律分析、鋼軌狀態(tài)劣化規(guī)律分析和道岔大軌件劣化規(guī)律分析得到的軌道設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)和未來(lái)狀態(tài)信息，對(duì)急需重點(diǎn)關(guān)注的安全隱患做出及時(shí)分析和預(yù)警[2]。安全預(yù)警中可以利用GIS等可視化技術(shù)對(duì)軌道各設(shè)備的狀態(tài)和詳細(xì)情況做出直觀展示，比如問(wèn)題所在設(shè)備名稱、編號(hào)、線路名稱、里程和位置、日期、問(wèn)題描述和處理情況等，從而幫助管理人員及時(shí)采取措施消除安全隱患。

2.2.3 軌道使用壽命分析

在設(shè)備劣化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)軌道設(shè)備前期設(shè)計(jì)、制造和建設(shè)安裝，運(yùn)營(yíng)階段設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)等數(shù)據(jù)建立軌道設(shè)備使用壽命的分析模型，對(duì)軌道平均使用壽命和當(dāng)前剩余使用壽命進(jìn)行分析，更有利于設(shè)備的修理和更新。其中軌道平均使用壽命分析運(yùn)用威布爾分布、指數(shù)分布、伽馬分布等方法，構(gòu)建出軌道設(shè)備平均使用壽命的分析模型，并用分布函數(shù)進(jìn)行描述，運(yùn)用最大似然估計(jì)等方式結(jié)合軌道設(shè)備全壽命數(shù)據(jù)，估計(jì)分析模型的參數(shù)，得出兩次大修間的平均可使用時(shí)間。軌道剩余使用壽命分析也是利用威布爾分布、指數(shù)分布、伽馬分布等分析方法構(gòu)建分析模型，在設(shè)備經(jīng)過(guò)多次檢測(cè)與修理情況下，根據(jù)對(duì)檢測(cè)與維修數(shù)據(jù)的分析得出設(shè)備從當(dāng)前到下次需要進(jìn)行大修的剩余使用時(shí)間。

2.2.4 軌道維修計(jì)劃的優(yōu)化

在分析設(shè)備損壞曲線和全生命周期分析，以及設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)警的基礎(chǔ)上，根據(jù)維修成本最少或設(shè)備狀態(tài)最佳為目標(biāo)，對(duì)軌道設(shè)備的維修計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，具體可以制定單個(gè)設(shè)備的維修計(jì)劃優(yōu)化，為每個(gè)軌道設(shè)備構(gòu)建維修決策優(yōu)化模型，根據(jù)設(shè)備狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)維修資源和使用壽命限制等約束條件，得出最優(yōu)維修決策。也可以制定設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的維修計(jì)劃優(yōu)化，構(gòu)建路網(wǎng)上多個(gè)軌道設(shè)備的最優(yōu)維修決策。

2.2.5 軌道運(yùn)維安全智能管理平臺(tái)

軌道運(yùn)維安全智能管理平臺(tái)通過(guò)構(gòu)建信息化閉環(huán)管理模式，將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、安全狀態(tài)管理、預(yù)測(cè)和預(yù)警管理、以及地理信息和移動(dòng)終端的應(yīng)用集中于一體，能夠起到合理編制計(jì)劃的作用，有利于更好進(jìn)行智能決策。

3 結(jié)論

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多城軌企業(yè)都對(duì)交通運(yùn)維信息化技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，并取得了良好成效。在軌道運(yùn)維安全管理當(dāng)中，大數(shù)據(jù)也得到了廣泛應(yīng)用。起到了提高效率、合理分配資源、保障設(shè)備使用性能的作用。