城市軌道交通智能運維技術發展及智能基礎設施建設方法研究

王冰 李洋 王文斌

摘 要：為助推城軌行業智能化發展，文章聚焦城軌智能運維技術，首先概述該技術的良好發展環境，簡要闡述城軌智能運維技術內涵和涉及的相關技術，分析研究具有較強代表性的北京、上海、廣州、深圳地區城軌公司在智能運維技術方面的發展動態，指出現階段我國城軌行業在智能運維發展中存在的不足。在此基礎上，重點研究分析《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中基礎設施智能運維體系的建設目標與重點內容，并在智能基礎設施方面提出平臺搭建、技術接入、生產應用、數據積累與智能應用的五步發展路徑，以促進我國城軌交通行業信息化健康發展和智慧城軌建設有序實施。

關鍵詞：城市軌道交通;智慧城軌;智能運維技術;智能基礎設施

中圖分類號：U213.9

隨著我國城市軌道交通建設高速發展，國內部分一、二線城市已經形成網絡化運營，同時面臨著建設與運維的雙重壓力[1-2]。發展智能運維技術成為當前各大城軌運營企業更好適應城軌交通網絡化運營需求、提升設備設施運維管理水平、推動創新技術裝備落地應用的主要方式。

相較于設計、建設服務而言，運營維保服務生命周期更長，且具有確定性和可持續性，有較大的發展市場。同時，國家近幾年高度重視城軌交通行業發展，各級政府部門相繼出臺了若干政策與意見，引導城軌行業的高質量健康發展[4-6]。另外，當前移動通信、云計算、物聯網、大數據、人工智能等智能技術已逐漸成熟，具備了良好的應用基礎[7-8]，并且軌道交通關鍵系統設備的核心技術均實現了國產化，并正在進行智能化升級。綜上，城軌裝備智能運維充分具備了政策、經濟、社會、技術等各個方面的良好發展環境。

文章重點針對智慧城軌系統中的智能運維技術，從技術內涵、發展動態，以及智能基礎設施的建設方法等方面進行闡述，以期為業內同行開展相關工作提供借鑒或思考。

1 城軌智能運維技術內涵

運維有運行和維保兩重含義，城市軌道交通運維工作的目的在于確保城市軌道交通安全、穩定、高效、經濟地運營。運營是指為城市軌道交通線路提供正常運營服務，以及“運營+N”服務從而獲取相應收入的活動;維保則是為了保持和恢復裝備或設備的良好工作狀態而進行的活動，是保障城市軌道交通安全運營的基礎。城市軌道交通運維的全部工作，包括了人員管理、設備管理、物資管理、維修策略管理、現場維修、離線維修、后勤保障、應急管理等，涵蓋了全部城軌運營涉及的土建設施系統與機械電氣化系統[9-10]。

智能運維則是應用泛在數據和智能技術對“運維”生產任務所進行的賦能，以關鍵設施設備為主要管控對象，采用移動通信、云計算、物聯網、大數據、人工智能等智能技術，圍繞設施設備運維全過程質量控制開展全面數字化、互聯化、智能化，實現關鍵系統和設備故障自診斷、遠程集中檢測、專家系統綜合決策、故障預測健康管理等功能的綜合智能維修系統，以提高安全服務水平和管理效率，降低勞動強度、技能要求和運維成本。

智能運維技術充分建立在基于狀態的維護（Condition-based Maintenance，CBM）、結構健康監測（Structural Health Monitoring，SHM）、故障預測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）[11]等技術之上，故在此對相關技術作簡要闡述，有助于深刻認識智能運維技術內涵。

1.1 CBM 技術

在檢修體制演變的過程中，根據不同的行業特點、不同的設備管理要求，出現了各種追求不同具體目標的檢修方式，主要包括事后維修、預防性計劃檢修以及狀態檢修。

事后維修是當設備發生故障或其他失效時進行的非計劃性維修。在現代管理設備要求下，事后維修僅用于對生產影響極小的非重點設備、有冗余配置的設備或采用其他檢修方式不經濟的設備，這種檢修方式又稱為故障維修。預防性計劃檢修是一種以時間為基礎的預防檢修方式，也稱計劃檢修、定期檢修。它是根據設備磨損的統計規律或經驗，事先確定檢修類別、檢修周期、設備檢修內容、檢修備件及材料等的檢修方式。定期檢修適合于已知設備磨損規律的設備，以及難以隨時停機進行檢修的流程工業、自動生產線設備。狀態檢修（CBM）是從預防性檢修發展而來的更高層次的檢修體制，是一種以設備狀態監測技術（Condition Monitoring，CM）為基礎、以預測設備狀態發展趨勢為依據的檢修方式[11]。它根據設備的巡檢、例行試驗、在線監測、診斷性試驗等方式提供的信息、經過分析處理，判斷設備的健康和性能劣化狀況及其發展趨勢，并在設備故障發生前及性能降低到不允許極限前計劃性安排檢修。

根據各自定義可知，狀態檢修與事后維修均著眼于設備故障發生的時間，力圖在設備故障現象發現前或發生后及時予以處理，消除故障隱患或故障，保證設備能夠正常發揮其設計功能，而定期檢修作為事后維修與狀態檢修的過渡性檢修體制，其出現與特定時代的技術背景和設備的復雜程度有關，最終將被狀態維修所替代，僅作為一種輔助性檢修的選擇。與早期的事后維修與定期檢修相比，狀態檢修能夠對設備進行適時地、有針對性地維修，不僅能保證設備處于良好的技術狀態，而且能夠充分利用零部件的壽命，有效地避免“維修不足”和“維修過剩”的情況。

1.2 SHM 技術

SHM是指通過先進傳感技術監測結構在環境或人為激勵下的結構響應，結合先進信號信息處理技術，進行結構特征參數和損傷狀況的識別與結構性能的評估乃至未來服役周期內的性能預測，從而保障結構安全與實現結構預防性管養的技術。SHM技術與CM技術在思路上較為接近，但在方法與對象方面有所差異。CM 技術傾向于在自旋轉設備結構外圍對其運行狀態進行監測，而SHM則基于無損檢測方法，更傾向于對受外載荷影響為主的設備結構（如飛行器、橋梁等）的監測點直接進行監測。傳統的SHM技術較關注健康評估內容，很少涉及維護維修內容。SHM技術的應用范疇主要包括損傷探查、損傷定位、損傷識別、損傷量化、健康預測。

1.3 PHM 技術

PHM技術從外部測試、機內測試、狀態監測和故障診斷發展而來，涉及故障預測和健康管理兩方面內容。故障預測是根據系統歷史和當前的監測數據診斷、預測其當前和將來的健康狀態、性能衰退與故障發生的方法。健康管理是以診斷、評估、預測的結果作為信息，根據可用的維修資源和設備使用要求等知識，對任務、維修與保障等活動做出適當規劃、決策、計劃與協調的能力。PHM技術代表了一種理念的轉變，是裝備管理從事后處置、被動維護，到定期檢查、主動防護，再到事前預測、綜合管理，層層遞進的結果，旨在實現從基于傳感器的診斷向基于智能系統的預測轉變;從忽略對象性能退化的控制調節向考慮對象性能退化的控制調節轉變;從靜態任務規劃向動態任務規劃轉變;從定期維修到實情維修轉變;從被動保障到主動保障轉變。故障預測可向短期協調控制提供調參、任務規劃和視情維修的前提是以提高裝備可靠性、安全性、維修性、測試性、保障性、環境適應性和降低全壽命周期費用為核心。

PHM技術是一種針對設備設施健康狀態管理提供整體性指導的策略方法，實現了管理對象全生命周期內故障/損傷與維護維修的可預測性，從功能范疇來看，PHM技術實際上是包含了CBM與SHM技術，其核心內容如圖1所示。智能運維即是建立在PHM基礎上的一種維護方式。

2 我國城軌智能運維技術發展動態

在信息技術加持、產業升級、生產需要等的多重推動作用下，我國各地城軌業主與相關單位紛紛投身于城軌設施設備智能運維技術研發應用的行列中。各地城軌業主結合各自地區城軌發展情況，形成了具有多樣性的智能運維技術體系發展規劃與實踐路徑，下面對上海、廣州、深圳、北京具有較強代表性地區的智能運維技術發展情況進行介紹。

2.1 上海地鐵

上海地鐵當前運營線路總長705km，位于世界第一，規模巨大的網絡化運營帶來了設備規模大、故障數量多、維修強度大、可用資源少等若干問題[12]。近年來，全自動運行、基于建筑信息模型（BIM）的建設管理平臺，以及上海軌道交通網絡運營調度指揮大樓、上海軌道交通行業數據中心等項目的陸續建設與投用，為上海軌道交通超大規模網絡運營管理提供了新的途徑。上海地鐵制定了智慧地鐵1.0（2018 — 2020）與智慧地鐵2.0（2020 —）的智慧化發展目標，其中在第一階段設定了到2020年在線監測達到狀態感知覆蓋率50%、降低一線人員比例20%的量化指標目標，主要功能架構如圖2所示。

《企業級AIOps實施建議》白皮書[13]中對智能運維應用進行了5個階段的劃分：①嘗試應用，單相電嘗試，無成熟應用;②單點應用，單項點功能成熟應用;③串聯應用，多項點功能串聯應用;④能力完備，實現標準化流程的運維狀態采集、分析、應用;⑤智能運維，全壽命周期運維成本、效率、可靠性動態調整。

上海地鐵參照上述關于智能運維階段的定義對自身所處階段進行了定位，在車輛專業、供電專業、通號專業、工務專業以及物后專業均達到了3～4階段的水平，通過各專業智能運維平臺的建設與應用，上海地鐵在車輛專業方面實現了日常檢查于夜間窗口時間完成，提升了20%的生產效率;在供電專業方面巡檢效率提高75%;通號專業方面實現了事后搶修升級為事中和事前干預，響應維修時間縮短30%;工務專業方面則通過軌道檢查車和鋼軌探傷車的運用，比人工檢測效率提升10倍以上。特別是，上海地鐵車輛智能運維系統已成為國家示范工程項目，也被中城協認定為車輛智能運維系統示范工程，可以說在車輛智能運維方面做到了行業領先。

2.2 廣州地鐵

廣州地鐵從2011年結合“十二五”科技支撐計劃和國家“863計劃”重點項目，開展了城軌列車在途監測與安全預警關鍵技術研究和示范應用，對列車的行駛狀態、關鍵系統運行狀態進行監測，開發了綜合監測與預警系統和綜合運營維護管理系統。近年來，廣州地鐵又基于安全和維修的目的，開展了行車關鍵設備設施主動運維系統研發應用。經國家發改委批復，廣州地鐵、城軌創新網絡公司、廣州地鐵設計研究院共同承接了“城軌交通行車關鍵設備設施主動運維系統研究及工程應用項目”，并依托廣州地鐵11號線建設進行試點工程應用。通過構建車載+地面檢測體系，結合主動運維數據服務系統，全面形成線路、車輛、信號、供電各專業設施設備智能運維能力[14]，如圖3所示。

基于主動運維系統架構，廣州地鐵已在線路上對車載綜合檢測子系統以及軌旁/地面檢測子系統的部分功能進行實踐。目前，廣州地鐵已實現對列車走行部的軸溫、軸承振動等關鍵參數的在線監測和預警技術以及示范應用。車載式軌道巡檢技術利用載客運營期巡檢對軌道缺陷進行智能識別，提高巡檢效率，可減少軌道巡檢人工成本達80%。信號運維模塊已在廣州地鐵多條線路推廣應用。供電運維模塊實現了對供電設備的實時監測，同時接入了廣州地鐵既有電力監控系統（SCADA）和精細化維修信息系統（LMIS）的相關數據，可進行深度數據挖掘、趨勢預測及預警[14]。

2.3 深圳地鐵

深圳地鐵通過運營智慧系統的構建，實現維保模式、管理模式的變革。全系統進行統一規劃，承載智慧運維、智慧出行、智慧車站、智慧段場、智慧行車、智慧調度、智慧經營等生產經營管理系統，具備跨專業、跨系統、跨功能、整合聯動等特點。深圳地鐵智慧運維體系建設內容如圖4所示。

在吸取高鐵高速綜合檢測列車研發、運用的成功經驗基礎上，深圳地鐵集團與鐵科院組成聯合團隊，開展了綜合檢測列車研發及深圳地鐵基礎設施檢測數據處理中心建設工作。綜合檢測列車檢測系統主要包括了軌道幾何、鋼軌輪廓、軌道狀態巡檢、接觸網幾何參數、弓網受流參數、鋼軌短波不平順、隧道限界、通信、車輛動態響應等檢測系統及定位同步和線路周邊環境監視系統等[15]。同時，該系統應具備雙向的檢測能力，其技術性能并不會受到運行速度和運行方向的影響，各檢測系統檢測精度處于國內領先水平。綜合檢測列車主要包括以下功能：可對城軌新建線路開展聯調聯試、動態驗收，提高新建城軌項目總聯調的質量和效率;在雙向自走行狀態下，具備地鐵基礎設施全項目、高效率、實時綜合同步檢測能力，實現動態、系統、全面地掌握各項基礎設施的狀態;可對既有線進行定期檢測，及時發現問題并指導養護維修作業，保證運營安全，替代各專業檢測車和檢測設備，大幅度降低養護維修成本。可以說，城軌綜合檢測列車的研制應用，有效補充了城軌基礎設施狀態感知源的欠缺與不足，能夠為城軌基礎設施開展智能運維工作奠定良好基礎。

2.4 北京地鐵

北京地鐵在較早時期便起步開展設施設備安全狀態檢測監測與運維大數據方面的研究及應用，涵蓋了車輛、線路、通信、信號、機電等各個專業，使得線路運維水平得到很大提升。例如，通過地鐵列車關鍵部件與軌道狀態實時監測的開發與應用試驗研究，實現了對地鐵車輛關鍵部件進行狀態監測，滿足北京地鐵13號線基于列車狀態的主動運維需求，提升北京地鐵13號線車輛的可用性，從而降低車輛全壽命周期成本，使車輛的運維保障能力和運營效率得以提升。通過城軌關鍵設備在線監測與智能診斷系統研究與應用建設項目，初步建立了涵蓋信號、線路、機電和車輛4個專業子系統以及多專業綜合平臺的城軌關鍵設備在線監測與智能診斷系統。

在智慧城市與智慧地鐵大發展初露端倪之時，北京地鐵搶抓機遇，快速行動，拿出了“北京智慧軌道交通發展行動策劃方案（2019 — 2021）”。其圍繞智慧軌道交通發展目標，規劃打造5項智慧地鐵應用示范、4類智慧地鐵示范工程、3類基礎支撐、1套標準體系。其中，智慧運維方面劃分為三大類業務，即設備系統監視、運維保障以及關聯資產信息，至2021年實現5個功能點的應用，包括圖像通信系統（CCTV）、乘客信息系統（PIS）、自動售檢票系統（AFC）設備監視，設備設施定位，維修計劃、維修流程、維修工單等電子化，移動端智能維修輔助與遠程運維支撐，設備維修維護結果與資產信息實時關聯。

結合自身發展狀況與生產需求，北京地鐵運營公司研究制定了“智慧地鐵三年行動計劃研發方向（2020 — 2022）”，通過逐步構建完善感知層、融合層、分析層、應用層共計78項科研及工程項目，形成各專業智能維護、智能融合，以及全系統的智能運行、智能管理、智能客服以及智慧大腦。

2.5 智能運維發展存在的問題

我國城軌行業已經進入智能化大發展階段，但同時仍面臨諸多挑戰及制約因素，需要行業共同努力將其逐步克服。

2.5.1 技術層面

（1）檢測監測感知設備有待進一步研發。由于檢測監測裝備技術發展程度所限，城軌軌道、橋梁、隧道等基礎設施狀態智能感知水平較低、手段較少，橋梁、隧道結構健康監測技術在城軌領域應用較少，近年來涌現的綜合檢測列車、智能機器人、無人機等智能巡檢裝備也處于探索應用階段。同時，監測鋼材、混凝土等土建結構所用的傳感器自身壽命不足或可靠性不夠，也是一大制約因素。

（2）信息傳輸通道亟待技術革新。當前城軌信息傳輸能力極其有限，無線局域網（WLAN）或車地綜合通信系統（LTE-M）通信帶寬對于承載列控、PIS視頻、列車運行狀態監測、公務電話、時鐘通信、專用電話通信等常規業務尚可，但對于大規模檢測監測數據的實時傳輸或無線傳輸功能而言，目前不論從帶寬容量、傳輸質量還是傳輸效率方面均難以實現。需要依靠新一代5G通信技術以及邊緣計算技術應用來解決此問題。

（3）智能運維標準體系有待健全。由于城軌發展歷程短，當前設施設備狀態性能評價評估體系尚不完善，部分指標評價方法參照鐵路領域或其他相關領域，其適用性難以保證，另外檢測新裝備技術的應用也需要進一步配套相應的評價評估方法。檢測評估技術發展的不充分，造成當前數據積累不足以及相關聯因素狀態參數/信息的缺失，以至于現階段仍然無法形成全面、有效的設施設備智能化診斷、評估、預測能力，更難以產生智能決策應用。

2.5.2 管理層面

（1）全產業鏈信息共享能力不足。智能運維平臺的主要功能之一即是開展設施設備的全壽命周期健康管理，這需要全面基于設施設備在設計、生產、施工安裝、調試、交付使用、養護維修、更新改造、報廢等方面的信息數據支撐，當前由于各階段實施主體未形成有效的信息共享與交互，使得全壽命周期管理成為空談，這一問題需要全行業的通力合作來解決。

（2）數據信息融合應用有待提升。當前，城軌仍多數采用各專業獨立開展檢修維保工作的傳統運維模式，各專業集成程度、體系性、數據信息共享程度較低，甚至存在不同專業由不同公司負責運維的情況。專業割裂管理導致單專業較難即時共享關聯專業信息，造成跨專業的關聯信息缺失，進一步導致跨專業關聯信息維護場景缺失，對于城軌全系統以及各子系統開展科學合理檢修、應急預案編制與應急處置等方面工作造成不利影響。這一局面僅靠推動智能運維平臺應用難以快速扭轉，更需要有效結合管理手段，開展頂層設計、全局部署，充分共享關聯信息，實現各專業間的協同運維。

（3）智能運維尚處于投資探索階段。當前各地城軌交通智能運維系統基本處于平臺搭建或規劃階段，運維平臺也處于數據積累階段，數據分析深度與實際生產應用方面工作開展較少，難以形成直接面向生產的成熟智能應用。由于當前智能運維技術體系仍處于研發階段，未形成規?；a與應用，因此，感知、傳輸、分析、應用平臺等各個系統的建設均需要大量資金投入，且在短期內難以產生直接的可觀效益，這一因素制約了部分城軌新興城市在現階段對于智能運維技術的探索應用。

3 智能基礎設施建設方法路徑

3.1 智慧城軌發展綱要簡述

由前面論述可知，當前城軌領域中基礎設施在智能運維技術方面發展偏慢，既有諸多挑戰，也有廣闊的發展空間。下面，以中國城市軌道交通協會印發的 《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》（以下簡稱《發展綱要》）中給出的相關內容要求為目標，結合自身在城軌基礎設施方面長期開展基礎研究與技術服務所積累的經驗與認識，對城軌基礎設施智能運維技術體系建設方法與路徑進行探討。

為了促進我國城軌交通行業信息化的健康發展和智慧城軌的有序建設，進行行業層面的頂層設計，統籌發展戰略，中國城市軌道交通協會于2020年3月發布了《發展綱要》，為今后我國城軌行業制定智慧城軌發展的技術政策、技術規范、發展規劃以及實施計劃予以指導。《發展綱要》將智慧城軌建設規劃為八大體系、一個城軌云與大數據平臺、一套中國智慧城軌技術標準體系，并均提出了建設目標及重點任務，為開展相關研究與應用明確了方向與思路，在此給出智能基礎設施體系2035年建設目標與重點內容，如表1所示。

由表1可知，城軌基礎設施智能運維體系建設主要圍繞軌道、橋隧、接觸網/軌等設施，通過BIM技術實現基礎信息、狀態變化信息的系統管理與可視化;通過檢測監測技術實現設施自身狀態變化、設施設備關聯影響、環境影響等信息的感知，并建立相應的狀態評估體系;通過綜合仿真分析技術實現對設施及環境多元耦合狀態的評價、診斷及預測;利用海量數據積累并結合大數據技術，實現設施健康狀態預測模型的建立及開展劣化預警應用;廣泛利用信息技術實現基礎設施全生命周期的資產管理、集成化移動化的運維管理及智能化可視化的安全管理;利用大數據分析技術并結合信息管理技術實現基礎設施健康管理與智能分析決策，在資產管理與運維管理中進行合理應用。

3.2 智能基礎設施發展路徑

根據智能化技術發展規律，以及充分考慮上述各項技術當前發展水平，城軌基礎設施智能運維基礎體系建設路徑可按照平臺搭建、技術接入、生產應用、數據積累與智能應用決策五步走。

（1）平臺搭建。智能運維是以數據信息驅動的業務綜合應用，因此首先需要具備云平臺、大數據平臺、基礎信息與業務管理平臺（如BIM平臺）等基礎類平臺，為業務信息與相關數據的存儲、分析、傳輸、共享、應用，以及裝備、系統、業務等的管理與綜合承載提供開發應用環境。

（2）技術嵌入。為實現基礎設施安全性與可靠性有效管控，及開展經濟性強的視情維修，需在狀態檢測監測、評價評估、分析診斷、綜合仿真分析等方面提供充分的技術支撐。分層次分階段開展既有成熟技術集成應用、其他領域相關技術轉化應用、空白關鍵技術壁壘自主或合作攻破，逐步完善核心支撐技術并嵌入平臺。

（3）生產應用。利用已搭建平臺與嵌入技術開展基礎設施狀態感知、健康度評價、問題故障診斷、多要素關聯分析，巡檢維修過程管理、質量管理、資產管理。在解決生產需要的同時，加速積累完善數據信息，充分挖掘運維業務智能化應用點。

（4）數據積累。通過既有業務開展應用，充分積累數據量，擴充數據類型，關聯信息源，構建分析預測模型并加以訓練，形成具備智能應用能力的算法庫。同時，進一步利用大數據分析技術，挖掘具有應用潛質的應用點。

（5）智能應用決策。將信息技術、PHM技術、管理技術等深度融合，全面形成基礎設施狀態智能感知、診斷、報警預警、預測、維修智能決策、應急智能處置、資產智能管控等能力，達到降低人工作業強度、減輕故障等級、提升生產效率、降低運維成本等目的。

4 結語

作為智慧城軌建設體系中的關鍵之一，智能運維技術體系的建設要牢牢把握智能化與自主化發展實施策略，全面秉持統籌規劃、頂層設計、自主創新、重點突破、分步實施等方針，為早日完成軌道交通高速發展向高質量發展轉變、實現智慧城軌，以及交通強國戰略目標砥礪前行。

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收稿日期 2020-07-22

責任編輯 司玉林