軌道交通線網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案思考

張義鑫，張炳森

(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037)

1 概述

國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)取得了舉世矚目的成就，隨著軌道交通運(yùn)營(yíng)線路的不斷增多，我國(guó)軌道交通已經(jīng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)時(shí)代[1]。在軌道交通高效集約、網(wǎng)絡(luò)化、安全可靠發(fā)展的同時(shí)，也給建設(shè)和運(yùn)營(yíng)部門帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)，尤其是關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)維問(wèn)題，越來(lái)越成為研究的熱點(diǎn)。

隨著“大”、“云”、“物”、“移”、“智”技術(shù)的發(fā)展，軌道交通在信息管理和控制方面取得了較大進(jìn)步[2]。為順應(yīng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展趨勢(shì)，各大城市已積極加入智能運(yùn)維系統(tǒng)的研究。目前多家軌道交通企業(yè)雖已建立一些設(shè)備管理信息系統(tǒng)[3]，但各個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)不夠完善和相對(duì)獨(dú)立，且忽視了設(shè)備在長(zhǎng)期應(yīng)用過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)蘊(yùn)含巨大的應(yīng)用價(jià)值[4]，因此需要結(jié)合大數(shù)據(jù)及人工智能等技術(shù)構(gòu)建智能運(yùn)維系統(tǒng)。本文從長(zhǎng)遠(yuǎn)出發(fā)，考慮線網(wǎng)層面的軌道交通智能運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究，為軌道交通的健康發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

2 運(yùn)維現(xiàn)狀

隨著運(yùn)營(yíng)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)運(yùn)維管理的要求也越來(lái)越高，目前的城市軌道交通運(yùn)維管理主要存在以下問(wèn)題[5]：

1）各專業(yè)、各線路分別進(jìn)行運(yùn)維管理，存在信息孤島，各系統(tǒng)的開(kāi)放性差，專業(yè)間、系統(tǒng)間互聯(lián)互通困難；

2）各系統(tǒng)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，軟/硬件、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)種類繁多，重復(fù)投資問(wèn)題突出；

3）部分系統(tǒng)技術(shù)陳舊，新技術(shù)應(yīng)用、彈性擴(kuò)展困難，帶寬受限，移動(dòng)寬帶接入困難；

4）數(shù)字化、智能化程度低，智能感知水平有限，覆蓋范圍不全面，制約智能應(yīng)用和智能輔助決策等。

另外，目前行業(yè)內(nèi)仍常用故障維修和計(jì)劃維修方式[6]，導(dǎo)致服務(wù)水平下降、維修成本升高；維護(hù)人員在日常維護(hù)和故障處理時(shí)，仍依靠人工完成數(shù)據(jù)采集、分析等工作，無(wú)法滿足高質(zhì)量的維修管理。運(yùn)維模式與日益增長(zhǎng)的智能維修需求的矛盾，使得智能化運(yùn)維的研究成為線網(wǎng)維護(hù)體系建設(shè)的迫切需要。

3 智能運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

智能運(yùn)維系統(tǒng)的核心是利用設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)信息，借助大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和人工智能等技術(shù)，綜合考慮設(shè)備的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)維修管理的信息化和智能化[7]。首先對(duì)系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 智能運(yùn)維系統(tǒng)功能需求

1）設(shè)備健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)

在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)及時(shí)預(yù)警，提供詳細(xì)的故障位置、故障類型等信息，同時(shí)提供健康維護(hù)輔助決策。

2）設(shè)備健康智能管理

通過(guò)大數(shù)據(jù)分析進(jìn)行故障管理、智能預(yù)測(cè)及性能衰退分析，減少故障維修的概率。

3）閉環(huán)處理功能

從系統(tǒng)高度上為智能運(yùn)維提供一個(gè)“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題—處理問(wèn)題—解決問(wèn)題—問(wèn)題反饋”的作業(yè)處理機(jī)制，針對(duì)不同維護(hù)類型監(jiān)測(cè)目前的執(zhí)行狀況，根據(jù)不同的維修模式、跟蹤作業(yè)分別進(jìn)行工作流程追蹤，應(yīng)用于設(shè)備運(yùn)維的全過(guò)程。

4）設(shè)備資產(chǎn)的全生命周期管控

全程進(jìn)行設(shè)備資產(chǎn)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，包括設(shè)備的使用、維修與報(bào)廢等，如果設(shè)備的使用狀態(tài)發(fā)生變化，平臺(tái)應(yīng)當(dāng)及時(shí)進(jìn)行跟蹤處理，更新設(shè)備資產(chǎn)的使用情況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化的資產(chǎn)管理。

5）線網(wǎng)級(jí)健康維護(hù)業(yè)務(wù)和流程管理

單線路的管理業(yè)務(wù)模式無(wú)法滿足線網(wǎng)聯(lián)動(dòng)控制的需求，同時(shí)單線路分立的維護(hù)方式也存在資源的浪費(fèi)，因此智能運(yùn)維業(yè)務(wù)需要上升到線網(wǎng)級(jí)別。系統(tǒng)需根據(jù)新的維護(hù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)用戶權(quán)限的設(shè)計(jì)，科學(xué)管理機(jī)構(gòu)間的級(jí)別劃分、功能權(quán)限和數(shù)據(jù)管理權(quán)限，從而實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維業(yè)務(wù)的流程管理。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

軌道交通線網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)整體架構(gòu)可定義為4層：數(shù)據(jù)采集層、接入層、大數(shù)據(jù)平臺(tái)層和應(yīng)用層，如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集層：數(shù)據(jù)采集是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，完成對(duì)各線路ISCS、信號(hào)、集中告警、AFC、車輛等系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、日志數(shù)據(jù)、告警數(shù)據(jù)、配置管理數(shù)據(jù)、用戶行為數(shù)據(jù)、運(yùn)維流程類數(shù)據(jù)、性能指標(biāo)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一采集，打破獨(dú)立感知監(jiān)控的信息孤島格局，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取的需求。

圖1 智能運(yùn)維系統(tǒng)整體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of intelligent operation and maintenance system

接入層：自建線網(wǎng)私有云，各線維修中心接入線網(wǎng)私有云，把各線運(yùn)維信息上傳，接入層對(duì)數(shù)據(jù)協(xié)議解析及編解碼、聚合計(jì)算等處理后，把數(shù)據(jù)上傳至大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

大數(shù)據(jù)平臺(tái)層：對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、計(jì)算等，并定義標(biāo)準(zhǔn)化的指標(biāo)體系。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用于落地運(yùn)維數(shù)據(jù)，可根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)消費(fèi)和使用場(chǎng)景，選擇不同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式；對(duì)運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行萃取，積累大量可用運(yùn)維數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析相當(dāng)于“大腦”功能，利用人工智能算法，根據(jù)具體的運(yùn)維場(chǎng)景、業(yè)務(wù)規(guī)則等，提供實(shí)時(shí)和離線計(jì)算，并作出決策。

應(yīng)用層：應(yīng)用層可分為決策層、管理層、業(yè)務(wù)層和接口層。決策層是把握企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略、績(jī)效成本等方面作用；管理層主要包括制定檢修維護(hù)流程、維修規(guī)程、成本管理等方面；業(yè)務(wù)層是根據(jù)大數(shù)據(jù)平臺(tái)的分析結(jié)果，對(duì)線網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常報(bào)警、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、可靠性評(píng)估等；接口層預(yù)留與列車運(yùn)行、應(yīng)急決策、信息發(fā)布等應(yīng)用的接口，便于數(shù)據(jù)資源的共享，促進(jìn)不同業(yè)務(wù)和專業(yè)的信息交流。

3.3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)計(jì)

軌道交通線網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)基于云平臺(tái)方式進(jìn)行部署，并建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)[8]。其中云平臺(tái)和大數(shù)據(jù)平臺(tái)建議根據(jù)各城市信息化的發(fā)展，與城市軌道交通云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)統(tǒng)籌規(guī)劃建設(shè)，提高投資利用的效率。

軌道交通線網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)由車站（含場(chǎng)、段）維修工區(qū)及控制中心兩級(jí)平臺(tái)組成，維修工區(qū)通過(guò)維修工作站、手持維修終端方式與中心智能運(yùn)維平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行交互，用于接收中心維修流程及維修指令下發(fā)，并上傳中心平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)維修故障人工錄入，維修過(guò)程、維修進(jìn)展等維修信息。中心平臺(tái)用于接收各系統(tǒng)的告警信息及人工報(bào)送告警信息，與各生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行接口（可通過(guò)大數(shù)據(jù)平臺(tái)統(tǒng)一接口），獲取故障告警信息，并自動(dòng)生成維修流程下發(fā)維修工區(qū)終端。同時(shí)基于積累的大數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)維修策略優(yōu)化調(diào)整、自動(dòng)調(diào)整備件及維修工具的采購(gòu)管理，實(shí)現(xiàn)3.2章節(jié)應(yīng)用層的相關(guān)業(yè)務(wù)功能。具體系統(tǒng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

智能運(yùn)維系統(tǒng)安全需按照等級(jí)保護(hù)三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)信息系統(tǒng)安全等級(jí)保護(hù)第三級(jí)的規(guī)定，智能運(yùn)維系統(tǒng)的安全建設(shè)應(yīng)綜合考慮物理層面、網(wǎng)絡(luò)層面、系統(tǒng)層面、應(yīng)用層面和管理層面的安全需求[9]，確保智能運(yùn)維系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)。

4 智能運(yùn)維的實(shí)施步驟

圖2 智能運(yùn)維系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組成圖Fig.2 Network architecture of intelligent operation and maintenance system

智能運(yùn)維的建設(shè)是從無(wú)到有的過(guò)程，智能運(yùn)維系統(tǒng)的搭建不是一蹴而就的，其功能是由信息化到智能化的過(guò)程[10]，實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)需要有數(shù)據(jù)積累、功能完善、功能升級(jí)階段，且需結(jié)合城市軌道交通的規(guī)劃等來(lái)考慮。結(jié)合目前新技術(shù)及智能運(yùn)維的發(fā)展方向，提出智能運(yùn)維的實(shí)施分以下3個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)施路線Fig.3 Implementation route of intelligent operation and maintenance system

1）大數(shù)據(jù)平臺(tái)的建設(shè)

數(shù)據(jù)是智能運(yùn)維落地的基礎(chǔ)，首先需要基于云平臺(tái)的基礎(chǔ)建立大數(shù)據(jù)平臺(tái)，采集和存儲(chǔ)分散建設(shè)的軌道交通應(yīng)用系統(tǒng)的部分或全部數(shù)據(jù)，以及軌道交通體系外部的相關(guān)數(shù)據(jù)，完成相關(guān)數(shù)據(jù)的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享、交換、展現(xiàn)、服務(wù)等功能。

2）設(shè)備信息化管理及狀態(tài)性維修

此階段是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的信息化管理功能，在數(shù)據(jù)平臺(tái)建立的基礎(chǔ)上，引入先進(jìn)的、符合本行業(yè)特色需求的設(shè)備管理模式和管理軟件，實(shí)現(xiàn)不同線路之間的設(shè)備物資統(tǒng)一管理、全線網(wǎng)資產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本的統(tǒng)一核算、全線網(wǎng)設(shè)備維修維護(hù)策略的科學(xué)合理制定，最大限度提高設(shè)備物資的管理效率，保證倉(cāng)儲(chǔ)合理化，維修科學(xué)化。本階段最直接的成果為實(shí)現(xiàn)維修系統(tǒng)的數(shù)字化、信息化，實(shí)現(xiàn)基于故障告警的狀態(tài)性維修，提高維修效率。

3）智慧運(yùn)維

智慧運(yùn)維是智能運(yùn)維系統(tǒng)的終極目標(biāo)，隨著數(shù)據(jù)的積累、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，可采用大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等技術(shù)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)維場(chǎng)景智能化閉環(huán)，且智能運(yùn)維能力與運(yùn)維管理流程、運(yùn)維組織架構(gòu)、運(yùn)維自動(dòng)化是深入融合。

運(yùn)維人員不再以發(fā)現(xiàn)故障、解決故障作為目標(biāo)導(dǎo)向，轉(zhuǎn)而專注業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)，探索運(yùn)維需求，定義并實(shí)現(xiàn)運(yùn)維場(chǎng)景，豐富智能運(yùn)維的廣度與深度。

5 總結(jié)

在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展時(shí)期，軌道交通系統(tǒng)緊跟技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，采取生物識(shí)別、智能運(yùn)維、無(wú)感安檢等新技術(shù)，降低成本的同時(shí)，提升科技含量。軌道交通的建設(shè)和運(yùn)維管理需高效化、信息化和智慧化，面對(duì)智能運(yùn)維這一大趨勢(shì)，需要從全局性考慮，不再按照傳統(tǒng)的單線路、單專業(yè)模式建設(shè)維修系統(tǒng)，從軌道交通全生命周期運(yùn)營(yíng)的實(shí)際需求出發(fā)，規(guī)劃好線網(wǎng)智能運(yùn)維系統(tǒng)的架構(gòu)、建設(shè)目標(biāo)戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)維修資源的集約化管理，從而更好適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的需要。