城市軌道交通企業(yè)智能運維系統(tǒng)的需求分析與設(shè)計理念

喻海波 鄭杰

（西門子交通技術(shù)（北京）有限公司，北京 100000）

引言

城市軌道交通是衡量現(xiàn)代化城市的重要標志之一。截至2018 年12 月31 日，中國內(nèi)地累計有35 個城市建成投運城軌交通線路5766.6 公里。2018 年新增烏魯木齊1 個運營城市；2018 年新增運營線路長度734.0 公里，新增運營線路22 條，新開延伸段14 段。進入“十三五”以來，累計新增運營線路長度為2148.7 公里，年均新增線路長度716.2 公里。面對繁重的軌道工程建設(shè)、裝備運營接管任務(wù)并重的局面，處在蓬勃發(fā)展時期的城市軌道交通如何安全、高效、標準地推動加速成網(wǎng)的進程，是城市軌道交通企業(yè)面對的首當其沖的挑戰(zhàn)。因此，為城市軌道交通運營企業(yè)應(yīng)對當前挑戰(zhàn)而提供決策支撐、內(nèi)外部信息的高效傳遞、標準化管理方案的精準落地、運營線間聯(lián)動的科學有序，都需要借助數(shù)字化管理系統(tǒng)的強力支撐才能高效實現(xiàn)。

一、城市軌道交通運營企業(yè)運維管理中的需求分析

（一）企業(yè)實現(xiàn)全方位資產(chǎn)管理需要智能運維系統(tǒng)作支撐

上海地鐵運營有限公司在2005 年建立了施工計劃調(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)時間和空間對人、電、車等資源合理分布，施工中進行資源安全鎖閉控制，對于具體施工項目進行人、電、車的沖突檢查以保證施工過程的安全。2013 年成立的上海地鐵維護保障有限公司設(shè)立了車輛、供電、通號、物資、工務(wù)、后勤五個分公司。目前上海地鐵設(shè)施設(shè)備的維護體系中也通過大數(shù)據(jù)分析平臺（RISE）構(gòu)建了線網(wǎng)級維護支持系統(tǒng)、試驗室、電子維修中心等維修體系。比如2017 年朱家角車輛段通過列車自動檢測系統(tǒng)、DDC 工單輸入系統(tǒng)、智能運維系統(tǒng)、手持終端系統(tǒng)等四個各數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)嘗試解決面臨的上述挑戰(zhàn)；2015 年通號分公司通過搭建信號數(shù)據(jù)分析平臺。這一平臺起到了對各個線路集中監(jiān)控以及信號各子系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進行綜合分析和預(yù)警的作用。此外，上海地鐵還建立了保護區(qū)數(shù)據(jù)信息平臺，能夠集中處理和分析保護區(qū)的項目監(jiān)測數(shù)據(jù)。還有基于多維在線監(jiān)測系統(tǒng)建立的列車維護場景，能夠運用軌旁綜合檢測、車地無線傳輸?shù)认到y(tǒng)監(jiān)視和分析列車的狀態(tài)與故障，還可以實時查詢遠程故障。

通過對具有代表性的廣州和上海兩大地鐵中心城市進行對標分析，發(fā)現(xiàn)這兩個城市的智能運維系統(tǒng)目前還處于探索階段。廣州地鐵的系統(tǒng)僅僅具備對人、財、物的維修信息進行管理，更多的像是一個維護管理系統(tǒng)，智能化程度并不高，管理范圍并未全方位覆蓋企業(yè)“人、機、料、法、環(huán)”五大方面；上海的朱家角車輛段是最新進的數(shù)字化車輛段，但其各個數(shù)字化應(yīng)用系統(tǒng)之間還是相互獨立，并沒有完全集成，缺少跨系統(tǒng)的流程鏈，智能運維系統(tǒng)的功能非常有限。

（二）城市軌道設(shè)施的運維安全管理需要智能運維系統(tǒng)提供保障

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。軌道幾何劣化規(guī)律分析主要是基于TQI、公里扣分、狀態(tài)變化速率等指標進行分析和定位的。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)檢測數(shù)據(jù)結(jié)合，分析單根鋼軌狀態(tài)的歷史變化趨勢，也可以根據(jù)狀態(tài)指標對不同鋼軌的狀態(tài)進行排序分析，為狀態(tài)劣化較快路段的維修計劃提供依據(jù)，還可以將單根鋼軌作為分析單元，根據(jù)歷史檢測數(shù)據(jù)和時間序列、壽命分布等建立性能狀態(tài)變化規(guī)律數(shù)學模型，實現(xiàn)對每根鋼軌狀態(tài)的預(yù)測。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，可以實現(xiàn)對單組道岔大軌件歷史變化趨勢的分析、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。

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)備當前狀態(tài)和未來狀態(tài)信息，對急需重點關(guān)注的安全隱患做出及時分析和預(yù)警。安全預(yù)警中可以利用GIS 等可視化技術(shù)對軌道各設(shè)備的狀態(tài)和詳細情況做出直觀展示，比如問題所在設(shè)備名稱、編號、線路名稱、里程和位置、日期、問題描述和處理情況等，從而幫助管理人員及時采取措施消除安全隱患。

（三）企業(yè)實現(xiàn)降本增效需要智能運維系統(tǒng)作支撐

“信息孤島”現(xiàn)象導(dǎo)致難以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效價值，與此同時，各子系統(tǒng)設(shè)備品牌、型號各不相同，運營的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境非常復(fù)雜，給運維管理也造成了很大的挑戰(zhàn)。因此，很有必要對運維數(shù)據(jù)進行多平臺之間、多系統(tǒng)之間、多應(yīng)用軟件之間的統(tǒng)一集中規(guī)范管理，并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)進行深度挖掘和分析，對運維管理進行深度地規(guī)劃。利用專業(yè)化的分布式運維管理平臺和移動運維工具，客戶可實現(xiàn)實時掌握故障設(shè)備的維修或更換，掌控巡檢進度和結(jié)果，確保設(shè)備故障得到及時修復(fù)，并可對人員績效等進行監(jiān)管分析，提高工作效率的同時，實現(xiàn)運營成本的降低。

二、城市軌道交通智能運維系統(tǒng)設(shè)計思路

（一）智能運維系統(tǒng)的設(shè)計理念

城市軌道交通智能運維系統(tǒng)的定位可以考慮從下至上，分為四級四層信息數(shù)據(jù)管理模式：車輛檢修基地、車站、變電站等現(xiàn)場是基礎(chǔ)層、線路運營級（車輛、信號系統(tǒng)、電網(wǎng)、軌道）是運營裝備層、線網(wǎng)管理級是系統(tǒng)融合層、企業(yè)管理級是運營層。城市軌道交通運營公司下達生產(chǎn)計劃至線網(wǎng)管理級，線網(wǎng)管理級協(xié)調(diào)（協(xié)助）線路運營級進行監(jiān)控監(jiān)測，線路運營級下達操作指令給車站、車輛檢修基地、變電站；車輛基地、變電站、車站將實時數(shù)據(jù)上傳給線路運營級，線路運營級將作業(yè)實際反饋給線網(wǎng)管理級，線網(wǎng)管理級將生產(chǎn)實際反饋給企業(yè)管理者，便于企業(yè)管理級進行實時決策。以西門子公司Raligent 智能運維平臺為例，運行數(shù)據(jù)將通過安全協(xié)議連接并上傳到車輛設(shè)備。這些車輛數(shù)據(jù)將被自動收集，解碼和臨時儲存在車載設(shè)備上。接著，這些數(shù)據(jù)將在一段時間內(nèi)被安全的傳送到部署在車輛段的西門子智能分析預(yù)測大數(shù)據(jù)平臺上，利用人工智能和機器學習算法，結(jié)合分布式大數(shù)據(jù)分析計算對數(shù)據(jù)進行實時分析，基于web 的用戶界面將分析結(jié)果以用戶友好的方式交互性的反饋給上海地鐵的用戶。隨后，該智能分析預(yù)測平臺可以通過REST 接口或數(shù)據(jù)文件的方式無縫的和其他智能檢測設(shè)備系統(tǒng)進行集成。

（二）明確智能運維系統(tǒng)中平臺之間的關(guān)系

從縱向來說，智能運維系統(tǒng)的設(shè)計必須首先保障自上而下、自下而上兩個方向的信息暢達；從橫向上來說，數(shù)據(jù)隸屬的平臺不同，各平臺之間的信息互通與整合，是實現(xiàn)企業(yè)經(jīng)濟效益與社會效益的關(guān)鍵。城市軌道交通企業(yè)外部鏈接的資源管理數(shù)據(jù)平臺、企業(yè)內(nèi)部鏈接的企業(yè)管理數(shù)據(jù)平臺、運營現(xiàn)場與乘客乘車行為相關(guān)的自動化設(shè)備（ISCS、AFC、PIS 等）管理數(shù)據(jù)平臺，三個信息數(shù)據(jù)系統(tǒng)平臺協(xié)同工作，共同打造全局型的企業(yè)信息管理系統(tǒng)。

首先，乘客服務(wù)是第一位的，利用已經(jīng)形成的運營資產(chǎn)、自動化設(shè)備資產(chǎn)提供人性化服務(wù)，充分體現(xiàn)公益資產(chǎn)的社會效益。

其次，通過提高經(jīng)營性資源的經(jīng)濟效益，實現(xiàn)彌補運營虧損、甚至反哺新線建設(shè)，進而開發(fā)更多的經(jīng)營性資源形成資金流的良性循環(huán)，營造企業(yè)自身造血功能。通過信息系統(tǒng)平臺間的整合，城市軌道交通企業(yè)運營資產(chǎn)、經(jīng)營性資源、自動化設(shè)備資產(chǎn)共同發(fā)力，保證城市軌道交通企業(yè)資產(chǎn)保值增值，實現(xiàn)一體化管理，是城市軌道交通事業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

（三）建立智能運維信息系統(tǒng)架構(gòu)

從全局的眼光建設(shè)城市軌道交通企業(yè)智能運維系統(tǒng)應(yīng)從運營管理和維保管理兩個方面進行設(shè)計：運營管理信息模塊考慮與包括運行策劃、乘務(wù)管理、安全管理、票務(wù)管理、調(diào)度指揮、客流分析、站務(wù)管理、應(yīng)急管理、乘客服務(wù)等9 個子模塊的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，做到互聯(lián)互通，主要用于客流分析、運營組織信息通報與協(xié)調(diào)、乘客服務(wù)和安全應(yīng)急搶修等工作；維保管理模塊包括設(shè)備維保、施工管理、物資管理、技改項目、人員動態(tài)、車輛維保、委外管理、資產(chǎn)管理、檢修器具等9 個子模塊，主要用于采購、施工、驗交、使用、維護、處置等工作。

（四）發(fā)揮各類生產(chǎn)數(shù)據(jù)的綜合效用和價值

目前城市軌道交通企業(yè)信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計維度較為單一、分析深度也有待加強，離開用生產(chǎn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)決策優(yōu)化、成本管控方向以及生產(chǎn)統(tǒng)籌的管理目標還存在很大差距。因此，要重視與綜合監(jiān)控、AFC 等生產(chǎn)系統(tǒng)或其他在線監(jiān)測系統(tǒng)之間建立有效的數(shù)據(jù)通道，使一些能實時反映設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)在生產(chǎn)系統(tǒng)中發(fā)揮作用。打通與生產(chǎn)系統(tǒng)之間的通道，無疑將極大完善運營管理和維保管理綜合評價及預(yù)警體系，實質(zhì)推動信息系統(tǒng)的實用性，同時進一步提升信息系統(tǒng)開放性及靈活性。

（五）加強智能運維系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通

加強城市軌道交通信息化管理系統(tǒng)與智能運維系統(tǒng)的互通互聯(lián)，保障信息系統(tǒng)快速有效將信息數(shù)據(jù)進行融合處理。例如：將停送電信息結(jié)果反饋運營施工調(diào)度系統(tǒng)；火警、阻塞等發(fā)送給安全系統(tǒng)；AFC／ACC 發(fā)送給票務(wù)系統(tǒng)；從ATS 系統(tǒng)獲取開停車、位置信息，反饋乘務(wù)計劃；發(fā)布PIS信息；設(shè)備故障信息；維修結(jié)果反饋等。

（六）構(gòu)建智能運維系統(tǒng)的安全體系

城市軌道交通企業(yè)信息數(shù)據(jù)管理安全體系需要有組織、制度、人員、建設(shè)規(guī)范和安全運維的完整保障。從信息安全技術(shù)上，主要涉及以下三個方面：一是數(shù)據(jù)安全，要保障數(shù)據(jù)保密性、可用性和完整性；二是應(yīng)用安全，要進行統(tǒng)一身份認證、代碼上線安全監(jiān)測、WEB安全防護；三是基礎(chǔ)設(shè)施安全，要保證基礎(chǔ)設(shè)施的物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全、終端安全和主機安全，具體說，就是利用統(tǒng)一營運IDC（互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）保障基礎(chǔ)設(shè)施的物理安全，利用Internet 管理和專線保障基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)安全，利用準入管控制度和移動終端訪問動態(tài)監(jiān)控保障基礎(chǔ)設(shè)施終端安全，利用主機上線安全評估和主機訪問控制等手段保障基礎(chǔ)設(shè)施的主機安全。

結(jié)語

在城市軌道交通快速建設(shè)的背景下，為快速適應(yīng)我國軌道交通的建設(shè)高潮，消除快速發(fā)展帶來的安全隱患、運營效率不高、服務(wù)質(zhì)量參差不齊等問題的影響，緩解單線建設(shè)、單線運營、單線維護模式所帶來的各種弊端，同時結(jié)合目前地鐵“平安、人文、高效、節(jié)約、便捷、創(chuàng)新”的要求，利用數(shù)字化信息手段對城市軌道交通各專業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)進行收集、融合、挖掘、關(guān)聯(lián)、預(yù)警、可視化處理，最終形成一套可以為政府監(jiān)管方、運營管理方、設(shè)備維護方等各軌道交通運營參與方提供集中化、專業(yè)化、深層次的定制化服務(wù)方案，并應(yīng)用于運營維護組織工作當中去，具有重要商業(yè)價值和現(xiàn)實意義。大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在智能運維系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，起到了提高效率、合理分配資源、保障設(shè)備使用性能、精準預(yù)測的作用。