城市軌道交通智能運維系統技術應用

高鵬遠，劉媛媛

[摘? ? 要]城市軌道交通建設是解決我國大城市交通擁堵問題的重要舉措之一，利用先進的列車運行控制、實施傳感、信息傳輸等技術可以實現列車的全自動運行，對于保障列車運行安全、提高列車運行效率、提高運行過程自動化程度具有顯著意義。目前，國內外多個國家和地區均對城市軌道交通的全自動運營進行了探索研究，缺少統一的自動化運營標準，與之對應的缺少相關軌道交通智能運維管理模式相關的信息化建設尚不完善，部分運營的信息化數據無法采集，無法為關鍵部件的更新換代提供數據支撐。開展軌道交通領域的智能運維可以減少檢修過程中耗費的大量人力、物力，能夠實時采集過程數據，實現過程數據的全程共享以及實時可視。通過故障診斷、故障預測等技術的應用可以提高軌道交通行業的運維效率，可以及時排查安全問題。

[關鍵詞]分光智能運維;智能決策;軌道交通

[中圖分類號]U239.5 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–0–03

Technical Application of Intelligent Operation and

Maintenance System for Urban Rail Transit

Gao Peng-yuan，Liu Yuan-yuan

[Abstract]The construction of urban rail transit is one of the important measures to solve the problem of traffic congestion in my country's big cities. The use of advanced train operation control， implementation of sensing， information transmission and other technologies can realize the fully automatic operation of trains， which is important for ensuring the safety and improvement of train operation. The train operation efficiency and the improvement of the automation degree of the operation process are of significant significance. At present， many countries and regions at home and abroad have explored and studied the fully automated operation of urban rail transit. There is a lack of unified automated operation standards. Correspondingly， there is a lack of related information construction related to rail transit intelligent operation and maintenance management mode. Perfect， informatization data of some operations cannot be collected， unable to provide data support for the upgrading of key components. Carrying out intelligent operation and maintenance in the field of rail transit can reduce the large amount of manpower and material resources consumed in the overhaul process， and can collect process data in real time， realize the whole process data sharing and real-time visualization. Through the application of technologies such as fault diagnosis and fault prediction， the operation and maintenance efficiency of the rail transit industry can be improved， and safety problems can be checked in time.

[Keywords]intelligent operation and maintenance; intelligent decision-making; rail transit

1 研究背景

近年來，我國各大城市交通壓力持續增加，根據國內外城市的實踐經驗來看，優先發展公共交通是解決交通壓力的最優方案。在各類公共交通出行方式中，由于城市軌道具有其他方式所不具備的高效、經濟、準時、環保等優點使得其成為大中型城市首選的公共交通發展方向，為城市的可持續發展提供著重要的作用。近年來，我國城市軌道交通建設取得了令人矚目的成績，運營里程、運營速度不斷創下新高，但也需要看到目前仍處于成績與問題并存，機遇與挑戰同在的發展階段，線網規劃具有前瞻性和科學性、城市內外交通的順暢性和便捷性，乘客服務的智慧化和高品質、運營組織的多元化和智能化、技術裝備的自主化和品牌知名度、信息資源男的共享度和利用率等方面與國際先進水平相比仍存在一定的差距。在上述背景下，通過目前應用較多的共性技術如云計算、大數據處理、機器學習以及機器強化學習等技術使得軌道交通的運行管理向著智慧化、智能化的方向發展。

2 城市軌道交通全自動運行系統概述

目前而言城市軌道交通的全自動運行可以分為兩大部分，一個是指列車運行的全自動化，列車運行全自動化主要是指列車自動出站、自動停車、自動關閉車門等運行過程中的自動化。另一部分是指車站設備的全自動化，通過車站設備自動化實現相關車輛運行狀態監測自動化、乘客服務自動化等。

2.1 全自動運營模式下運營方式研究

目前國內的自動運行線路多為GOA4級自動運營，與之對應的需要配備綜合自動運維系統，系統應當具備車輛狀態實時監控、車輛故障自動診斷等功能，對運行過程中關鍵部件的運行狀態做到實時檢測實時預警。便于運營人員對于車輛及關鍵設備信息的實時掌握。目前，全自動運行系統的開通運行模式需要根據線路條件、設備系統綜合能力、人員基礎素質等多方面確定。

2.2 全自動運行模式下運營場景設計

運營場景指在列車自動運行系統在運營過程中可能出現的各種場景，通過對場景進行描述，可以實現全自動運營系統中各裝備與各崗位功能設置的依據以及系統之間聯結。

在正常模式場景時，列車根據系統預設時間及動作自動執行工作運行命令，在部分場景中需要由多職能隊員完成檢查后方可執行下一命令。在故障模式場景下，針對不同情境，可執行遠程命令嘗試修復故障，當故障較為嚴重或涉及列車運行安全問題時需由多職能隊員前往現場進行處理，盡早恢復列車線路的正常運行。在列車處于應急模式場景時，根據應急預案，調度員應下達緊急命令，對乘客進行疏散引導，及時對出現的問題進行搶修，將損失降低到最低。

2.3 控制中心場景設計

控制中心在正常模式下，只有運營準備場景，運營準備場景分為確認并下發運行圖場景和施工確認注銷場景。在故障模式下根據故障不同采用降速、降級、更換手動駕駛等方式在盡量減少對列車運行的情況下實現故障排除。當出現控制中心停電或失火時，會將控制權限下放，全線多職能隊員登車進行人工駕駛，利用無線手持對講機進行通信。

2.4 車站場景設計

車站在正常模式下，根據需要對車站設備進行自檢，如未通過設備自檢進行報警提示，乘客在正常情況下可根據提示自助辦理票務服務，當出現問題時可由人工指引員根據原因進行處理。車站在故障模式下，車站工作人員首先根據故障情況進行處理。在車站出現應急模式時需要判斷是否影響正線運行，根據故障嚴重程度選擇過站運營、全線停運、旅客疏散等措施。

2.5 列車自動運營模式總結

本章介紹了全自動運行模式下各類場景，對各類場景下的正常模式、故障模式以及應急模式的各類處理措施進行了梳理，對全自動模式下自動運營所需要面對的全部問題進行了說明。

3 軌道交通智能運維技術研究及應用

發展智能化運維軌道交通是建設智慧化城市的具體實踐工作。對軌道交通運維進行智能化建設可以進一步地加強軌道交通的安全性和功能性，能夠保證我國盡早落實交通強國的戰略。不僅如此，城軌的運維成本對于其盈利與否至關重要。以新加坡SMRT地鐵為例，其兩年連續的巨額虧損案例為行業帶來前車之鑒。根據新加坡地鐵的官方數據，由于其維修和人力成本的大幅提高，人力成本和維修成本占據了地鐵車資71 %的收入，導致2019財政年巨虧1.5億新加坡元，與上個財政年的8 600萬新加坡元相比虧損激增80 %。與之相應的應用無人駕駛地鐵技術、智能運維技術可以大大縮減人力成本和維修運營成本。

3.1 軌道交通運營維護的現狀

影響列車安全的因素較多，其中關鍵設備的運行安全則會直接影響整列列車的運行安全，對于關鍵設備進行運行維護主要是通過計劃修以及故障修結合。在維護過程中以計劃修為主，該種檢修方式占據了需要耗費較多人力、物力。另外，由于地鐵大多采用白天運行夜間檢修的模式，檢修人員長期的晝夜顛倒嚴重影響了檢修人員的身體健康。

目前，各車輛段針對關鍵設備均安裝了大量的狀態監測設備，能夠獲取設備在運行過程中的運行狀態信息，但目前對狀態信息的利用程度不高，無法做到數據信息的融合利用。

3.2 全自動模式下運營維修影響分析

在全自動運營模式下，為保證地鐵運行的安全性對設備的可靠性提出了更高的要求，同時全自動運營模式能夠為智能運維提供良好的數據基礎，有助于將維修體系由從計劃修到狀態修的轉變。

目前，現有的維修體系主要通過對設備日志、傳感器記錄等進行分析，根據結果對檢修工藝進行優化，節約維修資源。但由于多源數據格式不同的原因，使得存在大量的信息孤島，不利于信息整合，更不便于為系統在狀態趨勢等方面提供有效決策，維修隊伍只能依靠經驗、碰運氣等方法開展設備檢查維護和故障排查。

3.3 全自動運行模式下智能運維發展趨勢

隨著5G通信技術、云計算、大數據存儲及處理技術以及人工智能技術的發展、成熟以及我國在軌道列車車輛、信號、通信等關鍵核心部件的生產上基本實現了國產化，為軌道列車的智能化運維提供了良好的支撐。

全自動模式下，車輛檢修智能運維可以通過各類傳感器采集到相應的溫度、振動以及圖像等信息，根據相關信息來對其進行無監督的強化深度學習。利用圖像識別技術，根據學習算法對車輛異常狀態識別，可大幅提高檢修效率，降低檢修成本。

在檢修過程中，應用相關的機器學習技術、機器視覺、機械臂控制技術等在動態和靜態情況下采集車底或車側的圖像，根據獲取到的圖像對車輛異常情況進行判斷。降低人工勞動強度，提高檢修效率以及檢修可靠性。

目前，車底設備智能檢修主要通過線陣相機與定位相機結合的方式，通過定位相機拍攝車底圖片，定位車底設備，利用線陣相機采集相關設備圖片，在采集過程中利用防抖技術，避免采集到的圖像信號發生抖動等問題。通過對采集到的高清圖像與正常工作圖像以及故障工作圖像的對比，對設備進行故障監測，與傳統檢修相比可以快速識別故障位置以及故障原因。

對于列車走形部件，如齒輪箱主軸而言，對其進行狀態檢測多通過在車上安裝相關溫振傳感器的方式進行監測，將相應的傳感器通過螺紋安裝到軸承座和齒輪箱外殼等固定位置，通過對溫度、振動數據的分析能夠自動判定目前相關走形部零件狀態。該過程主要是通過走行部獲取關鍵運行數據，對傳感器獲取的數據進行數據預處理去除數據中的干擾數據，將數據進行傅里葉變換，在不影響判斷準確性的情況下對數據進行學習，通過頻譜進行分析判斷故障類型、故障部位以及損傷程度。為了保障檢測準確性，還可采用與圖像識別相結合的方式對走向部以及閘片的高清圖像進行獲取，自動監控異常狀態。對關鍵部件的缺失、變形等進行監測。

以上海地鐵為例，其系統的運維管理隨著設備數字化技術逐步發展并建立。目前上海地鐵已經進入了智能運維相關技術的擴展階段，通過多源異構數據的整合推動智能運維相關技術的系統性建設。

在對智能運維系統的建設過程中，上海地鐵積累了寶貴的建設經驗，在系統搭建時應關注以下3個方面的建設：

（1）上層設計與底層設計結合，采用部件級的試點開始，自上而下建設運維管控平臺，最后做上層設計將各個平臺關聯起來，完善相關技術標準。

（2）多源異構數據進行整合，智能運維其核心驅動要素是數據，由于各個設備廠商不同數據標準的統一以及接口標準的統一是非常困難的工作，需要各個設備公司進行合作，將數據格式統一，便于運維數據的儲存與應用。

（3）基礎設施建設，數據驅動的智能運維系統中，其數據保障以及數據庫是建設核心所在，建設智能運維數據的專用網絡可大幅提高數據傳輸的可靠性以及傳輸速度。通過對多源異構數據的整合，可以布置共享數據庫與專業數據庫兩種形式，既可以統一布置也可進行分布式布置。

4 結術語

目前，全球軌道交通行業僅有較少線路可以實現真正意義上的無人駕駛，相關的智能運維技術研究則相對較多，但各個國家和地區的運營規則相差較大，缺少統一的標準，需要根據自身情況探索適合自身的運營規則以及配套技術。本文主要對城市軌道交通全自動運營時的列車運營場景、運營組織規則、以及智能運維技術的應用進行了研究。

參考文獻

[1] 陸化普.綠色交通：我國城市交通可持續發展的方向[J].綜合運輸，2011（2）：13-17.

[2] 李慕.地鐵車輛智能維修管理系統的搭建[J].智能城市，2020，6（17）：107-108.