上海地鐵運營維護保障數字化轉型實踐與思考

俞光耀

(上海申通地鐵集團有限公司， 201103， 上海∥正高級工程師)

隨著交通強國戰略、智慧城市建設的快速推進[1]，城市軌道交通作為其重要組成，亟需從傳統思維向數據思維轉變，以數字化驅動質量提升，更好地管控運營安全，優化交通環境，提升效能效益。根據《上海城市總體規劃(2017—2035年)》，到2035年，上海將建成卓越的全球城市和社會主義現代化國際大都市[2]。在上海城市發展的新征程中，上海地鐵要有新目標、新作為、新貢獻，從建設運營的高速增長向高質量發展轉型。

當前，上海地鐵擁有世界范圍內線路總長最長的城市軌道交通系統。截至2021年1月，上海地鐵運營線路19條(含磁浮線)，線路總長772 km；2019年年客運量38.8億人次，最高日客運量1 329.4萬人次；受疫情影響，2020年客運量雖有所降低，年客運量28.34億人次，但仍位居全國首位。隨著上海地鐵線網建設的不斷發展、網絡化運維轉型的不斷深化，“線網規模大、系統復雜化、場景多樣性、運營負荷重、維保時間緊”的運維特點凸顯，基于數字化的技術創新及管理手段變革，成為支撐城市軌道交通運維管理的源動力。

1 上海地鐵運營維護保障現狀

1) 新舊線路監測水平參差不齊。上海地鐵線路建設年代跨度大，通信、信號、車輛、供電、工務、車站機電設備等專業沒有統一的監測標準，維護支持系統所采集的監測信息不統一、不全面，且各自獨立，集成化、綜合化、智能化水平不足。次新線路的監測功能較為完善，而老線路的監測采集信息量有限。

2) 故障處置機制以經驗為主。目前，雖然各線路的各專業維護支持系統采集了大量數據，但由于數據采集的智能化程度不高，采集的數據仍需人工分析處理，因此，當故障發生時，現場人員還是主要依賴其經驗進行判斷處置。上海地鐵設備的型式與制式多樣、數量龐大，備品備件種類繁多，部分設備更是國內外首次投用的新設備，系統復雜度高、專業接口要求不斷提高，造成維護人員難于準確把握設備操作的穩定性和可靠性規律。

3) 設備管理信息鏈不完整。現階段，上海地鐵存在多個設備管理系統且各自獨立，主要承載系統為EAM(設施設備基礎數據管理系統)、MSCP(物資供應系統)，缺少對設備管理的全過程記錄，存在信息流斷層和不對稱的情況。從設備全壽命周期管理來看，不同階段、不同部門的工作都需要規范化，在保持核心基礎數據唯一性和延續性的基礎上，實現設備管理、資產管理、生產管理的融合。

4) 維護管理體系以計劃性為主。當前，上海地鐵通信、信號、車輛、供電、工務、車站機電設備等專業維保主要根據修程修制進行巡檢、日常養護、集中維護、檢修、調測、鑒定等，為時間驅動型維護模式。通過計劃性維護作業降低設備元器件失效率、防止系統性能下滑。該體系下維護作業缺乏事前指導，針對性不強，會造成部分人力、物力浪費。隨著運營線路的不斷增加，維保工作量迅速增長，再加之設備維護規程的滯后與維護模式的不同步、不適應，影響了日常養護維修的有效性。

2 數字化運維的建設需求

2.1 集成化狀態監測及預警

面向運維管理者，通過全景化視圖呈現軌道交通線網關鍵設施設備的在線監測狀態及參數，展示總體運維指標和關鍵設備運維指標，以此概覽全線網設施設備運維狀況。同時，實現設備狀態實時故障診斷及隱患預警，以此壓縮故障延時，減少故障對運營的影響。

2.2 精準化運維處置

基于智能分析及高度融合的運維信息，提供規范化和標準化的故障及隱患處理流程，建立準確、快速、規范的故障及隱患處理體系。具體功能應包括：① 系統自動判斷故障或隱患范圍及原因,在故障出現時，以故障原理圖、故障位置圖等方式顯示故障處所，圖表化顯示故障時刻采集的信息特征；② 系統提供維修處理的標準化操作及高真實還原的可視化視圖，指導現場維護人員精準快速操作；③ 系統自動監督故障處理全過程，形成事件閉環，保障作業有效且不留隱患。

2.3 協同化遠程支持

建立應急協同體系，提供遠程控制、遠程分析、遠程應急指揮和遠程維護作業，可以高效組織搶修，快速克服故障，避免對運營造成影響。通過提供設備故障的應急預案和故障影響評估，以及資源信息化協調組織，實現故障應急處置的最優化。具體功能應包括：① 遠程控制設備重啟，對無人值守處所部分關鍵設備可進行遠程控制重啟；② 應急聯動，基于實時GIS(地理信息系統)圖展示應急資源分布及實時路況信息；③ 應急預案管理，提供應急預案流程樹管理及展示功能；④ 故障影響評估，提供故障影響范圍、故障延時評估功能；⑤移動終端重大事件應急推送，支持單兵設備實時調看，提供遠程技術支撐。

2.4 動態化管理方式

建立能夠反映設備全壽命周期狀態變化的動態履歷信息庫，包括設備編碼、設備樹、故障代碼，同時具有備件管理、資產管理等功能，為設備建立唯一臺賬，覆蓋采購、入庫、出庫、報廢各階段，實現資產履歷數據“一管到底”式的全壽命周期管理。同時，可利用BIM(建筑信息模型)技術，傳遞設備形態、位置等信息，使設備樹具備多維化；將BIM維度延伸至4D甚至5D，真正實現數字化與可視化的結合應用。如圖1所示的多維設備樹，包含編碼結構+柜內配置+BIM模型視角。

2.5 智能化決策分析

基于大數據、機器學習等新興技術探索數據規律性，實現關鍵設施設備的綜合分析、關鍵系統的日志分析、系統運行的趨勢分析、人員的行為分析及專項分析等。同時，通過建立設備健康評價體系，為設備的狀態修和科學中大修提供支撐。其中：綜合分析可實現多專業的關聯性分析及溯源；專項分析可通過多維度的統計比對，實現設備同比、環比等多位分析；設備健康質量評估分析可建立設備質量評估基礎體系框架、健康質量評估模型及算法，實現設備健康質量評估、預測設備使用壽命，如圖2所示；管理層決策分析通過對人員的行為分析、對設備的RAMS(可靠性、可用性、維修性和安全性)指標統計等，為運維管理決策提供支撐。

圖1 基于BIM的多維設備樹管理

圖2 設備健康質量評估

3 數字化運維技術支撐

數字化運維技術是面向城市軌道交通設備設施的狀態實時檢測、監控及綜合業務應用，通過終端設備實時感知設施設備所產生的海量、異構信息，然后將感知信息經各類通信傳輸管道進行傳輸。上海地鐵從智能運維數字化應用需求出發，以“云、管、端”模式為技術支撐(見表1)，對關鍵技術進行重點突破，完成了產業特色明確、覆蓋面廣的支撐應用平臺。

表1 “云、管、端”模式內涵

1) “云”：在云構建層面，集中將云計算、大數據、BIM、人工智能等新一代技術應用到運營維護保障業務中，構建涵蓋設施設備全壽命周期管理的網絡化智能運維體系。

2) “管”：主要實現不同的在線檢測系統的實時狀態數據，通過車地無線、5G、Wi-Fi、移動互聯網等技術，被發送和獲取，提高檢修效率。

3) “端”：主要實現通過基于機器視覺、紅外線、激光、傳感器等物聯網技術的檢測裝置，監測不同的多專業在線檢測系統，獲取實時狀態信息，提高維護效率，并有效支持維護管理作業。

4 數字化運維應用場景分析

圍繞運維管理核心任務，面向感知、診斷、預警、決策和協同全流程，結合城市軌道交通運維的實際需求，從生產自動化、流程優化、制度創新三個層次，不斷豐富應用場景，進行運營維護保障全流程健康度管控，實現業務流程的全面轉型升級。業務應用場景如表2所示，包含3大類別、11個核心場景需求。在生產上實現線路級運維到網絡一體化運維升級、人工巡檢到自動化巡檢升級，在流程上實現分散管理到集中統一管理升級，在制度上實現計劃維修到智能維修升級等。以預測運維為例，智能運維與傳統運維應用場景對比如圖3所示。

表2 數字化運維應用場景分析

5 運維數字化轉型思考

1) 建立標準規范，推動數字建設標準化。目前，城市軌道交通領域數字化建設尚缺乏統一的標準規范，對運維全流程的管控乏力，無有效的評價體系支撐，極大束縛了運維數字化轉型的推進。為滿足城市軌道交通高質、快速的發展需求，實現數字化持續賦能，以政府、行業協會指導性文件為基礎，通過借鑒國內外數字化建設相關成功經驗和實踐，加快研究建立標準規范，覆蓋“云、網、數、安”(云平臺、網絡、數據、信息安全)等核心技術，為城市軌道交通數字化建設提供堅實有力的機制保障。

2) 優化資源整合，構建一體化運維管理體系。基于應用場景、宏觀管控等要求，依托智能運維平臺，緊抓人員、技術、物資和數據四大資源，建立一體化協同運維管理體系，優化維修資源分配、設備管理流程，實現跨專業、跨系統、跨線路的運維全流程管控，實現全壽命周期數據資源管理；同時，有效支持多技能、復合型維護人員培養和物資管理一體化兩個閉環，有效提高維護效率和資源利用率。

圖3 傳統運維與智能運維的應用場景對比(以預測運維為例)

3) 維保模式升級，推進“故障修+計劃修+狀態修”。目前設施設備維保主要采取定期計劃性維護(修程、修制)和事后故障維修(臨修、搶修)的維護策略。針對該模式下維護成本高、維護人員工作強度大的問題，推進“專家型故障修+經驗型計劃修+感知型狀態修”的維護模式。圍繞精準維修理念、智能化診斷分析能力，形成專家型故障修模式；基于設備質量評估，實行設備巡檢、養護、調測、鑒定、輪修、大中修等周期性維修，達到設備運行質量可靠性提升，形成經驗型計劃修模式；依托系統運行狀態在線感知及預警能力，形成感知型狀態修。

6 結語

近年來，上海地鐵積極推進運營維護保障數字化轉型工作，取得了一定成效。以列車控制系統為例，作為城市軌道交通的“大腦”，其在線網運營中發揮核心控制作用，而全自動駕駛的發展趨勢對其安全穩定運行提出了更高要求。面對規模效應及運維逆境，基于數字化支撐，上海地鐵2017年完成了線網級“列車控制系統全壽命周期健康管理平臺”建設，實現列車控制系統多源安全感知、多引擎融合診斷預警等創新技術的大規模融合應用，并首次系統性地實現了“列車控制系統設備狀態修”。在提升運營質量、提高維修效率、降運維成本等方面產生了顯著效益，在國內外城市軌道交通運維數字化實踐中具有示范作用。

城市軌道交通是一個多專業協同聯動的龐大復雜系統，面向數字化轉型各階段的科學合理性，以科技創新為持久驅動動力，綜合“云、大、物、移、智”(云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能)等技術應用，形成交叉支撐、循環迭代的良性發展。通過統一規劃、統籌實施，實現跨系統、多模態海量數據的匯聚、融合、共享、分析、決策，探索新一代信息技術與城市軌道交通生產、運維的深度融合,為生產方式變革注入新動力，推動轉型發展和提質增效，進一步提升城市軌道交通數字化水平。