上海城市軌道交通智慧維保解決方案

文：溫彤丨上海申通地鐵集團有限公司技術中心系統集成研究部主任助理工程師

在交通強國、數字化發展時代背景下，上海城市軌道交通智慧維保發展的主要方向與建設的主要目標。闡述了智慧維保平臺總體架構中采集層、網絡層、平臺層、數據層、業務層和應用層六個層次的主要內容。總結了車輛、供電、通信、信號、車站機電設備、軌隧橋基礎設施、車輛基地等專業的智慧化建設內容和主要試點工作情況。

一、建設背景

（一）響應交通強國的戰略部署

根據黨中央、國務院發布的《交通強國建設綱要》，建設交通強國需要推動交通發展由追求速度規模向更加注重質量效益轉變，由依靠傳統要素驅動向更加注重創新驅動轉變，推動大數據、互聯網、人工智能等新技術與交通行業深度融合。上海市政府出臺《關于全面推進上海城市數字化轉型的意見》，清晰勾勒出上海市實現高質量發展、高品質生活、高效能治理的“數字之路”。城市軌道交通是城市公共交通的骨干，是便民惠民的重大民生工程。高質量城市軌道交通具有運能大、效率高、安全便捷、綠色環保等優勢，是優化城市空間布局、增加城市承載能力、改善城市居民出行條件，促進城市經濟社會發展的重要手段。以新基建為導向的高質量城市軌道交通建設對推動數字城市建設起著關鍵作用。

（二）數字化轉型發展內在驅動

數字化轉型是實現“創新引領，轉型發展”發展的有力保障和重要手段，智慧維保的監視是實現申通地鐵集團數字化轉型的內在需要。第一，數字化轉型是重要引擎。加快構建運營地鐵和經營地鐵的數據資源池，充分發揮數據要素在未來地鐵創新發展中的作用，是“三個轉型”的跨行業融合、跨領域經營的關鍵要素。第二，數字化轉型是有效路徑。利用數字化技術高效精準的特點，將形成高質量的精細管理和科學決策能力。基于數據的決策、管理和執行將是申通地鐵實現高質量發展的核心能力。第三，數字化轉型是有力抓手。通過數字化轉型，打通基礎設施和對接業務功能，構建靈活高效行業和服務生態，實現地鐵與其他交通方式的全面融合，是生態企業協作與創新的轉型落腳點。數字化轉型是智慧城軌建設的有效手段，其中智慧維保的建設符合申通集團戰略規劃：“三個轉型”、《上海軌道交通智慧地鐵發展綱要》、集團數字化轉型需求、集團信息化頂層設計等企業發展規劃，是集團數字化轉型發展的內在需求。

二、建設目標

上海智慧維保項目圍繞上海軌道交通線網范圍內的維護保障核心生產和管理，通過總結上海地鐵多年來的網絡化運營維護經驗，從而形成具有上海特色的智慧維保體系及架構（圖1）。

圖1 總體技術架構

目標一：助力上海“十四五”總體規劃。項目建設應有利于構建特大型城市空間布局相協調的交通發展格局，促進城市經濟和社會發展、提升城市公共交通整體管理水平，進一步完善軌道交通網絡功能，發揮軌道交通網絡效益，助力上海城市總體規劃和長三角一體化的發展目標。

目標二：構建上海地鐵智慧運維的展示窗口。項目建設應適合上海軌道交通路網運維特點，順應軌道交通技術和管理發展新形勢，滿足上海軌道交通線網向功能完備、空間集約、技術智能、決策科學等方向發展的需求，從而進一步實現上海地鐵維護保障核心力量的整合，提升上海地鐵運維管理水平。

目標三：支撐上海地鐵數字化轉型。項目建設應能構建堅實靈活的數字底座，通過不斷優化、修改，逐步支撐“物聯、數聯、智聯”的上海地鐵數字化體系。同時，以設備監測和維保數據為抓手，盤活設備數據資產，重塑業務流程與管理組織，實現“業務數字化”和“數字業務化”相結合的轉變。

三、智慧維保平臺規劃

智慧維保數字化總體架構按照采集層、網絡層、平臺層、數據層、業務層和應用層六個層次進行劃分，同時利用云計算、大數據等新技術構建智慧維保數字化底座。

采集層：依托智能傳感、物聯網、人工智能、5G等前沿技術對軌道交通各專業（車輛、供電、通號、工務、物后、車站機電）關鍵設施設備運行狀態進行智能感知、異常判斷、故障診斷、實時傳輸，優化傳統檢修模式，使運維人員有效掌握設施設備實時運行狀態、為智慧維保平臺提供專業數據來源。

網絡層：作為智慧感知數據傳輸和采集的鏈路，提供網絡外沿互聯互通可達的環境，提供內外網用戶訪問能力的開放服務鏈路。

平臺層：又稱技術中臺，利用超融合的管控架構，為上層應用或服務等提供統一的調度，由云平臺共享底座和云平臺超融合PAAS兩部分組成，主要包括大數據開發和運行平臺中開發工具鏈、運行環境、任務調度、管理工具等；分布式應用服務，即微服務框架的分布式業務應用框架，運行環境、任務調度、管理工具、配置和監控工具等。

數據層：又稱數據中臺，通過數據技術，對海量數據進行采集、計算、存儲、加工，同時統一標準和口徑。數據層把多源異構數據統一之后，形成標準數據，再進行存儲，形成大數據資產層，進而為應用提供高效服務。

業務層：又稱業務中臺，通過業務數據化，將企業的核心能力以數字化形式沉淀為維護保障體系提供快速低成本創新的能力。業務層的核心是“構建維保共享服務中心”，通過業務板塊之間的鏈接和協同，持續提升業務創新效率，確保關鍵業務鏈路的穩定高效和經濟性兼顧的思想體系，并突出組織和業務機制。

應用層：又稱應用前臺，實現車輛、供電、通號、工務、物后、機電等專業各個系統之間端到端智能監測和多專業綜合監測，通過分析業務數據在不同系統之間傳輸的過程和響應時間，從而主動及時發現端到端的業務異常；掌握運營關鍵資產的信息，建立清晰準確的資產臺帳，有效管理資產的維護、維修和運行，以規范、可控的流程進行采購、庫存、維修和報廢流程管理，充分發揮資產的效益，達到保值增值的目的；實現運維故障定位、知識圖譜、運維故障接報、運維故障處理、工單流程處理、運維應急搶修、資源調配、運營施工管理、信息發布記錄管理、運維指令發布等；實現運維指標統計分析、運維綜合查詢管理、運維設備體系評價、運維管理體系評價、關鍵設備健康度評估等。

四、各專業智能監測規劃

各專業系統智能監測為單項檢測，依托智能傳感、物聯網、人工智能、5G等前沿技術對軌道交通維護六大板塊（車輛、供電、通號、工務、物后、車站機電）關鍵設施設備運行狀態進行智能感知、異常判斷、故障診斷、實時傳輸，優化傳統檢修模式，使運維人員有效掌握設施設備實時運行狀態、為智慧維保平臺提供專業數據來源。由于項目無法全面覆蓋各項具體檢測，故將根據關鍵應用場景，基于整體安全的原則部署單項檢測/監測設備。如圖2所示：

圖2 智能監測系統示意

1.車輛智能監測

依據車輛智能監測“構建面向服務的車輛數字孿生、構建全壽命周期的數字化生產（管理）過程、構建車輛智能監測專家系統”的三個建設目標，對車輛智能監測需求進行系統性梳理，得出車輛智能監測系統由軌旁車輛綜合檢測系統、車聯網系統、移動維修管理系統、車輛段設備狀態智能監測及綜合管理系統、智能倉儲系統、安全生產管理系統、DCC一體化管理系統及專家系統八個部分組成，完成從車輛運行到車輛檢測維護全過程的數據采集工作，并實現對車輛的狀態實時監測，異常情況預警等功能。通過以上內容完整建設，在上海軌道交通全路網所有車輛檢修段場區域建設智慧維保體系。

2.供電智能監測

供電設施設備智能監測建設內容包括：故障錄波監測、所內綜合智能采集、所內環境智能采集、應急電源監測、主變設備狀態智能監測、紅外熱成像、直流負荷在線監測、400V智能配電、接觸網懸掛狀態檢測及接口、各類系統接口。通過以上內容完整建設，在上海軌道交通全路網供電設備區域建設完整智慧維保體系。

3.通信信號智能監測

通信系統智能監測范圍含蓋高速數據網、網絡視頻監控系統、網絡中心時間同步系統、公務及專用電話系統、線網專用無線等線網系統以及線路側的傳輸系統、技術防范系統、音視頻統一信息服務系統、線路電源網管、LTE綜合網管。

信號系統智能監測范圍包括道岔監測、電源監測、站臺門在線監測、水浸監測、機房遠程查看、IT設備性能監測、網絡設備性能監測、遠程電源重啟控制等。

4.車站機電設備智能監測

車站機電設備智能監測主要由車站機電智能監測系統和車站機電專家系統組成，主要涉及站臺門、票務設備、環控設備、低壓配電設備、給排水設施、電扶梯設施、消防設施等。

5.軌隧橋基礎設施智能監測

軌道設施智能化監測內容包括軌道智能巡檢、隧道限界智能檢測、軌旁振動監測、涂油器遠程監控、道岔幾何形位監測等。

隧道設施智能化監測內容包括隧道線陣相機檢測、保護區違規施工監測、特殊地段結構監測等。

橋梁設施智能化監測內容包括橋梁設施監測、橋梁健康在線監測等。

6.車輛基地智慧化管理

車輛基地智慧化管理包括基地內部設施設備監測、園區環境監測、園區秩序和智慧倉儲。

五、試點成效

上海軌道交通既有的維護保障模式采用以計劃修為主、故障修為輔的模式。隨著線網規模的快速增長，上海地鐵面臨客流規模爆發式增長、設備維保規模直線上升、維修成本逐年增加、設備故障影響運營安全、維修窗口壓縮、人力資源不足、維修業務貫通不暢等問題，而傳統運維模式的潛力提升已達瓶頸。因此，對設施設備維保業務模式提出了向智慧維保轉型需求。近年來，上海地鐵進行了多方面的智慧維保試點建設探索與實踐（圖3），試點范圍如圖4。

圖3 智慧維保試點建設歷程

圖4 智慧維保試點范圍

上海地鐵的智能維保試點建設歷程如下：

● 2000年：上海地鐵提出在線監測的概念，就是對關鍵設施設備進行狀態的實時監測。

● 2008年：對車地無線傳輸進行了可行性驗證；試點輪軌振動、軸溫監測系統。

● 2015年：進行了智能巡檢機器人應用；受電弓在線監測系統試點；鷹眼系統試點；車地傳輸功能應用；車載輪軌振動監測系統應用。

● 2017年：全專業移動巡檢系統應用；車輛鷹眼系統應用；車輛智能維保試點平臺搭建。

● 2018年：車輛專業智能運維獲批協會示范工程；供電智能維保平臺試點搭建；供電可視化接地試點。

● 2019年：全專業統籌規劃、分步實施；多專業申報智能維保團體標準；車輛專業智能運維獲批國家示范工程。

● 2020年：智慧維保項目總體規劃，推進專業智能運維建設。

（一）各板塊試點情況

1.車輛智慧維保試點

車輛智慧維保試點建設以多維在線監測系統及其專家系統為支撐的列車維修新模式。如圖5所示，通過車載監測（車地無線傳輸技術）、軌旁檢測（機器視覺、紅外線、激光傳感等技術）、車輛維護管理技術（采用了物聯網技術、RFID、機器視覺技術）。在17號線試點過程中軌旁車輛綜合檢測子系統覆蓋了57項，70%的規程內容，設備檢測準確率均達90%以上，減少人工作業強度，提升設備可靠性。

圖5 車輛智慧維保建設試點

2.供電智慧維保試點

如圖6所示，供電智慧維保試點建設涵蓋設備狀態實時感知預警、機器人智能巡檢兩大系統，通過與現有自動化設備對接獲取基礎數據，并在9號線全線試點完成，通過視頻監控、環境檢測、能耗管理、弓網在線檢測技術、智能故障錄波系統、可視化接地系統。目前可涵蓋如日常維護、設備檢修等方面內10項規程內容，在智慧維保幫助下，減少大量重復性人工巡檢和數據分析工作。在試點范圍內人工效率提升20%。工時利用率提升8.5%。

圖6 供電智慧維保建設試點

3.通號智慧維保試點

如圖7所示，通號智慧維保試點建設圍繞通號綜合運維平臺，監測中心、應急中心、預警中心、健康管理中心“四大中心”建設，跟蹤設備狀態及維保過程，實現線網數據的集中匯聚、集成分析及展示，并提供綜合運維管理類功能。通過道岔轉轍設備監測、計軸系統、信號CBTC系統、機房環境系統使基于狀態修和計劃修的車載可靠度提升了71%，基于狀態修和計劃修的人均維護列車效益提升了38%。

圖7 通號智慧維保建設試點

4.工務設施智慧維保試點

如圖8所示，工務設施智慧維保試點建設主要包括大型裝備、在線監測以及業務管理系統三部分工作，依托軌道檢查車和鋼軌探傷車等大型裝備的數據采集能力，通過傷損監測平臺對數據進行分析和應用，實現了10倍以上巡檢頻率的提升以及軌道傷損的數據研究。

圖8 工務智慧維保建設試點

除此以外，結合云圖軌道交通監測信息管理系統，監測路網施工情況，確保軌道交通區域的安全；在16號線試點了防災系統，對監測點的風速、雨量等進行監測。

5.車輛基地智慧管理試點

如圖9所示，車輛基地智慧管理試點建設以物聯網技術和云應用為基礎,建立了軌道交通智慧基地的總體系統架構，對設施設備管理、資源管理、智慧園區管理三個方面進行研究，主要建設內容覆蓋了：設施設備管理、資源管理、智慧園區管理。實現作業區域安全管理，人臉識別，節能降耗，提高房屋利用率。利用三維技術展現三軌有電區域、設備間設施設備分布、地下環網、隱蔽工程等，輔助施工。利用物聯網技術和可視化展示，實施監測和展示設施設備狀態。

圖9 物后智慧維保建設試點

六、主要經驗

通過各板塊多專業的智慧維保試點的建設，在減少故障處置時間、提升設備可靠性、提高生產效率、降低人工維護成本等方面取得了一定的成效，具備一定的可行性和可推廣性。

1.減少故障處置時間

以車輛專業為例，按照傳統的排故方法，人員從值守點趕赴現場，對故障分析、處置可能要花費2小時以上。通過智能化的實施監測，提早報警，通過遠程2分鐘內完成數據分析和故障判斷，對運營幾乎不會造成影響。

2.提高設備可靠性

以通號專業為例，平均故障處置時間由原來一個小時左右縮短至10分鐘以內，車載設備平均故障運行公里數從300萬車公里上升至1047萬車公里；

3.有效提升生產效率

以供電專業為例，故障響應時間80%（跳閘后故障錄波，由原本人工操作最快10分鐘，現遠程調取平均2分鐘）巡檢效率提升24倍（由原本4天/次的人工巡檢至機器人6次/天，提升約24倍）；以工務專業為例，通過智能監測可實現在60至120公里/小時高速運行狀態下拍攝地鐵隧道結構形成高清影像，可做到在1-2小時內及時自動識別并分級報警，識別準確率達到94%以上。

4.降低人工維護成本

以車輛專業為例，人車比下降20%至0.33、作業效率提升50%：(從原來2人一列車80分鐘下降至40分鐘)；以物后專業為例，物業管理人員減少11%，安保人員減少15%。