地鐵車輛基地智能運(yùn)維管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

牛乙清

(濟(jì)南軌道交通集團(tuán)第一運(yùn)營有限公司，山東 濟(jì)南 250022）

0 引言

城市軌道交通在城市發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，城市發(fā)展對(duì)城市軌道交通的安全、可靠、高效、密集、互聯(lián)、智能發(fā)展提出越來越高的要求。在保證城市軌道交通系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，如何在滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的同時(shí)，應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)，建立并優(yōu)化智能管理系統(tǒng)，最大限度地提高城市軌道交通設(shè)備的運(yùn)營效率、降低維護(hù)成本，已成為軌道交通行業(yè)關(guān)注和研究的課題。成都某線地鐵車輛基地建成并投入應(yīng)用的智能運(yùn)維管理平臺(tái)對(duì)此進(jìn)行有益嘗試并取得成功。

1 分析車輛基礎(chǔ)業(yè)務(wù)

第一，車輛基地的生產(chǎn)活動(dòng)是車輛基地的主要工作之一，包括制訂車輛維修計(jì)劃和維修活動(dòng)管理，制訂客運(yùn)工作計(jì)劃和客運(yùn)活動(dòng)管理。生產(chǎn)活動(dòng)的目標(biāo)是優(yōu)化車輛基地維修資源，及時(shí)完成車輛維修任務(wù)，保證車輛隨時(shí)健康運(yùn)行，優(yōu)化客運(yùn)資源利用，圓滿完成車輛運(yùn)輸任務(wù)[1]。從時(shí)間序列角度來看，車輛基地的生產(chǎn)經(jīng)營過程可以分為規(guī)劃、計(jì)劃實(shí)施、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和決策三個(gè)階段。規(guī)劃階段的實(shí)質(zhì)是在時(shí)間和空間上合理安排車輛基地的維修資源和乘務(wù)資源，確定周期內(nèi)的維修任務(wù)和乘務(wù)任務(wù)，其合理性直接關(guān)系到維修資源和乘務(wù)資源的使用、車輛維修費(fèi)用和乘務(wù)費(fèi)用；計(jì)劃實(shí)施階段的實(shí)質(zhì)是及時(shí)處理機(jī)組檢修過程和運(yùn)行中的異常情況，保證機(jī)組檢修計(jì)劃和運(yùn)行計(jì)劃的順利實(shí)施；統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析和決策階段的統(tǒng)計(jì)分析主要是任務(wù)完成情況的統(tǒng)計(jì)分析，包括任務(wù)完成率、資源利用率以及各種異常情況的分析，為下一個(gè)決策階段提供數(shù)據(jù)[2]。

第二，車輛基地的運(yùn)輸組織是基地內(nèi)車輛的組織和計(jì)劃以及車輛進(jìn)出基地的運(yùn)行過程（通常稱為轉(zhuǎn)運(yùn)服務(wù)）。車輛段控制中心（DCC）根據(jù)運(yùn)行控制中心（OCC）發(fā)送的列車運(yùn)行計(jì)劃，確定列車連接進(jìn)路，制訂車輛滾動(dòng)計(jì)劃，然后將車輛分配到特定的軌道，在指定的時(shí)間段內(nèi)運(yùn)行。同時(shí)，根據(jù)OCC 發(fā)布的列車運(yùn)行調(diào)整方案，完成運(yùn)輸任務(wù)的車輛將在規(guī)定時(shí)間內(nèi)納入車輛部分的檢修或停車軌道。影響車輛基地運(yùn)營成本的主要因素是接收軌道的合理性、基地車輛的軌道以及接收車輛時(shí)的軌道布局。列車銜接不當(dāng)導(dǎo)致所需車輛數(shù)量和進(jìn)出基地空車數(shù)量增加；車輛在地基上的不合理移動(dòng)導(dǎo)致能耗增加；提車時(shí)車道布局不合理，影響第二天出發(fā)，造成不必要的搬運(yùn)和費(fèi)用。

第三，補(bǔ)充活動(dòng)。為了保證維修的安全和質(zhì)量，車輛基地還必須進(jìn)行安全和質(zhì)量檢查，以便在車輛基地進(jìn)行安全和質(zhì)量保證作業(yè)[3]。同樣，在實(shí)施計(jì)劃時(shí)，需要備件和維修工具等資源，這就導(dǎo)致備件和工具的管理。與基本的車輛生產(chǎn)和運(yùn)輸組織作業(yè)不同，輔助作業(yè)的目的是保證生產(chǎn)的安全和質(zhì)量，與運(yùn)輸任務(wù)無直接相關(guān)。

第四，分析企業(yè)之間的關(guān)系。從企業(yè)內(nèi)容來看，車輛基地的生產(chǎn)活動(dòng)和運(yùn)輸組織相對(duì)獨(dú)立。生產(chǎn)活動(dòng)側(cè)重車輛的維護(hù)和使用，以確保車輛健康并有足夠的人員執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)；運(yùn)輸組織活動(dòng)的重點(diǎn)是為主要道路提供健康的車輛，并將執(zhí)行運(yùn)輸任務(wù)的車輛連接到指定軌道。但是這兩個(gè)活動(dòng)之間是互動(dòng)的，甚至一個(gè)企業(yè)的質(zhì)量會(huì)影響到另一個(gè)企業(yè)的效率。如果無法完成車輛基礎(chǔ)的生產(chǎn)運(yùn)營，將導(dǎo)致健康車輛或人員的短缺，可能導(dǎo)致車輛基礎(chǔ)無法正常啟動(dòng)；如果被檢車輛在回收過程中在軌道上，車輛的維護(hù)需要額外的機(jī)動(dòng)，可能影響維護(hù)工作的順利進(jìn)行。輔助工作包括安全和質(zhì)量保證體系，以補(bǔ)充運(yùn)輸組織提供的生產(chǎn)和物流作業(yè)。如：資產(chǎn)管理系統(tǒng)，為車輛和操作人員的維護(hù)提供備件和乘務(wù)人員資源；五個(gè)保護(hù)系統(tǒng)確保車輛維護(hù)期間的電氣安全。安全和質(zhì)量管理確保所有車輛維護(hù)活動(dòng)符合安全要求和各種維護(hù)規(guī)章制度[4]。車輛基本活動(dòng)之間的關(guān)系如圖1 所示。

圖1 車輛基地業(yè)務(wù)關(guān)系示意

上述分析表明，這三種類型的公司是相互獨(dú)立和相互依存的。在為車輛基地建立人工智能IT 運(yùn)營管理平臺(tái)時(shí)，應(yīng)考慮提高車輛基地的運(yùn)營效率，有效降低運(yùn)營和維護(hù)成本。

2 城市軌道交通車輛基地運(yùn)營現(xiàn)狀分析

一是計(jì)劃信息不同步。手動(dòng)記錄和手動(dòng)交換用于車站計(jì)劃、維修計(jì)劃和城市車站客運(yùn)計(jì)劃之間的數(shù)據(jù)交換和更新。手動(dòng)確認(rèn)車輛位置、車牌號(hào)、跑道停電信息，手動(dòng)調(diào)整儀表盤顯示的占用磁條。車輛狀態(tài)更新慢，往往導(dǎo)致實(shí)時(shí)信息滯后，調(diào)度與其他信息不同步。比如，車站工作人員誤錄入列車時(shí)刻表和列車位置信息，從而耽誤列車計(jì)劃員的日常列車運(yùn)行計(jì)劃；信號(hào)監(jiān)視器未及時(shí)輸入軌道上的停車信息，會(huì)導(dǎo)致司機(jī)在停電區(qū)域駕駛列車；控制信息未及時(shí)輸入，會(huì)導(dǎo)致未使用的列車脫離車輛段，延誤直線運(yùn)行等情況出現(xiàn)[5]。

二是OCC 與車輛的協(xié)調(diào)是通過自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）來實(shí)現(xiàn)的，ATS 功能單一，不能滿足。城市軌道交通車輛基地運(yùn)營的各種要求。大多數(shù)ATS 擴(kuò)展僅限了解車載基站的牽引方向剖面和顯示，但需對(duì)車載基站的其他操作有一定了解。比如，列車發(fā)車時(shí)刻表由調(diào)度部門制訂，通過紙質(zhì)表格通知到部門，并沒有可靠的信息管理。在城市軌道交通車輛的基礎(chǔ)上，通常需要設(shè)置一個(gè)金屬板來記錄和顯示車輛編號(hào)和車輛位置信息，設(shè)置一個(gè)磁板來顯示車輛編號(hào)、軌道位置等信息。

三是企業(yè)管理不夠高效。城市軌道交通車輛基站的生產(chǎn)計(jì)劃是手工制訂的，通過創(chuàng)建發(fā)車計(jì)劃來組織車輛的日常運(yùn)營計(jì)劃[6]。同時(shí)，很多基地部門使用紙質(zhì)電子表格和Excel 電子表格記錄生產(chǎn)經(jīng)營信息，給員工帶來高工作量和高出錯(cuò)率，尤其難以對(duì)歷史信息的可追溯性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于每兩周檢查一次的計(jì)劃，Excel 電子表格中的表格以不同顏色顯示計(jì)劃的開始和結(jié)束時(shí)間、計(jì)劃維護(hù)的類型以及維護(hù)團(tuán)隊(duì)的信息。由于所有程序都是手工記錄，無法自動(dòng)生成統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如車輛動(dòng)態(tài)表、兩天檢查表、服務(wù)票等。

四是由于諸多因素影響，城市軌道交通基地的規(guī)劃過程復(fù)雜而低效。生產(chǎn)任務(wù)的完成需要多個(gè)部門的直接反復(fù)協(xié)調(diào)和確認(rèn)基本流程實(shí)例。

第一，根據(jù)列車?yán)锍獭⒕S修碼表等信息，對(duì)車輛維修機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查檢驗(yàn)，并將車輛信息以紙質(zhì)形式傳輸給現(xiàn)場調(diào)度員。

第二，現(xiàn)場計(jì)劃員根據(jù)主列車運(yùn)行計(jì)劃的要求和可利用的車輛信息，編制每日列車運(yùn)行計(jì)劃，并將運(yùn)行計(jì)劃發(fā)送至地鐵運(yùn)營中心和車務(wù)段辦公室，根據(jù)每日列車運(yùn)行計(jì)劃編制總運(yùn)行計(jì)劃，組織客運(yùn)工作。

第三，乘務(wù)員按計(jì)劃安排旅行過程。

第四，根據(jù)軌道規(guī)劃器處理的道路運(yùn)行情況，以及電力規(guī)劃器提供的接觸網(wǎng)狀態(tài)，來保證電動(dòng)車輛的正常運(yùn)行。

3 智能運(yùn)維管理平臺(tái)的邏輯架構(gòu)

如圖2 所示，車載基礎(chǔ)智能運(yùn)營管理平臺(tái)的邏輯架構(gòu)分為四個(gè)層次：數(shù)據(jù)層、計(jì)劃管理層、調(diào)度管理層和決策分析層。數(shù)據(jù)層主要完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理和相關(guān)信息的采集；計(jì)劃管理層主要完成生產(chǎn)計(jì)劃（包括車輛維修、客運(yùn)業(yè)務(wù)）和恢復(fù)計(jì)劃的制訂；調(diào)度管理層主要是對(duì)車輛維護(hù)、乘客規(guī)劃、鐵路運(yùn)營規(guī)劃、監(jiān)控等指揮活動(dòng)的補(bǔ)充，以解決運(yùn)營過程中出現(xiàn)的各種問題，確保各項(xiàng)活動(dòng)安全、正確地完成。決策分析層主要完成各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，生成相應(yīng)的報(bào)告，并進(jìn)行成本分析。圖2 所示的物料管理、人員管理、安全管理、質(zhì)量管理和車輛管理模塊用于支持業(yè)務(wù)管理[7]。大多數(shù)車輛基地建立了相應(yīng)的信息管理系統(tǒng)，為了避免重復(fù)投資，在構(gòu)建智能運(yùn)營管理平臺(tái)和維護(hù)車輛基礎(chǔ)時(shí)，要考慮與這些系統(tǒng)的接口或與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容。

圖2 車輛基地智能運(yùn)維管理平臺(tái)邏輯架構(gòu)

4 智能運(yùn)維管理平臺(tái)的軟件結(jié)構(gòu)

用戶模式是用于解釋、可視化和記錄面向?qū)ο笙到y(tǒng)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)語言，也是面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)中的建模工具。根據(jù)面向?qū)ο筌浖こ痰母拍睿捎妙悎D和序列圖對(duì)軟件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和UML 描述。

一是根據(jù)面向?qū)ο筌浖こ痰睦砟睿ㄟ^業(yè)務(wù)分析，列出車輛維修、客運(yùn)運(yùn)營、交通組織和與邏輯層對(duì)應(yīng)的基本類別。車輛維修計(jì)劃、旅客卸載計(jì)劃和換乘計(jì)劃應(yīng)在車輛維修計(jì)劃、旅客卸載計(jì)劃和換乘計(jì)劃優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上制訂。由于數(shù)學(xué)模型的不斷改進(jìn)和完善，三種方案的實(shí)現(xiàn)代碼也需要修改和維護(hù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，抽象出CPMaking、VPMaking 和VUsingMaking 三個(gè)程序，分為VPManage、CPlanManage和VUsingPlan 類，方便系統(tǒng)的后續(xù)維護(hù)。

二是時(shí)序圖從靜態(tài)的角度描述組成平臺(tái)的類別之間的關(guān)系，而時(shí)序圖從動(dòng)態(tài)的角度描述組成平臺(tái)的對(duì)象之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系。消息傳遞的過程如下：通過DataAccess 對(duì)象從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)—VPMaking 對(duì)象制訂檢修計(jì)劃并將計(jì)劃傳遞給VPManage 對(duì)象—VPManage 對(duì)象根據(jù)檢修計(jì)劃將檢修工單發(fā)送給檢修VMWorkSheetManage 對(duì) 象—VMWorkSheetManage 對(duì)象將檢修工單發(fā)送給相應(yīng)的檢修班組對(duì)象VMWork-Group—檢修班組對(duì)象VMWorkGroup 在檢修完畢后向VMWorkSheet 提出銷單申請(qǐng)。最后以表格或圖形的形式將統(tǒng)計(jì)信息提供給管理器。

5 實(shí)際應(yīng)用

第一，提高工作效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。系統(tǒng)實(shí)施后，計(jì)劃和人工確認(rèn)單趟列車到站的時(shí)間由20min 減少到2min。手動(dòng)確認(rèn)路況從10min 壓縮到5min；人工創(chuàng)建維護(hù)作業(yè)和自動(dòng)轉(zhuǎn)換到系統(tǒng)中，每個(gè)作業(yè)的分發(fā)時(shí)間從20min 縮短到10s 左右（無閱讀時(shí)間）；將車輛的周保養(yǎng)計(jì)劃從24h 減少到1h 左右（人工調(diào)整所需的時(shí)間），將時(shí)間縮短大約4h10min。在系統(tǒng)實(shí)施之前，各類數(shù)據(jù)都是以紙質(zhì)或Excel 電子表格的形式記錄，統(tǒng)計(jì)分析耗時(shí)長且容易出錯(cuò)[8]。實(shí)施后，各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)由管理平臺(tái)自動(dòng)進(jìn)行，減輕了人員的工作強(qiáng)度。

第二，系統(tǒng)實(shí)施后，車輛維修人員由10 人減少到5人，信號(hào)樓操作員由16 人減少到8 人。客運(yùn)人工計(jì)劃改為系統(tǒng)化自動(dòng)計(jì)劃，取消了原有的八項(xiàng)人工計(jì)劃任務(wù)，有效降低人工成本。此外，管理平臺(tái)的實(shí)施實(shí)現(xiàn)了信號(hào)、通信、車輛、技術(shù)、電力等各行業(yè)的數(shù)據(jù)交換，消除“信息孤島”現(xiàn)象；各種數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式存儲(chǔ)，為未來大數(shù)據(jù)技術(shù)在地鐵運(yùn)營中的應(yīng)用提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

6 結(jié)語

創(chuàng)建地鐵車輛基地人工智能IT 運(yùn)營管理平臺(tái)可以有效管理車輛基地的車輛維護(hù)活動(dòng)和客運(yùn)運(yùn)營活動(dòng)，此舉把人工智能引進(jìn)應(yīng)用到以地鐵為代表的現(xiàn)代交通運(yùn)輸組織體系，推進(jìn)交通運(yùn)輸運(yùn)營管理現(xiàn)代化進(jìn)程，揭示現(xiàn)代化交通體系建設(shè)發(fā)展方向。目前，該平臺(tái)還面臨進(jìn)一步擴(kuò)展和完善，還沒有把所有與車輛維修流程相關(guān)的活動(dòng)都充分考慮進(jìn)去。例如：出入控制裝置、五防裝置和車輛維修防護(hù)罩的管理還沒有納入平臺(tái)系統(tǒng)。平臺(tái)還缺乏對(duì)車輛故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)和人員使用數(shù)據(jù)的分析功能。對(duì)此，還要予以完善和提高。