基于數字孿生的城市軌道交通智慧運維應用

王 楠 陳亞冬

(1.上海市隧道工程軌道交通設計研究院,200235,上海; 2.上海申電云數字科技有限公司,200063,上海∥第一作者,高級工程師)

城市軌道交通運營單位日常巡檢、設備維護維修等運營工作強度大、重復度高,且需填報數量龐大的紙質表單。智慧運維管理應解決對外部維護維修人員進行管理、對車站管理人員進行監督、對站內工作進行無紙化閉環管控等痛點問題。在城市軌道交通數字化轉型的發展趨勢下,以上海、北京、廣州為代表的大型城市近幾年均致力于城市軌道交通智慧運維體系建設,并解決了一部分運維問題[1-3]。隨著運維需求的不斷增加,出現了一些新的痛點問題,主要包括多系統、多平臺、零散功能的融合度不夠,線路級運維向線網級運維需求的轉換不協調,海量運營數據進入云平臺的需求難以滿足等。

數字孿生是指在數字空間中用高度精確的數字模型來映射真實世界中的事物,并將真實世界中采集得到的數據信息反映到數字模型中。數字模型會隨采集數據的改變而變化,研究者可以基于數字模型對各類信息數據進行聯動,并進行具有預測功能的可視化仿真分析[4]。目前上海、重慶、蘇州等地的城市軌道交通智慧運維應用大多在竣工模型的基礎上集成了運營期間各類靜態和動態數據,這些數據主要包括設備廠商產品模型與資料、資產信息、設備運行狀態信息、視頻監控信息及人員定位信息等。數字化模型與車站實際運行狀態相對應,初步實現了數字孿生[5],建立了以云計算、大數據、IoT(物聯網)、人工智能等新興信息技術為基礎的軌道交通智慧運維系統,以提升設施設備的接入及感知能力,降低運營維護成本,實現城市軌道交通的高質量發展[6]。

1 上海城市軌道交通智慧運維應用介紹

由于各地城市軌道交通集團的運營管理模式、運維痛點略有差異,其痛點的解決方式大多由兩部分產品組成,即智慧車站類產品和智慧維保類產品。以上海城市軌道交通為例,上海申通地鐵集團有限公司數字化轉型總體架構由“一朵云、一張網、一個大數據平臺、五大應用系統群”,以及網絡安全體系和標準體系組成[7]。其中:五大應用系統群中的設施設備管理及運營管理,分別對應智慧設施設備管理系統解決方案及智慧運營管理系統解決方案。

1) 智慧設施設備管理系統解決方案。該方案主要以智慧維保類平臺產品為代表,集成了車輛、供電、通信信號、軌道隧道橋梁及車站機電等專業的智能監測數據,可作為智慧維保平臺的數據支撐。在完成頂層規劃設計的基礎上,應統一系統架構、分步實施建設,生產核心模塊應優先實施,逐步搭建完成線網級的智慧維保系統。

2) 智慧運營管理系統解決方案。該方案主要以智慧車站類平臺產品為代表,對車站原有的數字資產交付標準進行擴展,以實現安全監控綜合化及應急處置高效化。將車站設施設備的運行狀態等動態數據與靜態模型應用于設備維護維修等運營流程中,以提升城市軌道交通的安全監控、預警以及應急處置能力,提升綜合運維管理水平。

2 智慧運維的解決方案

城市軌道交通智慧運維平臺需要承載的數字孿生數據和運維人員采集數據存在數據量大、業務分散、功能復雜等特點,很多城市采用城市軌道交通云平臺架構搭建其智慧運維平臺[8],以提供智慧運維的解決方案。

2.1 海量多源、異構數據的處理

基于數字孿生的智慧運維管理平臺在進行各類數據的收集及承載時,需要兼顧數據的兼容性、易用性及專業性等特點。基于數字孿生的智慧運維管理應用,其首要目標是完成海量多源、異構數據的集成與共享。應在城市軌道交通數字孿生靜態數據的基礎上,開發城市軌道交通運維期多源、異構數據的通用接口,以集成CCTV(閉路電視)、ISCS(綜合監控系統)、AFC(自動售檢票)、OA(辦公自動化)及人員定位信息等數據。在B/S(瀏覽器/服務器)及C/S(客戶端/服務器)雙構架下,應用Web(萬維網)、BIM (建筑信息模型)、GIS(地理信息系統)、AI(人工智能)及IoT等技術,將各專業設備的運行狀態、故障狀態及能耗等數據有效、實時地反映在智慧運維平臺中,實現物聯網數據、動態業務數據與靜態模型的自動化集成和輕量化共享,初步完成數字孿生底座的建設。城市軌道交通智慧運維平臺數字孿生底座建設形式如圖1所示。

圖1 城市軌道交通智慧運維平臺數字孿生底座建設形式示意圖

2.2 “管用修”智慧管理業務流程的建立

城市軌道交通運營管理工作涉及的人員眾多,應建立基于“管用修”智慧管理業務流程的智慧運維系統,強化智能數據采集、智能業務處理及智能數據分析3大能力,綜合打造設備狀態實時感知預警、設備全壽命管理、生產業務全流程管控及專家分析4個體系。智慧管理業務的應用集成,應以實現主要業務流程自動化和規范化、管理現代化為目標,并為以設備設施為管理核心的生產管理全過程的控制、優化及決策提供支持。

智慧運維管理平臺將日常巡檢及維護維修等運營流程內置于本平臺中,通過自定義模板、流程和標準化表單,支持全專業設備設施巡檢及維護工作的自定義拆分組合、流程控制及人員控制,實現數字化驅動維護計劃、巡檢任務及維修工單的自動生成,實現全流程閉環管理。通過打通數據弧島,形成設施設備全生命周期的動態履歷,進而提升設施設備管理智能化水平。維護維修人員應進行無紙化管理,在現場操作時使用移動終端執行巡檢任務,如圖2所示。為此,應打通設備傳感器至維修工單的數據流,集成運維動態數據,實現數據一體化,這既可降低巡檢維護人員的工作強度,也可為城市軌道交通運營安全提供保障。

圖2 維修人員使用移動終端執行日常巡檢任務

2.3 信息資源融合,實現“一屏總覽”

智慧運維管理平臺針對電梯、智慧廁所、應急預案等內容開發了專項管理模塊。通過數據打通匯聚電梯全生命期履歷信息,自動形成“一梯一檔”。結合IoT技術集成智慧廁所監測數據,車站用水量、用電量等能耗數據可實現“一屏知全站”。聚合乘客投訴信息、遺失物品信息、出行路徑查詢等運營信息,可避免線上線下和傳統車站OA系統之間的切換,面向乘客提供一站式服務,對外提升服務質量。配合全自動運行場景,智慧運維管理平臺集成了車輛狀態監測數據,可為多職能列控隊員提供信息聚合終端,使列控人員能跟快速感知車輛狀態、快速處置車輛故障。

智慧運維管理平臺的用戶覆蓋了保障車站運營的各單位人員,在實現全線車站運維標準化管理的同時,通過統一標準的底層數據采集,可使車站級管理上升為線路級管理。單一公司級平臺上升為多公司協作平臺,進而實現“一屏總覽、一網統管”,有效解決車站之間、公司之間的信息壁壘及信息滯后等問題,顯著提升管理效率。

3 建設各類技術支撐平臺

3.1 智慧車站平臺

應基于數字孿生場景,利用建設階段移交的竣工數據,根據運營單位客運管理、維護維修管理、站務管理、人員管理及統計分析等業務需求,通過流程配置,實現運維業務流程的個性化、信息化,以及運維管理的可視化、精細化。智慧車站平臺包含網頁端、桌面端及移動端3個部分,其中:網頁端用以實現業務板塊的管理;桌面端用以集成輕量化數字模型場景,聯動展示設備狀態;移動端面向車站工作人員、委外單位及運營單位管理人員,用以實現現場數據采集、信息反饋、流程管控、信息查詢及協同工作等功能,并對現場運行維護工作進行全面管控、對內外部人員進行精準管理,以切實達到提高工作和管理效率、實現增質增效的目標。智慧車站平臺功能架構如圖3所示,其中,涉及委外單位的模塊主要包括施工登記、巡檢管理、維護管理、維修管理及電梯管理等。

圖3 智慧車站平臺功能架構圖

3.2 智慧維保平臺

智慧維保是城市軌道交通智慧運維的重要組成部分,其核心是決策應變。應變有效性的衡量標準是從發現設備狀態發生變化到確定有效對策的時間。智慧維保由車輛、供電、通信信號、軌道隧道橋梁、車輛基地及車站機電等6個專業智能監測模塊組成,這些模塊為智慧維保平臺提供數據支撐。通過數據資源貢獻技術,智慧維保平臺可使一線人員能在事件處置一線及時獲取相關處置對象的靜態、動態數據的整合信息,支撐實時感知變化及實時分析變化,實時制定最優決策,并將決策自動推送給處置人員。

智慧維保平臺采用頂層規劃設計,在統一系統架構后分步實施建設,生產核心模塊應優先建設優先實施,以實現核心專業的在線監測。智慧維保平臺功能架構如圖4所示。

圖4 智慧維保平臺功能架構圖

城市軌道交通運行設備的維保既具有及時性和預防性的特點,又具有管理協調復雜、可靠性保障要求高的特點。這兩類特點相互交織,互為矛盾。以通信及信號專業為例,這2個專業通過從設備管理和生產組織雙線推進,以設備狀態可控、作業結果可控、故障定位準確、運維成本可控作為管理目標,依托設備狀態感知技術,將部分維護工作從事后緊急搶修模式向事中狀態變化處理、事前預知維修模式轉換,以有效降低設備維護工作的響應要求和處理難度。應通過集成信號、通信生產運行信息及生產輔助信息,構建數據融合后的業務運維協同功能,基于應急聯動實現從設備感知到運維人員生產全過程的質量及效率的全面提升,基于設備評估輔助指導設備狀態修的維護轉型。

3.3 云計算平臺

由于智慧運維需求的不斷增長,大量分散的數據資源、IT(信息技術)資源需要靈活利用,需要對實時數據和業務進行整合。隨著軌道交通線路、設備系統、車站的增加,面向服務的云計算技術優勢日益顯著,該技術具有易于管理、動態高效、靈活擴展、穩定可靠及按需使用等特點,可滿足虛擬化、彈性計算、高效等級安全等要求,并可大幅降低成本。城市軌道交通構建線網-車站兩級的云計算平臺,可實現計算、存儲、網絡資源的集約化配置。充分利用云計算資源,可為各系統數據的集成、分析及共享提供便利。利用云存儲和云計算中心,通過虛擬化技術實現服務器硬件計算資源、存儲資源和軟件資源等的統一管理、統一分配、統一部署及統一備份,可打破單一應用對資源的獨占,幫助企業提高資源管理效率。云平臺兼顧了資源(包括虛機、存儲及網絡等)、數據服務及應用部署3個方面,即專有云平臺包括平臺資源支持與管理、大數據分析、應用部署管理3個部分,不僅涉及了基礎底座和IaaS(基礎架構即服務)服務,更涉及到云超融合PaaS(平臺即服務)和SaaS(軟件即服務)。

4 結語

通過對車站級、線網級、各業務板塊、各設備專業的智慧運維應用的研究,本文對各地城市軌道交通智慧運維管理的應用需求建議如下:

1) 若城市軌道交通項目建設過程中包含數字資產建設的工作,建議采用基于數字孿生的智慧運維管理方式,將智慧運維業務需求與數字資產相融合,采用智慧運維管理模式統一數據資產標準,以盡可能發揮數字資產的價值。

2) 智慧運維需要在建設之初做好統一規劃。如果項目前期沒能做好頂層架構規劃,沒有部署統一的無線傳輸網絡、定位系統、數據存儲及分析平臺等軟硬件設施,會因未統籌考慮運營周期的完整功能而導致項目后期缺少擴展能力,或無法有效形成統一系統,進而增加建設成本及運維成本。

3) 智慧運維應用產品應跟據各城市軌道交通運營管理單位的運營模式、數字化運用的程度等實際,選擇與之相匹配的解決方案。