大數(shù)據(jù)系統(tǒng)在上海軌道交通車輛運維中的初步應用

陳燕燕

(上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司,200233,上海//工程師)

超大規(guī)模的軌道交通網(wǎng)絡運營給上海軌道交通帶來了巨大的挑戰(zhàn)，尤其是在車輛的運維管理方面，對運維安全性、可靠性和可維修性的要求越來越高，而軌道交通的可持續(xù)發(fā)展則需要降低相應的運維成本，這就意味著需要更加智能高效的設備運維手段。

軌道交通設備大數(shù)據(jù)運維管理系統(tǒng)能夠有效地提升城市軌道交通系統(tǒng)設備的管理水平，實現(xiàn)精準的異常預警和故障預測，使得眾多設備的管理更加經(jīng)濟高效[3]。因此，要提高軌道交通車輛設備的運維效率，就需要開發(fā)一套技術先進且符合自身特點的信息化系統(tǒng)——大數(shù)據(jù)系統(tǒng)。

1 上海軌道交通車輛設備運維現(xiàn)狀和預期發(fā)展

隨著科學技術的發(fā)展，以及人們對設備維修過程認識的不斷深入，設備維修方式的演變經(jīng)歷了事后維修、預防維修和預知維修3個階段。

1) 事后維修：它是初級的維修方式，亦稱故障維修，即設備運轉(zhuǎn)至故障停止才進行維修。

2) 預防維修：它是以時間(或其他參數(shù))為基礎的維修，通常稱為定期計劃檢修。這種維修方式不需要對設備狀態(tài)進行檢查和檢測，大、中、小修按規(guī)定的時間(或其他參數(shù))間隔(即檢修周期)進行計劃維修。

3) 預知維修(亦稱狀態(tài)維修)：它是以設備運行狀態(tài)為基礎的檢修，這種維修方式不規(guī)定檢修周期，而是要對設備進行狀態(tài)監(jiān)測，根據(jù)設備監(jiān)測和診斷的結果，視設備劣化或故障的程度，安排在適當?shù)臅r間進行必要的設備維修[4]。

目前，發(fā)達國家的工業(yè)企業(yè)中普遍采用的是以狀態(tài)維修為主的維修方式[5]，與其他兩種維修方式相比，具有以下突出優(yōu)點：

1) 可以向運行人員提供及時的信息，有效地支持運行，提高設備使用的合理性、運行的安全性和經(jīng)濟性，可充分挖掘設備潛力，延長服役期限，提高設備運行效果。

2) 利用設備狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷技術，能實現(xiàn)由局部推測整體、由現(xiàn)象判斷本質(zhì)，以及由當前預測未來等，而不需要把設備逐一拆開分別檢驗，這樣不僅極為方便省力，而且可實現(xiàn)在線、實時及動態(tài)的測量，并保證各種設備可靠運轉(zhuǎn)，極大地滿足了現(xiàn)代化設備使用、維修及生產(chǎn)的需要。

上海軌道交通車輛設備目前采用的是上述的事后維修(故障維修)和預防維修(計劃檢修)，計劃檢修分為日檢、均衡修、架修和大修。這些維修方式缺乏對故障的預見性和針對性，并且維修效率較低。目前，上海軌道交通車輛設備管理中雖然已經(jīng)開始引入預知維修，但仍處于研究和小規(guī)模試驗階段。

上海申通地鐵集團有限公司已建立了故障報修平臺、施工管理系統(tǒng)、車輛信息管理系統(tǒng)、物資管理系統(tǒng)，以及點巡檢系統(tǒng)、受電弓和平輪監(jiān)測等在線檢測系統(tǒng)。

車輛設備的運維主要依賴車輛信息管理(VIM)系統(tǒng)，該系統(tǒng)覆蓋了全網(wǎng)絡運營列車的日常維修作業(yè)。列車正線運營時發(fā)生的故障，由人工輸入故障報修平臺，通過接口傳入VIM系統(tǒng)。各種檢修作業(yè)以工單方式發(fā)布，最終形成處理結果(包括物料消耗)。VIM系統(tǒng)是目前可靠性分析數(shù)據(jù)的唯一來源。

受電弓和平輪監(jiān)測系統(tǒng)是兩個完全獨立的在線檢測系統(tǒng)，僅提供故障報警。因缺乏數(shù)據(jù)分析，預警參數(shù)的設定缺乏科學依據(jù)，報警的準確性亦無法評估，不能替代人工檢修作業(yè)。

因為業(yè)務管理系統(tǒng)與在線檢測系統(tǒng)間獨立運作，信息孤島之間缺乏體系建設并無法綜合運用，各系統(tǒng)的硬件設備也存在無法滿足大數(shù)據(jù)存儲及計算能力的問題，不能滿足大數(shù)據(jù)分析的需求。因此，本文將從建立大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的要求入手，借助在線檢測、數(shù)據(jù)傳輸、大數(shù)據(jù)分析及檢修方式等手段，建立網(wǎng)絡運營管控的大數(shù)據(jù)統(tǒng)一平臺，實現(xiàn)運營、維護及維修綜合化，以達到提高城市軌道交通車輛設備運維效率的目的。

2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的構建

為了改變傳統(tǒng)的車輛設備以故障維修和計劃維修為主的檢修體系，急需構建基于狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷及故障預測等狀態(tài)維修的系統(tǒng)。

2. 1 在線監(jiān)測系統(tǒng)

設備狀態(tài)監(jiān)測可分為在線監(jiān)測和離線監(jiān)測。在線監(jiān)測是通過安裝在生產(chǎn)線和設備上的各類監(jiān)測裝置，對生產(chǎn)及設備的信號進行連續(xù)自動監(jiān)測，并將監(jiān)測信息上傳至終端接收端。在線監(jiān)測系統(tǒng)包括：

1) 信號變送：檢測的反映設備狀態(tài)的物理量，通過相應的傳感器傳送到后續(xù)單元。

2) 信號處理：對傳感器變送來的信號進行預處理，對干擾信號進行抑制。

3) 數(shù)據(jù)采集：采集、轉(zhuǎn)換和記錄經(jīng)過處理的信號。

4) 信號傳輸：傳送采集到的信號到后續(xù)單元。

5) 數(shù)據(jù)處理：處理和分析所采集的數(shù)據(jù)。

6) 故障診斷：將當前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)進行分析，再給出診斷結果。

在線監(jiān)測系統(tǒng)能檢測設備的運行狀態(tài)，并將其運行狀態(tài)數(shù)據(jù)化，實現(xiàn)設備狀態(tài)的在線監(jiān)測和故障實時診斷。在線監(jiān)測因工作量大和成本高，故其監(jiān)測對象以關鍵設備為主。

鑒于上述理論，上海申通地鐵集團有限公司車輛分公司著手建立了車地無線傳輸系統(tǒng)、車輛綜合檢測系統(tǒng)、檢修平臺可視化管理系統(tǒng)及點巡檢系統(tǒng)，這些系統(tǒng)和原有的業(yè)務系統(tǒng)構成了大數(shù)據(jù)平臺的數(shù)據(jù)源。

2. 2 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構設計

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構設計如圖1所示，分為數(shù)據(jù)基礎能力層、數(shù)據(jù)應用層和接口層。

圖1 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)架構

2. 2. 1 數(shù)據(jù)基礎能力層

數(shù)據(jù)基礎能力層包括數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)分析。

1) 數(shù)據(jù)源：根據(jù)車輛設備在線檢測系統(tǒng)和業(yè)務系統(tǒng)，按數(shù)據(jù)傳輸?shù)男问椒譃闊o線鏈接、流媒體數(shù)據(jù)、關系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)和文件數(shù)據(jù)。這些組成了大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源。

2) 數(shù)據(jù)接入：針對無線鏈接接入的傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提供了一個數(shù)據(jù)網(wǎng)關負責解析車載通信設備的通信協(xié)議，并通過消息隊列傳入流式數(shù)據(jù)處理工具進行總線協(xié)議的解析。流媒體數(shù)據(jù)的接入、轉(zhuǎn)碼和存儲都由流媒體服務器完成；關系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)接入則需要根據(jù)統(tǒng)計分析報表的業(yè)務需求定制ETL(數(shù)據(jù)倉庫技術)工具；文件數(shù)據(jù)的接入則主要通過FTP(文件傳輸協(xié)議)或基于http(超文本傳輸協(xié)議)的工具完成。

3) 數(shù)據(jù)存儲：針對經(jīng)過解析后的時序傳感器數(shù)據(jù)(無線鏈接或文件方式接入)，因具有數(shù)據(jù)量大且增長迅速等典型大數(shù)據(jù)特點，系統(tǒng)采用分布式Nosql數(shù)據(jù)庫與分布式文件系統(tǒng)兩種方式對其進行存儲。通過流媒體服務器轉(zhuǎn)存的視頻文件則存儲于文件系統(tǒng)中;對于關系型數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，系統(tǒng)選用分布式數(shù)據(jù)庫的方式存儲。

4) 數(shù)據(jù)分析：對于大數(shù)據(jù)，Hadoop軟件系統(tǒng)提供了大量分布式環(huán)境下的分析工具，包括大批量數(shù)據(jù)分析工具、流數(shù)據(jù)分析工具、基于SQL(結構化查詢語言)的分析工具及基于內(nèi)存的分析工具。

2. 2. 2 數(shù)據(jù)應用層

數(shù)據(jù)應用層包括主數(shù)據(jù)管理、領域知識和通用工具。

1) 主數(shù)據(jù)管理：主數(shù)據(jù)是指具有高業(yè)務價值的、可以在企業(yè)內(nèi)跨越各部門被重復使用的數(shù)據(jù)，是單一、準確且權威的數(shù)據(jù)來源，如線路、車站、車型，列車號、員工信息等。通過主數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同數(shù)據(jù)庫之間進行傳輸和同步，以及在使用這些數(shù)據(jù)的不同應用系統(tǒng)之間的傳輸和同步[6]。

2) 領域知識：是指公司核心業(yè)務流程所需的規(guī)則、經(jīng)驗及標準規(guī)范等，如預警規(guī)則、設備故障樹、RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)指標定義及故障診斷模型等。

3) 通用工具：指業(yè)務系統(tǒng)中一些通用的功能。如通知機制，系統(tǒng)利用通用工具可自定義通知發(fā)生的事件、通知人員和通知方式。通知方式包括郵件、短信和微信等。

2. 2. 3 接口層

大數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過接口層對外提供數(shù)據(jù)服務，如主數(shù)據(jù)查詢、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)查詢等。業(yè)務接口主要包括在線監(jiān)測系統(tǒng)與業(yè)務系統(tǒng)的接口。

3 大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的應用與探討

上海軌道交通車輛運維大數(shù)據(jù)系統(tǒng)目前已完成初步建設和應用，已有100多輛列車接入車地無線傳輸系統(tǒng)中。上海軌道交通17號線的車輛綜合檢測系統(tǒng)也開始使用，該系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的搭建提升了城市軌道交通車輛設備健康運維管理的水平，它將基于大數(shù)據(jù)分析，進行車輛設備運行健康評估、故障診斷智能化及風險預警，實現(xiàn)車輛設備的智能運維。

3. 1 正線故障處理實時監(jiān)控

車地無線傳輸系統(tǒng)是上海軌道交通車輛設備運行狀況的實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過對牽引、輔助、制動、通信、車門、空調(diào)、旁路、緊急制動和軸箱的設備進行狀態(tài)監(jiān)控，可實時提供車輛設備的當前狀態(tài)數(shù)據(jù)，如速度、網(wǎng)壓、主風壓力、蓄電池電壓、客室溫度及車輛載荷等；同時可完全復制列車司機顯示屏的所有功能，幫助工程技術人員實時監(jiān)控列車故障和預警信息，以及及時推薦最佳維修策略。該系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)架構中的數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換、存儲和分析功能，幫助工程技術人員實時了解全網(wǎng)列車實時行駛位置和故障信息，如圖2所示。

圖2 車地無線傳輸系統(tǒng)界面

當列車在正線運營中發(fā)生故障時，工程技術人員能在第一時間通過該系統(tǒng)了解故障等級、故障代碼、故障名稱、故障系統(tǒng)及其他相關的技術參數(shù)數(shù)據(jù)，快速定位故障原因，遠程進行故障診斷，推薦最佳處理策略，并以微信、郵件及短信等多種方式，通知相關人員及時處置。

3. 2 提升檢修作業(yè)的自動化

3. 2. 1 車輛綜合檢測系統(tǒng)

車輛綜合檢測系統(tǒng)搭建在列車通過的軌道上，包括線陣相機、碳滑板磨耗檢測相機、激光測距儀及溫度傳感器等。該系統(tǒng)對經(jīng)過的列車進行檢測，替代檢修過程中的人工檢查檢測作業(yè)，從而提高了工作效率，減少了人工成本。綜合檢測的內(nèi)容包括車體外觀檢測、受電弓檢測、軸溫平輪檢測、輪對尺寸測量、360°輪廓掃描及車底紅外溫度檢測等。例如，360°輪廓掃描是通過布置在軌旁的線陣相機，對駛過列車的車體、車頂及車底進行360°掃描，結合先進的圖像識別算法，智能識別螺栓脫落、電氣箱蓋脫落、異物入侵及接地線纜脫落等故障。該功能可完全替代檢修人員的現(xiàn)場檢查目測工作。車輛綜合檢測系統(tǒng)的相機顯示清晰度非常高，能清晰看到軸箱上緊固螺絲的防松標記，因此檢修人員無需到達現(xiàn)場，即可對列車進行外觀檢查。

3. 2. 2 檢修平臺可視化管理系統(tǒng)

檢修平臺可視化管理系統(tǒng)的作用是為了在關鍵監(jiān)控點位輔以實時視頻監(jiān)控，實時查看監(jiān)控畫面，便于更加準確、直觀地得到現(xiàn)場的運行數(shù)據(jù)，減少誤判率，以及提升運維監(jiān)控能力。當列車進入檢修平臺后，通過該系統(tǒng)可實時檢查列車整體結構及關鍵部位設施設備是否完好，如通過車頂安裝的高清攝像頭可查看受電弓及空調(diào)機組的細節(jié)畫面，從而替代檢修人員登車檢查的工作。

3. 3 大數(shù)據(jù)分析探討

構建城市軌道交通車輛大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的基礎是以可靠性為中心的維修理論。立足于車輛設備狀態(tài)監(jiān)測與診斷，逐步建立狀態(tài)維修的檢修策略。

大數(shù)據(jù)分析未來還將探討以下幾個內(nèi)容：①車輛設備故障率實時統(tǒng)計與系統(tǒng)分析；②車輛設備狀態(tài)特征變化趨勢跟蹤；③車輛設備健康狀態(tài)的測評標準等。通過對大量在線檢測數(shù)據(jù)的分析和車輛設備運維狀態(tài)的跟蹤，不斷摸索設備劣化規(guī)律，優(yōu)化車輛關鍵部位的維修周期，在確保設備可靠運行的同時，最大程度地節(jié)約維修成本。

總之，車輛設備狀態(tài)維修主要是采用先進的狀態(tài)監(jiān)測技術和系統(tǒng)，利用計算機網(wǎng)絡手段，根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)，通過比較和分析，利用其變化的大小和變化趨勢提出車輛設備的檢修建議。

4 結語

城市軌道交通車輛大數(shù)據(jù)系統(tǒng)以互聯(lián)網(wǎng)+、人工智能和大數(shù)據(jù)分析為基礎，采集車輛設備全壽命周期的所有相關數(shù)據(jù)，包括車輛設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、軌旁檢測數(shù)據(jù)及管理信息數(shù)據(jù)。基于大數(shù)據(jù)系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)控列車狀態(tài)、遠程故障診斷與處理及故障狀態(tài)的預警。通過該系統(tǒng)，能有效提高車輛設備的運行可靠性、提升運維效率，并可降低運維成本。