上海地鐵運營維護保障數(shù)字化轉(zhuǎn)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(zhàn)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(tǒng)思維向數(shù)據(jù)思維轉(zhuǎn)變，以數(shù)字化驅(qū)動質(zhì)量提升，更好地管控運營安全，優(yōu)化交通環(huán)境，提升效能效益。根據(jù)《上海城市總體規(guī)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(xiàn)代化國際大都市[2]。在上海城市發(fā)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(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型。

當前，上海地鐵擁有世界范圍內(nèi)線路總長最長的城市軌道交通系統(tǒng)。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(wǎng)建設的不斷發(fā)展、網(wǎng)絡化運維轉(zhuǎn)型的不斷深化，“線網(wǎng)規(guī)模大、系統(tǒng)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(shù)字化的技術創(chuàng)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(xiàn)狀

1) 新舊線路監(jiān)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(yè)沒有統(tǒng)一的監(jiān)測標準，維護支持系統(tǒng)所采集的監(jiān)測信息不統(tǒng)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(jiān)測功能較為完善，而老線路的監(jiān)測采集信息量有限。

2) 故障處置機制以經(jīng)驗為主。目前，雖然各線路的各專業(yè)維護支持系統(tǒng)采集了大量數(shù)據(jù)，但由于數(shù)據(jù)采集的智能化程度不高，采集的數(shù)據(jù)仍需人工分析處理，因此，當故障發(fā)生時，現(xiàn)場人員還是主要依賴其經(jīng)驗進行判斷處置。上海地鐵設備的型式與制式多樣、數(shù)量龐大，備品備件種類繁多，部分設備更是國內(nèi)外首次投用的新設備，系統(tǒng)復雜度高、專業(yè)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(wěn)定性和可靠性規(guī)律。

3) 設備管理信息鏈不完整?，F(xiàn)階段，上海地鐵存在多個設備管理系統(tǒng)且各自獨立，主要承載系統(tǒng)為EAM(設施設備基礎數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))、MSCP(物資供應系統(tǒng))，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(guī)范化，在保持核心基礎數(shù)據(jù)唯一性和延續(xù)性的基礎上，實現(xiàn)設備管理、資產(chǎn)管理、生產(chǎn)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(yè)維保主要根據(jù)修程修制進行巡檢、日常養(yǎng)護、集中維護、檢修、調(diào)測、鑒定等，為時間驅(qū)動型維護模式。通過計劃性維護作業(yè)降低設備元器件失效率、防止系統(tǒng)性能下滑。該體系下維護作業(yè)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(guī)程的滯后與維護模式的不同步、不適應，影響了日常養(yǎng)護維修的有效性。

2 數(shù)字化運維的建設需求

2.1 集成化狀態(tài)監(jiān)測及預警

面向運維管理者，通過全景化視圖呈現(xiàn)軌道交通線網(wǎng)關鍵設施設備的在線監(jiān)測狀態(tài)及參數(shù)，展示總體運維指標和關鍵設備運維指標，以此概覽全線網(wǎng)設施設備運維狀況。同時，實現(xiàn)設備狀態(tài)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(guī)范化和標準化的故障及隱患處理流程，建立準確、快速、規(guī)范的故障及隱患處理體系。具體功能應包括：① 系統(tǒng)自動判斷故障或隱患范圍及原因,在故障出現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)場維護人員精準快速操作；③ 系統(tǒng)自動監(jiān)督故障處理全過程，形成事件閉環(huán)，保障作業(yè)有效且不留隱患。

2.3 協(xié)同化遠程支持

建立應急協(xié)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(yè)，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(xié)調(diào)組織，實現(xiàn)故障應急處置的最優(yōu)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(lián)動，基于實時GIS(地理信息系統(tǒng))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(diào)看，提供遠程技術支撐。

2.4 動態(tài)化管理方式

建立能夠反映設備全壽命周期狀態(tài)變化的動態(tài)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(chǎn)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(xiàn)資產(chǎn)履歷數(shù)據(jù)“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(tài)、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(xiàn)數(shù)字化與可視化的結(jié)合應用。如圖1所示的多維設備樹，包含編碼結(jié)構+柜內(nèi)配置+BIM模型視角。

2.5 智能化決策分析

基于大數(shù)據(jù)、機器學習等新興技術探索數(shù)據(jù)規(guī)律性，實現(xiàn)關鍵設施設備的綜合分析、關鍵系統(tǒng)的日志分析、系統(tǒng)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(tài)修和科學中大修提供支撐。其中：綜合分析可實現(xiàn)多專業(yè)的關聯(lián)性分析及溯源；專項分析可通過多維度的統(tǒng)計比對，實現(xiàn)設備同比、環(huán)比等多位分析；設備健康質(zhì)量評估分析可建立設備質(zhì)量評估基礎體系框架、健康質(zhì)量評估模型及算法，實現(xiàn)設備健康質(zhì)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(tǒng)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(zhì)量評估

3 數(shù)字化運維技術支撐

數(shù)字化運維技術是面向城市軌道交通設備設施的狀態(tài)實時檢測、監(jiān)控及綜合業(yè)務應用，通過終端設備實時感知設施設備所產(chǎn)生的海量、異構信息，然后將感知信息經(jīng)各類通信傳輸管道進行傳輸。上海地鐵從智能運維數(shù)字化應用需求出發(fā)，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(chǎn)業(yè)特色明確、覆蓋面廣的支撐應用平臺。

表1 “云、管、端”模式內(nèi)涵

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

2) “管”：主要實現(xiàn)不同的在線檢測系統(tǒng)的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過車地無線、5G、Wi-Fi、移動互聯(lián)網(wǎng)等技術，被發(fā)送和獲取，提高檢修效率。

3) “端”：主要實現(xiàn)通過基于機器視覺、紅外線、激光、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)技術的檢測裝置，監(jiān)測不同的多專業(yè)在線檢測系統(tǒng)，獲取實時狀態(tài)信息，提高維護效率，并有效支持維護管理作業(yè)。

4 數(shù)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(xié)同全流程，結(jié)合城市軌道交通運維的實際需求，從生產(chǎn)自動化、流程優(yōu)化、制度創(chuàng)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(xiàn)業(yè)務流程的全面轉(zhuǎn)型升級。業(yè)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(chǎn)上實現(xiàn)線路級運維到網(wǎng)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(xiàn)分散管理到集中統(tǒng)一管理升級，在制度上實現(xiàn)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(tǒng)運維應用場景對比如圖3所示。

表2 數(shù)字化運維應用場景分析

5 運維數(shù)字化轉(zhuǎn)型思考

1) 建立標準規(guī)范，推動數(shù)字建設標準化。目前，城市軌道交通領域數(shù)字化建設尚缺乏統(tǒng)一的標準規(guī)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(shù)字化轉(zhuǎn)型的推進。為滿足城市軌道交通高質(zhì)、快速的發(fā)展需求，實現(xiàn)數(shù)字化持續(xù)賦能，以政府、行業(yè)協(xié)會指導性文件為基礎，通過借鑒國內(nèi)外數(shù)字化建設相關成功經(jīng)驗和實踐，加快研究建立標準規(guī)范，覆蓋“云、網(wǎng)、數(shù)、安”(云平臺、網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)、信息安全)等核心技術，為城市軌道交通數(shù)字化建設提供堅實有力的機制保障。

2) 優(yōu)化資源整合，構建一體化運維管理體系?；趹脠鼍?、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(shù)據(jù)四大資源，建立一體化協(xié)同運維管理體系，優(yōu)化維修資源分配、設備管理流程，實現(xiàn)跨專業(yè)、跨系統(tǒng)、跨線路的運維全流程管控，實現(xiàn)全壽命周期數(shù)據(jù)資源管理；同時，有效支持多技能、復合型維護人員培養(yǎng)和物資管理一體化兩個閉環(huán)，有效提高維護效率和資源利用率。

圖3 傳統(tǒng)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(tài)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(jīng)驗型計劃修+感知型狀態(tài)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(zhì)量評估，實行設備巡檢、養(yǎng)護、調(diào)測、鑒定、輪修、大中修等周期性維修，達到設備運行質(zhì)量可靠性提升，形成經(jīng)驗型計劃修模式；依托系統(tǒng)運行狀態(tài)在線感知及預警能力，形成感知型狀態(tài)修。

6 結(jié)語

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

城市軌道交通是一個多專業(yè)協(xié)同聯(lián)動的龐大復雜系統(tǒng)，面向數(shù)字化轉(zhuǎn)型各階段的科學合理性，以科技創(chuàng)新為持久驅(qū)動動力，綜合“云、大、物、移、智”(云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能)等技術應用，形成交叉支撐、循環(huán)迭代的良性發(fā)展。通過統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)籌實施，實現(xiàn)跨系統(tǒng)、多模態(tài)海量數(shù)據(jù)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(chǎn)、運維的深度融合,為生產(chǎn)方式變革注入新動力，推動轉(zhuǎn)型發(fā)展和提質(zhì)增效，進一步提升城市軌道交通數(shù)字化水平。