城市軌道交通AFC智能運(yùn)維系統(tǒng)探討

付保明，張 寧，陸 斌

（1．蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇蘇州 215006；2．東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心軌道交通研究所，南京 210018；3．南京熊貓信息產(chǎn)業(yè)有限公司，南京 210038）

截至2021年年中，國內(nèi)共有49個(gè)城市開通運(yùn)營軌道交通，運(yùn)營里程達(dá)8 448.67 km，線網(wǎng)規(guī)模和客流規(guī)模居全球第一。在軌道交通建設(shè)快速推進(jìn)的同時(shí)，大量新技術(shù)被應(yīng)用到軌道交通中，使設(shè)備的使用操作、維護(hù)維修等變得日益復(fù)雜，對管理人員提出了更高要求。但在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的情況下，運(yùn)營管理的數(shù)字化、信息化、智能化卻發(fā)展緩慢，尤其在設(shè)備運(yùn)維方面，大多數(shù)企業(yè)仍舊采用傳統(tǒng)的定期檢修加故障維修的維護(hù)模式，存在運(yùn)維效率低、成本高等問題[1]。隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能、故障預(yù)測與健康管理等技術(shù)的發(fā)展與成熟，一些城市嘗試整合相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建智能運(yùn)維平臺，實(shí)現(xiàn)了信號[2]、供電[3]、車輛[4]等機(jī)電系統(tǒng)的智能化運(yùn)維，取得了不錯的效果。同時(shí)，有學(xué)者進(jìn)一步提出了綜合運(yùn)維方案[5]，將軌道交通通信、信號、車輛等專業(yè)的運(yùn)維需求進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)、跨工種的智能診斷和綜合分析，為軌道交通運(yùn)維發(fā)展提供了方向。

自 動 售 檢 票（Automatic Fare Collection, AFC）系統(tǒng)直接面向乘客，為乘客提供購票、檢票等服務(wù)，其系統(tǒng)狀態(tài)直接影響運(yùn)營服務(wù)水平及乘客滿意度。同時(shí)，移動支付、人臉識別等“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)在該系統(tǒng)中的應(yīng)用，對系統(tǒng)可靠性提出了更高要求，使得人員的使用要求、維護(hù)維修及培訓(xùn)過程都變得日益復(fù)雜。當(dāng)前，國內(nèi)對該系統(tǒng)智能運(yùn)維的研究尚處于起步階段，研究文獻(xiàn)甚少，因此考慮將相關(guān)智能化技術(shù)應(yīng)用到AFC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化運(yùn)維，對提升設(shè)備可用性、提高該系統(tǒng)運(yùn)維水平、降低運(yùn)維成本、延長設(shè)備生命周期有著重要的意義。

1 智能運(yùn)維概念

城市軌道交通智能維保是充分利用智能化、信息化和大數(shù)據(jù)等手段，在獲取大量的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)計(jì)算和深度挖掘，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)用與維護(hù)、優(yōu)化運(yùn)營管理方式和管理成本，從而提升運(yùn)營管理活動和促進(jìn)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展的過程[6]。通過智能化運(yùn)維，運(yùn)營單位可在設(shè)備管理、設(shè)備維修管理、備品備件管理、人員管理等方面提升管理水平，降低運(yùn)維成本。針對AFC系統(tǒng)，智能運(yùn)維的內(nèi)容主要如圖1所示。

圖1 智能運(yùn)維主要內(nèi)容Fig.1 Main contents of intelligent operation and maintenance

1）運(yùn)維信息化：利用物聯(lián)網(wǎng)、云存儲等技術(shù)，將與系統(tǒng)設(shè)備相關(guān)的結(jié)構(gòu)化及非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)行自動采集、存儲，為智能運(yùn)維提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2）系統(tǒng)管理可視化：利用數(shù)據(jù)可視化技術(shù)，直觀、真實(shí)、精確地展示設(shè)備的基礎(chǔ)信息及運(yùn)行狀態(tài)信息，便于運(yùn)維人員實(shí)時(shí)掌握系統(tǒng)狀態(tài)。

3）運(yùn)維決策智能化：利用大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)預(yù)測及故障分析，為運(yùn)維方案提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)AFC系統(tǒng)設(shè)備的全壽命周期管理。

4）運(yùn)維作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化：采用智能維修輔助終端，實(shí)現(xiàn)作業(yè)流程的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化，降低運(yùn)維人員的勞動強(qiáng)度，提高維修效率。

5）運(yùn)營保障協(xié)同化：對AFC系統(tǒng)各級設(shè)備、運(yùn)維人員、備品備件、維修工具等資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而實(shí)現(xiàn)配置優(yōu)化、精準(zhǔn)調(diào)度和協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 運(yùn)維現(xiàn)狀及問題

當(dāng)前，地鐵AFC系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)維工作主要包括設(shè)備點(diǎn)檢、計(jì)劃性巡檢、故障管理、技術(shù)資料管理、備件管理、工單管理和任務(wù)管理等。資料管理以紙質(zhì)臺賬管理為主，維修以定期檢修加故障維修為主。傳統(tǒng)的運(yùn)維模式存在的問題如圖2所示。

圖2 當(dāng)前運(yùn)維存在的問題Fig.2 Problems in current operation and maintenance

2.1 信息化水平低

從最初的單線運(yùn)營到如今的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營，運(yùn)營管理部門積累了豐富的管理經(jīng)驗(yàn)和大量的設(shè)備維護(hù)資料，但大量的設(shè)備維護(hù)信息仍保留在紙質(zhì)臺賬里，管理經(jīng)驗(yàn)也只體現(xiàn)在維護(hù)手冊中。一些地鐵公司雖建立了維保派單系統(tǒng)及備件管理系統(tǒng)，但這些系統(tǒng)也只是實(shí)現(xiàn)部分管理環(huán)節(jié)的信息化。運(yùn)維管理的信息化是實(shí)現(xiàn)運(yùn)維智能化的基礎(chǔ)，當(dāng)前運(yùn)維管理的信息化水平直接制約了運(yùn)維信息的深度挖掘和二次利用，制約運(yùn)維管理模式的優(yōu)化，制約運(yùn)維管理效率的提升。

2.2 管理體系不健全

AFC系統(tǒng)是由清分子系統(tǒng)、中央計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)、車站計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)及車站終端設(shè)備組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[7]。其中，自動檢票機(jī)（Automatic Gate Machine，AGM）、自動售票機(jī)（Ticket Vending Machine，TVM）等終端設(shè)備集成了票卡讀寫器、票卡發(fā)售/回收模塊、工控機(jī)、紙/硬幣處理模塊、通行邏輯控制模塊等眾多核心模塊。鑒于國內(nèi)AFC系統(tǒng)的招標(biāo)建設(shè)模式，不同線路的系統(tǒng)集成商和設(shè)備模塊供貨商均可能不同，因此不同模塊的故障原因、故障頻次、維修策略不盡相同。而定期檢修加故障維修的維護(hù)模式未能充分考慮各設(shè)備模塊間的差異，存在部分設(shè)備過度維保而部分設(shè)備欠保養(yǎng)的現(xiàn)象。全面、規(guī)范化、流程化和細(xì)致化的維保體系有待進(jìn)一步完善。

2.3 運(yùn)維效率低

當(dāng)前運(yùn)維模式下，運(yùn)維人員無法實(shí)時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，無法第一時(shí)間對設(shè)備故障進(jìn)行處理。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，需現(xiàn)場管理人員先將故障信息上報(bào)運(yùn)維部門，運(yùn)維部門再通過派單系統(tǒng)安排維修人員至現(xiàn)場處理。任一環(huán)節(jié)的脫節(jié)都會影響現(xiàn)場故障的處理。同時(shí)，由于維修人員并不能提前獲取故障原因、維修策略等信息，需要現(xiàn)場分析、處理，這進(jìn)一步拖延了維修的時(shí)間。

此外，故障處理完全依靠維修人員的經(jīng)驗(yàn)，需要維修人員具有極高的業(yè)務(wù)素養(yǎng)。但運(yùn)維人員經(jīng)驗(yàn)參差不齊，難以確保故障的高效處理。

簡化維修流程，及時(shí)為維修人員提供必要的故障原因、維修方案等運(yùn)維輔助信息，能夠有效縮短維修時(shí)間，提高維修效率。

2.4 運(yùn)維成本高

由于AFC系統(tǒng)設(shè)備種類多、數(shù)量大，現(xiàn)有運(yùn)維模式需要維持龐大的運(yùn)維隊(duì)伍。運(yùn)維部門可以采取運(yùn)維人員外包等方式減少自身人員配置，降低人力成本。但外包人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)卻難以保障，綜合維修成本依然居高不下。

此外，備品備件管理與使用部門不一致，管理部門缺乏備件采購的科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)。為滿足現(xiàn)場需求，在運(yùn)營初期直接大量采購各類備件，運(yùn)營過程中再依據(jù)使用部門意見進(jìn)行補(bǔ)充采購，存在庫存種類和數(shù)量與現(xiàn)場使用需求不匹配、采購滯后于現(xiàn)場需求等問題。不僅產(chǎn)生高昂的初期采購成本及庫存管理成本，還會導(dǎo)致投資的浪費(fèi)。

因此，急需通過構(gòu)建AFC智能運(yùn)維系統(tǒng)，在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備智能化管理的基礎(chǔ)上，優(yōu)化運(yùn)維模式，降低運(yùn)維成本，提高運(yùn)營管理水平。

3 智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)智能運(yùn)維的基本概念，結(jié)合AFC系統(tǒng)運(yùn)維的業(yè)務(wù)需求及現(xiàn)狀，從系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能、架構(gòu)等架構(gòu)層面，對智能運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)描述。

3.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)功能

3.1.1 設(shè)備管理

設(shè)備管理涉及集成設(shè)備（如檢票機(jī)）和主要部件（如扇門）的管理，主要包括設(shè)備及部件基礎(chǔ)信息、使用情況等。智能運(yùn)維系統(tǒng)不僅對設(shè)備及主要部件信息進(jìn)行全面的采集，而且利用BIM等信息技術(shù)對AFC系統(tǒng)設(shè)備及部件進(jìn)行幾何建模，并將模型與安裝位置、運(yùn)行狀況等信息結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)設(shè)備快速定位與基礎(chǔ)信息查詢的同時(shí)，可直觀、真實(shí)、精確地展示設(shè)備形狀、設(shè)備分布、設(shè)備運(yùn)行狀況。主要部件管理功能的內(nèi)容如圖3所示。

圖3 部件管理內(nèi)容Fig.3 Contents of the management of components and parts

3.1.2 維修管理

不同于傳統(tǒng)運(yùn)維模式，智能運(yùn)維系統(tǒng)可對設(shè)備歷史運(yùn)行狀態(tài)信息、檢修記錄、維修記錄進(jìn)行自動化分析，建立設(shè)備故障預(yù)測模型，并結(jié)合設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，對設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)修。同時(shí)，通過設(shè)備故障數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，建立設(shè)備故障診斷模型，為維修人員提供輔助決策。此外，通過運(yùn)維數(shù)據(jù)的智能化分析結(jié)果，制定靈活多變的檢修方案，打破傳統(tǒng)檢修模式，減少現(xiàn)場巡檢及檢修的頻次，降低檢修成本。維修管理功能的主要內(nèi)容如圖4所示。

圖4 維修管理內(nèi)容Fig.4 Contents of maintenance management

智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障管理、檢修管理與工單管理的聯(lián)動，實(shí)時(shí)通過智能維修終端將工單及設(shè)備基本信息、故障信息、維修方案等推送給一線運(yùn)維人員，在確保響應(yīng)速度的同時(shí)提高維修質(zhì)量。

3.1.3 備件管理

通過搭建線網(wǎng)級的備品備件管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)線網(wǎng)備品備件的數(shù)字化統(tǒng)一管理。管理人員能夠快速查閱分布于各線路車輛段有關(guān)備件的規(guī)格型號、庫存量、存放位置等信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)備件的跨線路調(diào)配，提高備件的利用率，避免資源浪費(fèi)。同時(shí)，通過對全線網(wǎng)的設(shè)備故障更換數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立備件消耗預(yù)警模型，為管理人員提供定制化、差異化的采購計(jì)劃，在保證備件供應(yīng)的同時(shí)，降低采購成本。

3.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)智能運(yùn)維的主要業(yè)務(wù)場景，按照“一個(gè)數(shù)據(jù)平臺，多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)”的模式構(gòu)建系統(tǒng)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)Fig.5 Architecture of intelligent operation and maintenance system

在該系統(tǒng)架構(gòu)中，智能運(yùn)維數(shù)據(jù)平臺采集并儲存各線AFC系統(tǒng)設(shè)備及模塊的基礎(chǔ)信息、使用信息、維修信息等；設(shè)備管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備基礎(chǔ)信息的維護(hù)、部件使用情況的跟蹤、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)視等；維護(hù)管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)維護(hù)培訓(xùn)、維修方案制定、故障分析、故障預(yù)測、智能工單及檢修計(jì)劃制定等；備件管理子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)備件的采購管理、庫存管理等。

3.3 業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能運(yùn)維系統(tǒng)通過AFC系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取終端設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、轉(zhuǎn)換和存儲。同時(shí)，維修人員、備品備件、設(shè)備模型等信息通過管理終端納入智能運(yùn)維系統(tǒng)的管理范疇。從信息處理流程的角度，智能運(yùn)維系統(tǒng)可分為應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層和設(shè)備層4層架構(gòu)，具體如圖6所示。

圖6 智能運(yùn)維業(yè)務(wù)架構(gòu)Fig.6 Architecture of the services of intelligent operation and maintenance

管理人員在應(yīng)用層制定維修計(jì)劃、維修方案以及備件管理優(yōu)化方案；同時(shí)，為維修人員提供直觀的設(shè)備模型及故障分析，從而提高其業(yè)務(wù)水平和維修效率。業(yè)務(wù)層根據(jù)應(yīng)用層的具體需求，對具體的業(yè)務(wù)進(jìn)行邏輯處理，制定相應(yīng)的業(yè)務(wù)模型，為應(yīng)用層的決策提供依據(jù)。

4 系統(tǒng)建設(shè)

智能運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)尚處于初步探索階段，缺乏統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。因此，建設(shè)部門應(yīng)根據(jù)自身系統(tǒng)建設(shè)情況，結(jié)合大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，并參考相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用案例，穩(wěn)步推進(jìn)AFC智能運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)。

4.1 制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

考慮到AFC系統(tǒng)的特殊性，在系統(tǒng)建設(shè)的過程，通過編制線網(wǎng)技術(shù)規(guī)程，對系統(tǒng)的業(yè)務(wù)、通訊、數(shù)據(jù)文件及讀寫器等進(jìn)行定義和規(guī)范，從而確保各線路的互聯(lián)互通。根據(jù)線網(wǎng)規(guī)程，部分設(shè)備及其組成模塊的狀態(tài)信息能夠傳遞給上位系統(tǒng)。某地鐵線網(wǎng)規(guī)程中硬幣模塊狀態(tài)信息如表1所示。

與傳統(tǒng)AFC系統(tǒng)相比，智能運(yùn)維系統(tǒng)所需的設(shè)備信息更加全面，為確保各線路的順利接入，需在既有線網(wǎng)規(guī)程的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充編制智能運(yùn)維相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括以下兩個(gè)方面。

1）系統(tǒng)業(yè)務(wù)規(guī)程：對AFC智能運(yùn)維系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)進(jìn)行定義，包括運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)、主要系統(tǒng)功能及技術(shù)要求等。

表1 硬幣模塊狀態(tài)信息定義Tab.1 Definition of coin module status information

2）數(shù)據(jù)接口：對AFC智能運(yùn)維系統(tǒng)與線路AFC系統(tǒng)的接口進(jìn)行定義。若接口已在既有規(guī)程中有相關(guān)定義，則直接沿用既有標(biāo)準(zhǔn)；對于新增的數(shù)據(jù)及接口，則需進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充。

4.2 轉(zhuǎn)變管理思維

智能運(yùn)維的核心在數(shù)據(jù)，是以數(shù)據(jù)為核心，業(yè)務(wù)為導(dǎo)向的閉環(huán)系統(tǒng)。在系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)行過程中，充分認(rèn)識到數(shù)據(jù)的重要性。在數(shù)據(jù)源方面，應(yīng)在既有AFC系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上，通過新增傳感器、使用數(shù)字化維修終端、新增數(shù)據(jù)傳輸接口等形式，豐富運(yùn)維數(shù)據(jù)的種類。在數(shù)據(jù)使用方面，充分利用大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營所積累的大量運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，構(gòu)建符合各設(shè)備實(shí)際使用情況的故障診斷模型、設(shè)備狀態(tài)預(yù)警模型及備件預(yù)警模型。管理人員以模型結(jié)果為依據(jù)，開展故障維修、設(shè)備狀態(tài)修、備件采購等工作，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維工作的科學(xué)化管理。同時(shí)，隨著新的運(yùn)維數(shù)據(jù)的不斷累積，運(yùn)維模型進(jìn)一步得到修正，運(yùn)維方案更加切合實(shí)際運(yùn)維需求。運(yùn)維數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)關(guān)系如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)閉環(huán)示意Fig.7 Diagram of the closed loop of data and services

5 結(jié)論

智能化運(yùn)維是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全壽命周期管理、提升設(shè)備管理水平的重要途徑，也是智慧城軌的重要體現(xiàn)，更是運(yùn)維管理的必然趨勢。筆者將智能運(yùn)維與AFC運(yùn)維工作結(jié)合，提出了AFC智能運(yùn)維系統(tǒng)，為AFC系統(tǒng)運(yùn)維提供了一種發(fā)展思路。建設(shè)數(shù)字化、可視化、智能化的AFC運(yùn)維系統(tǒng)，能夠有效減輕運(yùn)維人員壓力、降低運(yùn)維成本、提高檢修及維修效率。在數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)建模、業(yè)務(wù)優(yōu)化等方面仍有諸多問題尚待解決優(yōu)化，AFC系統(tǒng)智能運(yùn)維之路任重道遠(yuǎn)。