基于云計算的軌道交通機電智能運維平臺設計研究

摘? 要：城市軌道交通機電設備具有種類繁多、多專業(yè)相互交叉、系統(tǒng)構(gòu)成復雜等特點，且都在嘗試構(gòu)建獨立的機電設備智能運維系統(tǒng)。文章在對機電設備系統(tǒng)智能運維平臺建設現(xiàn)狀進行分析的基礎上，結(jié)合云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等技術，提出并設計一種基于云計算的軌道交通機電智能運維平臺的功能需求和系統(tǒng)架構(gòu)，為后續(xù)軌道交通機電智能運維平臺的建設提供技術支撐，具有很好的工程實用價值。

關鍵詞：軌道交通;機電設備;云計算;智能運維

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）02-0006-03

Abstract： The electromechanical equipment of urban rail transit has the characteristics of a wide variety， multi-professional intersection， and complex system composition， and all are trying to build an independent intelligent operation and maintenance system for electromechanical equipment. Based on the analysis of the current situation of the construction of the intelligent operation and maintenance platform for the electromechanical equipment system， combined with cloud computing， big data， Internet of things， 5G and other technologies， this paper proposes and designs the functional requirements and system architecture of a rail transit electromechanical intelligent operation and maintenance platform based on cloud computing， it provides technical support for the subsequent construction of electromechanical intelligent operation and maintenance platform of rail transit， and it has good engineering practical value.

Keywords： rail transit; electromechanical equipment; cloud computing; intelligent operation and maintenance

0? 引? 言

隨著云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、BIM等新興信息技術的飛速發(fā)展，“智能+”技術體系開始被工業(yè)領域廣泛接納。2020年3月12日，中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布關于印發(fā)《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，并提出構(gòu)建軌道交通的智能運維體系[1]，軌道交通各業(yè)務系統(tǒng)對智能運維的研究已經(jīng)成為熱點。文獻[2-3]分別對城市軌道交通行業(yè)的供電系統(tǒng)及接觸網(wǎng)的智能運維及關鍵技術進行了闡述，文獻[4]對機電系統(tǒng)智能運維末端設備、傳感器的配置及功能進行了研究，對機電設備運維系統(tǒng)的研究主要聚焦在扶梯、風機、站臺門等單個機電設備的在線監(jiān)測診斷的探索，未形成體系化的機電系統(tǒng)運維平臺的方案。因此，有必要對城市軌道交通機電智能運維的需求進行系統(tǒng)研究，在對機電設備智能運維系統(tǒng)現(xiàn)狀分析的基礎上，提出適用于城市軌道交通的機電智能平臺技術方案，為運營單位機電設備運維平臺的建設和機電設備檢修維護提供技術支撐。

1? 機電設備智能運維系統(tǒng)現(xiàn)狀

城市軌道交通機電設備系統(tǒng)主要由通風空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、低壓配電及照明系統(tǒng)、環(huán)境與設備監(jiān)控系統(tǒng)、自動扶梯及電梯系統(tǒng)、站臺門系統(tǒng)等構(gòu)成，作為軌道交通運營的重要設備設施的組成部分，為軌道交通設備設施運營安全、廣大乘客提供良好的工作、乘車環(huán)境。機電系統(tǒng)設備設施具有種類繁多，設備分布點多、線長、面廣，多專業(yè)相互交叉，系統(tǒng)構(gòu)成復雜等特點。目前，城市軌道交通對于機電智能運維系統(tǒng)的研究還處于探索和起步階段，部分城市試點應用了風機智能診斷系統(tǒng)、電扶梯智能診斷系統(tǒng)、站臺門智能診斷系統(tǒng)、EPS蓄電池在線監(jiān)測系統(tǒng)等，但系統(tǒng)彼此獨立構(gòu)建，僅可實現(xiàn)關鍵運行參數(shù)的在線監(jiān)測，無法提供故障的分析、預測和健康管理，對機電設備的維修支持不夠，具體表現(xiàn)在：

（1）重要機電設備設施數(shù)據(jù)采集多為設備運行狀態(tài)、綜合故障報警狀態(tài)等，部分機電設備在線監(jiān)測信息缺失，關鍵故障信息、特征信息采集不夠全面，數(shù)據(jù)顆粒度及維護維修參考價值低，運營維護多為人工巡查和判斷，運維效率低。（2）各相關機電設備的維修系統(tǒng)數(shù)據(jù)多為信息孤島，運維人員仍依賴綜合監(jiān)控系統(tǒng)的設備監(jiān)控復示，缺乏多系統(tǒng)信息資源共享分析和相互聯(lián)動，機電設備運行數(shù)據(jù)和維修數(shù)據(jù)的利用率低，機電運維功能單一、界面缺乏直觀可視的友好設計。（3）由于目前機電各機電智能系統(tǒng)各自獨立，各機電智能系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)為各自系統(tǒng)計算后的結(jié)果數(shù)據(jù)，各機電智能系統(tǒng)獨立配置計算服務器實現(xiàn)機電設備現(xiàn)場監(jiān)測和診斷。由于各機電智能系統(tǒng)相對獨立，各智能機電系統(tǒng)自成系統(tǒng)勢必造成計算及存儲資源浪費。（4）傳統(tǒng)機電運維的信息化、數(shù)字化發(fā)展緩慢，僅實現(xiàn)了維修工單的電子化流轉(zhuǎn)、設備臺賬履歷的電子化管理，但是不具備機電設備的故障預測和健康管理功能，面對突發(fā)事故的搶修主要依靠人工排查故障和組織搶修，故障原因難定位，搶修時間長，搶修物資難到位，存在消耗大量人力、物力的可能，同時會縮短設備的運行壽命。E5787314-7492-4389-B566-4A8809DEA7D0

2? 軌道交通機電智能運維平臺功能需求

應充分利用通風、給排水、動照、自動扶梯/電梯系統(tǒng)、站臺門系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)等設置的在線運行監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、設備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和運維人員通過移動終端或人工采集的數(shù)據(jù)，拓展設備設施數(shù)據(jù)采集的范圍，提高數(shù)據(jù)采集的準確性，構(gòu)建基于城軌云平臺、大數(shù)據(jù)分析平臺的智機電智能運維平臺，并實現(xiàn)以下核心功能：

（1）實現(xiàn)檢修過程電子化記錄、檢修管理業(yè)務流程的電子化流轉(zhuǎn)、檢修計劃的標準化定制、檢修項目的電子化管理，提高運維的效率和質(zhì)量，降低維修成本。（2）對機電設備運行和在線監(jiān)測的海量數(shù)據(jù)進行采集、存儲和處理，整合機電設備系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)進行科學的分析和判斷。（3）基于機電智能運維數(shù)據(jù)的沉淀，充分發(fā)揮地鐵運維數(shù)據(jù)的價值，結(jié)合機電維修專家知識庫的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)挖掘技術構(gòu)建專家維修決策支持，對設備狀態(tài)進行預測、對機電設備故障進行診斷、對設備健康度綜合評估，確定維修保養(yǎng)工作的策略和維修方案，保障地鐵線路設備設施的運營安全[4]。

通過機電智能運維平臺的構(gòu)建，最終實現(xiàn)機電設備的運維模式從故障維修、計劃維修向狀態(tài)性維修轉(zhuǎn)變提供支撐。

3? 軌道交通機電智能運維平臺方案

3.1? 機電智能運維平臺總體架構(gòu)

機電智能運維平臺總體架構(gòu)分為數(shù)據(jù)采集層、基礎網(wǎng)絡層、基礎設施層、運維管理層和應用展示層五層[5]，如圖1所示。

機電智能運維平臺各層總體功能主要包括：

（1）數(shù)據(jù)采集層。實現(xiàn)機電設備基礎數(shù)據(jù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集和邊緣計算分析，包含電扶梯、站臺門、風機、EPS等設備及其智能診斷系統(tǒng)，涉及速度傳感器、紅外探測或激光探測器、溫濕度傳感器、信號讀取器等在線監(jiān)測和邊緣分析。（2）基礎網(wǎng)絡層。實現(xiàn)物理設備與系統(tǒng)間運維數(shù)據(jù)高可靠性、低延遲傳輸?shù)臉蛄?。通過工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)現(xiàn)場總線、4G/5G無線網(wǎng)絡等方式傳送到機電智能運維平臺，實現(xiàn)各類機電設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。（3）基礎設施層。保障運維數(shù)據(jù)可靠計算、存儲、安全、分析的關鍵，通常由工作站、服務器、交換機、磁盤陣列、安全設備等組成，數(shù)據(jù)“上行”為運維管理層提供各類數(shù)據(jù)分析與運算服務;數(shù)據(jù)“下行”為感知層的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)提供運算、存儲、安全服務。（4）運維管理層。運維管理層是向地鐵機電設備運維管理人員及其他管理者采用圖表化展示各類設備實時狀態(tài)的窗口，其基本功能模塊包括基礎臺賬、標準中心、專項管理、計劃管理、維修工單管理、機電設備實時監(jiān)控、故障預測與健康管理、專家知識庫、問題庫管理、遠程專家系統(tǒng)、系統(tǒng)管理等。（5）應用展示層。實現(xiàn)機電設備系統(tǒng)統(tǒng)一缺陷、故障報警監(jiān)控;實現(xiàn)機電設備系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可視化展示，GIS地圖展示及機電設備終端展示。

3.2? 機電智能運維平臺應用架構(gòu)

基于云計算的軌道交通機電智能運維平臺應用架構(gòu)主要由中央級、車站級和工區(qū)級三部分構(gòu)成，如圖2所示。

機電智能運維平臺中央級：中央級不獨立設置硬件設備，其所需計算資源、網(wǎng)絡資源、存儲資源和安全資源由線網(wǎng)云平臺提供，包括虛擬機、容器等IaaS層資源，數(shù)據(jù)庫、大數(shù)據(jù)框架、數(shù)據(jù)服務等PaaS層的服務。機電運維中心設置值班工作站、主任工作站、打印機和大屏幕投影顯示系統(tǒng)，其中工作站可以由云平臺提供云桌面終端實現(xiàn)。

機電智能運維平臺車站級：考慮到軌道交通普遍構(gòu)建了線網(wǎng)-車站兩級的云計算平臺，為實現(xiàn)車站計算、存儲、網(wǎng)絡資源的集約化配置，充分利用車站云計算資源，便于各機電智能分析系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，可將車站級機電智能運維平臺、電扶梯在線監(jiān)測、站臺門在線監(jiān)測、風機診斷等機電智能系統(tǒng)的X86服務器基于車站云計算平臺的虛擬機進行部署，實現(xiàn)機電設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)接入的同時，提升機電智能分析系統(tǒng)的計算性能，優(yōu)化車站機電智能系統(tǒng)的硬件配置。車站機電智能運維平臺所需的機電設備運行的數(shù)據(jù)則可從車站BAS系統(tǒng)獲取。

機電智能運維平臺工區(qū)級：車站機電維修工區(qū)設置工區(qū)工作站和智能手持移動終端。工區(qū)工作站可由云平臺提供云桌面終端實現(xiàn)。工區(qū)可配置智能手持移動終端實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及巡檢，手持移動終端數(shù)據(jù)可通過工區(qū)工作站回傳到機電智能運維平臺。

4? 機電智能運維平臺發(fā)展

未來，隨著地鐵線路不斷投運將產(chǎn)生大量機電系統(tǒng)監(jiān)測、故障、維修、檢驗數(shù)據(jù)和維修經(jīng)驗，結(jié)合運營單位的運維需求，可依托大數(shù)據(jù)和人工智能技術，實現(xiàn)機電設備運維海量數(shù)據(jù)辨析、抽取、清洗、分析，以數(shù)據(jù)為驅(qū)動，利用機器學習算法、工業(yè)大數(shù)據(jù)算法模型實現(xiàn)電扶梯、風機、EPS等機電系統(tǒng)設備的設備監(jiān)控、三維數(shù)字孿生、故障在線診斷、維修策略建議，實現(xiàn)機電設備的全生命周期的故障預測和健康管理，為機電系統(tǒng)的運維提供輔助決策支持，實現(xiàn)機電設備計劃修向狀態(tài)修的改變，提升管理水平和運維效率。

5? 結(jié)? 論

本文在對機電設備智能運維系統(tǒng)和功能需求進行分析的基礎上，提出基于云平臺的軌道交通機電智能運維平臺的應用架構(gòu)和物理架構(gòu)方案，并對依托大數(shù)據(jù)和人工智能技術構(gòu)建機電設備的故障預測和健康管理系統(tǒng)進行了展望，對指導城市軌道交通基于云計算實現(xiàn)機電設備智能運維的平臺構(gòu)建和功能構(gòu)建具有很好的工程實用價值。

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作者簡介：黨曉勇（1984—），男，漢族，天津人，高級工程師，碩士研究生，研究方向：電氣工程及其自動化。E5787314-7492-4389-B566-4A8809DEA7D0