城市軌道交通車輛智能運維現(xiàn)狀分析及啟示

潘婷，劉青青，朱利明

（1.杭州中港地鐵裝備維護(hù)有限公司 技術(shù)中心，浙江 杭州 310000；2.杭州中港地鐵裝備維護(hù)有限公司 綜合管理部，浙江 杭州 310000）

1 概述

城市軌道交通是開啟全面建設(shè)社會主義現(xiàn)代化強國的重要支撐，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)體系的先行領(lǐng)域，也是建設(shè)交通強國和智慧城市的重要組成部分。當(dāng)前新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在深刻影響經(jīng)濟(jì)社會全局，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化日益成為重要的發(fā)展趨勢，也是各國技術(shù)競爭和產(chǎn)業(yè)競爭的主旋律，關(guān)乎能否占據(jù)未來發(fā)展的制高點和主動權(quán)［1-3］。因而，發(fā)展智能、智慧技術(shù)和產(chǎn)品已經(jīng)成為加快實現(xiàn)由高速發(fā)展轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展的切入點和主要抓手［4］。但目前城市軌道交通智能運維系統(tǒng)的建設(shè)還處于初級階段，同時隨著軌道交通的快速發(fā)展，列車運行密度也在不斷增加，現(xiàn)有運維模式將面臨一些問題，如線網(wǎng)擴大、人力成本增大、缺乏歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及很難為設(shè)備故障處置提供指導(dǎo)等。新技術(shù)賦能城軌產(chǎn)業(yè)已成必然趨勢，智能運維是運營規(guī)?？焖僭鲩L和新技術(shù)發(fā)展應(yīng)用的必然選擇［3-6］。

2 國內(nèi)外城市軌道交通智能運維分析

城市軌道交通智能化系統(tǒng)是應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、衛(wèi)星通信等新興信息技術(shù)，全面感知、深度互聯(lián)和智能融合乘客、設(shè)施、設(shè)備、環(huán)境等實體信息的綜合系統(tǒng)，智能化是現(xiàn)代軌道交通發(fā)展的必然趨勢。隨著我國城市軌道交通建設(shè)規(guī)模的不斷增大，城市軌道交通智能化系統(tǒng)的市場規(guī)模將持續(xù)擴大［7-8］。

城市軌道交通智能化系統(tǒng)包括綜合監(jiān)控系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、綜合安防系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、信號系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)七大子系統(tǒng)，具有高科技化、綜合集成化、數(shù)據(jù)分析智能化和運營體系智慧化等優(yōu)勢，是我國城市軌道交通的建設(shè)目標(biāo)和發(fā)展方向［3，6］。

2.1 上海地鐵智能運維

為了適應(yīng)軌道交通網(wǎng)絡(luò)化大發(fā)展的需求，上海地鐵主動加快維修模式的創(chuàng)新，通過運營的供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，提升精細(xì)化管理能力。抓住軌道交通大發(fā)展的契機，提升狀態(tài)修、在線監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析的能力，正在努力研究一套適合上海地鐵設(shè)施設(shè)備維護(hù)的新模式，讓上海地鐵技術(shù)引領(lǐng)地鐵行業(yè)，讓地鐵行業(yè)共享上海地鐵成果［9］。上海地鐵車輛智能運維系統(tǒng)于2019年獲批國家示范工程，在互聯(lián)網(wǎng)時代，上海地鐵始終堅持以科技助力生產(chǎn)，各專業(yè)智能運維建設(shè)取得了優(yōu)秀成果。

上海地鐵智能運維體系（見圖1）包含四大子系統(tǒng)：車輛系統(tǒng)、供電智能運維系統(tǒng)、通號智能運維平臺、工務(wù)智能運維系統(tǒng)。

圖1 上海地鐵智能運維系統(tǒng)架構(gòu)

（1）車輛系統(tǒng)主要包括軌旁綜合檢測系統(tǒng)、車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)、智能工具箱及倉儲系統(tǒng)、檢修股道可視化監(jiān)視系統(tǒng)、車輛智能運維系統(tǒng)（RISE）以及相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定。RISE是集列車運行狀態(tài)實時監(jiān)測、車輛軌旁綜合檢測、列車維護(hù)信息管理、車輛維護(hù)專家系統(tǒng)為一體的列車智能化檢修維護(hù)系統(tǒng)。通過RISE并輔以運維管理手段的創(chuàng)新，將初步實現(xiàn)城市軌道交通車輛運維由傳統(tǒng)計劃修、故障修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變［10］。此外，在全自動列車駕駛方面，上海地鐵14、15、18號線列車自動化等級滿足EN 62290中UTO全自動駕駛（GoA4）的90余項功能，其中18號線作為上海首批全功能一次性開通最高等級全自動無人駕駛系統(tǒng)的地鐵線路，已于2020年底正式開通運營。

（2）供電智能運維系統(tǒng)從設(shè)備感知能力、設(shè)備全生命周期管理、生產(chǎn)業(yè)務(wù)流程管控、專家系統(tǒng)4個體系進(jìn)行建設(shè)。感知海量異構(gòu)數(shù)據(jù)狀態(tài)變化趨勢，對數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，實現(xiàn)故障預(yù)測、預(yù)警。集成設(shè)備的靜態(tài)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、動態(tài)履歷、運維業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，掌握設(shè)備全生命周期管理。建立跨平臺的數(shù)據(jù)共享模式，實現(xiàn)分公司整體業(yè)務(wù)流程上傳下達(dá)、融會貫通的一體化、全過程管控。專家系統(tǒng)為故障診斷、健康評估、故障預(yù)測、維修決策、聯(lián)動執(zhí)行提供更智能的手段。

（3）通號智能運維平臺除了能實現(xiàn)信號設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視外，還將具備對信號設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量評價功能和大數(shù)據(jù)分析功能。通過專家智能診斷和大數(shù)據(jù)分析，在故障出現(xiàn)時能自動定位故障點及故障原因，并以故障原理圖的方式顯示故障點；當(dāng)檢測信息出現(xiàn)異常波動、突變、超限等情況時，系統(tǒng)能夠及時預(yù)警。同時平臺具備提供維護(hù)建議和故障處理流程的功能。

（4）工務(wù)智能運維系統(tǒng)主要是為了實現(xiàn)以“設(shè)備”為中心的維修向以“數(shù)據(jù)”為中心的運維轉(zhuǎn)變。一方面，通過軌道檢查車、鋼軌探傷車等設(shè)備進(jìn)行智能采集應(yīng)用建設(shè)；另一方面，基于生產(chǎn)管理、設(shè)備管理、關(guān)鍵點位監(jiān)控3個板塊對智能運維平臺進(jìn)行整合規(guī)劃，實現(xiàn)故障的提前預(yù)警預(yù)判。

2.2 成都地鐵智能運維

在信息化背景下，成都地鐵提早對智能運維進(jìn)行規(guī)劃［11］。根據(jù)規(guī)劃總體建設(shè)思路，從建設(shè)維保網(wǎng)出發(fā)，率先打通監(jiān)測信息回傳通道。同時，在整合各專業(yè)現(xiàn)有在線監(jiān)測功能基礎(chǔ)上，豐富監(jiān)測檢測手段，初步形成智能運維在線監(jiān)測檢測體系，為大規(guī)模線網(wǎng)集中運維管理模式實踐創(chuàng)造條件。另一方面，以集團(tuán)數(shù)據(jù)中心為依托，布局監(jiān)測檢測中心、分析中心、智能調(diào)度中心，逐步構(gòu)建大數(shù)據(jù)的分布式處理模式，為實現(xiàn)智能檢、狀態(tài)修及指揮型調(diào)度等管理目標(biāo)奠定基礎(chǔ)。后續(xù)將圍繞“一網(wǎng)三中心”（見圖2）展開建設(shè)，結(jié)合專業(yè)、設(shè)備特點和管理實際分步實施。

圖2 成都地鐵智慧維保建設(shè)總體框架

一網(wǎng)：即維保網(wǎng)，由無線網(wǎng)絡(luò)和有線網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。無線網(wǎng)絡(luò)解決非接觸式監(jiān)測數(shù)據(jù)的靈活接入；有線網(wǎng)絡(luò)解決監(jiān)測數(shù)據(jù)的長距離回傳。

三中心：即監(jiān)測檢測中心、分析中心、智能調(diào)度中心。監(jiān)測檢測中心匯聚并處理線網(wǎng)設(shè)備設(shè)施運行數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備設(shè)施工作狀態(tài)，并提供實時故障告警；分析中心對監(jiān)測檢測中心處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，并提供事件決策方案；智能調(diào)度中心執(zhí)行分析中心的決策方案，并實現(xiàn)業(yè)務(wù)的智能聯(lián)動。

此外，各專業(yè)需按頂層接口標(biāo)準(zhǔn)承建監(jiān)測檢測系統(tǒng)，通過“一網(wǎng)三中心”促進(jìn)監(jiān)測大數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有效生產(chǎn)力，支撐人工檢向智能檢、計劃修向狀態(tài)修、生產(chǎn)型調(diào)度向指揮型調(diào)度轉(zhuǎn)型，全面提升城市軌道交通維保工作信息化、自動化、智能化水平。

（1）狀態(tài)修實現(xiàn)精準(zhǔn)維保。通過監(jiān)測檢測中心的建設(shè)，不斷完善與強化維保設(shè)備設(shè)施的在線監(jiān)測功能，形成全面、實時、準(zhǔn)確、集中的地鐵設(shè)備設(shè)施智能監(jiān)管體系。在此基礎(chǔ)上，一是有計劃地減少人員巡檢工作內(nèi)容、巡檢次數(shù)，逐步推進(jìn)各專業(yè)無人值守維保模式；二是通過對設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確收集，逐步完成專業(yè)設(shè)備從計劃修向狀態(tài)修過渡，同時將動態(tài)檢修狀態(tài)及結(jié)果納入維保生產(chǎn)管理體系建設(shè)的依據(jù)。

（2）自動化裝備助力高效維保。通過開發(fā)智能涂油器、軌道巡檢機器人、地質(zhì)雷達(dá)機器人等一系列新型自動化設(shè)備，同時深化既有自動化設(shè)備的應(yīng)用，如綜合檢測車、軌道探傷車、軌道打磨車等，全面提升維保工作的自動化水平。在此基礎(chǔ)上，一是進(jìn)一步減少人工作業(yè)，降低安全風(fēng)險，提升設(shè)備維護(hù)效率；二是利用人工經(jīng)驗?zāi)Ｐ屯苿酉到y(tǒng)機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)管理思路的智能化。此外，通過建立客觀的健康評價體系，結(jié)合系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化與管理差異化研究，進(jìn)一步提升維保管理工作水平。

（3）數(shù)據(jù)價值構(gòu)建智能維保。通過信號系統(tǒng)線網(wǎng)化在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)研究及實施、地鐵接觸網(wǎng)專業(yè)大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)研究、通信線網(wǎng)級集中告警平臺開發(fā)與告警數(shù)據(jù)挖掘研究、調(diào)度應(yīng)急指揮系統(tǒng)研究等項目的開展，逐步完成監(jiān)測檢測中心、分析中心與智能調(diào)度中心的建設(shè)與布局。在此基礎(chǔ)上，一是深度挖掘數(shù)據(jù)價值，逐步推進(jìn)基于設(shè)備狀態(tài)運行趨勢預(yù)判與故障提前介入的檢修機制；二是踐行業(yè)務(wù)智能決策與聯(lián)動，最大限度縮短業(yè)務(wù)處置時間，規(guī)避主觀因素風(fēng)險。

2.3 香港鐵路有限公司（MTR）智能運維

香港鐵路有限公司（簡稱港鐵）作為世界范圍內(nèi)最優(yōu)秀的地鐵運營公司之一，至今已有40多年歷史，地鐵車輛、通號、隧道、機電/自動化設(shè)備及其系統(tǒng)都仍能保持良好的運營服務(wù)表現(xiàn)，歸根結(jié)底與其多年來良好的全生命周期資產(chǎn)管理體系、嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)方案和不斷探索創(chuàng)新優(yōu)化修程修制密不可分。在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展趨勢下，港鐵也不斷利用架大修等契機對設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化升級改造，日常建立車輛系統(tǒng)表現(xiàn)監(jiān)控小組（EEPM），采用資產(chǎn)狀態(tài)及性能評估（ACCA）等評估手段，結(jié)合實時數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，確保安全前提下完成設(shè)備維護(hù)周期的最優(yōu)化調(diào)整。

以港鐵電客車智能運維為例，港鐵根據(jù)不同線路和設(shè)備運營特點，分別建立輪軌監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁監(jiān)測系統(tǒng)、軸箱溫度監(jiān)測系統(tǒng)、弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向架振動監(jiān)測系統(tǒng)，對不同線路受電弓、輪對等設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控，并收集數(shù)據(jù)統(tǒng)一發(fā)送至車輛段，車輛段將根據(jù)實時車輛狀態(tài)對列車運行計劃進(jìn)行再優(yōu)化，降低列車運行風(fēng)險，提高列車可靠性。同時，大數(shù)據(jù)將最終發(fā)送至車輛狀態(tài)監(jiān)測中心（Rolling Stock Condition Monitoring Centre），由監(jiān)測中心對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和再整理，也將“均衡修+故障修”向“狀態(tài)修”進(jìn)一步轉(zhuǎn)變，對預(yù)防性維修計劃、架修和大修修程修制進(jìn)行調(diào)整，做好設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測的同時延長維修周期，在全生命周期內(nèi)完成資產(chǎn)成本效益的評估，發(fā)揮資產(chǎn)的最大價值（見圖4）。

圖4 港鐵全生命周期資產(chǎn)管理體系時間軸

此外，港鐵已深耕資產(chǎn)管理體系ISO 55001多年，該體系以實現(xiàn)組織資產(chǎn)價值最大化為目標(biāo)，因此在港鐵所有后續(xù)電客車管理范圍內(nèi)，都將從設(shè)備設(shè)計之初開始進(jìn)行全生命周期資產(chǎn)的理念融合。同時，在智能運維浪潮的推動下，也將不斷結(jié)合數(shù)字化設(shè)備設(shè)施對列車部件進(jìn)行價值最大化的改造和利用，做好車輛各系統(tǒng)及部件狀態(tài)監(jiān)測，完善“狀態(tài)修”的制度和標(biāo)準(zhǔn)，做好高質(zhì)量運營的前提保障，實現(xiàn)降本增效。

2.4 多特蒙德萊茵—魯爾快線數(shù)字化車輛段

在德國多特蒙德萊茵—魯爾快線數(shù)字化車輛段內(nèi)（見圖5），設(shè)計之初對車輛段和列車配置全面的實時故障診斷系統(tǒng)、安防設(shè)備、數(shù)字化和無紙化辦公等設(shè)施，覆蓋所有列車維護(hù)工作，通過智能運維和數(shù)字化設(shè)備的全面覆蓋，車輛段內(nèi)人車比僅為0.18，75個維護(hù)人員負(fù)責(zé)85列電客車長達(dá)32年的維護(hù)和服務(wù)工作（全球大多軌道交通運營單位的人車配比為0.50左右）。

圖5 多特蒙德萊茵-魯爾快線數(shù)字化車輛段

多特蒙德萊茵—魯爾快線數(shù)字化車輛段內(nèi)所有員工只需通過平板電腦向員工提供的工單即可獲取所有維護(hù)所需信息；其次通過與西門子合作，車輛段分布了大量傳感器和監(jiān)測設(shè)備，運營期間列車會通過多種在線監(jiān)測系統(tǒng)將有關(guān)設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)傳送至車站，方便站務(wù)和司機進(jìn)行緊急操作。

車輛段可通過數(shù)據(jù)專家利用AI算法分析每列車上關(guān)鍵部件的數(shù)據(jù)，及時提供給一線維護(hù)人員并提供建議，方便維護(hù)人員改進(jìn)自己預(yù)防性維修工作和糾錯性維修工作。同時，這些故障預(yù)警信息和故障定位信息也會方便所有OCC、DCC、駐站、站務(wù)和司機等人員做到快速而有效聯(lián)動，加快列車恢復(fù)服務(wù)速度。此外，每天結(jié)束運營列車回庫時，電客車會通過AVI輪對監(jiān)測設(shè)備自動檢測每個輪對的磨損狀態(tài)，這些數(shù)據(jù)會直接輸入信息化的數(shù)據(jù)管理平臺，進(jìn)行進(jìn)一步評估和處理。

車輛段還配備1臺高性能3D打印機，可以快速、直接制造塑料/橡膠備件，實現(xiàn)某些零部件短時間內(nèi)的快速周轉(zhuǎn)。

3 城市軌道交通智能運維分析啟示

截至2021年，以杭甬為代表的浙江省城市軌道交通經(jīng)過“十三五”規(guī)劃的加速建設(shè)，運營里程和規(guī)模已基本實現(xiàn)市域內(nèi)軌道交通線網(wǎng)的建成與投入運營。浙江省軌道交通響應(yīng)國家號召，以發(fā)展綱要為指引，緊抓“智能化+自主化”，以“精準(zhǔn)運用+按需維修”為智能運維核心，保障可靠性和維修性，始終牢牢把握“高速+高質(zhì)量”發(fā)展的方向。借鑒先進(jìn)城市示范點的寶貴經(jīng)驗，主動融入軌道交通智能運維發(fā)展之中。以實際情況為基礎(chǔ)，規(guī)劃發(fā)展藍(lán)圖，搭建工作路徑，實事求是深入底層規(guī)劃發(fā)展邏輯。構(gòu)架平臺，吸納人才，為科研攻關(guān)做準(zhǔn)備。搭建示范單位和工程，明確應(yīng)用場景，深度融合運營業(yè)務(wù)，與外部環(huán)境協(xié)同發(fā)展。主動形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。在國家和省市政策保障措施下，順應(yīng)發(fā)展大趨勢，積極面對挑戰(zhàn)。啟示如下：

（1）智慧維保是一項長期的系統(tǒng)性工程，相關(guān)建設(shè)工作任重道遠(yuǎn)。應(yīng)在做好長期規(guī)劃的前提下，緊密結(jié)合生產(chǎn)實際，集中優(yōu)勢力量優(yōu)先攻堅關(guān)鍵性技術(shù)問題，以循序漸進(jìn)方式穩(wěn)步推進(jìn)信息化與自動化融合，最大限度活化維保資源，逐步實現(xiàn)降本、提質(zhì)、增效、保安全的目標(biāo)。

（2）開創(chuàng)以智能運維為中心的設(shè)計理念，提升運維便捷性，促進(jìn)智能運維的發(fā)展。

（3）建立數(shù)據(jù)采集、分析、應(yīng)用全過程的產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，打破業(yè)務(wù)部門之間的壁壘，加強相關(guān)人員之間的協(xié)作。

（4）以智能運維和制造數(shù)據(jù)為支撐，對標(biāo)法律法規(guī)，細(xì)化報廢流程及規(guī)范。

（5）持續(xù)挖掘全生命周期智能運維與制造的融合點，提升智能運維的延展性。

（6）智能運維不僅需要從信息化設(shè)備方面更新?lián)Q代，更是對專業(yè)技術(shù)人員提出了更高要求，需要掌握數(shù)字化設(shè)備的操作和使用方法，擅長進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和研究，并根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)律進(jìn)行歸納總結(jié)，對現(xiàn)有維修手冊和維修制度進(jìn)行有效變更。