智慧城軌發(fā)展趨勢下智慧運維應用分析

楊金虎 王志銘

（鄭州中建深鐵軌道交通有限公司，河南鄭州 450000）

0.引言

隨著科技的進步和社會的發(fā)展，人們逐漸加大了對城市交通建設的重視力度，將新型技術與城市交通進行有機結(jié)合，有利于推進其向現(xiàn)代化、智能化和科技化方向積極發(fā)展，在此基礎上還要深化智慧運維應用內(nèi)容，拓展智慧運維空間，有利于推進智慧城軌的可持續(xù)健康發(fā)展。

1.智慧城軌的構(gòu)建藍圖

對于智慧城軌來說，其是交通建設與先進技術融合的產(chǎn)物，在智慧城市建設過程中發(fā)揮著關鍵作用，同時也是其高質(zhì)量、高水平建設的重要保證，為城軌行業(yè)自主創(chuàng)新發(fā)展提供了良好的建設平臺。智慧城軌主要指的是城市交通與大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算等高端技術進行有效融合，能夠在具體城市軌道交通建設過程中通過與互聯(lián)網(wǎng)的連接，以及各項智能技術的結(jié)合，進一步實現(xiàn)交通環(huán)境、設施設備以及乘客等多種實體信息的全面感知，能根據(jù)實際情況進行自動調(diào)控，不僅在原有基礎上實現(xiàn)對運營服務管理模式的創(chuàng)新，還提高了城市軌道交通的安全性和高效性，推進其向智慧型城市積極發(fā)展。

從目前情況看，智慧城軌的發(fā)展進程面向的是整體城市軌道交通行業(yè)，因此，必須緊跟時代發(fā)展步伐以提高綜合國力和實力為目標，推進城市軌道信息化、智慧化建設，通過構(gòu)建智能信息系統(tǒng)來加強先進技術的大力融合，從而構(gòu)建出具有高度集成的城軌云端大數(shù)據(jù)平臺。在此基礎上，必須構(gòu)建完善的技術指標體系和數(shù)據(jù)系統(tǒng)，才能對實際城軌運行操作起到一定規(guī)范和指導作用，促使智慧城軌建設向正確方向可持續(xù)發(fā)展。除此之外，還要在建設過程中對城軌云端大數(shù)據(jù)平臺的布局結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)優(yōu)化，積極創(chuàng)建服務、能源、運維等各個方面的管理體系，才能切實構(gòu)建出具有較強完整性、高效性的數(shù)據(jù)平臺[1]。

2.智慧城軌發(fā)展趨勢下智慧運維的應用方面

2.1 智能巡檢

為了有效提高城軌建設質(zhì)量和效率，實現(xiàn)對城軌各個系統(tǒng)的統(tǒng)一管理，減少故障分析定位環(huán)節(jié)，需要利用智慧運維手段進一步解決相應問題。智慧運維指的是以操作人員的知識和運維經(jīng)驗為依據(jù)，與大數(shù)據(jù)等相應技術進行有機結(jié)合，從而開發(fā)出與實際運維情況符合的智能策略，同時還要將其融入智能運維系統(tǒng)中，切實提高運維任務完成質(zhì)量和水平。

智能巡檢是智慧運維工作的重要組成部分，主要內(nèi)容是對車站及房內(nèi)的各項設施設備的運行狀態(tài)、質(zhì)量等各個方面進行深入檢查，能夠有效避免設備在應用過程中出現(xiàn)故障，對城軌的高質(zhì)量運行起到一定阻礙作用。一般情況下，設備的狀態(tài)可大致分為正常、預故障和故障3種，且不同設備之間還具有較強的差異性，因此，用戶可根據(jù)自身情況，對系統(tǒng)或設備進行隨時選擇并對其進行檢查，在此基礎上，還需要對檢查的各項數(shù)據(jù)進行有效記錄，并將數(shù)據(jù)傳送至數(shù)據(jù)平臺中，為后期巡檢工作提供數(shù)據(jù)支持[2]。平臺會以統(tǒng)計圖表或表格的形式，將設備健康狀態(tài)下的各項信息與最新檢測數(shù)據(jù)進行自動對比，可直接觀察出設備存在問題的具體位置，具有較強的直觀性和明確性，通過系統(tǒng)一系列的智能分析能夠給用戶展示出全面的設備狀態(tài)過程，與人工巡檢相比，有效減少了巡檢環(huán)節(jié)，加快了巡檢時間，還可以在按照相關程序流程和規(guī)范的基礎上對巡檢要素進行有效設定，能夠進一步實現(xiàn)全方位、全天候的智能巡檢，切實降低了人工資源成本，達到提高巡檢質(zhì)量和效率的目的。

例如：2019年12月26日，由上海申通地鐵集團有與維護保障有限公司承辦的“智慧地鐵，共享未來—2019中國長三角軌道交通維保技術與人才論壇”正式召開。本次論壇展現(xiàn)出眾多上海軌道交通智慧運維設備，其中由大立科技自主研發(fā)的“軌道式智能巡檢機器人”成為亮點之一。

智能巡檢機器人主要利用了5G技術的移動視覺導航技術、語音傳輸指揮功能、設備全景測溫技術以及設備自動識別管理等多樣化創(chuàng)新技術，進一步實現(xiàn)了對巡視設備區(qū)域的全面覆蓋。與此同時，其中還存在可見光高清攝像機、氣體檢測儀、溫濕度傳感器等設備，能夠?qū)χ車h(huán)境進行了解和掌握，還能對相應數(shù)據(jù)進行采集與監(jiān)控，在此基礎上，構(gòu)建了異常狀態(tài)預警和聯(lián)動告警裝置，進一步對城市軌道交通安全提供保障，提高維修可靠性。

根據(jù)中國城市軌道交通協(xié)會測算，城市軌道交通建設對GDP貢獻率較大，在軌道交通規(guī)劃建設方面，在原有基礎上增加18個城市73條線路，總體規(guī)模6374km，同時還要緊跟時代發(fā)展步伐，在新建項目中采用大量的無人駕駛、智能巡檢等智能技術，推進我國城市軌道向智能化方向積極發(fā)展。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)建

通常情況下，智慧運維系統(tǒng)主要是由智能巡檢、環(huán)境監(jiān)測兩部分共同構(gòu)成的。對于智能巡檢部分來說，主要指利用巡檢機器人在應用前對其行走軌跡、點位進行預先設定，實現(xiàn)對設備房和機柜開展自動化巡檢工作，通過自身系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和整理，能夠傳送至本地服務器。并與正常狀態(tài)數(shù)據(jù)進行對比，如果出現(xiàn)狀態(tài)不一致現(xiàn)象，則會提供準確的故障設備位置和相應信息，在特殊條件下還可通過遠程手動對機器人的任務執(zhí)行情況進行操控。對于環(huán)境監(jiān)測部分來說，主要是利用具有特殊性的攝像設備，以及溫濕度傳感設備，對機房內(nèi)各項動態(tài)環(huán)境實時監(jiān)測，對具體數(shù)據(jù)進行分析處理，待得到最終結(jié)果后可將其上傳至數(shù)據(jù)庫進行保存，為后期環(huán)境數(shù)據(jù)的查詢提供便利。

在智能巡檢系統(tǒng)應用過程中，可大致分為幾種情況：（1）計劃巡檢與手動遙控巡檢。計劃巡檢指的是在機器人開始巡檢任務前，需要對其工作內(nèi)容、工作計劃等進行統(tǒng)一編制，促使其能夠自動完成巡視工作。手動遙控巡檢指的是當設備或環(huán)境狀態(tài)存在異常時，可通過對巡檢機器人進行操控促使其快速到達異常設備位置，通過先進技術對異常情況進行數(shù)據(jù)分析和傳輸，為相關人員制定故障處置方案提供數(shù)據(jù)支持[3]；（2）紅外測溫與環(huán)境監(jiān)測。紅外測溫顧名思義就是在對設備表面溫度高效采集的基礎上，利用紅外線探測技術對設備異常狀況進行有效探測。環(huán)境監(jiān)測則是利用傳感設備，對設備房內(nèi)環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)測，包括溫度、濕度等；（3）防入侵監(jiān)測與集中管理。防入侵監(jiān)測是利用紅外高清智能攝像機，對機房內(nèi)進行實時監(jiān)控，如果出現(xiàn)外界人員進入監(jiān)測范圍內(nèi)，通過攝像機的自動感應可啟動報警裝置，將報警信息傳送至服務系統(tǒng)中。智慧運維系統(tǒng)的集中管理，指的是在系統(tǒng)后臺對前端巡檢設備進行集中操控，能有效實現(xiàn)對巡檢任務的分配、設備狀態(tài)的勘查以及統(tǒng)計報表整合輸出等。

例如：2019年上海鐵路局召開了對神州高鐵“機輛車底智能巡檢機器人系統(tǒng)”的技術評審會。通過對智能巡檢機器人系統(tǒng)的展示，明確其采用了機器視覺技術、圖像識別技術、全自動化智能分析定位檢測技術和列車仿真模擬檢測技術等，以人工模擬作業(yè)方式對各項設備及環(huán)境進行自動檢測，其中包括轉(zhuǎn)向架等可視零部件，同時還具有預警系統(tǒng)和人臉檢測技術，進一步解決了動車組人工作業(yè)存在的問題。具體來說，顯示結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)z測目標位置進行自動準確找尋，并對其檢測目標狀態(tài)進行自動檢測，將定位和檢測精度細化到0.05mm，切實提高了檢修質(zhì)量和效率，促使其向信息化、智能化方向積極發(fā)展。

2.3 能耗管理

在智慧城市軌道建設過程中，必然會產(chǎn)生一定的能源消耗，為了達到節(jié)約能源消耗、降低運營成本的目的，需要利用相應的硬件設施和網(wǎng)絡資源，將系統(tǒng)中各項聯(lián)動裝置和節(jié)能控制系統(tǒng)進行高效連接，并將其整合到統(tǒng)一界面中利用遠程控制技術對設備狀態(tài)、環(huán)境參數(shù)等進行操作。在此基礎上與可視化系統(tǒng)能源模型進行結(jié)合，對模型結(jié)構(gòu)與實際效能進行深化分析，有利于實現(xiàn)對設備資源能耗進行精細化管理[4]。通過對城軌各項數(shù)據(jù)的采集和分析，嚴格按照節(jié)能原則和舒適度需求，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一規(guī)劃到巡檢管理系統(tǒng)中，有利于實現(xiàn)多項智能控制，如定時控制、本地控制、聯(lián)動控制等，可以此為依據(jù)自動生成系統(tǒng)數(shù)據(jù)報告，為最終管理決策提供信息支持，切實達到節(jié)約能耗的目的。除此之外，還能在降低經(jīng)濟投入的同時提高用戶滿意程度，推進智能運維的發(fā)展進程。

例如：2020年11月27日，中國城市軌道交通協(xié)會運營管理委員會2020年年會在青島舉行，其主要內(nèi)容包括上海、廣州、深圳等30多家地鐵公司的智能裝備集成狀態(tài)，以及對智慧城市軌道建設能源消耗問題進行深入分析。

從目前智能巡檢機器人建設方面看，已經(jīng)可以詳細劃分為智能巡檢機器人和板下微型巡檢機器人2種形式，經(jīng)過研發(fā)團隊的反復論證、測試和優(yōu)化，進一步對其資源能耗問題進行更深程度的研究。從電力資源方面看，其是巡檢機器人運行的主要動力支撐，當應用以上2種機型時，可有效彌補現(xiàn)有的電力監(jiān)測系統(tǒng)諸多不足情況，極易避免出現(xiàn)資源浪費等不良問題，可進一步對放電、溫度異常、可見紅外等進行精確檢測，有利于為軌道交通系統(tǒng)供電智慧運維提供新思路，并有效節(jié)約人工與經(jīng)濟投入成本，盡最大程度提高了系統(tǒng)內(nèi)能耗管理力度，為實現(xiàn)智慧城軌建設降本增效提供大力支持。

2019年4月，青島地鐵已明確了智能運維頂層規(guī)劃、城軌云與6號線智慧地鐵規(guī)劃兩項重要內(nèi)容，具有智能檢修機器人、智能運檢機器人和動態(tài)檢測數(shù)據(jù)系統(tǒng)3項智能運維成果，加大運維系統(tǒng)能耗管理質(zhì)量和水平，為城市軌道交通運營指明發(fā)展方向，全力助推軌道交通運營高質(zhì)量發(fā)展。

2.4 PHM平臺搭建

故障預測與健康管理系統(tǒng)（Prognostic and Health Management，PHM）是指利用傳感器采集和分析系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以提供先進的故障診斷和預測行為，進而能夠預測未來的健康狀況、問題的出現(xiàn)及需要的維修行為?；谠\斷/預測信息、可利用資源和運行要求，對維修和后勤活動做智能、充分和適合的決策，從而在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、檢驗、運行、維護、配置等整個生命周期過程中體現(xiàn)出管理成本效益。簡單地說，PHM就是借助各種算法和模型，找到故障表象與故障原因之間的關系，推導出設備故障的原因及故障部位，并對故障征兆趨勢進行跟蹤，對未來可能發(fā)生的故障進行預測，并通過維修決策合理調(diào)配維修保障資源，從而制定出最佳維修保障方案。PHM項目的研發(fā)與應用，可在成本優(yōu)化、運營效率提升、運營安全性及運營品質(zhì)提升等方面獲得卓越成效，將為城市軌道交通帶來顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

2.5 數(shù)字孿生技術應用

對于地鐵這樣規(guī)模龐大且人流密集的重大交通設施，監(jiān)測、控制其環(huán)境質(zhì)量顯得尤為重要，不僅要滿足乘客的舒適度體驗還要保證乘客的人身安全。傳統(tǒng)地鐵環(huán)境控制系統(tǒng)采用自動化管理與控制系統(tǒng)，面對獲取的大量運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，難以用可視化的方式呈現(xiàn)，所以將數(shù)字孿生技術與地鐵環(huán)控系統(tǒng)相結(jié)合就顯得尤為有意義。將數(shù)字孿生技術與地鐵環(huán)控系統(tǒng)相結(jié)合，具有以下優(yōu)勢：

（1）三維可視化。數(shù)字孿生打破了通過平面圖紙整合建筑信息的傳統(tǒng)模式，通過 3D 建模技術映射出物理現(xiàn)實世界的建筑模型。能夠逼真還原地鐵車站的建筑結(jié)構(gòu)、管道系統(tǒng)、通風空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、安全警報系統(tǒng)等，同時涵蓋所有的幾何、材料和狀態(tài)信息。（2）全生命周期。數(shù)字孿生從規(guī)劃設計到施工再到運維階段的信息集成，保證了數(shù)據(jù)的完整性和一致性，貫穿地鐵車站全生命周期。改善了傳統(tǒng)模式中設計、建造階段的信息與運維階段的信息分別儲存的弊端，減少了維護成本。（3）預測性分析。數(shù)字孿生技術的引入為預測性決策和分析提供了基礎。利用傳感器監(jiān)測大功率或易燃易爆等危險物品的關鍵數(shù)據(jù)；可借助深度學習算法，分析監(jiān)控采集的乘客行為圖像；根據(jù)通風空調(diào)系統(tǒng)的配置和傳感器采集的數(shù)據(jù)等，分析車站熱舒適度，同時預測能耗。

3.結(jié)語

在智慧城軌建設背景下加大對智慧運維的重視力度是滿足現(xiàn)代化、智能化社會發(fā)展的必然趨勢，是推進交通行業(yè)積極發(fā)展的重要內(nèi)容。因此，必須根據(jù)實際情況做好體系構(gòu)建，強化智慧運維的各項能力，有利于實現(xiàn)交通經(jīng)濟和社會效益的和諧統(tǒng)一。