地鐵智慧運維平臺建設方案研究

趙玉才，胡信超

（積成電子股份有限公司，山東 濟南 250010）

0 引言

隨著各地區(qū)地鐵線路的陸續(xù)投運，各軌道交通集團樹立了建設安全可靠、高效集約、網絡化[1]的城市軌道交通并使其可持續(xù)發(fā)展[2]的戰(zhàn)略目標，這使各運維管理部門面臨巨大挑戰(zhàn)，尤其在網絡化條件下城市軌道交通關鍵設備的系統(tǒng)維護與全壽命周期管理等需求不斷增加，也帶來了更大的困擾[3]。如何在保障軌道交通系統(tǒng)安全可靠運營的基礎上最大限度降低維修成本，滿足環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的同時提升軌道交通設備智能化管理水平[4]，成為了城市軌道交通建設和發(fā)展的目標之一。這也對人員數量、專業(yè)知識、信息管理、設備維修等多方面提出了更高的要求[5]。

傳統(tǒng)模式下，各地城市軌道交通集團采用綜合監(jiān)控系統(tǒng)對大多數的地鐵設備進行實時狀態(tài)的監(jiān)控[6]，取得了一定的效果。由于該系統(tǒng)多以系統(tǒng)之間數據接口的方式進行設備狀態(tài)的獲取，雖然一定程度上減少了系統(tǒng)之間的數據孤島，但是針對本身無法確定自身故障狀態(tài)的設備，綜合監(jiān)控就顯得無能為力。

由于設備故障或隱患發(fā)現(xiàn)不及時，引起地鐵線路停運或更加嚴重后果的現(xiàn)象屢見不鮮[7]。對于提高運營檢修力度，僅僅依賴增加運維班組人員數量、加大巡檢力度顯然不是最佳解決方案。為了適應新的運營模式，不僅設計本平臺像綜合監(jiān)控系統(tǒng)一樣通過接口方式采集設備或系統(tǒng)實時狀態(tài)數據，而且通過增加智能傳感器、智能機器人等設備，利用視頻分析技術、移動APP、智能操作票、移動5G、天氣信息接入等技術手段，全面監(jiān)測地鐵自動化設備運行狀態(tài)，有效地發(fā)現(xiàn)隱患或故障。技術手段如圖1所示。

1 地鐵智慧運維平臺架構

平臺采用B/S 架構實現(xiàn)，由應用層、平臺層和感知層[8]組成，如圖2所示。

圖2 平臺架構

底層的感知層主要通過傳感器、視頻、機器人以及其他系統(tǒng)接口實現(xiàn)數據采集。也就是說，數據采集主要通過兩種方式進行：第一種，采用系統(tǒng)接口采集數據，如資產管理數據、調度自動化數據等；第二種，如果被監(jiān)視設備無法通過接口提供故障狀態(tài)，本平臺會為該設備加裝智慧傳感器、智能機器人等作為輔助方式進行故障狀態(tài)的采集。

平臺層主要由智能化平臺[9]和軟件平臺組成，通過基于云計算、大數據清洗、物聯(lián)網、傳感器的邊緣計算、多維分析和智能圖像分析等手段，對采集到的數據進行加工處理，為應用層的各類應用提供數據來源。

應用層通過對平臺層處理后的數據進行二次加工，為運維人員提供設備狀態(tài)告警、設備同工況分析、機器人和視頻輔助決策及智能操作票[10]等功能，實現(xiàn)關鍵設備及場景的實時監(jiān)視、關鍵業(yè)務全流程管控、生產管理層層穿透，提升設備與環(huán)境狀態(tài)感知、輔助決策以及生產指揮能力。

2 運維平臺設備和技術

2.1 主要設備

2.1.1 智慧傳感器

機電類設備故障狀態(tài)一般無法通過MCC（智能低壓）[11]或BAS（環(huán)境與設備監(jiān)控）系統(tǒng)采集，但是設備的正常運行對地鐵環(huán)境的維持非常重要，如水泵、風機、組合式空調機組等，尤其針對安裝在吊頂上的風機設備，運維人員不方便檢修設備狀態(tài)和設備固定姿態(tài)是否發(fā)生偏移。針對該類設備可以通過安裝一體式智慧傳感器實時分析震動、姿態(tài)，并通過安裝邊緣計算模塊[12]，減輕智慧運維平臺數據計算量。設備震動、姿態(tài)采集傳感器一般采用抱箍方式進行安裝，如圖3所示。站臺門、電扶梯、直梯等設備也主要由電機類設備組成，同樣可以采用類似的方式進行震動、姿態(tài)傳感器的安裝。

圖3 震動、姿態(tài)傳感器安裝方式

機房環(huán)境、機柜環(huán)境、變壓器運行狀態(tài)等也是運維工作中的重點監(jiān)控對象，但是傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)無法完成相應數據的采集，如房間溫濕度、機柜TVOC（總揮發(fā)性有機化合物）、SF6 氣體濃度[13]等，需要分別安裝溫濕度傳感器、特定氣體傳感器等。安裝及監(jiān)測方式相對簡單，此處不再贅述。

2.1.2 智能機器人

軌道交通集團的運營單位一般分為多個設備巡檢班組，通常包括通信和信號專業(yè)、風水電專業(yè)、自動化專業(yè)等方面的專業(yè)人員。而相對于整條地鐵線路，班組人員數量較少，無法實現(xiàn)所有車站每個設備的日巡檢，或在惡劣天氣下的更高密集程度的巡檢任務，尤其有些設備機房處在隧道區(qū)間，無法在運營期間實現(xiàn)設備巡檢。

為了最大限度地減輕人工巡檢工作量，實現(xiàn)重要時間段的密集巡檢，或全天候的巡檢工作，本文引入了智能機器人。智能機器人是一項應用范圍廣且十分成熟的巡檢技術，早在上世紀八十年代歐美發(fā)達國家就開啟了電力巡線機器人的研究[14]；經過四十年的發(fā)展，國內智能機器人的使用場景和機器人的遠程控制技術、多傳感器信息融合技術、導航定位技術、圖像識別技術、紅外檢測技術、視頻采集技術等都得到了多方驗證[15]。

本平臺主要通過機器人來識別設備狀態(tài)燈的異常、開關旋鈕的非常規(guī)狀態(tài)、表盤的指針數據、表盤LED 數據、設備外觀、設備聲音、設備溫度、破損絕緣等。對于機器人的視覺盲區(qū)，可以通過加裝反光鏡的方式進行彌補[16]。

針對機器人巡檢，平臺提供多種模式進行，如例行巡檢、特殊情況巡檢、專項巡檢、熄燈后巡檢等。對機器人識別出來的故障信息，平臺能夠自動生成巡檢報告，并將巡檢過程中的視頻信息進行存儲，經過人工確認后自動生成缺陷記錄，并自動啟動消缺處理流程。

2.2 主要技術

2.2.1 視頻分析

在環(huán)境相對惡劣或危險的位置，作為機器人巡檢的一種補充手段，可以通過固定攝像頭對現(xiàn)場進行實時監(jiān)視，如重要變壓器房間、隧道風機房間等，如果僅僅將視頻信號接入到本平臺，還需要人工辨別畫面內容或人工回放歷史記錄進行設備狀態(tài)的判斷，那么視頻數據的引入僅僅是錦上添花，無法真正地解放勞動力。

本文設計平臺能夠根據巡視計劃自動調整攝像頭及云臺參數，分時監(jiān)視站內主要設備及周邊環(huán)境，利用智能圖像識別引擎提供的各類站內異動識別算法，實現(xiàn)設備智能巡視，提高攝像頭的利用率和設備巡視覆蓋率。同時通過視頻分析技術[17]，對進入到機房等特定區(qū)域的人員自動進行未帶安全帽識別，對非登記人員進行拍照取證，對如圖4所示的鳥類及異物其他入侵的情況進行自動告警，對非法設備狀態(tài)進行分析告警。

圖4 鳥類及其他異物入侵情況

視頻分析的另外一個典型案例即對隧道風機配套的連鎖風閥非法狀態(tài)進行監(jiān)控[18]，如果該設備處于非全開或全閉合狀態(tài)，則會對隧道風機的正常運行造成不可估量的影響。

本平臺通過先檢測后分類的視頻分析技術，完成風閥狀態(tài)的識別，整體流程為：

（1）在視頻上進行風閥整體框架的檢測，采用Cascade R-CNN[19]算法，通過級聯(lián)幾個檢測網絡達到不斷優(yōu)化預測結果的目的；

（2）將上一步檢測的風閥框架結果輸入到分類網絡中，采用EfficientNet[20]分類網絡，使用一個簡單而高效的復合系數從深度、寬度、分辨率三個維度放大網絡；

（3）通過分類網絡的結果識別風閥所處的狀態(tài)。

通過上述視頻分析的步驟，可以識別出風閥全關、全開及中間非法狀態(tài)，同時如果平臺識別出風閥正在動作過程中，則不會判斷為設備故障；如果視頻畫面無明顯變化，且處于非法狀態(tài)，則會自動提示告警，如圖5所示。

圖5 風閥狀態(tài)識別

2.2.2 移動APP

地鐵各個班組的巡檢人員大多數時間都在巡檢的現(xiàn)場或去巡檢的路上，沒有太多的時間圍繞在電腦旁實時查看平臺各類告警、故障和視頻信息，無法了解現(xiàn)場的實時狀態(tài)，同時已處理的故障信息也無法及時同步到平臺中。為了解決該問題，平臺引入了移動APP 和移動終端等新型物聯(lián)網技術。

底下的網友們一邊倒地噴那個司機。大家紛紛留言，“這場雪太大了，環(huán)衛(wèi)工人凌晨就起來工作，多不容易，竟然還好意思破壞環(huán)境”、“那是中央大街，如果有垃圾沒及時處理環(huán)衛(wèi)工人是要被罰款的”、“真想人肉那個司機，什么素質啊”

通過移動APP 為相關專業(yè)運維人員提供現(xiàn)場管理的工具和手段，實現(xiàn)業(yè)務流程閉環(huán)和空間作業(yè)閉環(huán)，能夠提升工作效率和工作質量。移動終端的應用主要包括消息提醒、日常巡檢、交互式故障處理和設備狀態(tài)監(jiān)控等功能。

用戶登錄到平臺后，可在首頁顯示的公告信息主要包括：各部門/工班注意事項、當前集團的重要事項、當前用戶收到的工單提醒信息、告警事項、當前用戶角色相關的各類工單完成情況統(tǒng)計信息、運維管控平臺后臺發(fā)布的各種公共信息等都可同時在PC 端和移動端顯示。

與運維管控平臺的巡檢管理功能結合，實現(xiàn)巡檢工作閉環(huán)管理。根據運維管控平臺派發(fā)的巡檢工單，應用移動終端實現(xiàn)巡檢結果的上傳與確認。

運營維護管理人員可以通過移動終端對整個平臺的設備設施、物資進行編碼統(tǒng)一管理[21]。同時將現(xiàn)場巡檢工單電子化，并具備自動填寫部分內容的功能，如時間、人員、溫濕度、照片上傳等。

當車站值班人員/巡檢人員發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場故障時，可以通過故障報修功能，發(fā)起故障維修工單。故障報修記錄故障描述、故障類型、故障時間、報修時間、報修人、具體故障內容和位置等?？蛻舳斯收仙蠄笾С峙恼占吧蟼髡掌?，方便調度及維修人員對故障做出預判。

圖6 移動APP

離線維修工單列表展示的是本地離線未同步的工單，上線執(zhí)行同步后，完成同步的工單從此列表移除。

工單類型包括巡檢工單、故障維修工單、緊急搶修工單、事件報告工單等。工單內容包括：工單編號、工單對應設備、工單工作內容、反饋信息、流程程序、接單人信息，并可附插圖信息等。

鑒于各個地鐵單位在地鐵建設初期就一起完成了操作票系統(tǒng)的建設，本平臺可以通過接口的方式與操作票系統(tǒng)形成閉環(huán)。

2.2.3 移動5G

由于本平臺在已建成的地鐵環(huán)境中實施，除了減少光纖、網線等設備的敷設成本，降低施工難度，還可以減輕地鐵各班組的協(xié)調復雜度。同時，新建地鐵線路5G 信號全部覆蓋，基于5G 網絡的高寬帶、廣連接、低延時的特點[22]，平臺數據的傳輸統(tǒng)一按照5G 模式進行建設。

傳感器設備數據通過硬線或網絡方式接入到就地化的POE 交換機[23]，POE 交換機通過連接的5G 網關與本平臺服務器所在的5G 網關進行通信，實現(xiàn)數據通道的5G 傳輸。傳輸通道架構如圖7所示。

圖7 5G 架構

2.2.4 天氣信息接入

地鐵線路大多采用地下站方式進行建設，不僅可以節(jié)約大量城市用地，同時具有諸多其他優(yōu)勢。但是近幾年各大城市都遭遇罕見特大暴雨的襲擊，尤其是2021年的鄭州特大暴雨，不僅導致地鐵全線癱瘓，同時造成了大量的人員傷亡，其中車站排水系統(tǒng)以及其他細節(jié)的設計缺陷占據著重要因素[24]，值班運營人員的巡檢力度和巡檢意識不到位更是導致問題頻出的主要原因。

受限于地鐵車站的數量較多，運維值班人數相對較少，僅僅依賴加大值班人員的巡檢周期根本無法滿足惡劣天氣下的巡檢需求。

鑒于此類情況，本平臺通過防火墻的方式接入天氣信息[25]，在遇到特殊天氣情況下，平臺自動啟動惡劣天氣巡檢模式和特殊設備巡檢模式，加大機器人等輔助設備的巡檢力度，并自動將水浸等傳感器設備的告警閾值降低，提高傳感器告警的敏感度，防止任何隱患的疏漏。

3 場景應用

以上內容是對實時數據采集、告警的描述，在此基礎上本章從功能和數據方面進行了提煉。

先要總結的是設備之間的智能聯(lián)動，如巡檢人員使用門禁卡進入機房，或觸發(fā)現(xiàn)場電子圍欄等設備，則會自動聯(lián)動部署在該機房中的攝像頭和智能照明等設備，攝像頭會自動將該巡檢人員的巡檢路徑進行存盤，智能照明也會自動啟動。如果該運維人員為非法闖入，則會自動啟動聲光報警。

另外，系統(tǒng)還會根據實時采集到的設備運行狀態(tài)對各類數據進行分析對比，如設備重過載分析、設備交叉對比、歷史數據分析對比、趨勢分析、同工況設備狀態(tài)異常、全壽命周期管理等。

4 結語

地鐵智慧運維平臺是近幾年各地地鐵建設中的重點，國內眾多城市均進行了相關嘗試，主要集中在對關鍵設備設施進行全壽命周期的健康監(jiān)測和故障智能診斷及成本分析方面，具體的解決方案不盡相同，但是還未形成行業(yè)標準[26]。

本文從智慧傳感器、智能機器人等方面進行了介紹，較全面地描述了地鐵智慧運維管控平臺建設的重點和方向。以某地鐵3 號線的建設為例，現(xiàn)場巡檢班組由之前的一周一次車站設備巡檢頻率降低到兩周一次，不僅降低了人工成本，同時能夠保障所有巡檢數據有據可查。