城市軌道交通基于智能運維的維護管理新模式研究

張磊，樊茜琪，2，韓斌，2，王黎，祝鑫

（1.同濟大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院，上海 201804；2.上海軌道交通檢測認(rèn)證（集團）有限公司，上海 200434；3.北京地鐵科技發(fā)展有限公司 維修管理部，北京 100160）

0 引言

隨著城市化進程不斷推進，城市軌道交通的建設(shè)規(guī)模不斷擴大，對于基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的維護需求也逐漸擴大。截至2022 年12 月31 日，我國31 個?。▍^(qū)、市）和新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團共有53 個城市開通運營城市軌道交通線路290 條，運營里程達9 584 km，車站達到5 609 座。智能化的維護管理能夠?qū)壍澜煌ㄔO(shè)施設(shè)備進行檢測、預(yù)測和評估，并按照需求制定詳細(xì)的維護計劃，減低設(shè)施設(shè)備的故障率，保障設(shè)施設(shè)備的良好運行［1-3］。針對北京城市軌道交通目前存在的維護作業(yè)智能化程度低、設(shè)施設(shè)備運維與資產(chǎn)管理聯(lián)動不足、設(shè)施設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)分散等問題分別進行研究。提出一套基于智能運維的城市軌道交通維護管理新模式，旨在構(gòu)建更完善的城市軌道交通維護管理體系，提高城市軌道交通系統(tǒng)可靠性，優(yōu)化全生命周期費用。

1 北京城市軌道交通維護管理現(xiàn)狀

1.1 維護基本組織架構(gòu)

北京市地鐵運營有限公司通過公司內(nèi)部市場化，進行車輛及設(shè)施設(shè)備維護管理；各運營分公司和北京京城地鐵有限公司（簡稱京城地鐵）負(fù)責(zé)車輛的運營和維護，北京地鐵建筑設(shè)施維護有限公司（簡稱建維公司）已進行區(qū)域化管理，北京市地鐵科技發(fā)展有限公司（簡稱科發(fā)公司）在機場線實行單線路的綜合專業(yè)維護，全路網(wǎng)的AFC 系統(tǒng)維護由科發(fā)公司負(fù)責(zé)，北京城市軌道交通維護基本組織架構(gòu)見圖1（運一、運二、運三、運四代表北京地鐵運營有限公司一、二、三、四分公司）。各專業(yè)設(shè)備公司下設(shè)項目部，每個項目部負(fù)責(zé)1～2 條線路，各項目部負(fù)責(zé)所轄區(qū)域的設(shè)施設(shè)備維護管理工作，項目部下設(shè)維修班組；各專業(yè)維修公司獨立管理，獨立編制維修計劃、獨立作業(yè)。

圖1 北京城市軌道交通維護基本組織架構(gòu)

1.2 設(shè)施設(shè)備大數(shù)據(jù)應(yīng)用

以車輛系統(tǒng)為例，北京城市軌道交通車輛系統(tǒng)目前配有車輛檢修手持記錄儀、車輛及設(shè)施設(shè)備巡檢系統(tǒng)、車輛走行部在線監(jiān)測系統(tǒng)以及軌旁設(shè)備在線監(jiān)測系統(tǒng)等系統(tǒng)設(shè)備。雖每天可通過這些監(jiān)測設(shè)備采集到大量車輛運行數(shù)據(jù)，但各設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議不統(tǒng)一導(dǎo)致數(shù)據(jù)難以融合，致使采集到的設(shè)施設(shè)備大數(shù)據(jù)無法發(fā)揮作用［4］。同時不僅車輛系統(tǒng)內(nèi)部存在此類問題，城軌各系統(tǒng)之間大數(shù)據(jù)應(yīng)用現(xiàn)狀也是如此，海量的設(shè)施設(shè)備運營數(shù)據(jù)無法得到有效的共享融合和互聯(lián)互通，存在“信息孤島”的局面。

1.3 設(shè)施設(shè)備維護

北京城市軌道交通自1969 年10 月正式運營通車直到現(xiàn)在半個多世紀(jì)的時間，雖然很多設(shè)施設(shè)備不斷更新，但一些設(shè)施設(shè)備使用年限長久，需要定期維護。

以機電設(shè)施設(shè)備為例，車站機電設(shè)備維保部門管理的設(shè)施設(shè)備和系統(tǒng)主要包括通風(fēng)空調(diào)、給排水、動力照明、電扶梯、站臺門、門禁、BAS（環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)）、FAS（火災(zāi)報警系統(tǒng)）等［5］，機電設(shè)施設(shè)備種類達上百種，數(shù)量更是不計其數(shù)，這對傳統(tǒng)運維模式而言，無論是維護團隊規(guī)模，還是維護人員的專業(yè)技術(shù)能力，都面臨巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的車站機電設(shè)施設(shè)備運維模式按固定的日、周、月、年進行標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容檢修，會造成過度檢修和人力資源浪費等問題。這種維護模式缺乏對維護過程的準(zhǔn)確控制和對維護數(shù)據(jù)的深度挖掘，不利于城市軌道交通運維智能化發(fā)展［6］。

城市軌道交通巨大數(shù)量設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)檢測、診斷決策和維護處置主要依靠人工作業(yè)，智能化程度較低，對檢修數(shù)據(jù)的深度挖掘和分析能力不足，很難實現(xiàn)狀態(tài)的預(yù)測預(yù)警和全壽命周期維護策略的優(yōu)化，維護模式以“故障修+計劃修”為主，為避免設(shè)施設(shè)備運營容易出現(xiàn)過修的現(xiàn)象，一些年久的設(shè)施設(shè)備易存在欠修的情況，難以實現(xiàn)依據(jù)設(shè)施設(shè)備狀態(tài)維護以及故障預(yù)測預(yù)警。北京城市軌道交通現(xiàn)有的維護管理模式已經(jīng)不能完全適應(yīng)快速高效故障處置的需求，作業(yè)效率有待提升。

1.4 資產(chǎn)管理

北京城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運維與資產(chǎn)管理聯(lián)動不足，設(shè)施設(shè)備信息化管理程度不夠深入，難以支撐資產(chǎn)管理。目前物資沒有統(tǒng)一編碼，且編碼的物資不全面，物資在各部門之間流轉(zhuǎn)時編碼方式改變，無法對物資進行管理、跟蹤，進而無法實現(xiàn)資產(chǎn)的全生命周期信息化管理和精細(xì)化管理。目前物資采購數(shù)量確定主要依靠經(jīng)驗，采購數(shù)量往往多于實際需求量，造成庫存積壓和資金占用，物資更新改造沒有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，不同部門對物資是否需要更新判斷不一致，不易管理。

2 北京城市軌道交通基于智能運維的維護管理新模式

對于北京城市軌道交通維護成本高、維護資源共享低、維護資產(chǎn)與需求無聯(lián)動、維護模式不集約等問題，研究面向運行和服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化集約智能維護管理新模式，旨在提高故障響應(yīng)速度、優(yōu)化維護策略、資產(chǎn)智能聯(lián)動，實現(xiàn)資源共享、降本增效。主要包括城市軌道交通設(shè)施設(shè)備大數(shù)據(jù)應(yīng)用管理模式、城市軌道交通設(shè)施設(shè)備智能維護模式以及城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化維護資產(chǎn)智能聯(lián)動模式3 部分內(nèi)容，其中第1 部分是后2個部分的基礎(chǔ)與前提。

2.1 設(shè)施設(shè)備大數(shù)據(jù)應(yīng)用管理模式

大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)意義數(shù)據(jù)相比，主要有數(shù)據(jù)量龐大、數(shù)據(jù)維度多、數(shù)據(jù)時效性強、真假數(shù)據(jù)共存的特點。通過城軌設(shè)施設(shè)備自帶的數(shù)據(jù)采集工具采集設(shè)施設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，對數(shù)據(jù)進行科學(xué)管理。通過建立科學(xué)合理的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)據(jù)進行分析，充分挖掘數(shù)據(jù)中的有用信息，最終對實際維護決策提出針對性的建議［7］。

現(xiàn)有的城軌設(shè)施設(shè)備數(shù)據(jù)應(yīng)用量尚未達到“大數(shù)據(jù)”該有的數(shù)據(jù)量，只是利用大數(shù)據(jù)的思想發(fā)現(xiàn)問題找到原因?，F(xiàn)多為各行業(yè)、單位、系統(tǒng)“信息孤島”的局面。如何做到真正的信息交互共享，可以參考以下幾種途徑。

（1）部門相同專業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)共享互通。相同專業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)共享互通可以減少數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入，同時提高數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性。例如將車輛履歷管理系統(tǒng)、車輛備品備件更新系統(tǒng)和車輛故障記錄系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)共享互通，當(dāng)車輛因發(fā)生故障更換備品備件時，只需在1個系統(tǒng)中進行數(shù)據(jù)錄入，其他關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)則會自動進行數(shù)據(jù)更新，保證數(shù)據(jù)的高度統(tǒng)一性。

（2）部門不同專業(yè)之間數(shù)據(jù)局域集成。對于多專業(yè)共同接口的設(shè)施設(shè)備，在數(shù)據(jù)搜集時會因為專業(yè)間的信息壁壘導(dǎo)致收集的數(shù)據(jù)片面化、離散化和失真，最終造成基于搜集數(shù)據(jù)分析結(jié)果的錯誤導(dǎo)向。所以需要針對不同專業(yè)搭建數(shù)據(jù)局域集成平臺，將不同專業(yè)設(shè)施設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)在平臺內(nèi)共享。

搭建的平臺在數(shù)據(jù)集成模塊提供多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入能力，支持結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的實時數(shù)據(jù)采集與離線數(shù)據(jù)采集，將城市軌道交通不同專業(yè)數(shù)據(jù)匯聚后，統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)分析與共享，從而達到解決系統(tǒng)間信息交換困難、信息共享度低、服務(wù)無法共享、信息難以綜合利用等問題的目的［8］。同時可以按需根據(jù)不同設(shè)施設(shè)備實際接口情況設(shè)置專業(yè)訪問權(quán)限，在數(shù)據(jù)共享的同時，保留一定的私密性選擇。

（3）全生命周期數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)化。將設(shè)施設(shè)備全生命周期整個業(yè)務(wù)系統(tǒng)流程作為數(shù)據(jù)源，包括產(chǎn)品的設(shè)計、驗證、制造、采購、安裝、運行、維護、改造更新、退役等過程，建立跨單位跨部門的信息互聯(lián)平臺?？梢源龠M各系統(tǒng)之間資源共享開放與業(yè)務(wù)協(xié)同創(chuàng)新，設(shè)施設(shè)備故障時可以通過數(shù)據(jù)追根溯源，深入分析原因，進行循環(huán)優(yōu)化。同時可以減少后期運維階段采購信息的回溯工作量，解決因城軌運營時間長帶來的早期文件查找困難問題［9-10］。

2.2 設(shè)施設(shè)備智能維護模式

針對目前城市軌道交通按線路管理遇到的問題，提出“打破線路、打破專業(yè)、打破平戰(zhàn)、條塊結(jié)合”的理念，借助網(wǎng)絡(luò)化維護資產(chǎn)智能聯(lián)動關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)合北斗地下基準(zhǔn)體系對設(shè)施設(shè)備及人員精準(zhǔn)定位，利用5G 通信提供遠(yuǎn)程專家支持，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化超大城市軌道交通智能維護新模式。

2.2.1 綜合巡檢

將車站、隧道等具有相同作業(yè)空間的巡檢業(yè)務(wù)與人員整合，采用北斗技術(shù)對設(shè)施設(shè)備及人員精準(zhǔn)定位，利用5G 通信提供遠(yuǎn)程技術(shù)支撐，按照規(guī)劃的巡檢路線完成車站、隧道綜合巡檢。提升綜合能力，打破專業(yè)壁壘，條塊結(jié)合，實現(xiàn)按區(qū)域劃分，打破線路界限。綜合巡檢示意見圖2。

圖2 綜合巡檢示意圖

綜合巡檢優(yōu)點：巡檢效率提升、巡檢路線精準(zhǔn)規(guī)劃；有效預(yù)防漏檢、人員組織優(yōu)化；專家遠(yuǎn)程支撐；夜間窗口利用率提高。

2.2.2 綜合智能狀態(tài)修

在同一場景或地點，不同專業(yè)維護人員協(xié)同開展跨專業(yè)綜合作業(yè)，部分專業(yè)實行區(qū)域化維護作業(yè)（如AFC、電梯等），實現(xiàn)區(qū)域化多專業(yè)協(xié)同維護。運用智能感知技術(shù)全面感知設(shè)施設(shè)備狀態(tài)，建立狀態(tài)評價、故障致因分析、故障預(yù)測、維護決策模型和案例庫，實現(xiàn)故障預(yù)警，推進各專業(yè)設(shè)施設(shè)備的狀態(tài)修。綜合智能狀態(tài)修示意見圖3。

圖3 綜合智能狀態(tài)修示意圖

綜合智能狀態(tài)修優(yōu)點：提升維護效率，降低維護成本；專業(yè)有機融合，接口作業(yè)高效協(xié)作；共享維護人員和設(shè)施設(shè)備等資源；實現(xiàn)預(yù)測性狀態(tài)修；可實現(xiàn)資產(chǎn)、物資和備品備件智能聯(lián)動。

2.2.3 區(qū)域化應(yīng)急搶修

采用北斗技術(shù)對設(shè)施設(shè)備及人員精準(zhǔn)定位，利用5G 通信提供遠(yuǎn)程技術(shù)支撐，結(jié)合智能維護增強平臺統(tǒng)一發(fā)布故障信息及應(yīng)急人員調(diào)度，實現(xiàn)區(qū)域化綜合搶修和設(shè)施設(shè)備故障的快速定位及快速處置。傳統(tǒng)應(yīng)急搶修模式見圖4，區(qū)域化應(yīng)急搶修模式見圖5。

圖4 傳統(tǒng)應(yīng)急搶修模式

圖5 區(qū)域化應(yīng)急搶修模式

現(xiàn)有的應(yīng)急模式設(shè)置網(wǎng)絡(luò)化搶修布點、劃分各自的負(fù)責(zé)區(qū)域，出現(xiàn)故障后由區(qū)域內(nèi)集中站派人員維護。區(qū)域化的應(yīng)急搶修模式，基于北斗+空間數(shù)字化技術(shù)對人員和設(shè)施設(shè)備進行定位，當(dāng)故障發(fā)生時派遣最近的維護人員，實現(xiàn)快速響應(yīng)，AR技術(shù)輔助維護可提高維護效率。

2.3 網(wǎng)絡(luò)化維護資產(chǎn)智能聯(lián)動模式

通過對北京城市軌道交通維護物資管理分析，針對北京城市軌道交通存在的物資信息化管理不成熟、物資編碼不統(tǒng)一、設(shè)施設(shè)備采購依賴經(jīng)驗及物資共享程度低、資產(chǎn)聯(lián)動程度不高等問題，提出維護物資資產(chǎn)聯(lián)動和信息化管理的框架建議（見圖6），通過物資編碼統(tǒng)一或編碼映射，結(jié)合射頻識別技術(shù)，搭建完整的物資信息化管理平臺，實現(xiàn)物資管理全過程信息化?；趯ξ镔Y實時信息的掌握和更新，對物資剩余壽命進行預(yù)測，并對采購提供指導(dǎo)和建議，優(yōu)化庫存，實現(xiàn)資源更高層級的共享。將這些優(yōu)化技術(shù)置于信息化管理平臺，根據(jù)平臺中數(shù)據(jù)及時更新，實現(xiàn)信息的互相反饋，進而實現(xiàn)資產(chǎn)的智能聯(lián)動［3］。

圖6 維護物資資產(chǎn)聯(lián)動和信息化管理框架建議

3 結(jié)束語

為提高北京城市軌道交通維護管理效率，分析北京城軌交通設(shè)施設(shè)備維護管理現(xiàn)狀。針對目前存在的維護作業(yè)智能化程度低、設(shè)施設(shè)備運維與資產(chǎn)管理聯(lián)動不足、設(shè)施設(shè)備全生命周期數(shù)據(jù)分散等問題，探討面向運行和服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化集約智能維護管理新模式。提出“網(wǎng)絡(luò)化”超大城市軌道交通智能維護模式、城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化維護資產(chǎn)智能聯(lián)動模式以及基于大數(shù)據(jù)的城市軌道交通設(shè)施設(shè)備維護管理模式，以推動我國城市軌道交通維護管理模式向更智能化的方向發(fā)展。