李政江,樊茜琪,韓斌
(1.同濟(jì)大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院,上海 201804;3.上海軌道交通檢測(cè)認(rèn)證(集團(tuán))有限公司,上海 201804)
城市軌道交通是高效、安全、環(huán)保的公共交通方式,為城市發(fā)展和居民出行提供了重要支撐,其運(yùn)行質(zhì)量和安全性直接關(guān)系到城市發(fā)展和人民生活[1]。為保障城市軌道交通正常運(yùn)營,需要對(duì)其進(jìn)行有效的運(yùn)維管理,提高設(shè)備可靠性和安全性、降低故障率和維修成本、延長設(shè)備壽命。
目前,城市軌道交通運(yùn)維管理主要有2種模式:傳統(tǒng)運(yùn)維模式和智能運(yùn)維模式。傳統(tǒng)運(yùn)維模式指根據(jù)設(shè)備制造商提供的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),按照固定的時(shí)間間隔或使用壽命對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢查、更換、修理等預(yù)防性運(yùn)維活動(dòng),以及在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行緊急處理的反應(yīng)性運(yùn)維活動(dòng)[2]。這種模式依賴人工經(jīng)驗(yàn)判斷,缺乏對(duì)設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分析,容易導(dǎo)致過度或不足的維護(hù),造成資源浪費(fèi)或存在安全隱患。智能運(yùn)維模式是指利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段,通過對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、分析挖掘等過程,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)的精準(zhǔn)診斷、預(yù)測(cè)和優(yōu)化,并根據(jù)設(shè)備實(shí)際需要制定個(gè)性化、靈活的運(yùn)維計(jì)劃和方案,以及在設(shè)備發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行快速響應(yīng)和恢復(fù)的主動(dòng)性維護(hù)活動(dòng)[3]。這種模式可以提高設(shè)備效率和可用性,降低故障風(fēng)險(xiǎn)和停機(jī)損失,節(jié)約人力物力。
智能運(yùn)維成為城市軌道交通運(yùn)維模式發(fā)展的必然趨勢(shì),建立智能運(yùn)維模式下的科學(xué)合理運(yùn)維管理指標(biāo)體系對(duì)于評(píng)價(jià)和監(jiān)控城市軌道交通運(yùn)行狀況及運(yùn)維效果至關(guān)重要。通過建立指標(biāo)體系,可以為軌道交通運(yùn)營商提供客觀、公正、透明的評(píng)價(jià)工具,更好地了解軌道交通設(shè)施的運(yùn)行情況,為軌道交通設(shè)施的運(yùn)維管理提供科學(xué)依據(jù),幫助其制定合理的運(yùn)維計(jì)劃和策略、優(yōu)化資源配置、提高服務(wù)質(zhì)量、提高設(shè)施的可靠性和安全性;可以為軌道交通監(jiān)管部門提供有效、可靠、靈活的監(jiān)督手段,幫助其制定合理的政策和標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)對(duì)運(yùn)營商的指導(dǎo)和督促,保障公共利益;可以為軌道交通研究機(jī)構(gòu)提供豐富、詳實(shí)、動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)源,幫助其深入地研究和分析,推動(dòng)軌道交通技術(shù)和管理的創(chuàng)新及發(fā)展。
傳統(tǒng)運(yùn)維模式主要依靠人工巡檢、定期保養(yǎng)、故障排除等方式,各專業(yè)獨(dú)立維保,信息共享程度低,數(shù)據(jù)較分散;受不同運(yùn)營管理主體、不同素養(yǎng)層次的維保人員約束,數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性、規(guī)范性、統(tǒng)一性難以保證;多源異構(gòu)數(shù)據(jù)缺乏有效的深入分析,在本領(lǐng)域一直未形成有效的研究,導(dǎo)致大量有價(jià)值的信息流失[4]。
智能運(yùn)維模式通過提升設(shè)備智能化水平,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備全生命周期狀態(tài)信息的獲取與分析,并根據(jù)分析結(jié)果制定最優(yōu)運(yùn)營策略。
(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè):通過安裝各類傳感器采集設(shè)備各項(xiàng)參數(shù)數(shù)據(jù),并通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)上傳至云端平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。
(2)預(yù)測(cè)預(yù)警:通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘及建模,結(jié)合人工智能技術(shù)對(duì)未來趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)與預(yù)警,并及時(shí)向相關(guān)人員發(fā)送報(bào)警信息。
(3)診斷優(yōu)化:通過人工智能技術(shù)對(duì)故障原因進(jìn)行自動(dòng)診斷,并根據(jù)診斷結(jié)果制定相應(yīng)的優(yōu)化方案,提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。
城市軌道交通在傳統(tǒng)運(yùn)維模式和智能運(yùn)維模式下的運(yùn)維管理指標(biāo)體系存在較大差異。
(1)目標(biāo)層:傳統(tǒng)運(yùn)維模式注重保證基本功能正常工作,并滿足相關(guān)法規(guī)要求;而智能運(yùn)維模式追求提升整體性能水平,并實(shí)現(xiàn)持續(xù)改進(jìn)。
(2)內(nèi)容層:傳統(tǒng)運(yùn)維模式關(guān)注單個(gè)設(shè)備或部件的狀態(tài)參數(shù);而智能運(yùn)維模式關(guān)注整個(gè)系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。
(3)方法層:傳統(tǒng)運(yùn)維模式采用經(jīng)驗(yàn)法則或固定公式計(jì)算;而智能運(yùn)維模式采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)或機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立。
(4)評(píng)價(jià)層:傳統(tǒng)運(yùn)維模式以事后分析為主;而智能運(yùn)維模式以事前預(yù)警為主。
因此,在運(yùn)維模式新要求下,要根據(jù)不同的場(chǎng)景需求和技術(shù)條件合理建立運(yùn)維管理指標(biāo)體系,并不斷完善更新。
為實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維,需要建立科學(xué)合理的管理指標(biāo)體系,以評(píng)價(jià)城市軌道交通的設(shè)備狀況和運(yùn)行效果,并為后續(xù)的優(yōu)化改進(jìn)提供依據(jù)。傳統(tǒng)的運(yùn)維管理通常只關(guān)注設(shè)備層面,智能運(yùn)維管理考慮經(jīng)濟(jì)因素、乘客因素、監(jiān)管認(rèn)可等方面,以更全面的視角實(shí)施管理。智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系應(yīng)當(dāng)可以識(shí)別智能運(yùn)維模式下影響城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)維質(zhì)量和成本的關(guān)鍵因素;建立反映智能運(yùn)維管理目標(biāo)、過程和結(jié)果的綜合性、分層次的指標(biāo)體系;建立基于數(shù)據(jù)分析和多標(biāo)準(zhǔn)決策的定量評(píng)價(jià)方法,以衡量智能運(yùn)維管理的績(jī)效和效果;為改進(jìn)智能運(yùn)維管理策略和時(shí)間提供意見和建議。
運(yùn)維管理指標(biāo)體系是指從不同角度和層次,對(duì)城市軌道交通設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài)、性能、質(zhì)量和效益等進(jìn)行量化及評(píng)價(jià)的一系列指標(biāo)。
為真實(shí)反映城市軌道交通實(shí)行智能運(yùn)維后設(shè)備或系統(tǒng)的狀態(tài),提出目標(biāo)導(dǎo)向性、系統(tǒng)性、可操作性、可比性、動(dòng)態(tài)性等幾個(gè)原則,基于此原則進(jìn)行智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系的構(gòu)建。
(1)目標(biāo)導(dǎo)向性:指標(biāo)體系應(yīng)與城市軌道交通智能運(yùn)維目標(biāo)一致,并反映其重點(diǎn)關(guān)注領(lǐng)域。
(2)系統(tǒng)性:指標(biāo)體系應(yīng)涵蓋城市軌道交通各子系統(tǒng)及其相互關(guān)聯(lián)影響,反映其整體情況。
(3)可操作性:具有清晰的數(shù)據(jù)來源和采集方式,可驗(yàn)證性高,便于實(shí)施和監(jiān)控。
(4)可比性:一定程度上采用統(tǒng)一的定義和可轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法,使不同設(shè)備或系統(tǒng)之間可以進(jìn)行比較。
(5)動(dòng)態(tài)性:根據(jù)城市軌道交通發(fā)展變化、設(shè)備或系統(tǒng)的變化情況,及時(shí)調(diào)整指標(biāo)的權(quán)重和范圍。
采用頭腦風(fēng)暴法和德爾菲法[5]相結(jié)合的方式進(jìn)行智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系的構(gòu)建。通過文獻(xiàn)閱讀整理進(jìn)行影響因素篩選,經(jīng)討論求證后建立影響因素清單,同時(shí)將智能運(yùn)維管理的相關(guān)背景和評(píng)價(jià)體系的要求目的向若干有經(jīng)驗(yàn)的專家提出;專家提出的指標(biāo)綜合后再反饋給專家,如此反復(fù)多次;通過頭腦風(fēng)暴法形成最終的智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系。通過以上方式,可最大限度地減少指標(biāo)制定的隨意性,使指標(biāo)體系更全面、合理、可靠。
從目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3個(gè)層次構(gòu)建城市軌道交通智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系。從目標(biāo)層開始根據(jù)不同指標(biāo)類型進(jìn)行細(xì)分,直至細(xì)化到單個(gè)可驗(yàn)證、可獲取的指標(biāo)。城市軌道交通智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系架構(gòu)見圖1。
圖1 城市軌道交通智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系架構(gòu)
第1層次為目標(biāo)層,將“城市軌道交通智能運(yùn)維管理”作為目標(biāo),指導(dǎo)整個(gè)指標(biāo)體系建立。第2層次為準(zhǔn)則層,以設(shè)備可靠性、設(shè)備安全性、運(yùn)營質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量作為支撐進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。第3層次為指標(biāo)層,即分析維護(hù)管理的各個(gè)因素,并評(píng)估權(quán)重為智能運(yùn)維模式優(yōu)化提供建議。
2.5.1 設(shè)備可靠性
設(shè)備可靠性指標(biāo)反映設(shè)備在正常工作條件下無故障運(yùn)行的能力[6]。
(1)平均無故障里程(MTBF):指單位列車在一定時(shí)間內(nèi)行駛的總里程與發(fā)生故障次數(shù)之比,反映列車運(yùn)行中發(fā)生故障的頻率。
(2)平均修復(fù)時(shí)間(MTTR):指單位列車發(fā)生故障后,從停止運(yùn)行到恢復(fù)正常運(yùn)行所需的平均時(shí)間,反映列車維修效率和能力。
(3)故障率(Failure Rate):指單位列車在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障次數(shù)與總運(yùn)行時(shí)間之比,反映列車運(yùn)行中出現(xiàn)問題的概率。
(4)故障密度(Failure Density):指單位長度軌道或單位數(shù)量信號(hào)系統(tǒng)等在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障次數(shù)與總長度或總數(shù)量之比,反映非移動(dòng)式設(shè)備出現(xiàn)問題的頻率。
設(shè)備可靠性指標(biāo)還包含設(shè)備的平均使用壽命、平均維修次數(shù)、剩余壽命等。
2.5.2 設(shè)備安全性
設(shè)備安全性指標(biāo)反映在異常情況下不造成人員傷害或者環(huán)境污染的能力。
(1)可用度:指單位列車在一定時(shí)間內(nèi)處于可供使用狀態(tài)的時(shí)間與總時(shí)間之比,反映列車對(duì)運(yùn)營需求的滿足程度。
(2)事故率:指在一定時(shí)間內(nèi),線網(wǎng)內(nèi)發(fā)生運(yùn)營質(zhì)量事件的頻次。
(3)嚴(yán)重事故率:嚴(yán)重事故定義為城市軌道交通主要運(yùn)營險(xiǎn)性事件,即列車脫軌;列車沖突;列車撞擊;列車擠岔;列車、車站公共區(qū)、區(qū)間、主要設(shè)備房、控制中心、主變電所、車輛基地等發(fā)生火災(zāi);乘客踩踏;車站、軌行區(qū)淹水倒灌;橋隧結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、坍塌,路基塌陷;大面積停電;通訊網(wǎng)絡(luò)癱瘓;信號(hào)系統(tǒng)重大故障;接觸網(wǎng)斷裂或塌網(wǎng);電梯和自動(dòng)扶梯重大故障;夾人夾物動(dòng)車造成乘客傷亡;網(wǎng)絡(luò)安全事件;造成人員死亡、重傷、3人(含)以上輕傷,以及正線連續(xù)中斷行車1 h(含)以上的其他運(yùn)營事件[7]。
2.5.3 運(yùn)營質(zhì)量
(1)有效利用率(OEE):指真正有效的計(jì)劃生產(chǎn)時(shí)間百分比。該指標(biāo)旨在準(zhǔn)確跟蹤實(shí)現(xiàn)“完美生產(chǎn)”的進(jìn)度以支持TPM計(jì)劃。
(2)投資回報(bào)率(ROI):指通過投資而應(yīng)返回的價(jià)值,即從投資活動(dòng)中得到的經(jīng)濟(jì)回報(bào),用年平均利潤占投資額的比重表示。可相應(yīng)地計(jì)算投資回收期(PBP)=1/ROI。
(3)效益成本比(BCR):指測(cè)算公司收益和成本的比率,可總結(jié)擬議項(xiàng)目的收益和相對(duì)成本之間的總體關(guān)系[8]。
2.5.4 服務(wù)質(zhì)量
(1)乘客投訴率:在單位時(shí)間內(nèi),乘客對(duì)由設(shè)備維保引起體驗(yàn)不佳的投訴量。
(2)回訪調(diào)查滿意率:通過對(duì)乘客進(jìn)行問卷訪談等形式,調(diào)查乘客對(duì)運(yùn)維的滿意程度。
(3)監(jiān)管部門認(rèn)可度:反映專業(yè)或監(jiān)管中存在的問題,由監(jiān)管部門或者第三方評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)出具的評(píng)議結(jié)果作為監(jiān)管部門認(rèn)可度指標(biāo)。
城市軌道交通是復(fù)雜的巨大系統(tǒng),以設(shè)備運(yùn)維劃分即有車輛、土建、機(jī)電、供電、通信、信號(hào)等幾個(gè)專業(yè)子系統(tǒng),若干子系統(tǒng)之間又相互關(guān)聯(lián),因此若以城市軌道交通整體為評(píng)價(jià)對(duì)象,需要先解決各專業(yè)所占權(quán)重問題,再對(duì)同一子系統(tǒng)內(nèi)部不同要素的重要性做出評(píng)價(jià)。
層次分析法可以很好地解決指標(biāo)權(quán)重分配問題。將復(fù)雜問題以有序的階梯層次結(jié)構(gòu)表示后,對(duì)同一層級(jí)的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較,構(gòu)造比較判斷矩陣,通過人的判斷對(duì)決策方案優(yōu)劣進(jìn)行排序。該方法適用于評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)大于4、小于9的評(píng)價(jià)對(duì)象[9]。
邀請(qǐng)行業(yè)專家對(duì)運(yùn)維管理關(guān)注的各個(gè)因素比較并進(jìn)行等級(jí)評(píng)定,得到A-B、B1-C、B2-C、B3-C、B4-C 判斷矩陣,分別計(jì)算權(quán)重并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(見表1—表6)。CI 為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo),RI 為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo),CR 為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率,CR=CI/RI,當(dāng)CR<0.10時(shí),認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受。
表1 A-B層次判斷矩陣
表2 B1-C層次判斷矩陣
表3 B2-C層次判斷矩陣分析
表4 B3-C層次判斷矩陣
表6 影響因素權(quán)重匯總%
從權(quán)重分析可得平均無故障里程、嚴(yán)重事故率、事故率、效益成本比、剩余壽命、平均修復(fù)時(shí)間、監(jiān)管部門認(rèn)可度、回訪調(diào)查滿意率是維護(hù)管理評(píng)價(jià)的主要因素。
在智能運(yùn)維模式下,借助先進(jìn)的傳感器、巡檢機(jī)器人等可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和壽命評(píng)估,更快速定位故障,指導(dǎo)維修策略優(yōu)化,防止過度修或者欠修,提高設(shè)備可靠性,延長使用壽命;智能化設(shè)備不僅可提高巡檢維護(hù)的效率也可降低成本,智能化投入成本回收效率較高;維護(hù)質(zhì)量提升和數(shù)據(jù)共享也可以獲得乘客和監(jiān)管部門的認(rèn)可。
傳統(tǒng)模式下,為保證車輛安全運(yùn)行,巡視人員需每日對(duì)車輛進(jìn)行巡檢作業(yè),每列車有數(shù)千個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目。勞動(dòng)強(qiáng)度大,重復(fù)性強(qiáng);檢查質(zhì)量受個(gè)人技術(shù)水平影響,容易漏檢誤檢造成安全隱患;工作過程存在一定的人員安全風(fēng)險(xiǎn);車輛段巡檢天窗期較短,一旦發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行處理則難以按時(shí)完成巡檢任務(wù),影響正常運(yùn)營。因此亟須利用智能機(jī)器人代替人工對(duì)車輛關(guān)鍵部位進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè),提高檢修的效率。
車輛段自巡檢裝備適用于城市軌道交通車底、車側(cè)的日檢作業(yè),借助機(jī)器人、圖像識(shí)別、人工智能、大數(shù)據(jù)分析與處理等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛關(guān)鍵部位螺釘緊固類、關(guān)鍵部位液位、制動(dòng)閘瓦厚底等的測(cè)量,提供自動(dòng)檢測(cè)功能、故障自動(dòng)識(shí)別上報(bào)功能、定位功能、作業(yè)信息管理功能等。
車輛段自巡檢裝備的應(yīng)用可以有效提升車輛的設(shè)備可靠性、設(shè)備安全性、運(yùn)營質(zhì)量、服務(wù)質(zhì)量等水平。
(1)設(shè)備可靠性:車輛段自巡檢裝備可以通過智能化手段全面發(fā)現(xiàn)、深入挖掘存在的異常情況,并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警上報(bào)。這樣可以避免設(shè)備故障或損壞,延長設(shè)備壽命,降低維修成本和停運(yùn)時(shí)間。
(2)設(shè)備安全性:車輛段自巡檢裝備可以對(duì)車輛的關(guān)鍵部件進(jìn)行全面檢查,如輪對(duì)、制動(dòng)器、牽引電機(jī)等,及時(shí)發(fā)現(xiàn)磨損、裂紋、松動(dòng)等隱患。這樣可以保證車輛的安全運(yùn)行,防止事故發(fā)生,保障乘客和工作人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。
(3)運(yùn)營質(zhì)量:車輛段自巡檢裝備可以高效完成巡檢任務(wù),即使存在故障維修情況也可以對(duì)其他車輛進(jìn)行同步巡檢;而且可以根據(jù)車輛的運(yùn)行狀態(tài)和需求,智能調(diào)度和優(yōu)化車輛的檢修計(jì)劃和流程,減少人工干預(yù)和等待時(shí)間。這樣可以提高車輛的利用率,縮短行程時(shí)間,增加運(yùn)力和客流量。同時(shí)也可以通過提高設(shè)備可靠性、安全性和運(yùn)營效率,降低設(shè)備維修成本和停運(yùn)損失,提高車輛的收入和利潤。
(4)服務(wù)質(zhì)量:車輛段自巡檢裝備可以通過保證車輛的安全、舒適、準(zhǔn)時(shí)和高效的運(yùn)行,提升乘客的出行體驗(yàn)和滿意度。車輛段自巡檢裝備可以將所有采集數(shù)據(jù)上傳到云端平臺(tái)。這樣可以方便相關(guān)運(yùn)營部門和監(jiān)管單位對(duì)車輛的性能、質(zhì)量、安全、效率等方面進(jìn)行監(jiān)督評(píng)議,并及時(shí)反饋意見和建議。
利用建立的智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系對(duì)某地智能運(yùn)維與傳統(tǒng)運(yùn)維進(jìn)行對(duì)比,智能運(yùn)維模式通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警、快速故障診斷和處理等手段提高了服務(wù)質(zhì)量;通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)、優(yōu)化算法等手段提高了服務(wù)效率;通過傳感器、視頻監(jiān)控[10]等手段對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警,減少人工巡檢的頻率和范圍、降低巡檢成本;通過大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)手段對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè),提高維修效率和準(zhǔn)確性的同時(shí)降低了維修成本。
智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系的建立與運(yùn)維單位的管控治理相輔相成、相互促進(jìn)。先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備可以為實(shí)現(xiàn)全方位、全過程的管理提供更多可能,而智能運(yùn)維管理指標(biāo)體系完備的指標(biāo)要求相關(guān)監(jiān)測(cè)、檢修設(shè)備實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的發(fā)展,因此,相對(duì)動(dòng)態(tài)的調(diào)整指標(biāo)體系以適應(yīng)企業(yè)發(fā)展是必要的。