地鐵車輛基地智能運維管理平臺的設計及實現(xiàn)

牛乙清

(濟南軌道交通集團第一運營有限公司，山東 濟南 250022）

0 引言

城市軌道交通在城市發(fā)展中發(fā)揮著重要作用，城市發(fā)展對城市軌道交通的安全、可靠、高效、密集、互聯(lián)、智能發(fā)展提出越來越高的要求。在保證城市軌道交通系統(tǒng)安全可靠運行的基礎上，如何在滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的同時，應用現(xiàn)代信息技術，建立并優(yōu)化智能管理系統(tǒng)，最大限度地提高城市軌道交通設備的運營效率、降低維護成本，已成為軌道交通行業(yè)關注和研究的課題。成都某線地鐵車輛基地建成并投入應用的智能運維管理平臺對此進行有益嘗試并取得成功。

1 分析車輛基礎業(yè)務

第一，車輛基地的生產活動是車輛基地的主要工作之一，包括制訂車輛維修計劃和維修活動管理，制訂客運工作計劃和客運活動管理。生產活動的目標是優(yōu)化車輛基地維修資源，及時完成車輛維修任務，保證車輛隨時健康運行，優(yōu)化客運資源利用，圓滿完成車輛運輸任務[1]。從時間序列角度來看，車輛基地的生產經(jīng)營過程可以分為規(guī)劃、計劃實施、統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和決策三個階段。規(guī)劃階段的實質是在時間和空間上合理安排車輛基地的維修資源和乘務資源，確定周期內的維修任務和乘務任務，其合理性直接關系到維修資源和乘務資源的使用、車輛維修費用和乘務費用；計劃實施階段的實質是及時處理機組檢修過程和運行中的異常情況，保證機組檢修計劃和運行計劃的順利實施；統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和決策階段的統(tǒng)計分析主要是任務完成情況的統(tǒng)計分析，包括任務完成率、資源利用率以及各種異常情況的分析，為下一個決策階段提供數(shù)據(jù)[2]。

第二，車輛基地的運輸組織是基地內車輛的組織和計劃以及車輛進出基地的運行過程（通常稱為轉運服務）。車輛段控制中心（DCC）根據(jù)運行控制中心（OCC）發(fā)送的列車運行計劃，確定列車連接進路，制訂車輛滾動計劃，然后將車輛分配到特定的軌道，在指定的時間段內運行。同時，根據(jù)OCC 發(fā)布的列車運行調整方案，完成運輸任務的車輛將在規(guī)定時間內納入車輛部分的檢修或停車軌道。影響車輛基地運營成本的主要因素是接收軌道的合理性、基地車輛的軌道以及接收車輛時的軌道布局。列車銜接不當導致所需車輛數(shù)量和進出基地空車數(shù)量增加；車輛在地基上的不合理移動導致能耗增加；提車時車道布局不合理，影響第二天出發(fā)，造成不必要的搬運和費用。

第三，補充活動。為了保證維修的安全和質量，車輛基地還必須進行安全和質量檢查，以便在車輛基地進行安全和質量保證作業(yè)[3]。同樣，在實施計劃時，需要備件和維修工具等資源，這就導致備件和工具的管理。與基本的車輛生產和運輸組織作業(yè)不同，輔助作業(yè)的目的是保證生產的安全和質量，與運輸任務無直接相關。

第四，分析企業(yè)之間的關系。從企業(yè)內容來看，車輛基地的生產活動和運輸組織相對獨立。生產活動側重車輛的維護和使用，以確保車輛健康并有足夠的人員執(zhí)行運輸任務；運輸組織活動的重點是為主要道路提供健康的車輛，并將執(zhí)行運輸任務的車輛連接到指定軌道。但是這兩個活動之間是互動的，甚至一個企業(yè)的質量會影響到另一個企業(yè)的效率。如果無法完成車輛基礎的生產運營，將導致健康車輛或人員的短缺，可能導致車輛基礎無法正常啟動；如果被檢車輛在回收過程中在軌道上，車輛的維護需要額外的機動，可能影響維護工作的順利進行。輔助工作包括安全和質量保證體系，以補充運輸組織提供的生產和物流作業(yè)。如：資產管理系統(tǒng)，為車輛和操作人員的維護提供備件和乘務人員資源；五個保護系統(tǒng)確保車輛維護期間的電氣安全。安全和質量管理確保所有車輛維護活動符合安全要求和各種維護規(guī)章制度[4]。車輛基本活動之間的關系如圖1 所示。

圖1 車輛基地業(yè)務關系示意

上述分析表明，這三種類型的公司是相互獨立和相互依存的。在為車輛基地建立人工智能IT 運營管理平臺時，應考慮提高車輛基地的運營效率，有效降低運營和維護成本。

2 城市軌道交通車輛基地運營現(xiàn)狀分析

一是計劃信息不同步。手動記錄和手動交換用于車站計劃、維修計劃和城市車站客運計劃之間的數(shù)據(jù)交換和更新。手動確認車輛位置、車牌號、跑道停電信息，手動調整儀表盤顯示的占用磁條。車輛狀態(tài)更新慢，往往導致實時信息滯后，調度與其他信息不同步。比如，車站工作人員誤錄入列車時刻表和列車位置信息，從而耽誤列車計劃員的日常列車運行計劃；信號監(jiān)視器未及時輸入軌道上的停車信息，會導致司機在停電區(qū)域駕駛列車；控制信息未及時輸入，會導致未使用的列車脫離車輛段，延誤直線運行等情況出現(xiàn)[5]。

二是OCC 與車輛的協(xié)調是通過自動監(jiān)控系統(tǒng)（ATS）來實現(xiàn)的，ATS 功能單一，不能滿足。城市軌道交通車輛基地運營的各種要求。大多數(shù)ATS 擴展僅限了解車載基站的牽引方向剖面和顯示，但需對車載基站的其他操作有一定了解。比如，列車發(fā)車時刻表由調度部門制訂，通過紙質表格通知到部門，并沒有可靠的信息管理。在城市軌道交通車輛的基礎上，通常需要設置一個金屬板來記錄和顯示車輛編號和車輛位置信息，設置一個磁板來顯示車輛編號、軌道位置等信息。

三是企業(yè)管理不夠高效。城市軌道交通車輛基站的生產計劃是手工制訂的，通過創(chuàng)建發(fā)車計劃來組織車輛的日常運營計劃[6]。同時，很多基地部門使用紙質電子表格和Excel 電子表格記錄生產經(jīng)營信息，給員工帶來高工作量和高出錯率，尤其難以對歷史信息的可追溯性進行統(tǒng)計分析。對于每兩周檢查一次的計劃，Excel 電子表格中的表格以不同顏色顯示計劃的開始和結束時間、計劃維護的類型以及維護團隊的信息。由于所有程序都是手工記錄，無法自動生成統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如車輛動態(tài)表、兩天檢查表、服務票等。

四是由于諸多因素影響，城市軌道交通基地的規(guī)劃過程復雜而低效。生產任務的完成需要多個部門的直接反復協(xié)調和確認基本流程實例。

第一，根據(jù)列車里程、維修碼表等信息，對車輛維修機構進行檢查檢驗，并將車輛信息以紙質形式傳輸給現(xiàn)場調度員。

第二，現(xiàn)場計劃員根據(jù)主列車運行計劃的要求和可利用的車輛信息，編制每日列車運行計劃，并將運行計劃發(fā)送至地鐵運營中心和車務段辦公室，根據(jù)每日列車運行計劃編制總運行計劃，組織客運工作。

第三，乘務員按計劃安排旅行過程。

第四，根據(jù)軌道規(guī)劃器處理的道路運行情況，以及電力規(guī)劃器提供的接觸網(wǎng)狀態(tài)，來保證電動車輛的正常運行。

3 智能運維管理平臺的邏輯架構

如圖2 所示，車載基礎智能運營管理平臺的邏輯架構分為四個層次：數(shù)據(jù)層、計劃管理層、調度管理層和決策分析層。數(shù)據(jù)層主要完成基礎數(shù)據(jù)的管理和相關信息的采集；計劃管理層主要完成生產計劃（包括車輛維修、客運業(yè)務）和恢復計劃的制訂；調度管理層主要是對車輛維護、乘客規(guī)劃、鐵路運營規(guī)劃、監(jiān)控等指揮活動的補充，以解決運營過程中出現(xiàn)的各種問題，確保各項活動安全、正確地完成。決策分析層主要完成各種生產數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，生成相應的報告，并進行成本分析。圖2 所示的物料管理、人員管理、安全管理、質量管理和車輛管理模塊用于支持業(yè)務管理[7]。大多數(shù)車輛基地建立了相應的信息管理系統(tǒng)，為了避免重復投資，在構建智能運營管理平臺和維護車輛基礎時，要考慮與這些系統(tǒng)的接口或與現(xiàn)有系統(tǒng)兼容。

圖2 車輛基地智能運維管理平臺邏輯架構

4 智能運維管理平臺的軟件結構

用戶模式是用于解釋、可視化和記錄面向對象系統(tǒng)產品的標準語言，也是面向對象設計中的建模工具。根據(jù)面向對象軟件工程的概念，采用類圖和序列圖對軟件結構進行設計和UML 描述。

一是根據(jù)面向對象軟件工程的理念，通過業(yè)務分析，列出車輛維修、客運運營、交通組織和與邏輯層對應的基本類別。車輛維修計劃、旅客卸載計劃和換乘計劃應在車輛維修計劃、旅客卸載計劃和換乘計劃優(yōu)化數(shù)學模型的基礎上制訂。由于數(shù)學模型的不斷改進和完善，三種方案的實現(xiàn)代碼也需要修改和維護。在系統(tǒng)設計中，抽象出CPMaking、VPMaking 和VUsingMaking 三個程序，分為VPManage、CPlanManage和VUsingPlan 類，方便系統(tǒng)的后續(xù)維護。

二是時序圖從靜態(tài)的角度描述組成平臺的類別之間的關系，而時序圖從動態(tài)的角度描述組成平臺的對象之間的動態(tài)關系。消息傳遞的過程如下：通過DataAccess 對象從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)—VPMaking 對象制訂檢修計劃并將計劃傳遞給VPManage 對象—VPManage 對象根據(jù)檢修計劃將檢修工單發(fā)送給檢修VMWorkSheetManage 對 象—VMWorkSheetManage 對象將檢修工單發(fā)送給相應的檢修班組對象VMWork-Group—檢修班組對象VMWorkGroup 在檢修完畢后向VMWorkSheet 提出銷單申請。最后以表格或圖形的形式將統(tǒng)計信息提供給管理器。

5 實際應用

第一，提高工作效率，降低勞動強度。系統(tǒng)實施后，計劃和人工確認單趟列車到站的時間由20min 減少到2min。手動確認路況從10min 壓縮到5min；人工創(chuàng)建維護作業(yè)和自動轉換到系統(tǒng)中，每個作業(yè)的分發(fā)時間從20min 縮短到10s 左右（無閱讀時間）；將車輛的周保養(yǎng)計劃從24h 減少到1h 左右（人工調整所需的時間），將時間縮短大約4h10min。在系統(tǒng)實施之前，各類數(shù)據(jù)都是以紙質或Excel 電子表格的形式記錄，統(tǒng)計分析耗時長且容易出錯[8]。實施后，各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計由管理平臺自動進行，減輕了人員的工作強度。

第二，系統(tǒng)實施后，車輛維修人員由10 人減少到5人，信號樓操作員由16 人減少到8 人。客運人工計劃改為系統(tǒng)化自動計劃，取消了原有的八項人工計劃任務，有效降低人工成本。此外，管理平臺的實施實現(xiàn)了信號、通信、車輛、技術、電力等各行業(yè)的數(shù)據(jù)交換，消除“信息孤島”現(xiàn)象；各種數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫的形式存儲，為未來大數(shù)據(jù)技術在地鐵運營中的應用提供大量基礎數(shù)據(jù)。

6 結語

創(chuàng)建地鐵車輛基地人工智能IT 運營管理平臺可以有效管理車輛基地的車輛維護活動和客運運營活動，此舉把人工智能引進應用到以地鐵為代表的現(xiàn)代交通運輸組織體系，推進交通運輸運營管理現(xiàn)代化進程，揭示現(xiàn)代化交通體系建設發(fā)展方向。目前，該平臺還面臨進一步擴展和完善，還沒有把所有與車輛維修流程相關的活動都充分考慮進去。例如：出入控制裝置、五防裝置和車輛維修防護罩的管理還沒有納入平臺系統(tǒng)。平臺還缺乏對車輛故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)和人員使用數(shù)據(jù)的分析功能。對此，還要予以完善和提高。