城市軌道交通智能運維系統設計理念與需求分析

袁和耀

（昆明軌道交通四號線投資管理有限公司 云南昆明 655600）

0 引言

城市軌道交通是重要的城市基礎設施，在滿足人們出行需要與促進城市發展方面具有關鍵意義。而隨著各地新建線路的不斷增加，運營維護的成本和壓力也隨之增大，因此，利用信息化與智能化手段提升運維管理水平和效率具有很強的現實意義。

1 基于大數據的信息化技術應用思路

1.1 總體應用思路

大數據是范指規模巨大在采集、存儲、分析、挖掘、管理方面遠遠超出傳統數據庫如關系型數據庫等能力范圍的數據集合，其關鍵意義就是為對數據的專業化處理[1]?，F階段大數據關鍵技術在軌道交通運營維護方面的應用有物聯網、云計算、智能支付、GIS和BIM等，基本應用思路主要是在總體設計上遵循數據獲取、存儲、處理、分析及應用的邏輯順序，在應用框架上可以分為數據層、基礎層、業務層、管理層、決策層和應用層等。其邏輯思路能夠概括為以下兩種：

第一種思路為從底向上，首先從采集數據源出發，利用智能化的數據采集設備實現運維工作的數據化，而后建立規模龐大并不斷更新的數據庫資源，最后在各種設備的維保業務中將數據加以應用。這一思路具有數據結構較為明確、系統性好、完整性強的優點，有利于維保數據的共享和調用。具體應用實例有京投公司的北京軌道交通資產管理系統、京港地鐵的運營資產全生命周期管理理念等。

第二種思路為從頂向下，主要利用數據相關性來決策實際問題和相應的管理需求，根據不同的運維業務和運維場景，建立相應的數據化立體模型，最終形成包含各類維護信息的數據資源。具有目標較為明確、能夠以需求為導向的特點，并能很快體現出信息化應用對維保業務和管理決策的支持作用。

1.2 應用架構

對于設備運維信息化應用思路，其應用原則具有一致性，也就是首先獲取數據，然后進行數據的處理分析，最后進行應用。根據這一邏輯關系構建出基礎層、數據層、應用層的三層架構體系。

其中，基礎層主要負責數據獲取和存儲，具體可以分為底層硬件基礎設備、數據環境以及數據源采集。通過搭建智能監測設備、智能采集設備、低容量存儲設備、低能耗網絡傳輸設備等硬件基礎體系以保證數據采集的穩定性、數據傳輸環境的安全性等。并能利用各種平臺將基礎信息、維修記錄、故障數據等錄入系統。

數據層分為數據處理、數據分析、數據更新三部分，能夠將基礎層獲得的全部信息進行集中，將數據分類、轉換格式，并整理非結構化數據與半結構化，而后根據運維場景分類，對不同場景下的數據進行應用性分析、經濟性分析、數據化分析等，主要包括設備健康曲線、故障曲線、趨勢圖、狀態修提醒等方面，最后根據時間順序將數據進行迭代更新并多備份存儲。

應用層從頂向下可以分為數據決策層、數據管理層、數據業務層、數據接口層四個層級，數據決策層主要提供企業的發展戰略、績效成本等。數據管理層主要包括資產管理和人力資源管理，能夠管理資產的核算、更新、改造、報廢，人員的考勤、排班和資質。數據業務層主要包括設備管理、作業管理、維修計劃、標準管理、物資管理等方面，各個業務部門可以根據以上內容開發相應的系統及平臺。數據接口層預留了設施設備運維管理與列車實時監控、客運組織、應急防災決策、信息發布等應用的接口，以便于數據資源的共享，以及促進不同業務和專業的信息交流。

2 基于大數據的城市軌道交通運維信息化技術的應用

2.1 主要城市應用實例

2.1.1 北京地鐵

北京市基礎設施投資有限公司通過建立北京軌道交通資產管理信息系統。對于投資、建設和運營三方面的信息進行了統一的共享與傳遞。該系統從資產生命周期管理角度（ALC）出發，能夠加強軌道交通資產在形成、使用、維修、移交、更新、改造、報廢處置等方面的聯系，利用工具進行分析查詢，對資產價值鏈與實物進行管理。對投資、建設與運營三部分在信息的共享和傳遞上實現了統一管理，提高了對線路運營資產的分析能力和決策能力。截至2016年1、2、5號線、機場線、大興線已接入該系統，2020年預計接入18條線路。在資產管理系統建立初期，主要任務是將數據梳理和錄入，在數據積累達到一定時間后，利用前期接口對輔助決策體系進行進一步構建與完善。

北京京港地鐵有限公司在2008年即開始在設備運維中應用信息化技術，以“運營數據信息化管理”為公司網絡架構設計基本原則。在2009年自主研發了我國首個全面的運營數據管理系統，能夠對行車信息、客流信息、運力配置、運營指標、等數據做出分析，提高了對設備運行狀態和維修養護方面的管理水平。京港地鐵還開發了地鐵運營信息發布系統，該系統能夠充分結合無線與有線通信技術，能夠提升數傳遞和資源調配的效率，還可以對線路的各類基礎設備進行監控，促進日常維修和維護的數據信息化，對比管理設施設備設計全生命周期，以及資產的實際運行。

2.1.2 上海地鐵

上海地鐵運營有限公司在2005年建立了施工計劃調度系統和整合執法系統，能夠對線路資源做出調配，根據時間和空間對人、電、車等資源合理分布，施工中進行資源安全鎖閉控制，對于具體施工項目進行人、電、車的沖突檢查以保證施工過程的安全。2013年成立的上海地鐵維護保障有限公司設立了車輛、供電、通號、物資、工務、后勤五個分公司。目前上海地鐵設施設備的維護體系中也通過大數據分析平臺構建了線網級維護支持系統、試驗室、電子維修中心等維修體系。比如2015年通號分公司通過搭建信號數據分析平臺。這一平臺起到了對各個線路集中監控以及信號各子系統設備狀態數據進行綜合分析和預警的作用。此外，上海地鐵還建立了保護區數據信息平臺，能夠集中處理和分析保護區的項目監測數據。還有基于多維在線監測系統建立的列車維護場景，能夠運用軌旁綜合檢測、車地無線傳輸等系統監視和分析列車的狀態與故障，還可以實時查詢遠程故障。

2.1.3 廣州地鐵

廣州地鐵通過物聯網與移動互聯網技術實現有效監控作業過程，注重維修現場作業的精細化，在系統考慮人、財、物協同性的基礎上建立維修信息系統。系統的應用架構分為維修業務管理層、支撐管理層、決策支持層和渠道接入層共4層。該系統能夠在設備檢修周期到期之前60d自動生成工單，具有固化維修作業標準、利用手持終端對設備技術文檔等文件進行實時查看、采集和錄入現場設備狀態和音頻、照片、視頻等故障信息等現場信息、生成設備管理統計報表等作用，使管理效率得到提高，故障防控能力得到加強。該系統建立于2013年10月，2014年4月開始在3號線北延段試運行，目前已經投入使用的線路有4條，管理設備9萬臺左右，監測點在40萬個以上，分標準作業模板3500個左右，并有預防性維護計劃4萬份左右。

2.2 軌道運維安全管理的大數據應用

大數據在軌道運維安全管理方面的應用主要有兩方面，第一是基礎數據，第二是動態數據?；A數據會在軌道運維安全管理的不同階段向動態數據轉變，同時動態數據不斷更新，顯示軌道的所有信息。大數據用于軌道運維安全管理，能夠起到控制運維成本、延長軌道壽命、保障城市軌道交通性能的作用，使決策管理的智能化與信息化程度提高。

2.2.1 設備劣化規律分析

大數據技術可以用于軌道幾何劣化規律分析、鋼軌狀態劣化規律分析和道岔大軌件劣化規律分析。軌道幾何劣化規律分析主要是分析軌道單元區段軌道幾何狀態的歷史變化、不同軌道單元區段軌道幾何狀態排序和軌道單元區段軌道幾何狀態預測。軌道幾何劣化規律分析主要是基于TQI、公里扣分、狀態變化速率等指標進行分析和定位的。鋼軌狀態劣化規律分析可以利用里程信息與每根鋼軌的狀態檢測數據結合，分析單根鋼軌狀態的歷史變化趨勢，也可以根據狀態指標對不同鋼軌的狀態進行排序分析，為狀態劣化較快路段的維修計劃提供依據，還可以將單根鋼軌作為分析單元，根據歷史檢測數據和時間序列、壽命分布等建立性能狀態變化規律數學模型，實現對每根鋼軌狀態的預測。道岔大軌件劣化規律分析與鋼軌狀態劣化規律分析類似，可以實現對單組道岔大軌件歷史變化趨勢的分析、不同組道岔大軌件的排序分析和道岔大軌件的狀態預測。

2.2.2 軌道狀態安全預警

軌道狀態安全預警主要是根據管理者對軌道設備狀態劣化程度設置的閾值，利用幾何劣化規律分析、鋼軌狀態劣化規律分析和道岔大軌件劣化規律分析得到的軌道設備當前狀態和未來狀態信息，對急需重點關注的安全隱患做出及時分析和預警[2]。安全預警中可以利用GIS等可視化技術對軌道各設備的狀態和詳細情況做出直觀展示，比如問題所在設備名稱、編號、線路名稱、里程和位置、日期、問題描述和處理情況等，從而幫助管理人員及時采取措施消除安全隱患。

2.2.3 軌道使用壽命分析

在設備劣化規律分析的基礎上，可以通過軌道設備前期設計、制造和建設安裝，運營階段設備狀態檢測評價等數據建立軌道設備使用壽命的分析模型，對軌道平均使用壽命和當前剩余使用壽命進行分析，更有利于設備的修理和更新。其中軌道平均使用壽命分析運用威布爾分布、指數分布、伽馬分布等方法，構建出軌道設備平均使用壽命的分析模型，并用分布函數進行描述，運用最大似然估計等方式結合軌道設備全壽命數據，估計分析模型的參數，得出兩次大修間的平均可使用時間。軌道剩余使用壽命分析也是利用威布爾分布、指數分布、伽馬分布等分析方法構建分析模型，在設備經過多次檢測與修理情況下，根據對檢測與維修數據的分析得出設備從當前到下次需要進行大修的剩余使用時間。

2.2.4 軌道維修計劃的優化

在分析設備損壞曲線和全生命周期分析，以及設備健康狀態預警的基礎上，根據維修成本最少或設備狀態最佳為目標，對軌道設備的維修計劃進行優化，具體可以制定單個設備的維修計劃優化，為每個軌道設備構建維修決策優化模型，根據設備狀態標準維修資源和使用壽命限制等約束條件，得出最優維修決策。也可以制定設備網絡的維修計劃優化，構建路網上多個軌道設備的最優維修決策。

2.2.5 軌道運維安全智能管理平臺

軌道運維安全智能管理平臺通過構建信息化閉環管理模式，將基礎數據管理、安全狀態管理、預測和預警管理、以及地理信息和移動終端的應用集中于一體，能夠起到合理編制計劃的作用，有利于更好進行智能決策。

3 結論

隨著大數據技術的迅速發展，許多城軌企業都對交通運維信息化技術進行了實際應用，并取得了良好成效。在軌道運維安全管理當中，大數據也得到了廣泛應用。起到了提高效率、合理分配資源、保障設備使用性能的作用。