集約化維護新模式下超大城市軌道交通運維增強平臺建設

韓斌，代偉，趙媛媛，宋宇，鄂淳，王嘉寧，魏秀琨，馮國強

（1.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2.上海軌道交通檢測認證（集團）有限公司，上海 201804；3.北京市地鐵運營有限公司，北京 100044；4.北京京城地鐵有限公司，北京 102206；5.北京地鐵科技發展有限公司，北京 100072；6.北京交通大學 先進軌道交通自主運行全國重點實驗室，北京 100044）

0 引言

城市軌道交通是全面開啟建設社會主義現代化強國的重要支撐，是建設交通強國和智慧城市的重要組成部分。根據我國城市規模劃分標準，目前有7座超大城市，分別為北京、上海、廣州、深圳、成都、重慶、天津，其中前6 座城市的軌道交通里程均已突破500 km［1］。經過50 多年的發展，城市軌道交通已成為超大城市的主導交通方式。以北京地鐵為例，從1969 年1 號線開通至今，共有運營線路27 條，運營總里程807 km，車站475座，各專業維保人員近萬人。

超大城市軌道交通維護存在建設跨度時間長（設備型號制式多）、線網運營里程長（設備保有量大）、設備服役負荷強、安全保障要求高、系統運行協同難、巨型系統維護難、企業運維成本高等突出問題［2］，具體為：（1）在初期建設過程中，因缺乏運維經驗，只能采用設備供應商推薦的維保規程；（2）新線建設時各類設備設施均以線路為單位進行采購，導致不同線路的設備設施分屬多家供應商，其維保規程各有不同；（3）由于建設初期無法對未來的城軌交通網絡化運維給出精準預測，當線路增多后，面對日益增加的各類設備設施，在天窗期時長不變的情況下，加大了各專業運維壓力。

面對上述問題和困難，迫切要求運營公司轉變傳統發展模式，以安全、降本、增效和乘客滿意度提升為目標，構建網絡化智能集約維護新模式體系來指導生產管理模式轉變［3-4］。集約化是指集合要素優勢、節約生產成本，從而提高單位效益的方式。城市軌道交通集約維護，意在將超大城市軌道交通網絡進行區域化梳理，對各區域的運維資源進行解構和重構并統籌調配，打破分線路和專業化運維傳統模式，提高運維效率和質量，降低運維成本和風險，實現運維的智能化和標準化。隨著城市軌道交通網絡不斷完善，網絡節點數量增多，邊際投資效益明顯，市場開發、設備維修、備品備件、人員培訓方面實現資源貢獻，網絡化運營效益會形成規模經濟效益。從廣州市2020 年軌道交通線網來看［5］，已經實現了車輛基地、主變電所、車輛廠架修、備品備件采購和庫存等的網絡化，利于形成規模效益，降低管理成本，實現網絡運營經濟效益。此外，可通過運維增強平臺建設，加快推進業務流程的信息化、關鍵設備設施狀態感知的數字化以及典型重要應用場景的智能化。

1 超大城市軌道交通智能集約維護新模式

1.1 超大城市軌道交通網絡化維護總體規劃

將超大城市軌道交通網絡化維護分成4個階段，不同階段網絡化維護特征見圖1，根據線路規模分析各階段對于運維的不同需求點，基于RAMS基礎要求，面向安全、高效、成本優化以及乘客滿意度，從具體產品、專業維修、線路級綜合維修和線網級智能運維4個階段建立分級維護體系模型。

圖1 不同階段網絡化維護特征

1.1.1 網絡化維護建設初期

在網絡化維護建設初期，即完成1～5條運營線路建設或運營里程達到100 km 前，該階段的特點是以線路建設為抓手，以安全為第一要務，保障乘客出行，保障設備設施可靠運行，此階段中由于需要維保的設備設施數量和種類不多，因此可基于各供應商建議的維保規程對具體產品進行作業，通常在此過程中是以遇到故障后根據故障重要程度進行維修，首要目標是快速恢復線路正常運營。

1.1.2 網絡化維護發展期

第2階段的量化指標為完成6～20條運營線路建設或運營里程達到500 km 前，該階段的特點為伴隨需要維保的線路增加，需要投入更多的資源來完成相關設備設施的維保，可通過設立運營分公司和專業分公司的形式，對車輛、供電、線路、通號、機電等關鍵設備設施開展計劃性維修，完成對各線路設備設施的保障。

1.1.3 網絡化維護成熟期

第3 階段的量化指標為完成21～40 條運營線路建設或運營里程達到1 000 km 前，該階段的特點為以運營分公司和專業分公司為主體的維保體制成本日益增高，需要從集團層面統籌資源，建立網絡化智能集約維護體系，初步實現跨線路區域化集中調配，以線路集群為對象進行集約維護，建立以狀態全面感知加預測的狀態維護，初步實現跨專業綜合維修。

1.1.4 網絡化維護穩定期

當網絡化運維來到第4 階段，即達到40 條以上運營線路建設或運營里程達到1 000 km 及之后，標志著其網絡化運維條件已經具備，在該時點上，通過線網級運維模式，打破線路界限、專業壁壘、分公司界限，基于網絡化運維平臺，實現網絡化智能化運維策略，實現維保成本穩定下降（不含新線開通以及設備設施更新改造經費）。

1.2 超大城市軌道交通智能集約維護新模式

1.2.1 總體框架

針對地鐵運維作業中存在的應急維修響應速度慢、故障處置速度慢、設備設施全生命周期編碼不一致、狀態修設備設施比例低、故障處置案例信息化不足和缺乏統一的支撐平臺等問題。構建面向運行和服務的網絡化智能集約維護新模式框架體系，重點包含以下內容：

（1）對維修作業區間進行重新劃分，部分專業進行跨線路區域化管理，整合站內維修作業人員，成立綜合維修部門，重新調整維修人員的角色，對應急維修人員進行統一調度，形成高效協作和一人多角色的組織管理模式。

（2）依托UWB 北斗室內定位技術，實時獲取相關維修人員和維修設備設施的位置信息，對維修人員進行綜合調配。

（3）依托5G 專網，建設在線維修支撐系統，支持遠程視頻傳送，專家在線應急會商，同時也可以邀請各設備設施供應商進行聯合在線會診。

（4）不斷推進各種新型設備設施狀態智能感知技術的應用，對各種設備設施狀態進行全面感知，建立相應設備狀態評價、故障致因分析、故障預測、維修決策模型和案例庫，推進各專業設備設施的狀態修。

1.2.2 區域化應急聯動搶修新模式

基于空間最優路徑原則、網絡效益原則、設備制式相近原則、規模均衡原則，通過UWB 北斗室內定位技術對設備及人員精準定位，結合智能運維增強平臺統一下發故障信息及應急人員調度，實現應急區域化綜合搶修和設備故障快速定位及快速處置。區域化應急聯動搶修概念圖見圖2，圖中藍色數字表示目前的運營區域化劃分，黑線表示在線路繼續增加后，優化線網區域化劃分規劃。若在現場處置人員遇到自身無法解決的故障，可通過手持終端利用5G 通信申請遠程技術支持，通過專家后臺輔助更快速高效進行應急處置。

圖2 區域化應急聯動搶修概念圖

1.2.3 時空融合綜合巡檢新模式

將具有相同作業空間的巡檢業務與人員整合，不同專業巡檢人員在同一窗口期同一空間組成綜合維修小組（見圖3）。根據智能感知裝備回傳的設備設施監測數據，進行確認核查，該模式相較計劃性日常巡檢，進一步提升維護效率。此外，借助UWB 北斗室內定位技術對設備及人員精準定位，可由算法優化綜合巡檢小組的巡檢路線，提高巡檢效率的同時加強對維護人員的管理。

圖3 時空融合綜合巡檢概念圖

1.2.4 綜合智能狀態維修新模式

同一場景或地點，不同專業維修人員協同開展跨專業綜合維修作業，組成綜合維修班組，利用統一時間窗完成工作（見圖4）?；谥悄芨兄夹g獲取關鍵設備設施的監測數據，建立狀態評價、故障致因分析、故障預測、維修決策模型和案例庫，實現故障預警并自動派送工單，將故障設備涉及的不同專業維修人員協同開展維修任務，使各專業有機融合高效協作。

圖4 綜合智能狀態維修概念圖

2 超大城市軌道交通網絡化運維增強平臺建設

2.1 網絡化運維增強平臺總體建設目標

針對超大城市軌道交通各維護專業系統煙囪式分散建立，不同線路、不同專業、不同業務系統間數據集成度低、互聯互通性差等問題，面向車輛、供電、線路、通信、機電等多專業智能維護需求，構建超大城市軌道交通網絡化運維增強平臺，結合智能集約維護新模式，實現關鍵設備設施的狀態監測、應急響應、維修策略優化以及備品備件智能資產聯動［6］的全生命周期管控，最終實現超大城市軌道交通關鍵設備設施的安全保障能力提升、維護效率提升、運維成本下降以及乘客滿意度提升。

2.2 網絡化運維增強平臺構建

在總體規劃、系統研究、分步實施總體戰略方針指引下，首先結合智能運維新模式和未來技術方向，形成基于網絡化集約化的智能運維總體規劃；然后對于整體運維背景下的車輛、供電、通號、線路等專業打通接口和堵點并形成整體，將典型研究成果在北京地鐵進行試點部署；通過3年的建設實現單條線路示范應用，最終將示范成果推廣至北京地鐵全線網以及全國各地鐵線網。

2.2.1 平臺系統架構

根據智能運維需求，結合超大城市軌道交通運維服務業務，明確基于云化、分布式和微服務化的技術架構，突破多元異構數據接入、模型構建、故障預測等難點技術，建設運、檢、修一體化的網絡化運維增強平臺（見圖5）。

圖5 網絡化運維增強平臺系統架構

（1）IaaS層：主要以智能感知裝備為平臺提供監測數據支撐，通過對基礎計算、存儲、網絡資源虛擬化，搭建統一資源池，為上層的應用與服務提供統一資源調度和監控管理，支持按需分配與彈性擴展。

（2）PaaS層：主要構建網絡化運維增強PaaS平臺，實現大數據處理的DPaaS服務和應用服務的IPaaS服務。

（3）SaaS 層：主要構建網絡化運維增強應用平臺，實現應急響應、維修策略優化、維修計劃管理、監控中心和故障診斷預測等業務應用。通過網絡化運維增強平臺服務應用，結合網絡化集約維護新模式，提升運營安全性和可靠性。

2.2.2 平臺功能架構

通過智能感知技術實現關鍵設備設施的狀態監測；通過邊緣計算、深度學習預測算法實現故障趨勢預測；通過UWB 北斗室內定位技術與工單報送系統聯動實現應急維修響應；通過多目標優化和資源配置等技術實現維修策略優化調整；通過構型技術及多元數據融合實現關聯備品備件優化、設備設施運行狀態與資產信息全壽命周期實時聯動，網絡化運維增強平臺主要功能架構見表1。

表1 網絡化運維增強平臺功能架構

2.3 北京首都機場線典型示范應用

2.3.1 示范應用整體架構

北京首都機場線于2008 年7 月19 日開通運營，目前由北京京城地鐵有限公司負責運營，由北京市地鐵科技發展有限公司實行單線路綜合專業維修。從結構上來看，3號航站樓為高架站，其余均為地下站；從運營條件來看，三元橋為中間站，其余均為近端站。最小站間距約為3.1 km，與其他軌道交通線路約1 km 的站間距相比，區間長度顯著增大，為列車高速運行，實現機場線“安全、快速、舒適”優質服務的功能定位提供了基礎條件。以其作示范旨在為構建可復制、可推廣的安全、便捷、高效、國際領跑的城市軌道行業典范提供技術支撐和模式示范。網絡化運維增強平臺（見圖6）面向車輛、供電、線路等多專業智能維保需求，依托于北京地鐵首都機場線部分創新型設備開展典型示范應用，集成車載PHM系統、軌道在線檢測、車輛結構在線監測、隧道檢測、AR 輔助制動維修、供電/通信機房自巡檢、車輛段車底自巡檢、AR輔助車門維修等智能感知裝備，實現關鍵設備設施的狀態監測、故障預測、維修策略優化、應急響應、資產智能聯動的全生命周期管控功能，保障超大城市軌道交通的設備設施安全性和維護效率提升。

圖6 網絡化運維增強平臺

2.3.2 典型智能監測子系統

以目前迫切需要解決的保障安全、降本、增效為指導，部署了列車智能感知系統、車站智能感知以及場段智能維護增強系統，下面以搭載式軌道健康狀態綜合檢測子系統、場段車輛車底自巡檢子系統、車輛故障預測與健康管理子系統為例進行說明。

（1）搭載式軌道健康狀態綜合檢測子系統（見圖7）。該子系統針對鋼軌廓形、軌道不平順、鋼軌表面傷損、扣件、軌枕、感應板缺陷以及車輛平穩性進行綜合檢測［7］，通過對多維檢測數據進行綜合分析，實現基于軌道狀態與車輛運行狀態穩定性稠合分析的軌道服役狀態評估。檢測裝置在運行過程中通過智能算法識別軌道缺陷，并記錄缺陷圖片、運行位置、時間、車次等信息，通過數據傳輸模塊上傳到地面數據中心。

圖7 搭載式軌道健康狀態綜合檢測子系統

（2）場段車輛車底自巡檢子系統（見圖8）。該子系統通過3D/2D視覺傳感器，對螺釘緊固、部件表面外觀、結構斷裂、零件丟失、開關狀態、易耗件尺寸等項目進行自動檢測智能評價。對所拍攝的車底、車側不同類型圖像，根據不同適用部位，使用整體比對、定位部件局部比對、精掃部件局部比對，利用部件相互位置關系進行推理定位及匹配映射定位技術，將標準圖像中關鍵區域映射至待檢測途中，實現故障和目標定位。

圖8 場段車輛車底自巡檢子系統

（3）車輛故障預測與健康管理子系統（見圖9）。利用先進傳感技術獲取列車運行狀態數據，綜合運用智能算法和模型對車載大數據進行挖掘分析，獲取列車設備健康狀態的定量知識，對列車關鍵系統和部件的性能檢測和評估，檢測和識別早期故障，進行中長期故障預測，為列車實現基于狀態的均衡修提供支持，以達到在降低運維成本條件下確保行車服務質量目的。

圖9 車輛故障預測與健康管理子系統

2.3.3 隧道智能運維典型場景

通過感知、定位、自動工單派送、維修調度審核、現場維修以及確認修復等6 個步驟完成預防性狀態修，隧道智能運維典型流程見圖10。

圖10 隧道智能運維典型流程

（1）場景1：隧道病害感知及定位?；诩す饫走_、攝像頭及慣導多傳感器構建的地鐵隧道服役安全監測系統，實時在線監測隧道狀態，基于語義分割識別算法實現隧道內異物和設備設施侵界辨識、隧道變形及沉降狀態感知。發現病害后，系統會通過運維增強平臺調用當前時刻的車輛定位（北斗UWB 時空一體定位技術）信息。

（2）場景2：自動生成維修工單?；诓『?，系統將調用該定位區間隧道構型信息及維護臺賬，并根據病害類型和嚴重程度推薦相應維修建議方案，匹配相應維修材料和工器具，自動生成維修工單。

（3）場景3：報送維修調度審核。目前仍需要有一名綜合維修調度人員，確認病害準確性，并及時將工單進行拒絕或發送。

（4）場景4：建維公司下發任務。由建維公司委派相關人員進行任務接受，基于工單告知故障位置、配件和工具需求。

（5）場景5：維修人員赴現場維修。若線路有異物或設備設施侵界，則列車立即停運，維修人員處于應急響應模式，根據工單的定位信息，攜帶工器具前往現場進行搶修；若發現隧道病害，則可在運營結束后由維修人員進行綜合維修。

（6）場景6：病害排除及維修確認。當運維人員完成維修作業后，系統會對維修情況進行復核，即通過場景1的感知手段和數據分析方法進行病害識別，確認工單關閉。

2.3.4 示范應用的改進分析

通過對機場線示范應用的效果來看，在實現地鐵智能轉型中存在一些基礎問題亟須跟進解決。（1）地鐵系統的數據采集、存儲和分析能力不足，無法充分利用大數據和人工智能技術提升運營效率和服務質量；（2）目前傳統的檢規、修規無法滿足新模式下數字化智能運維的需求；（3）地鐵系統的網絡安全和信息安全風險較高，需要加強防護措施和應急響應機制，防止黑客攻擊和數據泄露。

針對上述問題，建議采取以下措施。（1）加大地鐵系統的數據基礎設施投入，提升數據采集、存儲和分析能力，建立完善的數據管理和共享機制，支持大數據和人工智能技術應用；（2）在機器人應用場景下的模式對檢規、修規進行重新梳理和運作；（3）加強對地鐵系統的網絡安全和信息安全監管，制定嚴格的安全標準和規范，建立健全安全檢測和審計制度，提高網絡安全和信息安全的防御能力和應對能力。

3 結束語

網絡化智能運維已是我國超大城市軌道交通行業的又一突破點，通過智能運維平臺部署，能夠對設備設施的狀態進行實時監控，通過UWB北斗室內外定位系統，對于人-機-環-管實現全鏈路安全閉環，實現應急搶險、綜合巡檢、預防性狀態修、輔助決策支撐。然而，技術創新只是手段，要真正實現安全、降本、增效和乘客滿意度提升的目標，必須要通過管理模式創新，打破原有管理架構進行管理流程和業務流程再造。

首先，要加快構建城市軌道交通關鍵設備設施全生命周期管控方案?！冻鞘熊壍澜煌ㄟ\營安全風險分級管控和隱患排查治理管理辦法》［8］中明確指出了設施監測養護類風險（橋梁、隧道、軌道、路基、車站、控制中心和車輛基地等）以及設備運行維修類風險（車輛、供電、通信、信號、機電等），因此，對于關鍵設備設施監測及防護是保障超大城市軌道交通安全運營的重要手段。同時，應加強對于關鍵設備設施的全生命周期監管，依托運維增強平臺建立設備設施基礎構型及維修臺賬，記錄試運行階段、運行初期以及運行中后期各階段數據，制定階段分級檢修機制，通過輔助預測設備設施服役極限，并與備品備件模塊聯動，完成預防性狀態修。其次，需加快推進超大城市軌道交通設備設施智能化數字標準體系建立。隨著逐漸增多的感知裝備對軌道交通關鍵設備設施進行智能監測，監測數據的規范化定義就顯得尤為重要，同樣，在資產管理系統中，需要對物資編碼進行詳細劃分，以使運維增強平臺進行資產智能聯動分析管理，車輛及設備設施的位置編碼也尤為重要，特別是在應急維修過程中需要明確設備設施的具體位置。因此隨著運維增強平臺不斷完善，迫切需要出臺智能運維數字標準體系，來規范各系統之間的數據，最終形成各系統/平臺之間數據互聯、業務互通、資源共享。

回顧我國超大城市軌道交通建設歷程，都經歷了建設、發展、成熟直至穩定的階段，目前應進一步總結超大城市軌道交通面臨的問題和挑戰，在城市軌道交通規劃和建設之初，就應圍繞超大城市軌道交通網絡化方向進行有序規劃。