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城市轨道交通智能运维与创新平台建设

作者: 艾三维软件 来源: 艾三维软件 发布日期: 2019.11.28

随着我国高速铁路和城市轨道交通 运营规模的迅速扩大和“一带一路”战略的实施,整个行业对于保障运营安全、提高服务质量及降低运营成本,开始显现巨大的刚性需求,轨道交通运维业务日益成为全行业关注的新焦点。这给轨道交通运维技术的创新提出了更高的要求,也给轨道交通运维产业开辟了极其广阔的发展空间,并带来了良好的发展机遇。在这种环境下,轨道交通智能运维产业应运而生,各界在对轨道交通智能运维产业的发展前景寄予厚望的同时,也存在一些认识上的差异。

1、轨道交通智能运维体系构建

运维工作的目的

运维有运行和维护两重含义。轨道交通运维工作的目的在于:确保轨道交通安全、稳定、高效经济地运营。

(1)安全是指系统在风险可控的状态下运行,保证乘客、公众与轨道交通工作人员的人身安全,以及运输货物与轨道交通设施设备的完好。

(2)稳定是指持续地向用户提供可用、准确和完善的服务。

(3)高效经济是指确保系统的运营效率,以合理的成本和资源投入实现较高的乘客及货物周转量,即在确保轨道交通安全运行的前提下,以合理的成本完成系统预定的运输服务任务和达到规定的服务指标水平。轨道交通作为典型的设备设施资产密集型行业,设备设施数量巨大,涉及专业多。按照规范的运维工作标准来确保相关设备设施正常、高效地运行,是轨道交通安全、稳定、高效经济运营的决定性因素。

我国轨道交通智能运维现状及发展趋势

面临的挑战 

我国正处于轨道交通大发展时期,随着线网规模不断扩大,面对人员分布不均、线路个性化、技术水平差异化、设备制式多样化、客流量持续攀升、拥挤度超标以及需要高效应对突发事件的局面,对设施和设备的可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可维修性(Maintainability)和安全性(Safety)(4 者缩写为“ RAMS”)提出了越来越高的要求。庞大的运营规模和复杂的装备体系,加上大量设施设备的更新改造任务,给轨道交通的运维管理带来了巨大的压力和沉重的负担(下图)。

城市轨道交通智能运维与创新平台建设

我国已开通的轨道交通运维业务大多沿用传统运维模式,其特点有:①多预防修、故障修,少预知修;②大量使用人工操作,运维效率较低;③运维数据不够细化,频度不够高;④缺少处理、分析设备设施大数据的系统平台和智能化应用;⑤业主不能及时、透明地管理维保过程,事后紧急处理情况较多。这既影响服务质量的提高,又会带来安全隐患。随着后续更大规模线路的开通运营,依靠传统的轨道交通运维模式已经很难满足行业快速发展的需要。例如,2016 年,某地铁进行专业列车日检超18 万次、均衡修6 000 余次、架大修超150 列次;若按目前运维模式,至2020 年,每年至少需进行列车日检40 万次、均衡修10 000 次、架大修700 列次。

目前,地铁车辆的维修方式普遍采用库内人工检测的方式,专业检修设备是否齐备,自动化程度的高低,以及“人”的因素(如经验、技术能力、责任心等)都会直接影响检查结果。因此库内检测存在检测方式不精确、不及时、不全面等弊端。此外,新建线路和更新改造项目会采用最新技术,这些技术同既有设备存在较大差异,从而使人机关系产生变化,导致故障率不稳定。

创新工作动态 

在网络化运营规模迅速扩大的新形势下,轨道交通运维管理人员的大量增加和粗放的运维管理模式,使得运维成本居高不下,并保持上升态势。因此,进入网络化运营的单位近些年来都在尝试和寻求新的运维模式,并开展了一些围绕运维智能化的课题研究和技术创新项目,以提高运维业务水平。其中包括以下典型项目:

(1)高铁与城市轨道交通车辆综合监测系统的研发;

(2)基于全寿命周期的关键设施设备系统健康监测和智能诊断管理系统课题研究与实践;

(3)以预防性维护为主的定修机制向基于可靠性的状态维修机制转变的研究;

(4)基于统一数据模型的全寿命周期大数据实时处理技术研究;

(5)基于物联网的关键设施设备故障预警系统的研究开发;

(6)采用生命周期成本(Life CycleCost,LCC)管理对设备进行全寿命周期成本分析评估;

(7)列车安全状态在途监测预警和网络化维保系统开发;

(8)城市轨道交通基础设施故障预测与健康管理系统研究开发;

(9)基于建筑信息模型化(Building InformationModeling,BIM)的设计施工运维全过程管理平台研发;

(10)地铁运营盾构隧道承载机理和破坏机制研究;

(11)地铁运营隧道的智慧监控与运维;

(12)智能机器人在地铁隧道巡检领域的应用;

(13)基于MIoT+BIM+GIS 的桥梁健康监测与管养系统;

(14)地铁桥隧结构运维监测技术应用;

(15)移动巡检系统开发;

(16)城市轨道交通自动售检票系统(AutomaticFare Collection System,AFC)维修模式优化的研究和实践;

(17)供电设备在线监测系统研发。

通过分析这些课题和项目可知,采用大数据、物联网等新技术构建综合信息管理平台,对轨道交通的关键设备设施进行全生命周期的健康监测和故障智能诊断预警及成本分析,是业界普遍关注的热点。

 创新工作存在的问题 

目前国内各运营单位在设备检修维护模式、设备运维管理体系以及整体信息化、自动化程度等方面的创新工作都还处于起步阶段。智能运维管理大多集中在性能管理与故障处理上,距离实现智能运维功能的整合还有一定差距。开发的信息系统各自独立,缺乏各系统间互联互通的考虑,形成一些“信息孤岛”,无法充分发挥信息化的整体优势。从总体上看,存在许多需要深入研究的课题以及需要改进的技术。智能运维创新工作面临如下共性问题:

(1)各智能运维系统分离建设,缺少顶层设计和统一的管理平台;

(2)不同线路或系统的运维综合管理信息化程度差异大;

(3)企业智能运维管理创新能力不足;

(4)缺乏统一的运维管理体系标准;

(5)缺乏统一的运维管理技术标准;

(6)缺乏统一的运维管理评价标准。

轨道交通智能运维体系建设思路

智慧轨道交通是智慧城市体系的重要组成部分 

2013年,国家科技部、国家标准化管理委员会确定国家 “智慧城市”技术和标准。智慧轨道交通是智慧城市建设的重要组成部分,需在信息化、大数据的基础上构建。智慧轨道交通作为城市公共交通的骨干,其含义是在轨道交通领域中充分运用物联网、云计算、人工智能、自动控制、移动互联网等技术,对轨道交通管理、运输、公众出行等领域以及轨道交通建设管理进行全方位全过程的管控,使轨道交通系统在局部区域、整个城市,甚至更大的时空范围内具备感知、互联、分析、预测、控制等能力,以充分保障轨道交通安全,发挥轨道交通基础设施效能,提升轨道交通系统运行效率和管理水平,为公众的通畅出行和经济的可持续发展服务。

自2018 年7 月1 日起施行的《城市轨道交通运营管理规定》(交通运输部令 2018 年第8 号)要求:“应当建立城市轨道交通智能管理系统,对所有运营过程、区域和关键设施设备进行监管,具备运行控制、关键设施和关键部位监测、风险管控和隐患排查、应急处置、安全监控等功能,并实现运营单位和各级交通运输主管部门之间的信息共享,提高运营安全管理水平。”

 主要工作内容 

为了解决轨道交通智能运维的问题,将传统的周期性计划修转变为基于测试分析的状态修和基于评估先验的预知修(下图),需要采用先进的技术,将传统以人工为主的运维管理转变为自动化、信息化的智能监测维护方式。

城市轨道交通智能运维与创新平台建设

具体工作内容可以理解为:利用传感网、物联网、车联网、移动互联、云平台、大数据、深度与自主学习、协作、分享等技术手段,搭建智能运维管理平台,实施精准的状态感知、可靠的状态预测以及应用“互联网+”,通过进行流程管理、事件管理、问题管理、变更管理、发布管理、运行管理、知识管理、综合分析管理,实现运营故障处置、驾驶行为评估、运营组织管理、列车能耗管理、设备健康评估、设备安全预警和数据共享等。

 业务开展影响因素 

影响轨道交通智能运维业务开展的因素有如下方面:

(1)轨道交通设计、建设、运营技术标准(国际、国家、团体);

(2)基于项目全生命周期LCC 的轨道交通运维体系;

(3)轨道交通系统安全性及维保方法;

(4)建设、运营主体与运维专业服务市场;

(5)智能运维技术创新体系建设。

 平台架构 

(1)接入采集。对于设备状态、工况、维护保养和外接系统,采集设备全寿命周期的各类数据,打破独立感知监控的信息孤岛格局。

(2)处理存储。利用物联网、大数据,以及高性能的数据接入、处理、存储技术,建立知识库、模型库。

(3)算法分析。运用云计算、人工智能和大数据挖掘算法对海量数据进行深入挖掘和分析。

(4)智能应用。借助移动互联的大数据和可视化软件,实现多维可视化智能管理、移动应用、监控报警以及智能报表。

例如,某地铁线路的综合监控系统(IntegratedSupervisory Control System,ISCS)有超过15 万监测点,日均产生监测数据超过5 亿条。某地铁线路的自动列车监控系统(Automatic Train Supervision,ATS)每天产生的日志平均约在25 万条,一年的数据量高达9 000 万条。依托上述智能运维管理平台,可采集、存储、分析海量数据,确保轨道交通运营的安全性和经济性。

 主要功能 

(1)在线监测、移动过程管理。包括整合信息孤岛,实时预警,生成移动工单及进行可视化管理。

(2)设备健康智能管理。包括数据驱动的故障管理,智能预测及性能衰退分析。

(3)升级设备维护管理。包括消除过度维修和欠维修的情况,优化备件库存,减少人员配置,优化运维方法及运维管理,协调企业资源计划系统(EnterpriseResource Planning,ERP)、制造企业生产过程执行系统(Manufacturing Execution System ,MES)和客户关系管理系统(Customer Relationship Management,CRM)等各相关管理系统。

 实施步骤 

(1)以项目建设运营为主线,进行基于大数据的智能运维管理体系顶层设计,建立轨道交通网络信息管理基础数据核心框架。

(2)打破专业维护、系统维护的传统体制,将分散且相互独立的项目全生命周期的业务数据(包括:基于BIM 的勘察设计数据,基于项目信息管理PIM 的工程建设管理数据,基于大数据云技术的智能运维数据,基于数据的实时动态RAMS 管理数据,基于办公自动化系统OA、企业资产管理系统EAM、ERP 等的企业经营管理数据)按照统一的标准进行串接积累和管控,使其成为能与基础数据核心框架对接的独立模块。

(3)采用大数据、互联网和云技术将上述模块有机地组合成综合管理数据网络,整合传统的管理信息数据。

 智能运维管理优势与效果 

实施智能运维管理可以有效提升运维管理的智能化程度,有利于增强轨道交通的可靠性、可用性、可维护性和安全性,提高服务质量和水平,降低企业运营成本;同时,为实现智慧城市的宏伟目标奠定扎实的基础。

例如,通过列车智能运维管理可以对列车状态进行实时监测与报警,评估预测列车的安全状态,使列车维保支持功能网络化,其优势与效果如下:

(1)通过数字化,简化设备和布线;

(2)通过自动智能诊断,提高诊断效率;

(3)进行无线实时传输,无需人工下载;

(4)通过预测评估,为状态修提供基于RAMS 的数据支撑;

(5)实现互联网+,提高资源利用效率;

(6)列车工况远程可视,可进行远程处置指导,因此处置速度快;

(7)易于扩展、可充分保护前期投资,因此扩展性好;

(8)可减少列车购置数量。

2、轨道交通智能运维产业展望

推进行业发展

轨道交通运维智能化将成为我国智慧经济发展的重要产业之一。加快轨道交通智能化发展,一方面有助于推进我国交通行业的发展进程,另一方面也有助于带动与轨道交通智能化相关领域的发展,从而促进我国相关科技的进步。轨道交通作为智慧城市的主要标志,其建设运营规模不断增大,轨道交通智能化系统市场的容量也随之扩大,从而推动轨道交通智能运维行业向着社会化、专业化、智能化的方向健康发展。

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