城市轨道交通智能运维系统设计理念与需求分析

袁和耀

（昆明轨道交通四号线投资管理有限公司 云南昆明 655600）

0 引言

城市轨道交通是重要的城市基础设施，在满足人们出行需要与促进城市发展方面具有关键意义。而随着各地新建线路的不断增加，运营维护的成本和压力也随之增大，因此，利用信息化与智能化手段提升运维管理水平和效率具有很强的现实意义。

1 基于大数据的信息化技术应用思路

1.1 总体应用思路

大数据是范指规模巨大在采集、存储、分析、挖掘、管理方面远远超出传统数据库如关系型数据库等能力范围的数据集合，其关键意义就是为对数据的专业化处理[1]。现阶段大数据关键技术在轨道交通运营维护方面的应用有物联网、云计算、智能支付、GIS和BIM等，基本应用思路主要是在总体设计上遵循数据获取、存储、处理、分析及应用的逻辑顺序，在应用框架上可以分为数据层、基础层、业务层、管理层、决策层和应用层等。其逻辑思路能够概括为以下两种：

第一种思路为从底向上，首先从采集数据源出发，利用智能化的数据采集设备实现运维工作的数据化，而后建立规模庞大并不断更新的数据库资源，最后在各种设备的维保业务中将数据加以应用。这一思路具有数据结构较为明确、系统性好、完整性强的优点，有利于维保数据的共享和调用。具体应用实例有京投公司的北京轨道交通资产管理系统、京港地铁的运营资产全生命周期管理理念等。

第二种思路为从顶向下，主要利用数据相关性来决策实际问题和相应的管理需求，根据不同的运维业务和运维场景，建立相应的数据化立体模型，最终形成包含各类维护信息的数据资源。具有目标较为明确、能够以需求为导向的特点，并能很快体现出信息化应用对维保业务和管理决策的支持作用。

1.2 应用架构

对于设备运维信息化应用思路，其应用原则具有一致性，也就是首先获取数据，然后进行数据的处理分析，最后进行应用。根据这一逻辑关系构建出基础层、数据层、应用层的三层架构体系。

其中，基础层主要负责数据获取和存储，具体可以分为底层硬件基础设备、数据环境以及数据源采集。通过搭建智能监测设备、智能采集设备、低容量存储设备、低能耗网络传输设备等硬件基础体系以保证数据采集的稳定性、数据传输环境的安全性等。并能利用各种平台将基础信息、维修记录、故障数据等录入系统。

数据层分为数据处理、数据分析、数据更新三部分，能够将基础层获得的全部信息进行集中，将数据分类、转换格式，并整理非结构化数据与半结构化，而后根据运维场景分类，对不同场景下的数据进行应用性分析、经济性分析、数据化分析等，主要包括设备健康曲线、故障曲线、趋势图、状态修提醒等方面，最后根据时间顺序将数据进行迭代更新并多备份存储。

应用层从顶向下可以分为数据决策层、数据管理层、数据业务层、数据接口层四个层级，数据决策层主要提供企业的发展战略、绩效成本等。数据管理层主要包括资产管理和人力资源管理，能够管理资产的核算、更新、改造、报废，人员的考勤、排班和资质。数据业务层主要包括设备管理、作业管理、维修计划、标准管理、物资管理等方面，各个业务部门可以根据以上内容开发相应的系统及平台。数据接口层预留了设施设备运维管理与列车实时监控、客运组织、应急防灾决策、信息发布等应用的接口，以便于数据资源的共享，以及促进不同业务和专业的信息交流。

2 基于大数据的城市轨道交通运维信息化技术的应用

2.1 主要城市应用实例

2.1.1 北京地铁

北京市基础设施投资有限公司通过建立北京轨道交通资产管理信息系统。对于投资、建设和运营三方面的信息进行了统一的共享与传递。该系统从资产生命周期管理角度（ALC）出发，能够加强轨道交通资产在形成、使用、维修、移交、更新、改造、报废处置等方面的联系，利用工具进行分析查询，对资产价值链与实物进行管理。对投资、建设与运营三部分在信息的共享和传递上实现了统一管理，提高了对线路运营资产的分析能力和决策能力。截至2016年1、2、5号线、机场线、大兴线已接入该系统，2020年预计接入18条线路。在资产管理系统建立初期，主要任务是将数据梳理和录入，在数据积累达到一定时间后，利用前期接口对辅助决策体系进行进一步构建与完善。

北京京港地铁有限公司在2008年即开始在设备运维中应用信息化技术，以“运营数据信息化管理”为公司网络架构设计基本原则。在2009年自主研发了我国首个全面的运营数据管理系统，能够对行车信息、客流信息、运力配置、运营指标、等数据做出分析，提高了对设备运行状态和维修养护方面的管理水平。京港地铁还开发了地铁运营信息发布系统，该系统能够充分结合无线与有线通信技术，能够提升数传递和资源调配的效率，还可以对线路的各类基础设备进行监控，促进日常维修和维护的数据信息化，对比管理设施设备设计全生命周期，以及资产的实际运行。

2.1.2 上海地铁

上海地铁运营有限公司在2005年建立了施工计划调度系统和整合执法系统，能够对线路资源做出调配，根据时间和空间对人、电、车等资源合理分布，施工中进行资源安全锁闭控制，对于具体施工项目进行人、电、车的冲突检查以保证施工过程的安全。2013年成立的上海地铁维护保障有限公司设立了车辆、供电、通号、物资、工务、后勤五个分公司。目前上海地铁设施设备的维护体系中也通过大数据分析平台构建了线网级维护支持系统、试验室、电子维修中心等维修体系。比如2015年通号分公司通过搭建信号数据分析平台。这一平台起到了对各个线路集中监控以及信号各子系统设备状态数据进行综合分析和预警的作用。此外，上海地铁还建立了保护区数据信息平台，能够集中处理和分析保护区的项目监测数据。还有基于多维在线监测系统建立的列车维护场景，能够运用轨旁综合检测、车地无线传输等系统监视和分析列车的状态与故障，还可以实时查询远程故障。

2.1.3 广州地铁

广州地铁通过物联网与移动互联网技术实现有效监控作业过程，注重维修现场作业的精细化，在系统考虑人、财、物协同性的基础上建立维修信息系统。系统的应用架构分为维修业务管理层、支撑管理层、决策支持层和渠道接入层共4层。该系统能够在设备检修周期到期之前60d自动生成工单，具有固化维修作业标准、利用手持终端对设备技术文档等文件进行实时查看、采集和录入现场设备状态和音频、照片、视频等故障信息等现场信息、生成设备管理统计报表等作用，使管理效率得到提高，故障防控能力得到加强。该系统建立于2013年10月，2014年4月开始在3号线北延段试运行，目前已经投入使用的线路有4条，管理设备9万台左右，监测点在40万个以上，分标准作业模板3500个左右，并有预防性维护计划4万份左右。

2.2 轨道运维安全管理的大数据应用

大数据在轨道运维安全管理方面的应用主要有两方面，第一是基础数据，第二是动态数据。基础数据会在轨道运维安全管理的不同阶段向动态数据转变，同时动态数据不断更新，显示轨道的所有信息。大数据用于轨道运维安全管理，能够起到控制运维成本、延长轨道寿命、保障城市轨道交通性能的作用，使决策管理的智能化与信息化程度提高。

2.2.1 设备劣化规律分析

大数据技术可以用于轨道几何劣化规律分析、钢轨状态劣化规律分析和道岔大轨件劣化规律分析。轨道几何劣化规律分析主要是分析轨道单元区段轨道几何状态的历史变化、不同轨道单元区段轨道几何状态排序和轨道单元区段轨道几何状态预测。轨道几何劣化规律分析主要是基于TQI、公里扣分、状态变化速率等指标进行分析和定位的。钢轨状态劣化规律分析可以利用里程信息与每根钢轨的状态检测数据结合，分析单根钢轨状态的历史变化趋势，也可以根据状态指标对不同钢轨的状态进行排序分析，为状态劣化较快路段的维修计划提供依据，还可以将单根钢轨作为分析单元，根据历史检测数据和时间序列、寿命分布等建立性能状态变化规律数学模型，实现对每根钢轨状态的预测。道岔大轨件劣化规律分析与钢轨状态劣化规律分析类似，可以实现对单组道岔大轨件历史变化趋势的分析、不同组道岔大轨件的排序分析和道岔大轨件的状态预测。

2.2.2 轨道状态安全预警

轨道状态安全预警主要是根据管理者对轨道设备状态劣化程度设置的阈值，利用几何劣化规律分析、钢轨状态劣化规律分析和道岔大轨件劣化规律分析得到的轨道设备当前状态和未来状态信息，对急需重点关注的安全隐患做出及时分析和预警[2]。安全预警中可以利用GIS等可视化技术对轨道各设备的状态和详细情况做出直观展示，比如问题所在设备名称、编号、线路名称、里程和位置、日期、问题描述和处理情况等，从而帮助管理人员及时采取措施消除安全隐患。

2.2.3 轨道使用寿命分析

在设备劣化规律分析的基础上，可以通过轨道设备前期设计、制造和建设安装，运营阶段设备状态检测评价等数据建立轨道设备使用寿命的分析模型，对轨道平均使用寿命和当前剩余使用寿命进行分析，更有利于设备的修理和更新。其中轨道平均使用寿命分析运用威布尔分布、指数分布、伽马分布等方法，构建出轨道设备平均使用寿命的分析模型，并用分布函数进行描述，运用最大似然估计等方式结合轨道设备全寿命数据，估计分析模型的参数，得出两次大修间的平均可使用时间。轨道剩余使用寿命分析也是利用威布尔分布、指数分布、伽马分布等分析方法构建分析模型，在设备经过多次检测与修理情况下，根据对检测与维修数据的分析得出设备从当前到下次需要进行大修的剩余使用时间。

2.2.4 轨道维修计划的优化

在分析设备损坏曲线和全生命周期分析，以及设备健康状态预警的基础上，根据维修成本最少或设备状态最佳为目标，对轨道设备的维修计划进行优化，具体可以制定单个设备的维修计划优化，为每个轨道设备构建维修决策优化模型，根据设备状态标准维修资源和使用寿命限制等约束条件，得出最优维修决策。也可以制定设备网络的维修计划优化，构建路网上多个轨道设备的最优维修决策。

2.2.5 轨道运维安全智能管理平台

轨道运维安全智能管理平台通过构建信息化闭环管理模式，将基础数据管理、安全状态管理、预测和预警管理、以及地理信息和移动终端的应用集中于一体，能够起到合理编制计划的作用，有利于更好进行智能决策。

3 结论

随着大数据技术的迅速发展，许多城轨企业都对交通运维信息化技术进行了实际应用，并取得了良好成效。在轨道运维安全管理当中，大数据也得到了广泛应用。起到了提高效率、合理分配资源、保障设备使用性能的作用。