城市軌道交通網絡化運營時期關鍵行車設備管理若干問題研究

張 郁

城市軌道交通網絡化運營時期關鍵行車設備管理若干問題研究

張 郁

（上海地鐵維護保障有限公司通號分公司，200235，上海//高級工程師）

為了應對城市軌道交通網絡化運營時期關鍵行車設備運維中遇到的一些問題，提出了“基于測量測試分析的改善性預修模式、基于評估的預知性維修體系和綜合化設備管理”的理念。詳細闡述了該理念的內涵，以及上海軌道交通的運營實踐經驗。實踐表明，基于該理念的關鍵行車設備運維方法的實施，有力地改善了設備管理的質量和經濟成本等指標，為迎接“十三五”期間超大規模城市軌道交通網絡運營做好了準備。

城市軌道交通；網絡化運營；關鍵設備運維；綜合設備管理體系

截至2016年底，上海共開通14條軌道交通線路，已經形成“一環、十四射”網絡運營格局，全網運營線路總長617 km，車站366座，軌道交通在公共交通中的骨干作用日益顯現。目前，全網客流已常態穩定在1 000萬人次/日以上，全網各線早高峰滿載率維持在較高水平，大部分線路的最大車輛載荷均超過100%，其中中心城區線路的高峰車輛載荷超過120%，因此，關鍵行車設備的管理者隨時面臨著巨大的安全運營壓力。

1 超大網絡化運營面臨的形勢和任務

上海正處在向著超大城市體量擴張、人口和經濟雙增長、軌道交通線路投資不斷擴大的發展黃金期。然而，隨著新線路不斷開通運營，人力成本及維修成本逐年增長，員工隊伍成熟度和技術力量不斷被攤薄，專業設備的集中性、常發性故障仍然存在，故障險情處置復雜，有效信息難以充分掌握，分析判斷決策速度較慢，一旦在高峰期間發生故障，哪怕是一個5 min延誤，影響的斷面客流也將達到約5 000人次；而若行車關鍵設備持續長時間功能失效，將對上海的社會秩序和市民出行安全帶來極大的負面影響。因此，切實加強運營關鍵設備突發故障的有序管理，增強指揮和提前防范設備失效的能力，是構建社會主義和諧社會的重要內容，也是全面履行集團公司管理職能、提高行政能力的迫切要求。隨著廣大人民群眾對處理突發事件的能力和速度要求越來越高，行車關鍵設備的可靠性已成為廣大人民群眾評判集團公司執行和管理能力的重要標準。

2 維修體系轉變的目標

盡管現代化的設備維護概念很早就已經提出來了，并且成為城市軌道交通行業關注的焦點，然而由于國內起步較晚，在設備狀態檢測和在線診斷技術方面還沒有形成標準化的系統框架結構。因此，上海在超大規模軌道交通網絡的形勢下必定驅動設備管理和技術能力的雙升級。目前設備維修模式中的巡檢、定期維修、事后維修方式雖是一種受控的方式，但是還存在對于突發故障的檢測手段落后，過度維修導致可靠性和經濟性下降等弊端。因此，需研發各種先進的管理和數字化工具，以進一步拓展維修模式創新，如：基于自有試驗室、電子維修專業組、在線狀態檢測的改善性維修，通過各類日志大數據和在線監測數據診斷結果的預知性維修，圖1為擴展的維修模式示意圖。這些創新均力求在最短的時間內做出正確而全面的反應和決策，有效地調集各類資源，實施故障的事前隔離和事中控制工作，用最有效的控制手段和最小的資源（成本）將設備失效影響控制在最小范圍內。

3 發展基于測量測試的改善性預修模式

3.1 建設全網級信號試驗室

信號系統是最重要的行車關鍵設備之一，它的穩定性決定了運營質量。而信號系統中的各類板卡起到控制、表決、輸出/輸出等至關重要的作用。當設備出現復雜的隨機問題時，一般對板卡類備件采用比較法、替換法等來對板卡進行判定，但這樣盲目性太大。電子類板卡隨機問題重現率較低，因此，容易造成帶病板卡重復投用，引發重復故障，同時也容易發生偽故障件被送至原廠維修情況，會浪費大量的時間和財力等資源。

為了能夠對部件工作狀態進行完整仿真功能測試，自動判斷其可用性，上海地鐵維護保障有限公司通號分公司投建了信號試驗室，建有主流CBTC（基于通信的列車控制）試驗平臺、ATS（列車自動監控）試驗平臺、車載試驗平臺、DCS（數據通信系統）骨干網絡試驗平臺等各類仿真平臺。

各類試驗平臺有著十分完善的硬件檢測功能，在測試的幾分鐘時間里，可以完成上百項底層功能測試，對設備的外圍接口進行完整的數據交換和評價。自實驗平臺投用后，有了更完善、更直觀、更準確的診斷手段處理板卡的隨機問題，板卡管理不再無的放矢，束手無策。近2年來，通過信號專業試驗室各平臺截留了大量偽故障件，節約返修資金近800萬元。同時，減少了夜間動車試驗次數，重復故障率也大為下降，從而降低了維護工作量和成本。

3.2 推進城市級綜合在線監測平臺建設

近年來隨著信號專業的維護支持系統（MSS）不斷演進，各種監測深度也有了長足進步，但是在軟件和硬件方面，與地鐵網絡化發展的要求還存在著一些差距，如：采集傳感器的精確度和穩定性還處在比較低的水平；軌旁線路側監測仍在完善階段；信息分析和診斷能力不足，系統中的原始數據沒有得到充分利用和二次挖掘。為了解決上述問題，首次將全路網城市級信號專業數據匯集，采用可擴展的策略進行后期數據挖掘處理，生成各種統計數據和趨勢信息，為日常線路運行維護管理和設備維修決策提供量化、可視化依據，實現城市級的統一監控、調度和管理，符合網絡化、智能化、信息化管理的趨勢。

平臺底層依靠各類先進性的傳感器收集主要業務系統的工作狀態，通過網管協議、輪詢、代理等方式將數據匯聚至數據庫服務器中，進行實時性能判斷、歷史數據對比分析、告警日志分類匯總，最后形成自動化/可視化巡檢、搶修應急指導、性能基線分析、健康度評價、疑難故障快速定位等專題應用。

綜合在線監測平臺作為一種提升設備管理模式的新型思路方式，在大幅提高施工檢修效率的同時，為關鍵設備可靠性方面的順利改善帶來了新的希望。在線監測平臺集各類先進傳感器、物聯網技術、模式識別技術等高科技精華于一身，促進了周期預防性檢修這種單一模式逐步被改變。技術人員身不離崗就能獲得持續的狀態數據，突破了時間和空間的限制，實現了設備實時診斷的功能，減少了設備疑難、突發問題的發生率，避免了設備未劣化前的不必要的檢查和維修。維保技術優勢力量集中在了數據分析、故障模式、技術革新等更重要的領域，從根本上避免了救火隊式的管理模式，也使得設備壽命和可靠性延長、備件的采購按需決策，提高了資金使用效率并有效地控制了成本。圖2為綜合在線監測平臺的邏輯功能圖。

圖2 綜合在線監測邏輯功能圖

4 嘗試基于評估的預知性維修體系

綜合在線監測平臺系統數據庫中存在大量子系統的過程日志記錄，上海地鐵維護保障有限公司決策層考慮的是，如何使海量的日志記錄成為進行科學的故障診斷和預警的支撐手段。上海軌道交通部分CBTC線路的技術人員已完成了各種維修手段實施后的效果分析，以大數據分析為基礎，為設備預知維修決策提供支撐。

首先要對大數據進行預處理，技術人員通過分析日志中的原始數據，剔除大量模糊的、指示性的、不完整的、冗余的數據，梳理后的數據格式具有一致性和確定性的特點，降低了信息挖掘的難度。通過各種不同的數學模型進行一系列的數據關聯，進而得出精確定位的故障點，例如單信標丟失。單信標丟失并不會直接導致故障，工程師根據數據平臺自動生成的報表進行分析，判斷故障發生在地面還是在列車上，針對相應設備下發檢修工單，從而進行預防性維修。此外根據日志中大量告警記錄可對設備進行健康度評價。首先界定各種報警的狀態優先級，定義各種報警狀態的值，如“3取2系統表決不一致”作為嚴重優先級、“校驗與命令不符”作為中等優先級等，并給予相應評分，再通過時間軸變化來評估設備健康指數和故障概率。

圖3 大數據平臺頁面

以“車載單信標丟失”情況為例（見圖4～圖6），技術人員發現該報警的數量呈上升趨勢；然后根據車體號、軌道位置、發生次數等要素，對列車的“單信標故障”進行關聯，發現報警主要集中于1103、1113、1127號列車，且故障地點分布較散，可初步判斷該報警由車載設備引起；再通過根原因分析法，同步驗證了這3列列車單信標丟失遠高于其它列車。從而在車載天線功能沒有完全失效前，對缺陷設備進行了識別和預判，提前實施主動性維修策略，增強了車載控制系統的可用性和可靠性。

該大數據決策系統應用后取得了較好的效果，以車載信號設備為例，車載設備的5 min晚點密度從312萬車·km/次上升到797萬車·km/次，設備穩定度提高了61%；切除ATC（列車自動控制）事件從25次/萬車·km下降至20次/萬車·km，設備故障發生概率下降了20%。維護模式也進行了相應的改革，由傳統的日檢模式改變為基于數據分析的狀態維修。人均維護列車由原2.1列/人提升至2.9列/人，提高效率38%。該大數據決策系統的應用不僅提高了設備維修的效率，節省了大量的人力資源，同時，通過設備狀態的動態管理，避免了列車帶病工作，保證上線列車設備狀態均處在良好的工作范圍內。

5 推進綜合化設備管理理念

（1）基于自主專業化故障件維修，行車控制核心設備一般都采購自國外，隨著使用年限的增加以及原廠返修次數的上升，使得一些設備的修理費高達設備原值的2～3倍。為此，上海地鐵維護保障有限公司專門設立了進口部件專業化維修班組，班組成員的修理裝備和板卡級維修水平較高，形成了可靠的維修工藝。經過專業化維修班組復原的故障件比原廠質保時間有較大幅度增加，其修理成本也大大低于返修價格。

圖5 列車和位置故障分布

圖6 根原因查找分析

（2）實施設備電子化履歷管理，通過對信號系統所有最小可替換單元（LRU）進行編碼化管理，根據技術人員的經驗并綜合經濟價值等因素，對部件的維修方案和策略進行合理化的規劃。在具體實施維修策略之前，羅列若干可行的維修策略，按照對部件性能的影響，從經濟、技術等方面做綜合考慮，選擇最優方案。按照維修策略的規則，部件可以劃分為不可修復、局部自主修復和返原廠修復。不可修復件，歸類為成本較低、通用性強、結構簡單的零部件，使用一段時間自動報廢，或者多次維修造成費用高于設備殘值的，采取拋棄方式處理。局部自主修復的部件，通過各種靈活方式進行修復，如更換零部件、更換集成電路和電子元器件等。返原廠修復的，要求原廠對部件從外到內，從部件到元器件進行無替換修復或者同規格型號替代，經濟成本較高。實施履歷管理后，通過各種維修策略，使得功能和壽命周期相似的不同設備的維修方案選擇更經濟和優化。

（3）面對今后的超大城市軌道交通網絡化，制訂了相應的戰略規劃：①把控維修資金投入重點方向。聚焦重點設備、管理難點，定向投入，形成一批具有實效意義成果，提升數字化管理能力，完善安全保障智慧化、維修養護智慧化。②建立關鍵技術的戰略聯盟。與行業知名企業建立聯盟，針對運營維護的具體需求，圍繞“安全、高效、智能”主題，開展聯合研發，以新技術驅動維護保障能力提升。③對標國際標準，把控專業的重點發展方向。掌握國際最先進技術標準，朝著運營質量、維護效率、設備穩定性和維護管理成本等方向尋找差距，完善自身管理標準。

6 展望

“思深方益遠，謀定而后動。”回溯過往，欣喜城市軌道交通的管理實踐和創新成果；展望未來，深感責任在肩，仍不敢怠惰。上海軌道交通將立足新的起點，把握超大網絡化設施設備管理的新要求，深入研究現代化的維護體系和運營可靠度，切實提升軌道交通企業的維管能力，降本增效。緊緊圍繞“十三五”發展理念，為高水平的上海公共交通服務提供堅強的保障。

［1］ 應名洪.城市軌道交通網絡化建設與運營［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［2］ 畢湘利.基于網絡化運營的城市軌道交通技術發展趨勢［J］.城市軌道交通研究，2010（9）：彩 16.

［3］ 朱滬生.提升、完善、加快——寫在“十三五”軌道交通網絡化建設之際［J］.交通與運輸.2014（6）：38-40.

［4］ 彭偉.基于故障診斷與可靠性分析的機械系統預防維修研究［D］.成都：電子科技大學，2016.

［5］ 王永生.基于粗糙集理論的動態數據挖掘關鍵技術研究［D］.北京：北京科技大學，2016.

［6］ 郭曜.鐵路車輛設備管理思路探討［J］.科技創新與生產力，2016（4）：22-24.

［7］ 臧文羽，李軍，方濱興，等.H-Tree：一種面向大數據流在線監測的層次索引［J］.計算機學報，2015（1）：35-44.

［8］ 田一輝.綠色供應鏈管理擴散模型研究［D］.大連：大連理工大學，2013.

On Problems in Key Equipment Management during Urban Rail Networking Operation

ZHANG Yu

To deal with the problems in key equipment operation and maintenance during urban rail networking operation，a concept is proposed，including the modified pre maintenance mode based on measurement analysis，the predictive maintenance system and the integrated equipment management based on assessment.The philosophy of the concept and experiences of Shanghai rail transit operation are elaborated，and practice shows that the implementation of the concept in key equipment operation and maintenance has effectively improved the quality of equipment management and adequately met the economic cost index，thus a solid foundation is laid for the large scale rail transit networking operation in the 13th Five-Year period.

urban rail transit； network operation； key equipment operation and maintenance；integrated equipment management system

F530.7

10.16037/j.1007-869x.2017.10.025

Author′s address Telecom&Signal Branch，Shanghai Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.，200235，Shanghai，China

2017-05-04）