高鐵綜合運維的發(fā)展與展望

尹春雷

（北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070)

1 概述

我國鐵路經(jīng)過六次大提速，自2008 年8 月第一條高速鐵路京津城際鐵路的開通，標志著中國鐵路正式進入了高鐵時代。近年來，通過高鐵控制技術(shù)和基建技術(shù)的不斷創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化的推進，我國已經(jīng)逐漸形成了完善的高鐵技術(shù)體系，保持著國際領先的技術(shù)優(yōu)勢。

與此同時，伴隨我國高速鐵路建設的快速發(fā)展，大量集成度高、運行機理復雜的通信、信號、電力和牽引供電設備在鐵路基礎設施中的裝備也呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，各專業(yè)間和專業(yè)內(nèi)部各子系統(tǒng)間多元耦合、聯(lián)系緊密，維護難度日益加大，但綜合維護手段的自動化、智能化和綜合一體化水平不足，給基層鐵路運維人員造成了較大的工作壓力和負擔。

2 高鐵綜合運維現(xiàn)狀

我國高鐵建設運營10 年來，高鐵技術(shù)裝備水平大幅提升，高速動車組運行密度也大幅增加，運營環(huán)境日趨復雜，確保高鐵和旅客安全面臨許多新的情況、問題和挑戰(zhàn)。雖然在高鐵運營之初就設置了綜合維修工區(qū)和綜合維修段，但我國高鐵的運維模式仍是在沿襲既有線路基礎設施運營維護模式的基礎上逐漸發(fā)展，目前尚未形成規(guī)模化的綜合維修生產(chǎn)一體化管理模式。傳統(tǒng)的高鐵基礎設施維修基本采用專業(yè)垂直管理，主要由工務、電務、電力和牽引供電、工務等各專業(yè)各自維修，這種分專業(yè)運維管理模式已明顯不適應技術(shù)設備高度融合的現(xiàn)實需要，天窗利用率較低、專業(yè)結(jié)合部多、生產(chǎn)資源無法統(tǒng)籌共用、運維成本居高不下等問題十分突出。

隨著國鐵集團2017 年《關于推進高速鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化管理的指導意見》、2018 年《關于加快推進高速鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化管理的通知》、2019 年《關于進一步深化高速鐵路綜合維修生產(chǎn)一體化站段改革的指導意見》的相繼出臺，逐漸明確了構(gòu)建“七統(tǒng)一、一聯(lián)合”（即統(tǒng)一管理架構(gòu)、統(tǒng)一生產(chǎn)計劃、統(tǒng)一“天窗”安排、統(tǒng)一生產(chǎn)組織、統(tǒng)一應急處置、統(tǒng)一綜合防護、統(tǒng)一信息平臺和聯(lián)合調(diào)度指揮）的高鐵綜合維修生產(chǎn)一體化的管理模式和基礎設施站段組織機構(gòu)保障，高鐵將全部建成綜合維修工區(qū)，沿線將普遍設立綜合維修車間，為建立科學規(guī)范、制度配套、運行高效的高鐵基礎設施綜合維修管理體系奠定了基礎。

近兩年高鐵工電供綜合維修一體化等一系列維修體制改革試點，通過設置工務、電務、電力和牽引供電綜合維修天窗作業(yè)模式，已經(jīng)有效提高了車載設備、電務設備、工電融合的道岔設備、鋼軌設備、接觸網(wǎng)等設備的維修效率，取得了較好的效果。

3 綜合運維的必要性

高鐵綜合維修的一體化管理能有效減少各專業(yè)維修作業(yè)的相互干擾，強化高鐵設備設施的質(zhì)量基礎，同時，推進綜合維修一體化管理也是推動鐵路高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇，有利于實現(xiàn)勞動力、機械設備、維修天窗的資源綜合利用，促進提質(zhì)增效；更有利于降低運維成本，構(gòu)建中國特色、世界一流的高鐵基礎設施運維管理標準體系。

4 綜合運維關鍵技術(shù)及發(fā)展方向

高鐵綜合運維的建設和實現(xiàn)，離不開高鐵綜合運維的頂層設計、系統(tǒng)規(guī)劃和制度建設等體制機制保證，更重要的是必須要有綜合運維技術(shù)和裝備的創(chuàng)造和革新作技術(shù)支撐，打破鐵路各專業(yè)間的信息壁壘，整合各專業(yè)運維資源，建設高鐵綜合運維系統(tǒng)平臺。

當前，世界已進入以信息化革命為特征的第三次科技革命，隨著國家層面對科技創(chuàng)新的巨大支持，新一輪科技及產(chǎn)業(yè)變革已經(jīng)出現(xiàn)。在鐵路領域，伴隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、傳感感知等新技術(shù)的創(chuàng)新和應用，帶來了鐵路運維新的技術(shù)驅(qū)動，構(gòu)建鐵路綜合運維系統(tǒng)的技術(shù)環(huán)境已經(jīng)日趨成熟。

高鐵綜合運維技術(shù)研究的重點應在于解決我國高鐵快速建設與運維力量相對分散、薄弱的矛盾，打破裝備邊界，以單裝備診斷為基礎，構(gòu)造系統(tǒng)化聯(lián)合分析算法，形成高效處置能力；打破專業(yè)邊界，深度挖掘?qū)I(yè)結(jié)合部故障干涉特性，構(gòu)造多專業(yè)信息綜合分析模型，實現(xiàn)系統(tǒng)信息的全面共享和專業(yè)間的聯(lián)動，支撐構(gòu)建工務、電務、電力和牽引供電一體化聯(lián)合高效作業(yè)模式，并與運輸指揮聯(lián)動，構(gòu)造維運協(xié)同機制，實現(xiàn)各專業(yè)設備全生命周期健康管理的數(shù)字化、信息化、智能化及其結(jié)合部閉環(huán)管理，為綜合運維人員提供高效率、高可靠性、高精準度的隱患預測和故障定位技術(shù)服務和維修調(diào)度管理平臺。

綜合運維的關鍵技術(shù)研究方向展望如下。

1）傳統(tǒng)基礎運營裝備的智能化研究及應用

隨著計算機、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，鐵路運營裝備逐漸向數(shù)字化、集成化和智能化方向發(fā)展，但傳統(tǒng)的機械、繼電等基礎裝備如鋼軌、道岔、弓網(wǎng)系統(tǒng)等非智能化設備，由于其信息化程度不高且長期暴露于室外惡劣運行環(huán)境，一旦出現(xiàn)異常，其故障的排查需要耗費大量的人力物力和時間成本。綜合運維系統(tǒng)應將結(jié)合此類基礎裝備的運行特性、故障機理，構(gòu)建設備的故障特征庫，以運營過程中設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎，基于故障預測與健康管理技術(shù)（PHM）體系，采用基于CPHS 的信息融合技術(shù)和基于深度學習的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，綜合采用專家系統(tǒng)、模式識別、趨勢分析等故障診斷算法，實現(xiàn)傳統(tǒng)運營裝備的智能化提升。

2）云平臺及虛擬化技術(shù)的研究及應用

隨著鐵路網(wǎng)絡化運營的推進，綜合維修建設也逐步成為近期的發(fā)展趨勢，線路聯(lián)網(wǎng)成為大勢所趨。云平臺及虛擬化技術(shù)作為一種新的系統(tǒng)建設模式，可以轉(zhuǎn)變IT 架構(gòu)管理，提高系統(tǒng)靈活度和服務器的利用率，實現(xiàn)業(yè)務快速部署，動態(tài)擴展資源，實現(xiàn)系統(tǒng)的高可用性，方便動態(tài)擴展業(yè)務，從而基于云平臺的優(yōu)勢，實現(xiàn)智能運維綜合維修中心建設。

3）多驅(qū)動引擎融合的實時診斷分析技術(shù)的研究及應用

由于綜合運維系統(tǒng)中設備設施的多樣化，其表現(xiàn)出的感知信息也隨之呈現(xiàn)多樣化，傳統(tǒng)的面向單一類別的波形分析技術(shù)已經(jīng)無法實時預警分析及診斷需求。結(jié)合波形分析、推理分析、故障樹分析、機器自學習、概率統(tǒng)計分析等多種引擎混合驅(qū)動的實時預警分析及診斷技術(shù)已勢在必行。當設備存在隱患時，系統(tǒng)自動預警并提供維修建議，提前消除隱患于萌芽狀態(tài)；設備故障時，系統(tǒng)實時發(fā)現(xiàn)故障，維護人員根據(jù)系統(tǒng)給出的維修建議進行快速維修，有效壓縮故障延時。同時，通過引入領域性的知識圖譜，通過將故障領域內(nèi)的知識結(jié)合設備拓撲知識通過CMDB 技術(shù)和一些機器學習的技術(shù)抽象化，構(gòu)建成圖譜結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)賦能的情況下，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與圖譜動態(tài)結(jié)合，用于輔助解決復雜查詢、關聯(lián)分析、根因追蹤等場景的需求，結(jié)合數(shù)據(jù)分析手段，通過多級數(shù)據(jù)反饋結(jié)果，完成對故障根源的搜索定位。

4）多源融合可信感知理論與關鍵技術(shù)的研究及應用

在綜合運維系統(tǒng)中，傳統(tǒng)低頻、單一的電氣特性感知技術(shù)已經(jīng)不適應系統(tǒng)可靠安全運營的要求，主要體現(xiàn)在感知對象已經(jīng)從原信號設備電氣特性指標演變成電氣特性、機械特性、視頻、音頻、信息流、網(wǎng)絡包等多樣化對象；體現(xiàn)在感知頻率需求不斷提升，從傳統(tǒng)的低頻感知演變成需捕獲ms 級瞬時特性的高頻感知；體現(xiàn)在對感知設備與被感知設備的安全隔離要求日益不斷提升；同時，感知場景日益復雜，從傳統(tǒng)的持續(xù)定時取樣演變成時間域變化的、對象可轉(zhuǎn)化的復雜取樣。

針對高鐵運營裝備分布廣泛、持續(xù)工作、安全隔離等特有問題，研究應用新型感知設備（智能傳感器、智能儀表、智能視頻、智能音頻、智能標簽等），通過多源數(shù)據(jù)融合實現(xiàn)智能感知；實現(xiàn)面向核心安全設備的非侵入式聲、光、電、信息流等感知技術(shù)以保障感知的安全性；實現(xiàn)可智能自識別關鍵場景、自切換采樣模式的綜合智能感知系統(tǒng)。

5）基于AI 的視頻智能識別算法的研究及應用

為彌補各子系統(tǒng)自診斷功能的不足，代替機房人工巡檢，綜合運維系統(tǒng)應研發(fā)基于圖像分析技術(shù)的視頻智能分析子系統(tǒng)，基于視頻圖像分析技術(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)燈位的實時監(jiān)控，并具備故障診斷和預警功能。除了研究基礎的圖像分析算法外，還需要研究機柜滾動故障代碼識別算法，主備鑰匙識別算法，機柜去網(wǎng)格算法以及機房光線干擾的相關算法，確保視頻智能識別結(jié)果的準確性。

6）基于機器人巡檢的自動化采集控制技術(shù)研究及應用

人防、物防和技防是安全防范的3 個范疇，在設備運行環(huán)境嚴酷、空間受限等條件制約下，如高壓變配電設備設施、通信鐵塔、接觸網(wǎng)架空線、設備機房等處，通過機器人/無人機的非接觸式傳感探測技術(shù)、安全遠動技術(shù)、室內(nèi)外精準定位技術(shù)、高效無障礙通信技術(shù)等自動巡檢及控制技術(shù)的開發(fā)，實現(xiàn)鐵路全方位、全覆蓋、全時段的安全防控。

7）系統(tǒng)級綜合評價技術(shù)研究及評價系統(tǒng)開發(fā)

研究能夠描述通信、信號、電力和牽引供電及工務工程基礎設施整體運行情況的參數(shù)及指標，檢測系統(tǒng)整體運行狀態(tài)的方法，預測系統(tǒng)整體運行趨勢；研究系統(tǒng)各專業(yè)內(nèi)部設備之間安全通信狀態(tài)的故障診斷技術(shù)；研究信息系統(tǒng)級聯(lián)鎖校驗技術(shù)；建立系統(tǒng)級的故障庫，研究系統(tǒng)級的故障診斷方法；采用數(shù)據(jù)挖掘理論與方法中的頻繁模式識別、離群點檢測、聚類等方法與技術(shù)，識別系統(tǒng)運行過程中的異常情況。基于以上研究開發(fā)系統(tǒng)級運行評價系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場的系統(tǒng)級運行狀態(tài)檢測、運行趨勢預測、系統(tǒng)數(shù)據(jù)校驗及綜合故障診斷，使系統(tǒng)級的用戶能夠隨時掌握系統(tǒng)整體運行狀況及運行趨勢，提前做好預案，縮短維修時間。

8）設備主動維修決策技術(shù)的研究及應用

傳統(tǒng)的定期檢修制度一方面帶來了檢修和維護人力、成本的浪費，另一方面對設備的過度檢修也會降低設備的可用性，對設備的正常運行帶來隱患。綜合運維系統(tǒng)應基于智能感知和協(xié)同識別信息，研究建立設備健康評估、主動維護模式，有針對性地完善保障設備可靠運行；基于設備全生命周期質(zhì)量監(jiān)控和評估，智能預測、推薦設備檢修周期和設備使用壽命；以設備的真實質(zhì)量水平、結(jié)合維修預案，動態(tài)智能提出設備維護和維修計劃，輔助實現(xiàn)主動維護決策，在實現(xiàn)設備高度可靠性的同時，實現(xiàn)維保工作的提質(zhì)增效。

5 結(jié)束語

高速鐵路綜合維修一體化是當前鐵路改革發(fā)展中的一項重要工作，也是全面提高鐵路設備單位的檢修質(zhì)量和天窗利用率的有效方式。高鐵綜合運維系統(tǒng)圍繞鐵路裝備產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略實施，順應我國制造業(yè)自動化、智能化、精益化、綠色化發(fā)展趨勢。綜合運維系統(tǒng)技術(shù)的研究和發(fā)展，將顯著提高鐵路四電及工務等各專業(yè)跨系統(tǒng)、跨設備的綜合智能分析和故障診斷能力，在輔助鐵路安全運營、生產(chǎn)調(diào)度指揮、設備全生命周期管理等方面發(fā)揮積極作用，在實現(xiàn)鐵路安全生產(chǎn)、帶動減員增效、提高效益和效能、提升鐵路運維裝備信息化水平方面具有顯著的示范意義。