基于 CPS 的超大城市地鐵機電設備智能運維體系設計

黃寶靜，周凌云，桑曉明

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司運輸及經濟研究所，北京 100081；2.鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

依據2014年中華人民共和國國務院發布的《關于調整城市規模劃分標準的通知》，城區常住人口1 000萬以上的城市為超大城市。為緩解超大城市交通的壓力，方便市民的日常出行，北京、上海、廣州等地紛紛修建了龐大的地鐵網絡，隨之而來的運維成本和壓力也大幅增加。為有效提高地鐵運維效率、提升運營安全水平，實現“經驗型計劃修”向“感知型狀態修”的轉變，引入智能化技術顯得十分迫切。同時，隨著物聯網、5G通信、遠程控制等技術的興起，信息物理系統（Cyber-Physical Systems，CPS）也隨之孕育而生。CPS將計算、通信與物理技術有機地融合，可實現對設備的實時感知、動態控制和信息服務。基于CPS技術特征構建的超大城市地鐵機電設備智能運維體系是在站臺門、自動售檢票機、空調、電梯、排風扇等設備運行數據的提取、分析、建模基礎上，實現對上述設備的狀態實時診斷、故障提前預警、維修工單自動生成及物料庫存動態調整。

1 超大城市地鐵機電設備運維現狀

根據中國城市軌道交通協會統計，截至2019年底，我國內地已開通地鐵城市37個，總運營里程超過5 180.6 km，網絡化運營“規模體量大、線路分布廣、樞紐數量多、運營負荷強度大”的特點日益突出，從而對地鐵機電設備運維管理提出了更高的要求。為此，北京、上海、廣州等超大城市，結合本地地鐵網絡運維要求，紛紛構建了本土化的智能運維系統。全國及北京、上海、廣州地鐵在2013年—2019年的運營里程如圖1所示。

1.1 北京地鐵

北京地鐵第一條線路于1971年正式開通，截至2019年底已開通運營線路22條，覆蓋了11個市轄區，運營總里程為637.6 km。為有效解決定期人工巡檢方式所造成的效率低、成本高等問題，北京地鐵結合人工智能、大數據、云計算等技術，初步構建了設備在線檢測系統，實現了站臺門、自動售檢票機、空調、電梯、封閉柜體及過軌穿管內不可視設備運行狀態的實時檢測、故障預警，大幅提升了北京地鐵場站機電專業設備的檢測效率和精準度。

圖1 全國及北京、上海、廣州地鐵在2013年 — 2019年運營里程

1.2 上海地鐵

上海地鐵網絡的運營設備由車輛、信號、通信、信息、變電、接觸網、線路、土建、控制中心和車站機電10大專業設備組成，截至2019年底已開通運營線路18條，運營總里程達669.5 km。為提升設備狀態檢測的精準度和故障處理的敏捷度，上海地鐵依托物聯網、自動控制、大數據等技術，實現設備的狀態智能感知、故障遠程自動預處理。例如，在車輛專業，上海地鐵自主搭建了由鷹眼、平輪檢測、車地數據傳輸等多個子系統組成的設備狀態數據智能分析平臺，初步實現了車輛專業關鍵設備數據的采集和分析。對于其他如供電、工務、通號、機電等專業，上海地鐵也分別建有多個零散的子系統，目前正在逐步整合。

1.3 廣州地鐵

廣州地鐵是服務于中國廣東省廣州市和珠江三角洲的城市軌道交通系統，截至2019年底運營線路14條，運營總里程為489.4 km。在設備運維智能化方面，廣州地鐵以專業化、精細化作業為主，建立了由輪軌接觸幾何狀態、受電弓及車頂狀態、站臺門閉合狀態、空調系統狀態等檢測模塊組成的智能運維系統，但目前該系統各模塊采集的設備狀態數據、現場故障數據、維修工單數據、庫存物料信息等并未實現共享。

2 超大城市地鐵機電設備運維存在的問題

2.1 自動化、智能化運維手段不足

隨著新修線路與場站的增加，地鐵車站內機電設備數量和種類也在不斷增長，使得保障超大城市地鐵高效、可靠運行與設備維護任務艱巨之間的矛盾在不斷加劇。受成本與技術的限制，當前北京、上海、廣州等地鐵智能化運維尚處于初級階段，大量設備的運維仍以人工開展為主，各類自動化檢測裝備配備相對薄弱。以上海地鐵為例，為實現全網5 000余臺（套）自動售票機、1 000余臺（套）垂直升降梯、800余組冷水機組等設備的檢修，上海地鐵配置了約1 000名專職維保人員；同時，為保障乘客出行安全，所有一線站務人員還需兼職負責對上述設備進行有效的日常維護和管理。

2.2 既有運維系統與設備間匹配程度低

目前，北京、上海、廣州等超大城市部分地鐵線路壽命已超過10年，隨著后續線路的開通和新設備的大量投用，網絡中新老系統之間設備型號和接口標準不統一的問題逐步加劇，各系統之間的兼容性存在不足，對網絡資源的統籌共享、車站機電設備的統籌運用都造成一定的限制，影響了全網運行可靠性和效率的發揮。以上海地鐵為例，由于在線路規劃建設階段對各專業系統與設備功能、型號考慮不夠充分，造成系統與設備間匹配性不夠，僅2018年為實現各條線路系統與設備的一致性，上海地鐵設立了152個改造項目，其中涉及車站機電系統與設備改造的有44項，占總改造項目的29%。

2.3 設備運維狀態數據傳輸實時性低、可靠性較差

地鐵機電設備運維數據按照類型可以劃分為結構化數據和非結構化數據2類，其中結構化數據如旅客進出站一卡通數據、設備運行狀態數據、車站溫濕度數據等；非結構化數據如各類設備圖像與視頻數據、運維臺賬與報表等。當前超大城市地鐵機電設備運維數據采集過程由于受數據采集傳感器布置數量、位置、性能及傳輸網絡可靠性、帶寬等的影響，很難達到較高的實時性。同時，數據采集過程易受異常斷電、網絡失效等因素影響，可靠性也較差。

3 超大城市地鐵機電設備智能CPS運維體系

3.1 定義

從地鐵機電設備專業化、可視化運維管理的需求出發，以地鐵站臺門、空調、電梯等設備實時狀態感知和大數據分析技術為基礎，通過對數據的特征提取、分析、建模，實現設備的運行狀態在線診斷、故障提前預警；通過工業現場總線、以太網和無線網絡的融合，實現設備運維數據高效、可靠的傳輸及設備的遠程控制。

3.2 體系架構

在借鑒北京、上海、廣州地鐵設備運維管理經驗的基礎上，本文根據超大城市地鐵機電設備實際運維管理的需要，構建由物理感知層、網絡通信層、資源服務層和應用管理層組成的超大城市地鐵機電設備智能CPS運維體系，如圖2所示。

（1）物理感知層。物理感知層是地鐵設備運維數據閉環流動的起點和終點。物理感知層包含地鐵電梯、站臺門、空調等設備，涉及速度傳感器、紅外探測或激光探測器、溫濕度傳感器、信號讀取器等感知/檢測裝置。

（2）網絡通信層。網絡通信層是實現物理設備與系統間運維數據高可靠性、低延遲傳輸的橋梁。各類型傳感器將采集到的設備運維狀態數據，通過工業以太網、工業現場總線、無線網絡等方式傳送到服務器，實現各類設備運行狀態的實時監控。

（3）資源服務層。資源服務層是保障運維數據可靠存儲、計算、分析的關鍵，通常由圖像與視頻數據庫、運維日志、分布式服務器組成，數據“上行”為應用管理層提供各類數據分析與運算服務；數據“下行”為物理感知層的圖像、視頻等提供數據存儲服務。

（4）應用管理層。應用管理層是向地鐵機電設備運維管理人員及其他管理者采用圖表化展示各類設備實時狀態的窗口，其基本功能模塊包括在線檢測、異常預警、故障診斷、維修績效考核、維修施工調度、物料庫存管理等。

3.3 運維體系關鍵技術

3.3.1 設備在線檢測技術

設備在線檢測技術是通過安裝在地鐵上的各類傳感器，從不同維度對設備運行狀態進行感知與采集，然后按照提前約定的網絡通信協議，將檢測到的狀態數據進行實時傳輸，從而實現對各類設備運行狀態實時監管的技術。目前大多數地鐵設備運維主要以人工檢修為主，不僅需要耗費大量人力，還難以做到設備狀態的實時感知與采集。地鐵機電設備智能CPS運維體系最底層是由激光傳感器、加速度傳感器、溫濕度傳感器、煙霧監測傳感器等各類感知元器件組成的傳感網，通過對屏蔽門間隙、電梯升降情況、車站溫濕度等實時狀態進行采集、分析，實現對設備狀態的在線識別和管理。

3.3.2 設備故障診斷技術

設備故障診斷技術是在利用物聯網和大數據技術的基礎上，通過對采集到的設備海量運維數據進行大數據分析，判斷設備是否健康運行的技術。地鐵機電設備智能CPS運維體系中涉及信號傳輸、數據處理、設備自動控制等操作流程，需要在線檢測、遠程控制等技術進行支撐。以上海地鐵機電專業為例，全網站臺門與安全門共約有20 000樘、檢票閘機約有10 000臺（套）、自動扶梯約有3 300臺（套），機電設備每天將產生大量的數據，如何對海量設備的健康狀態進行診斷是實現地鐵安全、高效運行的關鍵。為此，本文針對不同場景下機電設備運維管理的需要，通過在地鐵機電設備上安裝不同類型的狀態感知元器件，實現對管理對象運行狀態的實時自動采集，然后利用大數據分析得到一個整體綜合量化的地鐵機電設備健康度評估值，從而提高地鐵機電設備健康診斷與異常檢測的準確率。

3.3.3 設備遠程控制與管理技術

設備遠程控制與管理技術是在對設備狀態診斷的基礎上，通過工業現場總線、工業以太網、無線網絡等傳輸技術，實現傳感器與服務器雙向通信、應用管理層對檢測設備的遠程控制。高速率、低延時的數據傳輸技術是實現地鐵機電設備遠程控制與管理的關鍵，目前地鐵機電設備數據傳輸通常由上述3種方式完成。其中，工業現場總線負責地鐵車站通風空調、站臺門、自動扶梯等設備的控制；工業以太網用于自動售檢票機、車站照明裝置、風機等設備的控制；隨著5G及下一代無線網絡技術的發展，各種傳感器與設備之間的“交互”將更加頻繁，低時延、高帶寬的無線網絡技術將成為海量機電設備遠程控制與管理的重要保障。

3.4 應用展望

超大城市地鐵機電設備智能CPS運維的實現，從長遠看，一是有利于地鐵可靠性、可用性、可維護性、安全性目標的實現；二是有利于地鐵運營主體精細化管理目標的達成；三是有利于地鐵運維質量和水平的提升。以地鐵機電專業為例，傳統人工檢修成本高、周期長，且對安裝在柜機里面不可視設備的運行狀態難以有效檢修；而隨著智能CPS運維體系的建立，機電專業各類設備將實現狀態實時在線檢測、故障自動診斷、異常狀態智能預警、關鍵設備遠程控制、庫存物料動態調整等功能，這對提高機電設備診斷效率、提升設備運維服務質量，實現地鐵設備“少人化、智能化”運維管理具有重要的作用。

4 結語

超大城市地鐵機電設備智能化運維，是降低運維成本、提高運維質量的重要手段，是實現地鐵安全、可靠運營的關鍵。為改變傳統地鐵設備以“經驗型計劃修”為主的維修體系，本文通過建立具有CPS技術特征的超大城市地鐵機電設備智能運維體系，實現了設備運維由“經驗型計劃修”向“感知型狀態修”的轉變，滿足了超大城市地鐵海量機電設備在線實時診斷、故障提前預警、庫存物料動態調整、運維人員科學分配的要求，可助力超大城市地鐵的高質量運營管理。