上海城市軌道交通超大規模網絡化下通信及信號設備的管理與轉型*

張 郁

(上海地鐵維護保障有限公司通號分公司， 200235， 上海∥正高級工程師)

2021年初，上海軌道交通15號線、18號線投入運營，上海城市軌道交通的運營線網總長度達到762 km，位居全球第一。這標志著上海城市軌道交通已經邁進了超大規模網絡化運營時代，與此同時，其也面臨著比以往更多的管理壓力和更為復雜的運營環境。

按照國務院對運營設備數字化、智能化轉型的要求形成的各專業“十四五”總體規劃和新的運維行動指南，是當下上海城市軌道交通運營管理工作的重心。目前，上海城市軌道交通超大規模下網絡化運營管理所面臨的主要問題為：

1)超大規模網絡化運營管理的特點及延時運營等措施，在為市民帶來便利的同時也導致全網設備維修的時間資源極度緊張。每日有7 000節列車行駛在762 km的線路上，但部分車輛在夜間的停運檢修時間不足2 h。

2)各系統服役都逼近設計的性能極限，列車最短間隔時間已縮短至110 s，嚴重突破各系統在設計時所規定的標準負載能力。

3)經過20多年的運營，大部分線路老齡化問題嚴重，已經到達大修年限，導致設備的維護難度進一步增加。如何進行設備大修和系統延壽是運營管理中不可回避的問題。

4)線網早晚高峰的客流量非常大，現有的應急體系和一線員工的工作能力已很難應對某些突發故障。將10年前幾乎不影響運營的小故障放到現在規模如此巨大的線網中，其對運營的影響將成倍放大，個別設備故障產生的社會影響甚至到了難以承受的程度。

因此，為順應數字化智能化轉型的要求，應建設以智能運維為核心的平臺化體系，全方位調整管理組織架構，將維修模式從既有的故障修向狀態修和預測修演變，逐步建立低成本的維護模式，最終建立全網設備全生命周期內設備狀態可控的高效率、低成本的可持續發展模式。

1 運營設備運維體系轉型的機遇和方向

1.1 轉型機遇

經過20多年的發展，上海城市軌道交通已逐步形成了以專業為基礎的維護體系。隨著運營線網總長度的增加，所需維護的設備種類激增，而通過提高員工的技術能力、加大維護頻次等傳統的維護管理手段，已無法提高設備的維護水平。但是，通過20多年城市軌道交通設備維護經驗的積累，設備維護單位對設備的功能要求有了深刻的理解。目前，上海城市軌道交通的設備管理需要轉型，需要利用上海城市軌道交通老舊線路大修改造的機遇，通過設備數字化、智能化的轉型方式，以大數據和信息化技術作為設備管理的基礎，打造全新的上海城市軌道交通超大規模網絡運營設備平臺化體系管理模式[1]。

1.2 轉型方向

在上海城市軌道交通線路的建設和改造階段，設計都相對獨立，沒有固定的設計要求和功能需求，這導致了設備型號和其他相關系統間的接口存在很大差異。如圖1 a)所示，原有的設備運維模式聚焦單線管理，以各線的獨立運行為主，因此，設備控制點多，核心維護資源較為分散；如圖1 b)所示，未來以平臺化管理為基礎的線網設備運維模式可實現智能化、集約化、扁平化管理，根據技術人員在日常運維中的表現對其工種進行分類。此外，新模式還支持端對端運維服務。平臺化體系建設是機電系統超大規模網絡化運維的轉型方向。基于平臺化管理，對未來新建線路建設需求進行總體規劃，梳理并統一線路各系統間的接口和設備型號，掌握設備的全時段數據，可做到浸入式管理，最終達到從設備的計劃修、故障修向狀態修、預測修轉型的目標[2]。

2 形成平臺化管理的智能運維體系

為了適應上海城市軌道交通超大規模網絡化運營的要求，應建立平臺化的管理體系，以智能運維平臺為核心，各專業網絡與子平臺為架構，實施端到端的浸入式管理。基于集中建設、邏輯收斂、全狀態監控、統一管理配置、統一對接智能運維平臺等原則，各設備專業應建設與超大規模網絡化運維相匹配的專業基礎平臺集群，并覆蓋全網，以形成智能化、浸入式、扁平化的設備管理方式。在平臺化管理模式下，各設備專業的運維工作應圍繞基礎平臺進行，使維護工作逐步從分散型管理向網格化管理過渡。

a)原有的各線獨立運行的設備運維模式

b)以平臺化管理為基礎的線網設備運維模式

應通過智能運維平臺的大數據分析，為優化設備的維護策略提供指導。為滿足平臺化體系管理的海量數據需求，各專業將進一步對設備相關數據的采集、傳輸進行升級。同時還將開展各子專業路網級平臺的建設，使之與智能運維平臺對接，使各專業平臺在智能運維平臺體系中統籌建設與管理的關系，并對各專業設備的運維狀態進行深度評估[3]。

3 信號、通信系統智能運維的總體規劃思路

3.1 信號系統的總體規劃思路

隨著設備狀態監測技術的發展，信號系統所采用的技術和設備也在更新替代。目前，上海城市軌道交通所轄線路共有10種信號制式，這些制式反映了上海城市軌道交通信號系統20多年的演進過程。在超大規模網絡化運營的時代下，上海城市軌道交通將在CBTC(基于通信的列車控制)系統互聯互通的基礎上與智能運維相結合，在總結20多年的維護經驗后進行增強型演進，信號系統未來的運維目標是形成基于標準化和長期演進的零故障、多模塊的列車控制系統。

3.1.1 信號系統的標準化

標準化是各線路信號系統互聯互通的基礎，線間的互聯互通可為上海超大規模的城市軌道交通網絡提供更為靈活、高效的運營組織模式。結合上海城市軌道交通的現狀，確定將車載設備標準化(即統一定義車載的相關接口，統一車載外掛設備的型號)作為互聯互通技術壁壘的突破口。“十四五”期間，上海城市軌道交通將結合部分線路信號系統的大修更新改造，通過車載標準化來實現上海城市軌道交通互聯互通的V1.0(即列車在線網間互通)。

在行業協會互聯互通標準、上海CBTC系統互聯互通規范體系和車載標準化互聯互通V1.0具體要求的基礎上，結合全自動運行等新技術的發展及應用，上海城市軌道交通將以實現線網互聯互通V2.0(即列車跨線運營)為下一階段的工作目標，持續推進研究。具體包括以下方面：

1)頂層設計。從新線初期階段規劃設計、頂層設計、機電總體設計入手，以信號互聯為設計核心，綜合考慮車輛、供電、線路、站臺門等專業的互通條件，消除專業間的壁壘。

2)技術攻關。統一互聯互通信號系統的需求和系統架構；采用車地通信方式與接口通信協議兼容技術；實現滿足互聯互通需求信息傳輸的安全編碼與解碼技術；實現滿足互聯互通需求的列車安全防護和精確控制技術；實現互聯互通下不同地面設備控制的列車平穩切換技術；采用統一的電子地圖與變更維護管理技術。

3)管理模式。信號系統由原來的線路級管理轉變為網絡級管理，實現線網系統間無縫隙兼容。為實現該目標，需解決如不同安全授權單位間交叉許可的安全管理、軟件管理等問題，急需通過技術研究與攻關進一步提升互聯互通的可用性。

3.1.2 信號系統的多模塊化

在保證標準化的前提下，預留FAO(全自動運行)的系統接口，對無線、定位、測速等多模塊冗余子系統進行持續演進。多模塊化有助于各關鍵子系統性能提高，使技術迭代更平滑，兼容性更強。

以通信系統的無線專業為例進行說明。無論是CBTC系統還是車車通信系統，均需在良好的通信網絡下運行。利用通信系統發展迅速的特點，可建立雙套、雙制式的通信網絡，如將現有的LTE-M(城市軌道交通用長期演進)和Wi-Fi(無線保真)相互冗余，以確保信號系統的正常通信。未來應用5G(第5代移動通信技術)后，LTE-M系統單套運行，在不影響運營的前提下通過對通信網絡進行更新改造，用5G替代現有的Wi-Fi系統，實現LET-M和5G的相互冗余。在更遠的未來，還可建立如5G、6G(第6代移動通信技術)等更貼合時代技術的雙冗余通信網絡系統。

3.2 通信系統的總體規劃思路

通信系統各子系統基本具備平臺化管理條件，應根據集中建設、邏輯收斂、全狀態監控、統一管理等原則予以配置，并對接智能運維網絡級基礎平臺。通信系統各子系統的分類劃分如表1所示。

表1 通信系統總體規劃Tab.1 Overall planning of communication system

根據上述分類原則，未來的通信系統規劃主要包括以下方面：

1)上層通信系統(線網級系統)。將建立各專業平臺，監控全部設備狀態；與智能運維核心平臺對接，實現設備的平臺化管理，滿足浸入式管理的條件，在平臺上統一業務管理與配置；為滿足各通信子系統在既有線路更新改造、后續新建線路接入時的要求，將增設各子系統核心設備；在條件允許時，各類核心設備在半生命周期時引入第2套主備核心，以降低核心網改造和線路改造之間的相互影響。

2)下層通信系統(線路級系統和車站級系統)。根據平臺化建設要求，在統一各線路通信設備的型號、制式與接口的基礎上，實現設備信息的透明化和網絡扁平化，簡化系統架構，最終實現平臺化管理。以廣播與導乘系統為例，目前PIS(乘客信息系統)與PA(公共廣播)的融合技術和實施方案已較為成熟，原有的VGA(視頻圖形陣列)、HDMI(高清多媒體接口)、BNC(刺刀螺母連接器)等接口已經停產淘汰，使用光纖解決方案才是未來的技術發展趨勢。今后，PIS與PA將合二為一，統一為音視頻信息發布系統。這2個系統的合并，簡化了網絡架構，也降低了平臺化建設的難度。

4 重新塑造中臺型生產組織結構

4.1 優化生產組織架構目標

上海城市軌道交通超大規模網絡對設備運維提出了更高的管理要求，原有的垂直型生產管理體系已無法滿足如此大體量的管理需求，需要優化組織架構，改變管理理念，構建健全、完善的管理機制，形成將故障消滅在萌芽階段的超前維護思路，從而達到體制順暢、邊界清晰、降本增效的目的。

4.2 三臺型生產組織結構

基于數據的平臺化管理模式，遵循“功能科學合理、分級分層管理”的原則，上海城市軌道交通通信和信號系統的組織結構應向“三臺型”生產組織結構轉變。通過基礎設施設備向平臺化浸入式管理方向的演進，全面落實對項目的全周期統籌監管，可實現扁平化的生產管控體系治理和層級化的業務模式優化，使得設備管理更加高效，業務運作更加敏捷、靈活。

4.2.1 敏捷型前臺

前臺是對靈活性要求最高的線路級生產部門，需要快速適應瞬息萬變的設備運維狀態，并直接提供相關維護服務。此外，前臺還有1個次要功能，即幫助后臺探索開發未來資源(包括技術)，為后臺提供故障發生前的初步預判和故障發生后的管理改進建議。

在前臺內部，同樣采用類似前臺(維護部綜合組)、中臺(維護部系統組)、后臺(維護部管理層)的“三臺型”架構，以實現前臺的崗位復合和減員增效。其中：維護部管理層負責總體協調；維護部系統組承擔所轄線路的數據監控、技術指導和業務支撐，同時進行駐地(停車場)維護業務；維護部綜合組負責所轄線路的維護工作，可通過崗位復合或委外方式進一步減少維護人員的數量。

4.2.2 全面型中臺

中臺是戰術性管理部門，發揮中臺承上啟下的關鍵作用，可徹底改變原來故障只能由一線人員搶修及維護的理念。通過智能運維平臺化體系提供的各項設備狀態和數據，中臺可提前進行布局，在故障萌芽階段及時予以消除，達到設備零故障的目標。同時，由于中臺連接了眾多專業，可提煉出各專業的共性需求，為前臺部門業務和項目建設提供統一的支撐性服務，并實現數據在各層級、各部門之間的透明流動。除此以外，中臺還將前臺長期累積的數據轉化為高度標準化、高度模塊化的技術手段，為前臺提供豐富、有效的維護模式。

4.2.3 前瞻型后臺

后臺由職能部門組成，主要負責高度前瞻性的戰略設計，以及年度生產計劃的制定與評估。此外，后臺還承擔著企業文化傳承與領導力培養等任務。后臺通過為前臺和中臺賦能，實現對前臺和中臺的長期性支撐，主要包括總體規劃、服務支持、資源管理、風險管控和整體協調等。

5 智能運維的作用及在生產中的定位

科技創新成果的應用，對城市軌道交通線路的建設及運維手段的不斷更新起到了直接的推動作用。智能運維系統的誕生，將引導城市軌道交通運營設備運維新模式的深度變革，驅動技術人員不斷提升技能水平，促進運維管理向著更科學、更高效、以人為本的方向持續發展。

完整獲取設備的狀態數據是智能運維的關鍵。所獲取的設備狀態信息是否滿足智能運維應用的要求，主要包括2個判斷要素：數據維度和數據質量。首先，為了獲取設備有價值的特征，應合理部署傳感器，以獲得如振動、聲音、電氣參數、轉速、動態日志等可多維度反映設備故障(特別是設備早期失效)的工況，還應評估長期積累的運行數據；其次，對各種智能化運維場景下的設備狀態進行監控，不同品牌、不同制式系列的設備，缺陷特征可能完全不同，因此需要在設計之初就考慮選擇適應性強的設備。同時，在系統平臺側也應采用開放的方式，邀請各廠家一起參與智能運維工況的篩選及智能模型的構建。

應加速培養技術人員的業務能力，提高智能運維的建設水平。智能運維可在新線驗收、運維評估、故障定位等方面提供各種設備狀態綜合監視、智能診斷、狀態評價的應用，可以物化為全新的運維裝備，為技術人員能力的提升提供更加堅實的技術保障，可迅速提高整體的數字化智能檢測和診斷能力，及時消除故障隱患，對設備故障進行精準定位，快速恢復運營。采用智能運維平臺化管理后，設備的運維取得了良好的成效：行車系統設備異常的檢測成功率達到了95%以上；關鍵設備的故障漏報率控制在0.5%以下；設備故障的平均處理時間從60 min降至10 min以內；列車晚點率下降了30%；道岔動作壽命從15萬次增加至47萬次；車載控制器的故障發生率從300萬車km/次降至1 047萬車km/次。可見，智能運維的應用落地切實保障了超大城市交通動脈的運行安全。

提高運維模式的效率與加速運維模式的轉型是智能運維的發展目標。科技和知識的結合帶來了運維模式的轉變，數字化運維能力隨之產生，從而大幅提升業務效率。在保證行車安全性和設備系統可靠性不變的條件下，新的運維模式使設備維修的項目和時間間隔趨于合理，節約了維修的人力、物力。同時，通過對設備狀態進行評估，改變了過去大拆大卸的做法，只進行必需的項目和必需的深度修理，由此設備日常診斷的工作量可降低40%～70%。據估算，智能運維系統替代人工現場的周期性巡檢后，每條城市軌道交通線路的平均設備運維工時可節約37(人·時)/周，節省維護人員約為0.4人/km。這些維護人員可轉變身份，投入到老線的大修改造項目中，為超大城市軌道交通線網的高效、可持續發展提供技術支撐。

6 結語

本文基于平臺化體系建設，對信號系統和通信系統進行總體規劃。建立“三臺型”管理體系是超大規模城市軌道交通網絡化設備運維的發展方向，而設備運維的最終目標是實現全壽命設備維護管理。為此，應積極探索實施互聯互通的可行性，形成各類設備標準化管理制度，重塑設備運維管理的組織架構，構建新的管理模式，建設與超大規模網絡相匹配的“安全至上、開放合作、創新進取、追求卓越”的平臺化生態管理體系，以實現全壽命設備維護管理的目標。