基于大數(shù)據(jù)的軌道交通多專業(yè)智能運(yùn)維研究

陳文樂

（西南交通大學(xué)希望學(xué)院，四川成都 610400）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的不斷加速，居民生活水準(zhǔn)不斷提升，打造交通“舒適圈”已經(jīng)成為當(dāng)下城市發(fā)展的重要戰(zhàn)略方向[1]。現(xiàn)階段，隨著智慧城市理念的提出，城市軌道交通正在與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，朝著智慧交通的方向大步前進(jìn)[2]。傳統(tǒng)的智能城市軌道交通更傾向于將流程電子化、信息化，將傳統(tǒng)的預(yù)約、售票、檢票等程序放置于互聯(lián)網(wǎng)及其專屬的交通APP，把車輛信息、車場管理等需要大量邏輯、數(shù)據(jù)處理的后臺信息交由計算機(jī)負(fù)責(zé)，完成了城市軌道交通與信息技術(shù)的初步結(jié)合[3]。但隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益成熟，萬物互聯(lián)思想已經(jīng)滲透至各行各業(yè)，全自動運(yùn)行的智慧城軌已成為當(dāng)今城市軌道交通的重要發(fā)展趨勢[4]。

全自動運(yùn)行不是簡單地將列車信息與人員信息交由計算機(jī)進(jìn)行處理，而是要確保整個城軌體系的運(yùn)維安全，要實(shí)現(xiàn)對車輛、軌道甚至車站全方位的狀態(tài)監(jiān)測與特征提取，并時刻對城軌體系進(jìn)行狀態(tài)評估，要利用大數(shù)據(jù)、人工智能等手段實(shí)現(xiàn)對人流量、車輛狀態(tài)的預(yù)測，對于已經(jīng)暴露出的問題故障要能夠?qū)崟r地提供處理決策與處理方案[5]。

狀態(tài)的監(jiān)測、評估和預(yù)測需要大量的車輛、設(shè)備信息數(shù)據(jù)作為支撐，傳統(tǒng)的綜合監(jiān)控和信號調(diào)度系統(tǒng)明顯無法滿足其要求。因此，需要借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過加裝專業(yè)的監(jiān)測設(shè)備及相關(guān)通信設(shè)備，將各專業(yè)信息，如信號、電路、軌道、水、通風(fēng)等，與車輛安全相關(guān)的因素納入一套多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)城市軌道交通的多專業(yè)數(shù)據(jù)同步采集監(jiān)測。并以歷史數(shù)據(jù)為依托，以大數(shù)據(jù)為手段，實(shí)現(xiàn)對安全運(yùn)維的實(shí)時監(jiān)測、預(yù)測及故障分析、模式化維修[6]。

1 多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理云架構(gòu)

多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)指的是利用技術(shù)的手段，全方位地獲取城市軌道交通信息，利用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)實(shí)施運(yùn)行狀態(tài)的獲取，借助大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的清洗、預(yù)處理和歸納分析，最終通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測預(yù)警和評估。確保整個城市軌道交通運(yùn)維系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行的同時，還能大規(guī)模減少后勤保障需求，降低備件儲備和設(shè)備保障成本，提高系統(tǒng)的全生命周期。

為了實(shí)現(xiàn)這一目的，多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)需要整合車輛運(yùn)維、PSD（位置傳感器）運(yùn)維、信號運(yùn)維等方方面面的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)融合與共享，完成了對系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃。整個多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為4 層，首先為確保系統(tǒng)的完整性，應(yīng)盡可能地納入更多的被監(jiān)測設(shè)備及專業(yè)系統(tǒng)，其次是將系統(tǒng)內(nèi)所需監(jiān)測的對象加裝傳感器、監(jiān)測器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集上傳，隨后對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，最終將數(shù)據(jù)處理結(jié)果實(shí)現(xiàn)反饋與應(yīng)用。

在城市軌道交通的實(shí)際運(yùn)維過程中，其最重要的一環(huán)在于數(shù)據(jù)的采集和處理。城軌在運(yùn)行的過程中，將會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)的格式、內(nèi)容均不相同，需要對其進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)存儲。城軌運(yùn)行過程中無時無刻不在產(chǎn)生數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)無法依靠人工進(jìn)行篩選甄別，也只能進(jìn)行臨時性儲存，必須依靠云計算技術(shù)，將海量的歷史數(shù)據(jù)儲存在云端，以便于后續(xù)采用機(jī)器學(xué)習(xí)等手段對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析。因此針對數(shù)據(jù)的采集、處理與儲存功能，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集處理云架構(gòu)（圖1）。

圖1 數(shù)據(jù)采集與處理云架構(gòu)

考慮到城市軌道交通被監(jiān)測設(shè)備分布范圍較廣，有些諸如軌道健康信息、供電信息等通過有線傳輸成本較高，且其分布零散，采用有線傳輸不現(xiàn)實(shí)。隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，可以將監(jiān)測信號通過5G 無線進(jìn)行傳輸，其傳輸性與即時性較好。由于上傳的數(shù)據(jù)格式各異，需要采用數(shù)據(jù)采集與解析協(xié)議對其進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，使其成為可供處理的格式，最終將數(shù)據(jù)上傳至基礎(chǔ)云平臺。云平臺中儲存著大量的歷史數(shù)據(jù)供算法學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，這些數(shù)據(jù)既可以作為各種數(shù)據(jù)庫供后續(xù)分析對比；也可基于需求進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)其各種輔助功能，滿足運(yùn)維數(shù)據(jù)服務(wù)、可視化服務(wù)等需求。封裝好的數(shù)據(jù)可以通過第三方APP 賦能，在行業(yè)應(yīng)用商店內(nèi)完成下載。

2 設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測與故障處理系統(tǒng)

整個城市軌道交通運(yùn)維的核心在于安全，因此設(shè)備的健康狀態(tài)監(jiān)測、評估與故障預(yù)測也是整個多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)的核心，其設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測與故障處理系統(tǒng)如圖2 所示。在多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)完成各專業(yè)、類別設(shè)備的數(shù)據(jù)采集后，大數(shù)據(jù)服務(wù)器可以實(shí)時地從基礎(chǔ)云平臺完成數(shù)據(jù)的下載，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理。整個數(shù)據(jù)處理過程可以劃分為數(shù)據(jù)融合與數(shù)據(jù)決策兩大類：①數(shù)據(jù)融合指的是對全體設(shè)備狀態(tài)的智慧監(jiān)視和對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分級分類智慧報警，對于已經(jīng)解除的故障取消報警；②智慧決策則指的是對數(shù)據(jù)庫中已有的系統(tǒng)故障、設(shè)備故障進(jìn)行智慧識別，對于故障的維修提供可行的操作指導(dǎo)，將其下發(fā)至對應(yīng)部門并進(jìn)行工作提醒。

圖2 設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測與故障處理系統(tǒng)

通過數(shù)據(jù)挖掘的手段，在海量的數(shù)據(jù)中尋找其規(guī)律特征，并針對性地建立智能運(yùn)維模型，通過歷史數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，不斷地對智能模型進(jìn)行優(yōu)化驗證，最終規(guī)劃出一套專家?guī)欤瑢?shí)現(xiàn)對現(xiàn)有健康狀態(tài)的評估和未來健康狀態(tài)的預(yù)測。

3 軌道交通應(yīng)急預(yù)案管理

多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)的另一項重要功能是實(shí)現(xiàn)對整個城軌運(yùn)維健康狀態(tài)的監(jiān)測與評估，和對其未來運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測，同時還要為應(yīng)急突發(fā)事件提供應(yīng)急預(yù)案，因此可設(shè)置一專門的應(yīng)急預(yù)案管理系統(tǒng)。各種不同類型、不同專業(yè)的數(shù)據(jù)在進(jìn)行上傳時需要對其數(shù)據(jù)格式進(jìn)行更改，使其成為可供處理的數(shù)據(jù)。但突發(fā)事件應(yīng)急處理與其他事件不同，其突發(fā)性、隨機(jī)性較強(qiáng)，并且以目前的人工智能技術(shù)水平尚且無法完全完成自主識別、處理，需要人員輔助進(jìn)行，但其寶貴的數(shù)據(jù)資源依然需要進(jìn)行上傳存儲，因此要使其數(shù)據(jù)能夠被處理、方便被處理。本文提供了一種如圖3所示的城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案管理系統(tǒng)。

圖3 城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案管理系統(tǒng)

為了使應(yīng)急預(yù)案可以方便地上傳下載，同時格式統(tǒng)一便于統(tǒng)一處理，為其設(shè)置了應(yīng)急預(yù)案的模板管理。其包含兩種功能：①對模板的基本信息進(jìn)行編輯、修改；②對模板結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行管理。對于現(xiàn)有的應(yīng)急預(yù)案，則可以進(jìn)行臺賬信息管理和預(yù)案內(nèi)容信息管理。

4 結(jié)論

城市軌道交通正在與信息技術(shù)進(jìn)行深度融合，朝著智能化方向的發(fā)展，其核心在于安全運(yùn)維。整個城軌系統(tǒng)安全平穩(wěn)運(yùn)行需要涵蓋電路、水、通風(fēng)等眾多因素，其涉及眾多專業(yè)。本文搭建了一款多專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，全方位地獲取各設(shè)備信息，通過數(shù)據(jù)的清洗、預(yù)處理和歸納分析，最終實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測預(yù)警和評估。由于其數(shù)據(jù)量大，難以儲存分析，本文搭建了數(shù)據(jù)采集與處理云架構(gòu)，并對設(shè)備健康狀態(tài)的監(jiān)測與故障處理系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計，最后為數(shù)據(jù)格式特殊的應(yīng)急突發(fā)事件設(shè)計了城市軌道交通應(yīng)急預(yù)案管理系統(tǒng)。確保整個城市軌道交通運(yùn)維系統(tǒng)安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行的同時，還能大規(guī)模減少后勤保障需求，降低備件儲備和設(shè)備保障成本，提高系統(tǒng)的全生命周期。