城市軌道交通車輛智能運維現狀分析及啟示

潘婷，劉青青，朱利明

（1.杭州中港地鐵裝備維護有限公司 技術中心，浙江 杭州 310000；2.杭州中港地鐵裝備維護有限公司 綜合管理部，浙江 杭州 310000）

1 概述

城市軌道交通是開啟全面建設社會主義現代化強國的重要支撐，是建設現代化經濟體系的先行領域，也是建設交通強國和智慧城市的重要組成部分。當前新一輪科技革命和產業變革正在深刻影響經濟社會全局，數字化、網絡化、智能化日益成為重要的發展趨勢，也是各國技術競爭和產業競爭的主旋律，關乎能否占據未來發展的制高點和主動權［1-3］。因而，發展智能、智慧技術和產品已經成為加快實現由高速發展轉向高質量發展的切入點和主要抓手［4］。但目前城市軌道交通智能運維系統的建設還處于初級階段，同時隨著軌道交通的快速發展，列車運行密度也在不斷增加，現有運維模式將面臨一些問題，如線網擴大、人力成本增大、缺乏歷史數據統計分析及很難為設備故障處置提供指導等。新技術賦能城軌產業已成必然趨勢，智能運維是運營規模快速增長和新技術發展應用的必然選擇［3-6］。

2 國內外城市軌道交通智能運維分析

城市軌道交通智能化系統是應用云計算、大數據、物聯網、人工智能、5G、衛星通信等新興信息技術，全面感知、深度互聯和智能融合乘客、設施、設備、環境等實體信息的綜合系統，智能化是現代軌道交通發展的必然趨勢。隨著我國城市軌道交通建設規模的不斷增大，城市軌道交通智能化系統的市場規模將持續擴大［7-8］。

城市軌道交通智能化系統包括綜合監控系統、乘客信息系統、綜合安防系統、通信系統、自動售檢票系統、信號系統和車輛系統七大子系統，具有高科技化、綜合集成化、數據分析智能化和運營體系智慧化等優勢，是我國城市軌道交通的建設目標和發展方向［3，6］。

2.1 上海地鐵智能運維

為了適應軌道交通網絡化大發展的需求，上海地鐵主動加快維修模式的創新，通過運營的供給側結構性改革，提升精細化管理能力。抓住軌道交通大發展的契機，提升狀態修、在線監測及大數據分析的能力，正在努力研究一套適合上海地鐵設施設備維護的新模式，讓上海地鐵技術引領地鐵行業，讓地鐵行業共享上海地鐵成果［9］。上海地鐵車輛智能運維系統于2019年獲批國家示范工程，在互聯網時代，上海地鐵始終堅持以科技助力生產，各專業智能運維建設取得了優秀成果。

上海地鐵智能運維體系（見圖1）包含四大子系統：車輛系統、供電智能運維系統、通號智能運維平臺、工務智能運維系統。

圖1 上海地鐵智能運維系統架構

（1）車輛系統主要包括軌旁綜合檢測系統、車地無線傳輸系統、智能工具箱及倉儲系統、檢修股道可視化監視系統、車輛智能運維系統（RISE）以及相關技術標準制定。RISE是集列車運行狀態實時監測、車輛軌旁綜合檢測、列車維護信息管理、車輛維護專家系統為一體的列車智能化檢修維護系統。通過RISE并輔以運維管理手段的創新，將初步實現城市軌道交通車輛運維由傳統計劃修、故障修向狀態修的轉變［10］。此外，在全自動列車駕駛方面，上海地鐵14、15、18號線列車自動化等級滿足EN 62290中UTO全自動駕駛（GoA4）的90余項功能，其中18號線作為上海首批全功能一次性開通最高等級全自動無人駕駛系統的地鐵線路，已于2020年底正式開通運營。

（2）供電智能運維系統從設備感知能力、設備全生命周期管理、生產業務流程管控、專家系統4個體系進行建設。感知海量異構數據狀態變化趨勢，對數據進行智能分析，實現故障預測、預警。集成設備的靜態基礎數據、動態履歷、運維業務數據，掌握設備全生命周期管理。建立跨平臺的數據共享模式，實現分公司整體業務流程上傳下達、融會貫通的一體化、全過程管控。專家系統為故障診斷、健康評估、故障預測、維修決策、聯動執行提供更智能的手段。

（3）通號智能運維平臺除了能實現信號設備狀態監視外，還將具備對信號設備進行質量評價功能和大數據分析功能。通過專家智能診斷和大數據分析，在故障出現時能自動定位故障點及故障原因，并以故障原理圖的方式顯示故障點；當檢測信息出現異常波動、突變、超限等情況時，系統能夠及時預警。同時平臺具備提供維護建議和故障處理流程的功能。

（4）工務智能運維系統主要是為了實現以“設備”為中心的維修向以“數據”為中心的運維轉變。一方面，通過軌道檢查車、鋼軌探傷車等設備進行智能采集應用建設；另一方面，基于生產管理、設備管理、關鍵點位監控3個板塊對智能運維平臺進行整合規劃，實現故障的提前預警預判。

2.2 成都地鐵智能運維

在信息化背景下，成都地鐵提早對智能運維進行規劃［11］。根據規劃總體建設思路，從建設維保網出發，率先打通監測信息回傳通道。同時，在整合各專業現有在線監測功能基礎上，豐富監測檢測手段，初步形成智能運維在線監測檢測體系，為大規模線網集中運維管理模式實踐創造條件。另一方面，以集團數據中心為依托，布局監測檢測中心、分析中心、智能調度中心，逐步構建大數據的分布式處理模式，為實現智能檢、狀態修及指揮型調度等管理目標奠定基礎。后續將圍繞“一網三中心”（見圖2）展開建設，結合專業、設備特點和管理實際分步實施。

圖2 成都地鐵智慧維保建設總體框架

一網：即維保網，由無線網絡和有線網絡兩部分組成。無線網絡解決非接觸式監測數據的靈活接入；有線網絡解決監測數據的長距離回傳。

三中心：即監測檢測中心、分析中心、智能調度中心。監測檢測中心匯聚并處理線網設備設施運行數據，監控設備設施工作狀態，并提供實時故障告警；分析中心對監測檢測中心處理后的數據進行深度分析，并提供事件決策方案；智能調度中心執行分析中心的決策方案，并實現業務的智能聯動。

此外，各專業需按頂層接口標準承建監測檢測系統，通過“一網三中心”促進監測大數據轉化為有效生產力，支撐人工檢向智能檢、計劃修向狀態修、生產型調度向指揮型調度轉型，全面提升城市軌道交通維保工作信息化、自動化、智能化水平。

（1）狀態修實現精準維保。通過監測檢測中心的建設，不斷完善與強化維保設備設施的在線監測功能，形成全面、實時、準確、集中的地鐵設備設施智能監管體系。在此基礎上，一是有計劃地減少人員巡檢工作內容、巡檢次數，逐步推進各專業無人值守維保模式；二是通過對設備狀態數據的準確收集，逐步完成專業設備從計劃修向狀態修過渡，同時將動態檢修狀態及結果納入維保生產管理體系建設的依據。

（2）自動化裝備助力高效維保。通過開發智能涂油器、軌道巡檢機器人、地質雷達機器人等一系列新型自動化設備，同時深化既有自動化設備的應用，如綜合檢測車、軌道探傷車、軌道打磨車等，全面提升維保工作的自動化水平。在此基礎上，一是進一步減少人工作業，降低安全風險，提升設備維護效率；二是利用人工經驗模型推動系統機器學習，實現管理思路的智能化。此外，通過建立客觀的健康評價體系，結合系統標準化與管理差異化研究，進一步提升維保管理工作水平。

（3）數據價值構建智能維保。通過信號系統線網化在線監測標準研究及實施、地鐵接觸網專業大數據處理系統研究、通信線網級集中告警平臺開發與告警數據挖掘研究、調度應急指揮系統研究等項目的開展，逐步完成監測檢測中心、分析中心與智能調度中心的建設與布局。在此基礎上，一是深度挖掘數據價值，逐步推進基于設備狀態運行趨勢預判與故障提前介入的檢修機制；二是踐行業務智能決策與聯動，最大限度縮短業務處置時間，規避主觀因素風險。

2.3 香港鐵路有限公司（MTR）智能運維

香港鐵路有限公司（簡稱港鐵）作為世界范圍內最優秀的地鐵運營公司之一，至今已有40多年歷史，地鐵車輛、通號、隧道、機電/自動化設備及其系統都仍能保持良好的運營服務表現，歸根結底與其多年來良好的全生命周期資產管理體系、嚴格的標準化作業方案和不斷探索創新優化修程修制密不可分。在互聯網發展趨勢下，港鐵也不斷利用架大修等契機對設備進行數字化升級改造，日常建立車輛系統表現監控小組（EEPM），采用資產狀態及性能評估（ACCA）等評估手段，結合實時數據監測和分析，確保安全前提下完成設備維護周期的最優化調整。

以港鐵電客車智能運維為例，港鐵根據不同線路和設備運營特點，分別建立輪軌監測系統、軌旁監測系統、軸箱溫度監測系統、弓網監測系統和轉向架振動監測系統，對不同線路受電弓、輪對等設備狀態進行實時監控，并收集數據統一發送至車輛段，車輛段將根據實時車輛狀態對列車運行計劃進行再優化，降低列車運行風險，提高列車可靠性。同時，大數據將最終發送至車輛狀態監測中心（Rolling Stock Condition Monitoring Centre），由監測中心對實時數據進行分析和再整理，也將“均衡修+故障修”向“狀態修”進一步轉變，對預防性維修計劃、架修和大修修程修制進行調整，做好設備狀態監測的同時延長維修周期，在全生命周期內完成資產成本效益的評估，發揮資產的最大價值（見圖4）。

圖4 港鐵全生命周期資產管理體系時間軸

此外，港鐵已深耕資產管理體系ISO 55001多年，該體系以實現組織資產價值最大化為目標，因此在港鐵所有后續電客車管理范圍內，都將從設備設計之初開始進行全生命周期資產的理念融合。同時，在智能運維浪潮的推動下，也將不斷結合數字化設備設施對列車部件進行價值最大化的改造和利用，做好車輛各系統及部件狀態監測，完善“狀態修”的制度和標準，做好高質量運營的前提保障，實現降本增效。

2.4 多特蒙德萊茵—魯爾快線數字化車輛段

在德國多特蒙德萊茵—魯爾快線數字化車輛段內（見圖5），設計之初對車輛段和列車配置全面的實時故障診斷系統、安防設備、數字化和無紙化辦公等設施，覆蓋所有列車維護工作，通過智能運維和數字化設備的全面覆蓋，車輛段內人車比僅為0.18，75個維護人員負責85列電客車長達32年的維護和服務工作（全球大多軌道交通運營單位的人車配比為0.50左右）。

圖5 多特蒙德萊茵-魯爾快線數字化車輛段

多特蒙德萊茵—魯爾快線數字化車輛段內所有員工只需通過平板電腦向員工提供的工單即可獲取所有維護所需信息；其次通過與西門子合作，車輛段分布了大量傳感器和監測設備，運營期間列車會通過多種在線監測系統將有關設備的狀態數據傳送至車站，方便站務和司機進行緊急操作。

車輛段可通過數據專家利用AI算法分析每列車上關鍵部件的數據，及時提供給一線維護人員并提供建議，方便維護人員改進自己預防性維修工作和糾錯性維修工作。同時，這些故障預警信息和故障定位信息也會方便所有OCC、DCC、駐站、站務和司機等人員做到快速而有效聯動，加快列車恢復服務速度。此外，每天結束運營列車回庫時，電客車會通過AVI輪對監測設備自動檢測每個輪對的磨損狀態，這些數據會直接輸入信息化的數據管理平臺，進行進一步評估和處理。

車輛段還配備1臺高性能3D打印機，可以快速、直接制造塑料/橡膠備件，實現某些零部件短時間內的快速周轉。

3 城市軌道交通智能運維分析啟示

截至2021年，以杭甬為代表的浙江省城市軌道交通經過“十三五”規劃的加速建設，運營里程和規模已基本實現市域內軌道交通線網的建成與投入運營。浙江省軌道交通響應國家號召，以發展綱要為指引，緊抓“智能化+自主化”，以“精準運用+按需維修”為智能運維核心，保障可靠性和維修性，始終牢牢把握“高速+高質量”發展的方向。借鑒先進城市示范點的寶貴經驗，主動融入軌道交通智能運維發展之中。以實際情況為基礎，規劃發展藍圖，搭建工作路徑，實事求是深入底層規劃發展邏輯。構架平臺，吸納人才，為科研攻關做準備。搭建示范單位和工程，明確應用場景，深度融合運營業務，與外部環境協同發展。主動形成行業標準體系。在國家和省市政策保障措施下，順應發展大趨勢，積極面對挑戰。啟示如下：

（1）智慧維保是一項長期的系統性工程，相關建設工作任重道遠。應在做好長期規劃的前提下，緊密結合生產實際，集中優勢力量優先攻堅關鍵性技術問題，以循序漸進方式穩步推進信息化與自動化融合，最大限度活化維保資源，逐步實現降本、提質、增效、保安全的目標。

（2）開創以智能運維為中心的設計理念，提升運維便捷性，促進智能運維的發展。

（3）建立數據采集、分析、應用全過程的產業聯盟，打破業務部門之間的壁壘，加強相關人員之間的協作。

（4）以智能運維和制造數據為支撐，對標法律法規，細化報廢流程及規范。

（5）持續挖掘全生命周期智能運維與制造的融合點，提升智能運維的延展性。

（6）智能運維不僅需要從信息化設備方面更新換代，更是對專業技術人員提出了更高要求，需要掌握數字化設備的操作和使用方法，擅長進行大數據分析和研究，并根據數據規律進行歸納總結，對現有維修手冊和維修制度進行有效變更。