有軌電車資產全生命周期管理系統設計*

金建飛 徐正良 何利英 趙曉峰 劉宏祥

(1.上海有軌電車工程技術研究中心，200125，上海；2.上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司，200125，上海；3.上海電氣自動化設計研究所有限公司，200023，上海∥第一作者，高級工程師)

當前有軌電車運營調度管理系統主要是設計面向調度人員的運營調度功能。常言道“三分建、七分管”。隨著各系統后期維護管理愈發受到重視，如何升級為面向全生命周期的資產管理系統是設計和運維人員面臨的共同課題。

本文探討的有軌電車資產全生命周期管理系統，是面向資產密集型企業的解決方案，它通過信息化手段優化維修任務，合理安排維修計劃、資源及活動，并以提高資產可利用率、降低運營維護成本、追求設備壽命周期費用最經濟和設備效能最高為目標[1]。

1 系統設計背景及構建原則

近年來，有軌電車新建項目多以調度管理系統為主體，集成或互聯通信、票務和電力監控等專業，并與智能交通等外部系統互通，構建了綜合運營調度管理平臺，如深圳、成都、嘉興等城市。但其仍存在一些問題：①建設成本較高，每個弱電系統都有獨立硬件和網絡設備，接口多使用點對點通信協議，信息共享不足，跨業務聯動、應急快速響應能力有待提高；②建設單位或設計院負責協調各子系統供貨商進行接口設計、發貨、安裝和聯調工作，工作量大；③同一線路設置多個分立工區，人力不能充分運用，導致整體運維效率不高。

這里有必要提出有軌電車資產全生命周期管理系統設計。該系統為有軌電車網絡運營管理提供互聯互通和大數據平臺，實現子系統的快速聯動反應，可進一步提升整體運營管理性能；同時將各子系統的運營大數據集中處理和分析，把有效的狀態檢測數據發送至運維管理系統，以實施有軌電車系統全生命周期的資產管理。在確保安全運營的基礎上，集成優化運營管理，可節約人力物力投入，減少運營維護成本，真正實現有軌電車的經濟運行。

2020年3月，中國城市軌道交通協會發布的《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》[2]提出了有軌電車資產全生命周期管理系統構建的原則：

1) 統一的硬件和網絡平臺。構建全線網綜合信息平臺，處理生產調度和安防管理、信息發布與票務管理、企業管理及辦公自動化等業務。所有子系統掛接同一骨干網絡，業務間使用網閘隔離。

2) 統一的數據平臺。采用統一的數據庫存儲各子系統業務數據和功能結構化數據，通過平臺的消息機制分發給不同客戶端；基于實時庫中不同的業務關鍵閾值，實現可定制跨業務聯動場景服務。

3) 統一的操作界面和診斷維護。設計統一的多工種操作界面，根據賬號授予不同工作站和不同操控權限。通過綜合設備維護界面，進行所有設備的狀態監督、指標預警、壽命管理等，引入人工智能的關聯分析，提高故障診斷和預測能力。

2 系統微服務架構

有軌電車資產全生命周期管理系統主要由應用服務器、消息服務器、集群數據庫服務器和客戶端代理等部件組成。應用服務器執行數據采集和預處理、計劃觸發響應、工單流轉處理和維護預測判定等。消息服務器是系統對外通信的中轉站；集群數據庫服務器通過磁盤陣列存儲報警、事件、計劃、工單和臺賬，能滿足至少一年的容量要求；客戶端代理提供人機接口，支持跨平臺應用，以及移動端、物聯網和云平臺的擴展。

為部署的靈活性和后期維護的可擴展性，該系統采用了更強調服務專業化和精細化的微服務架構。有軌電車資產全生命周期管理系統微服務架構如圖1所示。其主要服務是基于Docker容器技術的部署方式，根據項目需求加載更多專業，每類服務均按需使用基礎設施和基礎服務，協調服務之間的配合關系和運行時序。當客戶端代理與服務端建立通信時，在處理安全策略和訪問認證后才能通過資源調度網關和資源調度程序接口調用服務[3]。

圖1 有軌電車資產全生命周期管理系統微服務架構Fig.1 Micro service architecture of tram asset full life cycle management system

2.1 高性能協議

應用服務器之間、應用服務器與數據庫服務器之間，傳輸數據量非常大，實時性要求很高，所使用的高性能數據通信協議屬于異步事件驅動的網絡應用程序框架，緩沖區功能強大，能提供很多類接口，亦可將接收緩沖區包轉換成所需數據格式；而二進制數據格式的Protobuf協議編解碼工具庫，具備更好的傳輸和組解包效率，可廣泛支持人工智能、區塊鏈和物聯網等應用。

2.2 消息隊列

作為系統關鍵部分，應用服務器的任務處理壓力很大，所以在與外部子系統通信時增加消息服務器，使用提供統一消息服務的應用層標準高級消息隊列協議AMQP(應用間消息通信的一種協議)，是面向消息的中間件設計，其不受客戶端/中間件產品、開發語言等限制，支持一對一、一對多、自動分享模式，在降低連接復雜度的同時，能保證通信消息的可靠性[4]。

2.3 集成框架

為確保列車運行實時監控核心功能的可靠性和安全性，同時兼顧各弱電專業操作和維護功能，采用了嵌入式集成框架。該框架基于開源網頁瀏覽器控件，支持Windows、Linux、Mac平臺，提供C、C++、.NET、Python等多計算機語言接口，實現HTML5(第5代超文本標記語言)特性，且具備多進程管理功能。

3 系統功能

有軌電車資產全生命周期管理系統在原有運營調度管理模塊基礎上拓展出豐富的智能化維保功能。

3.1 計劃管理

計劃管理是維保活動的總綱，包括編制、審核、修改、發布、執行、核驗等環節。按工作周期有年、月、周、日計劃；按工作性質有生產性、故障修、狀態修、欠修返修、配合作業及臨時性計劃。計劃管理以年計劃起始，生產主管基于維護管理規程、上一年計劃執行情況、新增技術改造等來進行編制。完成的年計劃經過維保公司內部維保部經理、技術部經理、質安部經理、調度室經理、生產副總各級審批后，由調度室計劃員報集團公司計劃部審批，通過后作為下一年度計劃性指導文件。年計劃審批流程見圖2。

其中，年計劃含年表和月表，內容有計劃編碼、維修類別、線路、部門、班組、設備、設備類別、專業、位置、作業要求、作業內容、維護方式、供應商編碼、檢修頻次、計劃工時(分鐘)、合計工時(分鐘)、年計工時(分鐘)和觸發條件等。每一條計劃任務編制前，需先創建標準工作，然后針對不同設備和位置進行復制修改；觸發條件也是先編制通用觸發事件，定義標準工作前置條件，然后在創建具體計劃任務時自動關聯。

圖2 年計劃審批流程Fig.2 Year plan review process

3.2 工單管理

工單管理是結合預定義工單模板，生成作業、質檢工單后派發給班組人員以具體落實工作，相關人員完成工作后回填工單，作為總結記錄信息。工單管理流程見圖3。工單管理包括模板管理、工單生成、查詢、審核、派發、執行和關閉等。工單有生產、維修、質量和其他通用等類型。生產性工單對應生產性計劃，屬于常規檢修作業，具有規程和作業指導書，通過設備類型、作業內容和周期來匹配工單模板自動生成工單；維修性工單對應故障修計劃，通過現場提報且已確認的故障報告來人工創建工單，系統羅列出根據故障現象查詢的專家庫文檔作為維修參考；質量工單對應檢修完成后的質檢計劃，是生產性或維修性工單的后續工單，用于評價操作性工單執行效果；其他通用工單泛指非常規性計劃工單，此類計劃參考資料需臨時導入，同時保留維修記錄和過程信息。

圖3 工單管理流程Fig.3 Year plan review process

工單模板包括工單號、工單類型、工單狀態、設備編碼、設備類型、設備位置、作業內容(生產性工單)、作業周期(生產性工單)、故障報告(維修性工單)、所需物料、人員資質要求、所需工具、作業指導書、規程、作業記錄單、危險點分析以及防范措施、安全措施及注意事項等。

除上述工單填報和流轉外，系統還提供針對現場的工作許可管理，即在工單確認實施后現場開工前，與調度室統一確認施工時間地點、協調配合及是否動車等，以提前發現施工沖突和作業危害。

3.3 庫存管理

備品備件庫存管理包含基礎數據管理、物料收發流程管理、庫存盤點及特殊物料管理，以保證物料收、發、用的全程信息跟蹤。基礎數據主要是定義和維護倉庫、物料的基礎信息；物料收發流程包括收料、入庫、領料、退料、出庫、調撥、移庫、特殊入庫、報廢等，以支撐日常維保作業；庫存盤點是以倉庫為單位，進行存貨的核查、查詢及庫存量欠缺、超限報警提醒等[5]。

此外還有物料月消耗分析。基于物料出庫信息，結合關聯工單，將統計結果細化到計劃性、非計劃、應急搶修、報廢等各類消耗，這些與其他計劃性消耗匯總整合為完整的物資需求計劃。

3.4 物資管理

物資管理是對工器具、勞保用品、辦公用品的登記和處置，內容包括所屬專業、所屬系統、物資名稱、物資分類、物資編碼、規格型號、單位、供應商、價格和鑒定周期等。

較重要的工器具檢定，包括上一次和下一次檢定日期查詢、送檢和回填。檢定日期參考物資基礎信息中的檢定周期，若檢定周期為0，則無需檢定。

3.5 設備臺賬

包括設備基礎信息、履歷管理、配置管理、RAMS(可靠性、可用性、可維護性和安全性)管理、LCC(全生命周期成本)管理，用于收集設備運行基礎數據，統計、分析、計算高階運維指標，為預測性維護打基礎。

1) 設備基礎信息是定義和維護設備類型和臺賬作為智能化維保業務主數據。設備類型包括類型的編碼、名稱、型號、描述和技術資料(圖紙、安裝使用手冊、維護規程、作業指導書)等。設備臺賬包括所屬專業、系統、設備代碼、名稱、類型、規格型號、描述、供應商、制造商、出廠序列號、安裝位置、上線日期、使用年限和附件等。

2) 設備履歷管理包含檢修、故障、配置更改、更換等履歷。所有履歷信息，均對應施工作業數據以涵蓋全生命周期。設備履歷管理見圖4。

圖4 設備履歷管理Fig.4 Equipment account management

3) 設備配置管理是為各設備配置公里數上限、使用次數上限、壽命到期日期、質保到期日期等，根據配置的上限和規則到期自動提醒。

4) RAMS管理包括設計指標錄入、運維指標計算、設計和運維指標比較分析、技術改造成果統計，使RAMS分析形成從設計到運維的閉環管理。

5) LCC管理主要是建立以有軌電車維保構型為基礎的設備全壽命周期成本模型，實現LCC指標配置與管理，從現有系統或導入方式獲取設備業務、履歷與成本信息以計算LCC指標，其中關鍵成本信息至少包括采購、運營、維修、技術升級、管理、報廢處置等費用[6]。

3.6 預測性維護

預測性維護即狀態修，是最具智能部分，在實時狀態監測基礎上，分析報警數據，運用故障模型進行預警和建議，以提高維修效率、降低庫存成本。

狀態監測以原理圖、設備布置圖等形式展示設備實時運行狀態，以列表形式實時展示設備報警、預警信息，包括設備類型、名稱、安裝位置、報警描述、報警時間、報警級別、恢復時間和處理狀態等。點擊設備圖元和報警信息，可快捷查看設備基本信息、運行參數和履歷等。

故障預測即設備剩余使用壽命預測，綜合使用回歸法、外推法、相似法建立故障模型，對不同可修部件采用不同模型進行有效預測[7]。回歸法是通過訓練準確的回歸模型來描述性能狀態變化過程與剩余壽命的映射關系，輸入性能退化過程參數后得到剩余壽命，有明確使用壽命和退化曲線的部件常使用此模型，如車輛各類機械部件；外推法是利用設備投用后的性能數據重新建立退化曲線并預測后續發展趨勢，設備從當前時刻到達預設失效閾值或失效面的時間為剩余壽命，該模型適合無明確壽命或退化曲線的復雜機電設備，如道岔轉轍機。相似法是利用兩個或以上前服役設備與歷史樣本設備性能退化曲線進行相似度匹配，確定最相似的樣本作為參考集，通過數據融合方法預測當前樣本剩余壽命，適用于壽命不長的部件，如各類電源系統中的蓄電池。

通過故障預測模型得到各類預警信息后，還需進行忽略和處置，篩選最有效信息，提報故障、制定檢修計劃、生成并派發作業工單。忽略或處置后的預警歸入歷史預警信息內容，包括設備類型、名稱、安裝位置、預警描述、預警時間、預警級別、處置或忽略時間、預警狀態等。

通過故障預測模型還可輸出維修建議并分析計算結果，按優先級進行性能排隊，支持不同維度的篩選查詢。當工程師認可維修建議后，允許根據此維修建議新建臨時作業計劃。對于輸出的備件需求預測結果，同樣在工程師確認后，合并入年、月物料需求計劃。

4 結語

有軌電車資產全生命周期管理系統是對現有運營調度管理系統的再次升級，依托部署靈活、拓展方便的微服務架構，配合高性能協議、大容量消息隊列和嵌入式框架等關鍵技術，重點增強面向多專業的統一的智能化維保功能，覆蓋計劃修、故障修、狀態修等范圍，打造出計劃、工單、庫存和物資等基本管理模塊，構建統一的設備數據平臺，以實現全生命周期的設備臺賬、RAMS指標、LCC指標的收集、分析、計算、存儲，并進行預測性維護的有益嘗試。該系統設計將在實際運用中不斷積累數據、修正模型，以幫助有軌電車提高設施設備運維管理水平和公共服務水平。