城市轨道交通车辆智能运维指标体系及其应用

张唯

摘 要：目前城市轨道交通行业正在朝着智慧运维的方向建设，大力推进在线监测技术的研究和产品性能升级是发展的必然趋势。文章介绍北京地铁运营有限公司车辆专业按照“需求导向、问题导向、目标导向”的原则，构建智能运维建设框架和车辆运营管理的指标体系，收集客观数据，并通过科学建模算法进行分析处理，形成预警阈值和健康指标，从而为车辆管理提供可视化和可量化的评价依据。

关键词：城市轨道交通;智能运维;车辆指标体系;建模算法;车辆管理

中图分类号：U279.2

智能运维理念中最为基础的内容是数据信息的收集和分析，其核心目的是科学地掌握城市轨道交通车辆各系统的健康质量情况，合理制定维修策略，从而在保证安全可靠的前提下，尽量降低全寿命周期的维修成本，达到网络化运营模式下的可持续、最优化资源配置。

1 车辆智能运维指标体系

北京地铁运营有限公司（以下简称“北京地铁公司”）车辆专业正在按照“3+1”的智能运维管理理念构建数据监测平台（图1），即由车辆机械走行部综合分析平台、列车电气系统数据监测平台、列车车载能耗监测平台，以及各运营分公司所辖线路的车辆运营生产数据库所组成。

在逐步构建智能运维信息化管理框架的同时，北京地铁公司研究大数据背景下多元异构的数据建模，摸索同类数据的变化趋势与规律，以及跨界数据的关联匹配可行性。通过以上智能运维框架的建设，为城市轨道交通车辆安全和服务指标管理体系提供科学有效的支持，推进车辆运营管理品质持续提升。

目前，城市轨道交通车辆智能运维指标体系包含安全类、服务类、效率類和效益类四大类指标，具体如下。

（1）安全类指标。影响车辆运行稳定和健康状态的指标，包括车辆故障率、车辆子系统故障率（包括牵引系统、制动系统、网络系统、机械系统、乘客信息系统等）、走行部振动加速度、控制回路故障率和蓄电池温度等15项指标。

（2）服务类指标。反映乘客乘车舒适性的指标，包括车厢乘车率、客室噪声值、客室温度、客室空气质量等6项指标。

（3）效率类指标。体现公司管理水平和员工维修技能的指标，包括车辆可使用率、维修人员人车比率、工时利用率、故障平均修复时间、修程平均库停时间等10 项指标。

（4）效益类指标。促进车辆维修成本节约管控的指标，包括列车牵引能耗、受电弓弓条磨耗率、轮径磨耗率等8项指标。

本文就以上指标中的7项典型指标在北京地铁公司车辆安全运营和维修管理中的应用进行阐述。

2 车辆智能运维指标体系的应用

2.1 车辆故障率指标

车辆故障率是指通过调度管理系统记录的由车辆原因造成运营故障发生的频率，单位为次/百万车公里。该指标是衡量各线车辆健康状况和维修质量的基础性安全监控数据（图2）。统计的车辆故障数据的来源包括列车实时监测、司机人工报送和乘客热线投诉等。

长期统计分析车辆故障率指标，可以总结各线指标间的差异原因，发现各系统故障高发时段，摸索数据变化规律等，为各线列车制定精检细修的维修策略、设置合理可行的量化管控指标提供科学的决策依据。

2.2 车辆子系统故障率指标

将车辆故障率指标进一步分解，可以得到各个子系统的故障率数据统计。子系统故障类型包括牵引系统、制动系统、门系统、网络系统等10个可统计类别，通过列车控制管理系统（TCMS）上传数据，走行部监测系统预警，现场检修管理系统记录等途径收集汇总（图3）。对于车辆子系统故障率指标的管理，可以评价各线列车子系统的健康状态，精准找出薄弱环节并发现问题，为状态维修奠定基础。同时，可以横向比较各线相同系统下不同厂商产品的可靠性，有利于实现精细化管理，促进车辆系统整体产品性能的提升。

2.3 走行部振动加速度指标

车辆走行部的运行稳定性是安全运营的基础。通过陆续加装的车载走行部监测设备及数据监测分析平台（图4），可以实时获取各线列车的走行部异常振动故障信息。监测平台的数据积累及建模算法为研究各线车辆走行部系统运行的数据规律，进而为确定轮轨关系参数、轴承温度、踏面磨损等的健康状态阈值提供理论支持。从在线监测平台获取的这些数据中，可以评判该线和该列车的轮轨关系健康状态、走行部运行质量情况等指标，可指导线路区段精准打磨及车辆车轮镟修等作业，大大提高了维护维修的效率和效益。

根据长期监测和建模计算，目前已经确定了北京地铁所辖各线路轮轨关系的振动频谱规律（图5），并且由此制定出各线车辆走行部振动健康的评价标准（表1）。

2.4 车厢乘车率指标

TCMS系统可以监测各节车厢的乘车率信息，通过司机室监控显示屏显示，可供司机查看。该数据可体现本节车厢实际承载质量的情况，用以保证车辆运行安全。在今年疫情防控期间，为降低客流密度，北京地铁公司制定车站和车厢人员满载率不大于50%的目标，因此车厢乘车率成为一个十分重要的乘车人数监控手段。随着近些年信息化理念的落地，新建线路的车辆、既有线路增购车辆都要求实现TCMS系统数据上传功能，其中就包括车厢乘车率数据的记录和传输（图 6）。通过这个指标配合车站闸机的进出站客流量数据，可以更加准确地监控、管理、指导运力调配和客流疏导，为乘客提供更加优质的服务。

2.5 客室噪声指标

城市轨道交通客室噪声已经成为乘客关注和投诉的焦点问题之一。噪声主要与轨道减振措施的选择、钢轨波磨、车轮踏面缺陷、列车运行速度等因素有关，监测各线哪些区段存在异常振动及噪声的情况是解决问题的先决条件。目前，北京地铁公司正在研究通过走行部在线监测设备的轮轨振动数据反映区段噪声分贝数值的建模关系（图7）。

借助能量统计的分析方法，对轮轨关系中的振动频率、振动强度、阻尼大小等模态参数进行量化描述，并且利用插值与拟合、方差分析、回归算法等实现数学建模，推算出车辆走行部振动加速度与车厢客室噪声的对应数值（表2）。

2.6 受电弓弓条磨耗率指标

随着使用受电弓供电方式的城市轨道交通线路逐渐增多，并且由于弓网匹配的关系，某些线路存在着异常磨耗的问题，所以弓条的日常损耗也是运营成本一笔不小的开支。北京地铁6号线是北京地铁公司所辖使用受电弓受电方式的线路，已在2列列车上装设受电弓监测系统，通过燃弧测量、温升测量、硬点冲击测量、图像尺寸比对等途径进行关键参数的检测，其中弓条碳滑板的磨耗率测算是通过图像尺寸比对的方式完成的（图 8），但是精确性尚需完善。目前，北京地铁公司还研究在监测平台中构建算法机理，通过建立列车速度、弓网接触压力、环境温度、供电电流、材质等因素在内的函数关系推算碳滑板磨耗率。该公司通过上述2种方法校核自动检测耗材部位的磨耗率指标，从而达到监测运行状态和控制维修成本的目的。

2.7 车辆故障平均修复时间

车辆故障平均修复时间是指车辆报修的所有故障从入库维修开始到修复交验为止所用的平均时间，单位为min/件。利用各分公司维修管理系统中的工單管理模块，实现从车辆入库到修复完成的全过程时间记录（图 9）。该项指标可以衡量各线检修人员的维修技能水平和维修效率。

3 结语

中城轨[2020] 10号《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》的颁布，为城市轨道交通行业各个环节的发展提出了明确的方向，其核心要义是以智能感知技术为基础的产业链产品全面升级。要想实现这一目标，需要以下3个方面的研究同时开展：①成熟、稳定的基础感知技术和设备;②符合实际需要的智能运维体系功能设计;③以准确数据为条件的建模算法开发。三者之间关系紧密，缺一不可。本文研究内容符合中国城市轨道交通智能运维的发展方向，介绍了北京地铁车辆专业挖掘和利用大数据指导维修管理的实践做法。相信在不久的将来，以智能运维理念建设的城轨线路必将实现，并深刻地影响和改变传统的运营管理模式，其结果必然是更加安全高效的运营管理，以及更加优质周到的出行服务。

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收稿日期 2020-04-27

责任编辑 党选丽