城市轨道交通企业智能运维系统的需求分析与设计理念

喻海波 郑杰

（西门子交通技术（北京）有限公司，北京 100000）

引言

城市轨道交通是衡量现代化城市的重要标志之一。截至2018 年12 月31 日，中国内地累计有35 个城市建成投运城轨交通线路5766.6 公里。2018 年新增乌鲁木齐1 个运营城市；2018 年新增运营线路长度734.0 公里，新增运营线路22 条，新开延伸段14 段。进入“十三五”以来，累计新增运营线路长度为2148.7 公里，年均新增线路长度716.2 公里。面对繁重的轨道工程建设、装备运营接管任务并重的局面，处在蓬勃发展时期的城市轨道交通如何安全、高效、标准地推动加速成网的进程，是城市轨道交通企业面对的首当其冲的挑战。因此，为城市轨道交通运营企业应对当前挑战而提供决策支撑、内外部信息的高效传递、标准化管理方案的精准落地、运营线间联动的科学有序，都需要借助数字化管理系统的强力支撑才能高效实现。

一、城市轨道交通运营企业运维管理中的需求分析

（一）企业实现全方位资产管理需要智能运维系统作支撑

上海地铁运营有限公司在2005 年建立了施工计划调度系统和整合执法系统，能够对线路资源做出调配，根据时间和空间对人、电、车等资源合理分布，施工中进行资源安全锁闭控制，对于具体施工项目进行人、电、车的冲突检查以保证施工过程的安全。2013 年成立的上海地铁维护保障有限公司设立了车辆、供电、通号、物资、工务、后勤五个分公司。目前上海地铁设施设备的维护体系中也通过大数据分析平台（RISE）构建了线网级维护支持系统、试验室、电子维修中心等维修体系。比如2017 年朱家角车辆段通过列车自动检测系统、DDC 工单输入系统、智能运维系统、手持终端系统等四个各数字化应用系统尝试解决面临的上述挑战；2015 年通号分公司通过搭建信号数据分析平台。这一平台起到了对各个线路集中监控以及信号各子系统设备状态数据进行综合分析和预警的作用。此外，上海地铁还建立了保护区数据信息平台，能够集中处理和分析保护区的项目监测数据。还有基于多维在线监测系统建立的列车维护场景，能够运用轨旁综合检测、车地无线传输等系统监视和分析列车的状态与故障，还可以实时查询远程故障。

通过对具有代表性的广州和上海两大地铁中心城市进行对标分析，发现这两个城市的智能运维系统目前还处于探索阶段。广州地铁的系统仅仅具备对人、财、物的维修信息进行管理，更多的像是一个维护管理系统，智能化程度并不高，管理范围并未全方位覆盖企业“人、机、料、法、环”五大方面；上海的朱家角车辆段是最新进的数字化车辆段，但其各个数字化应用系统之间还是相互独立，并没有完全集成，缺少跨系统的流程链，智能运维系统的功能非常有限。

（二）城市轨道设施的运维安全管理需要智能运维系统提供保障

1.设备劣化规律分析

大数据技术可以用于轨道几何劣化规律分析、钢轨状态劣化规律分析和道岔大轨件劣化规律分析。轨道几何劣化规律分析主要是分析轨道单元区段轨道几何状态的历史变化、不同轨道单元区段轨道几何状态排序和轨道单元区段轨道几何状态预测。轨道几何劣化规律分析主要是基于TQI、公里扣分、状态变化速率等指标进行分析和定位的。钢轨状态劣化规律分析可以利用里程信息与每根钢轨的状态检测数据结合，分析单根钢轨状态的历史变化趋势，也可以根据状态指标对不同钢轨的状态进行排序分析，为状态劣化较快路段的维修计划提供依据，还可以将单根钢轨作为分析单元，根据历史检测数据和时间序列、寿命分布等建立性能状态变化规律数学模型，实现对每根钢轨状态的预测。道岔大轨件劣化规律分析与钢轨状态劣化规律分析类似，可以实现对单组道岔大轨件历史变化趋势的分析、不同组道岔大轨件的排序分析和道岔大轨件的状态预测。

2.轨道状态安全预警

轨道状态安全预警主要是根据管理者对轨道设备状态劣化程度设置的阈值，利用几何劣化规律分析、钢轨状态劣化规律分析和道岔大轨件劣化规律分析得到的轨道设备当前状态和未来状态信息，对急需重点关注的安全隐患做出及时分析和预警。安全预警中可以利用GIS 等可视化技术对轨道各设备的状态和详细情况做出直观展示，比如问题所在设备名称、编号、线路名称、里程和位置、日期、问题描述和处理情况等，从而帮助管理人员及时采取措施消除安全隐患。

（三）企业实现降本增效需要智能运维系统作支撑

“信息孤岛”现象导致难以发现数据的有效价值，与此同时，各子系统设备品牌、型号各不相同，运营的网络环境非常复杂，给运维管理也造成了很大的挑战。因此，很有必要对运维数据进行多平台之间、多系统之间、多应用软件之间的统一集中规范管理，并结合大数据分析技术进行深度挖掘和分析，对运维管理进行深度地规划。利用专业化的分布式运维管理平台和移动运维工具，客户可实现实时掌握故障设备的维修或更换，掌控巡检进度和结果，确保设备故障得到及时修复，并可对人员绩效等进行监管分析，提高工作效率的同时，实现运营成本的降低。

二、城市轨道交通智能运维系统设计思路

（一）智能运维系统的设计理念

城市轨道交通智能运维系统的定位可以考虑从下至上，分为四级四层信息数据管理模式：车辆检修基地、车站、变电站等现场是基础层、线路运营级（车辆、信号系统、电网、轨道）是运营装备层、线网管理级是系统融合层、企业管理级是运营层。城市轨道交通运营公司下达生产计划至线网管理级，线网管理级协调（协助）线路运营级进行监控监测，线路运营级下达操作指令给车站、车辆检修基地、变电站；车辆基地、变电站、车站将实时数据上传给线路运营级，线路运营级将作业实际反馈给线网管理级，线网管理级将生产实际反馈给企业管理者，便于企业管理级进行实时决策。以西门子公司Raligent 智能运维平台为例，运行数据将通过安全协议连接并上传到车辆设备。这些车辆数据将被自动收集，解码和临时储存在车载设备上。接着，这些数据将在一段时间内被安全的传送到部署在车辆段的西门子智能分析预测大数据平台上，利用人工智能和机器学习算法，结合分布式大数据分析计算对数据进行实时分析，基于web 的用户界面将分析结果以用户友好的方式交互性的反馈给上海地铁的用户。随后，该智能分析预测平台可以通过REST 接口或数据文件的方式无缝的和其他智能检测设备系统进行集成。

（二）明确智能运维系统中平台之间的关系

从纵向来说，智能运维系统的设计必须首先保障自上而下、自下而上两个方向的信息畅达；从横向上来说，数据隶属的平台不同，各平台之间的信息互通与整合，是实现企业经济效益与社会效益的关键。城市轨道交通企业外部链接的资源管理数据平台、企业内部链接的企业管理数据平台、运营现场与乘客乘车行为相关的自动化设备（ISCS、AFC、PIS 等）管理数据平台，三个信息数据系统平台协同工作，共同打造全局型的企业信息管理系统。

首先，乘客服务是第一位的，利用已经形成的运营资产、自动化设备资产提供人性化服务，充分体现公益资产的社会效益。

其次，通过提高经营性资源的经济效益，实现弥补运营亏损、甚至反哺新线建设，进而开发更多的经营性资源形成资金流的良性循环，营造企业自身造血功能。通过信息系统平台间的整合，城市轨道交通企业运营资产、经营性资源、自动化设备资产共同发力，保证城市轨道交通企业资产保值增值，实现一体化管理，是城市轨道交通事业可持续发展的关键。

（三）建立智能运维信息系统架构

从全局的眼光建设城市轨道交通企业智能运维系统应从运营管理和维保管理两个方面进行设计：运营管理信息模块考虑与包括运行策划、乘务管理、安全管理、票务管理、调度指挥、客流分析、站务管理、应急管理、乘客服务等9 个子模块的数据关联起来，做到互联互通，主要用于客流分析、运营组织信息通报与协调、乘客服务和安全应急抢修等工作；维保管理模块包括设备维保、施工管理、物资管理、技改项目、人员动态、车辆维保、委外管理、资产管理、检修器具等9 个子模块，主要用于采购、施工、验交、使用、维护、处置等工作。

（四）发挥各类生产数据的综合效用和价值

目前城市轨道交通企业信息数据统计维度较为单一、分析深度也有待加强，离开用生产数据指导决策优化、成本管控方向以及生产统筹的管理目标还存在很大差距。因此，要重视与综合监控、AFC 等生产系统或其他在线监测系统之间建立有效的数据通道，使一些能实时反映设备状态的数据在生产系统中发挥作用。打通与生产系统之间的通道，无疑将极大完善运营管理和维保管理综合评价及预警体系，实质推动信息系统的实用性，同时进一步提升信息系统开放性及灵活性。

（五）加强智能运维系统与控制系统的互联互通

加强城市轨道交通信息化管理系统与智能运维系统的互通互联，保障信息系统快速有效将信息数据进行融合处理。例如：将停送电信息结果反馈运营施工调度系统；火警、阻塞等发送给安全系统；AFC／ACC 发送给票务系统；从ATS 系统获取开停车、位置信息，反馈乘务计划；发布PIS信息；设备故障信息；维修结果反馈等。

（六）构建智能运维系统的安全体系

城市轨道交通企业信息数据管理安全体系需要有组织、制度、人员、建设规范和安全运维的完整保障。从信息安全技术上，主要涉及以下三个方面：一是数据安全，要保障数据保密性、可用性和完整性；二是应用安全，要进行统一身份认证、代码上线安全监测、WEB安全防护；三是基础设施安全，要保证基础设施的物理安全、网络安全、终端安全和主机安全，具体说，就是利用统一营运IDC（互联网数据中心）保障基础设施的物理安全，利用Internet 管理和专线保障基础设施网络安全，利用准入管控制度和移动终端访问动态监控保障基础设施终端安全，利用主机上线安全评估和主机访问控制等手段保障基础设施的主机安全。

结语

在城市轨道交通快速建设的背景下，为快速适应我国轨道交通的建设高潮，消除快速发展带来的安全隐患、运营效率不高、服务质量参差不齐等问题的影响，缓解单线建设、单线运营、单线维护模式所带来的各种弊端，同时结合目前地铁“平安、人文、高效、节约、便捷、创新”的要求，利用数字化信息手段对城市轨道交通各专业设备数据进行收集、融合、挖掘、关联、预警、可视化处理，最终形成一套可以为政府监管方、运营管理方、设备维护方等各轨道交通运营参与方提供集中化、专业化、深层次的定制化服务方案，并应用于运营维护组织工作当中去，具有重要商业价值和现实意义。大数据分析技术在智能运维系统中的广泛应用，起到了提高效率、合理分配资源、保障设备使用性能、精准预测的作用。