上海城市轨道交通智慧维保解决方案

文：温彤丨上海申通地铁集团有限公司技术中心系统集成研究部主任助理工程师

在交通强国、数字化发展时代背景下，上海城市轨道交通智慧维保发展的主要方向与建设的主要目标。阐述了智慧维保平台总体架构中采集层、网络层、平台层、数据层、业务层和应用层六个层次的主要内容。总结了车辆、供电、通信、信号、车站机电设备、轨隧桥基础设施、车辆基地等专业的智慧化建设内容和主要试点工作情况。

一、建设背景

（一）响应交通强国的战略部署

根据党中央、国务院发布的《交通强国建设纲要》，建设交通强国需要推动交通发展由追求速度规模向更加注重质量效益转变，由依靠传统要素驱动向更加注重创新驱动转变，推动大数据、互联网、人工智能等新技术与交通行业深度融合。上海市政府出台《关于全面推进上海城市数字化转型的意见》，清晰勾勒出上海市实现高质量发展、高品质生活、高效能治理的“数字之路”。城市轨道交通是城市公共交通的骨干，是便民惠民的重大民生工程。高质量城市轨道交通具有运能大、效率高、安全便捷、绿色环保等优势，是优化城市空间布局、增加城市承载能力、改善城市居民出行条件，促进城市经济社会发展的重要手段。以新基建为导向的高质量城市轨道交通建设对推动数字城市建设起着关键作用。

（二）数字化转型发展内在驱动

数字化转型是实现“创新引领，转型发展”发展的有力保障和重要手段，智慧维保的监视是实现申通地铁集团数字化转型的内在需要。第一，数字化转型是重要引擎。加快构建运营地铁和经营地铁的数据资源池，充分发挥数据要素在未来地铁创新发展中的作用，是“三个转型”的跨行业融合、跨领域经营的关键要素。第二，数字化转型是有效路径。利用数字化技术高效精准的特点，将形成高质量的精细管理和科学决策能力。基于数据的决策、管理和执行将是申通地铁实现高质量发展的核心能力。第三，数字化转型是有力抓手。通过数字化转型，打通基础设施和对接业务功能，构建灵活高效行业和服务生态，实现地铁与其他交通方式的全面融合，是生态企业协作与创新的转型落脚点。数字化转型是智慧城轨建设的有效手段，其中智慧维保的建设符合申通集团战略规划：“三个转型”、《上海轨道交通智慧地铁发展纲要》、集团数字化转型需求、集团信息化顶层设计等企业发展规划，是集团数字化转型发展的内在需求。

二、建设目标

上海智慧维保项目围绕上海轨道交通线网范围内的维护保障核心生产和管理，通过总结上海地铁多年来的网络化运营维护经验，从而形成具有上海特色的智慧维保体系及架构（图1）。

图1 总体技术架构

目标一：助力上海“十四五”总体规划。项目建设应有利于构建特大型城市空间布局相协调的交通发展格局，促进城市经济和社会发展、提升城市公共交通整体管理水平，进一步完善轨道交通网络功能，发挥轨道交通网络效益，助力上海城市总体规划和长三角一体化的发展目标。

目标二：构建上海地铁智慧运维的展示窗口。项目建设应适合上海轨道交通路网运维特点，顺应轨道交通技术和管理发展新形势，满足上海轨道交通线网向功能完备、空间集约、技术智能、决策科学等方向发展的需求，从而进一步实现上海地铁维护保障核心力量的整合，提升上海地铁运维管理水平。

目标三：支撑上海地铁数字化转型。项目建设应能构建坚实灵活的数字底座，通过不断优化、修改，逐步支撑“物联、数联、智联”的上海地铁数字化体系。同时，以设备监测和维保数据为抓手，盘活设备数据资产，重塑业务流程与管理组织，实现“业务数字化”和“数字业务化”相结合的转变。

三、智慧维保平台规划

智慧维保数字化总体架构按照采集层、网络层、平台层、数据层、业务层和应用层六个层次进行划分，同时利用云计算、大数据等新技术构建智慧维保数字化底座。

采集层：依托智能传感、物联网、人工智能、5G等前沿技术对轨道交通各专业（车辆、供电、通号、工务、物后、车站机电）关键设施设备运行状态进行智能感知、异常判断、故障诊断、实时传输，优化传统检修模式，使运维人员有效掌握设施设备实时运行状态、为智慧维保平台提供专业数据来源。

网络层：作为智慧感知数据传输和采集的链路，提供网络外沿互联互通可达的环境，提供内外网用户访问能力的开放服务链路。

平台层：又称技术中台，利用超融合的管控架构，为上层应用或服务等提供统一的调度，由云平台共享底座和云平台超融合PAAS两部分组成，主要包括大数据开发和运行平台中开发工具链、运行环境、任务调度、管理工具等；分布式应用服务，即微服务框架的分布式业务应用框架，运行环境、任务调度、管理工具、配置和监控工具等。

数据层：又称数据中台，通过数据技术，对海量数据进行采集、计算、存储、加工，同时统一标准和口径。数据层把多源异构数据统一之后，形成标准数据，再进行存储，形成大数据资产层，进而为应用提供高效服务。

业务层：又称业务中台，通过业务数据化，将企业的核心能力以数字化形式沉淀为维护保障体系提供快速低成本创新的能力。业务层的核心是“构建维保共享服务中心”，通过业务板块之间的链接和协同，持续提升业务创新效率，确保关键业务链路的稳定高效和经济性兼顾的思想体系，并突出组织和业务机制。

应用层：又称应用前台，实现车辆、供电、通号、工务、物后、机电等专业各个系统之间端到端智能监测和多专业综合监测，通过分析业务数据在不同系统之间传输的过程和响应时间，从而主动及时发现端到端的业务异常；掌握运营关键资产的信息，建立清晰准确的资产台帐，有效管理资产的维护、维修和运行，以规范、可控的流程进行采购、库存、维修和报废流程管理，充分发挥资产的效益，达到保值增值的目的；实现运维故障定位、知识图谱、运维故障接报、运维故障处理、工单流程处理、运维应急抢修、资源调配、运营施工管理、信息发布记录管理、运维指令发布等；实现运维指标统计分析、运维综合查询管理、运维设备体系评价、运维管理体系评价、关键设备健康度评估等。

四、各专业智能监测规划

各专业系统智能监测为单项检测，依托智能传感、物联网、人工智能、5G等前沿技术对轨道交通维护六大板块（车辆、供电、通号、工务、物后、车站机电）关键设施设备运行状态进行智能感知、异常判断、故障诊断、实时传输，优化传统检修模式，使运维人员有效掌握设施设备实时运行状态、为智慧维保平台提供专业数据来源。由于项目无法全面覆盖各项具体检测，故将根据关键应用场景，基于整体安全的原则部署单项检测/监测设备。如图2所示：

图2 智能监测系统示意

1.车辆智能监测

依据车辆智能监测“构建面向服务的车辆数字孪生、构建全寿命周期的数字化生产（管理）过程、构建车辆智能监测专家系统”的三个建设目标，对车辆智能监测需求进行系统性梳理，得出车辆智能监测系统由轨旁车辆综合检测系统、车联网系统、移动维修管理系统、车辆段设备状态智能监测及综合管理系统、智能仓储系统、安全生产管理系统、DCC一体化管理系统及专家系统八个部分组成，完成从车辆运行到车辆检测维护全过程的数据采集工作，并实现对车辆的状态实时监测，异常情况预警等功能。通过以上内容完整建设，在上海轨道交通全路网所有车辆检修段场区域建设智慧维保体系。

2.供电智能监测

供电设施设备智能监测建设内容包括：故障录波监测、所内综合智能采集、所内环境智能采集、应急电源监测、主变设备状态智能监测、红外热成像、直流负荷在线监测、400V智能配电、接触网悬挂状态检测及接口、各类系统接口。通过以上内容完整建设，在上海轨道交通全路网供电设备区域建设完整智慧维保体系。

3.通信信号智能监测

通信系统智能监测范围含盖高速数据网、网络视频监控系统、网络中心时间同步系统、公务及专用电话系统、线网专用无线等线网系统以及线路侧的传输系统、技术防范系统、音视频统一信息服务系统、线路电源网管、LTE综合网管。

信号系统智能监测范围包括道岔监测、电源监测、站台门在线监测、水浸监测、机房远程查看、IT设备性能监测、网络设备性能监测、远程电源重启控制等。

4.车站机电设备智能监测

车站机电设备智能监测主要由车站机电智能监测系统和车站机电专家系统组成，主要涉及站台门、票务设备、环控设备、低压配电设备、给排水设施、电扶梯设施、消防设施等。

5.轨隧桥基础设施智能监测

轨道设施智能化监测内容包括轨道智能巡检、隧道限界智能检测、轨旁振动监测、涂油器远程监控、道岔几何形位监测等。

隧道设施智能化监测内容包括隧道线阵相机检测、保护区违规施工监测、特殊地段结构监测等。

桥梁设施智能化监测内容包括桥梁设施监测、桥梁健康在线监测等。

6.车辆基地智慧化管理

车辆基地智慧化管理包括基地内部设施设备监测、园区环境监测、园区秩序和智慧仓储。

五、试点成效

上海轨道交通既有的维护保障模式采用以计划修为主、故障修为辅的模式。随着线网规模的快速增长，上海地铁面临客流规模爆发式增长、设备维保规模直线上升、维修成本逐年增加、设备故障影响运营安全、维修窗口压缩、人力资源不足、维修业务贯通不畅等问题，而传统运维模式的潜力提升已达瓶颈。因此，对设施设备维保业务模式提出了向智慧维保转型需求。近年来，上海地铁进行了多方面的智慧维保试点建设探索与实践（图3），试点范围如图4。

图3 智慧维保试点建设历程

图4 智慧维保试点范围

上海地铁的智能维保试点建设历程如下：

● 2000年：上海地铁提出在线监测的概念，就是对关键设施设备进行状态的实时监测。

● 2008年：对车地无线传输进行了可行性验证；试点轮轨振动、轴温监测系统。

● 2015年：进行了智能巡检机器人应用；受电弓在线监测系统试点；鹰眼系统试点；车地传输功能应用；车载轮轨振动监测系统应用。

● 2017年：全专业移动巡检系统应用；车辆鹰眼系统应用；车辆智能维保试点平台搭建。

● 2018年：车辆专业智能运维获批协会示范工程；供电智能维保平台试点搭建；供电可视化接地试点。

● 2019年：全专业统筹规划、分步实施；多专业申报智能维保团体标准；车辆专业智能运维获批国家示范工程。

● 2020年：智慧维保项目总体规划，推进专业智能运维建设。

（一）各板块试点情况

1.车辆智慧维保试点

车辆智慧维保试点建设以多维在线监测系统及其专家系统为支撑的列车维修新模式。如图5所示，通过车载监测（车地无线传输技术）、轨旁检测（机器视觉、红外线、激光传感等技术）、车辆维护管理技术（采用了物联网技术、RFID、机器视觉技术）。在17号线试点过程中轨旁车辆综合检测子系统覆盖了57项，70%的规程内容，设备检测准确率均达90%以上，减少人工作业强度，提升设备可靠性。

图5 车辆智慧维保建设试点

2.供电智慧维保试点

如图6所示，供电智慧维保试点建设涵盖设备状态实时感知预警、机器人智能巡检两大系统，通过与现有自动化设备对接获取基础数据，并在9号线全线试点完成，通过视频监控、环境检测、能耗管理、弓网在线检测技术、智能故障录波系统、可视化接地系统。目前可涵盖如日常维护、设备检修等方面内10项规程内容，在智慧维保帮助下，减少大量重复性人工巡检和数据分析工作。在试点范围内人工效率提升20%。工时利用率提升8.5%。

图6 供电智慧维保建设试点

3.通号智慧维保试点

如图7所示，通号智慧维保试点建设围绕通号综合运维平台，监测中心、应急中心、预警中心、健康管理中心“四大中心”建设，跟踪设备状态及维保过程，实现线网数据的集中汇聚、集成分析及展示，并提供综合运维管理类功能。通过道岔转辙设备监测、计轴系统、信号CBTC系统、机房环境系统使基于状态修和计划修的车载可靠度提升了71%，基于状态修和计划修的人均维护列车效益提升了38%。

图7 通号智慧维保建设试点

4.工务设施智慧维保试点

如图8所示，工务设施智慧维保试点建设主要包括大型装备、在线监测以及业务管理系统三部分工作，依托轨道检查车和钢轨探伤车等大型装备的数据采集能力，通过伤损监测平台对数据进行分析和应用，实现了10倍以上巡检频率的提升以及轨道伤损的数据研究。

图8 工务智慧维保建设试点

除此以外，结合云图轨道交通监测信息管理系统，监测路网施工情况，确保轨道交通区域的安全；在16号线试点了防灾系统，对监测点的风速、雨量等进行监测。

5.车辆基地智慧管理试点

如图9所示，车辆基地智慧管理试点建设以物联网技术和云应用为基础,建立了轨道交通智慧基地的总体系统架构，对设施设备管理、资源管理、智慧园区管理三个方面进行研究，主要建设内容覆盖了：设施设备管理、资源管理、智慧园区管理。实现作业区域安全管理，人脸识别，节能降耗，提高房屋利用率。利用三维技术展现三轨有电区域、设备间设施设备分布、地下环网、隐蔽工程等，辅助施工。利用物联网技术和可视化展示，实施监测和展示设施设备状态。

图9 物后智慧维保建设试点

六、主要经验

通过各板块多专业的智慧维保试点的建设，在减少故障处置时间、提升设备可靠性、提高生产效率、降低人工维护成本等方面取得了一定的成效，具备一定的可行性和可推广性。

1.减少故障处置时间

以车辆专业为例，按照传统的排故方法，人员从值守点赶赴现场，对故障分析、处置可能要花费2小时以上。通过智能化的实施监测，提早报警，通过远程2分钟内完成数据分析和故障判断，对运营几乎不会造成影响。

2.提高设备可靠性

以通号专业为例，平均故障处置时间由原来一个小时左右缩短至10分钟以内，车载设备平均故障运行公里数从300万车公里上升至1047万车公里；

3.有效提升生产效率

以供电专业为例，故障响应时间80%（跳闸后故障录波，由原本人工操作最快10分钟，现远程调取平均2分钟）巡检效率提升24倍（由原本4天/次的人工巡检至机器人6次/天，提升约24倍）；以工务专业为例，通过智能监测可实现在60至120公里/小时高速运行状态下拍摄地铁隧道结构形成高清影像，可做到在1-2小时内及时自动识别并分级报警，识别准确率达到94%以上。

4.降低人工维护成本

以车辆专业为例，人车比下降20%至0.33、作业效率提升50%：(从原来2人一列车80分钟下降至40分钟)；以物后专业为例，物业管理人员减少11%，安保人员减少15%。