城市轨道交通智能运维需求探讨

王保红，冯 瑜，刘国帅

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

在外部环境与自身需求的影响下，深圳、上海、广州地铁较早开展“智慧地铁”的研究与建设工作，并取得一定成效。其他地铁在2020年左右相继开始“智慧地铁”的研究和规划工作。

由于组织架构及管理理念不同，不同地铁单位对智能运维的理解存在差异。深圳地铁智能运维包含设施设备维修维护、车站巡视、司机乘务关键岗位行为监测等业务，运维的对象涵盖设备及人员，既包含设备运行维护又涉及部分车站运作；上海地铁智能运维将建设集运营组织、行车调度、维修保障和城市联动为一体的智能化平台，运维内容除设备设施运行维护外，还包括行车组织与运营组织；广州地铁智能运维以设备设施为对象，搭建涵盖段场、正线、主所等所有设备设施的维修维护平台，运维的对象仅为设备设施[1]。智能运维的建设实施大多采用先试点后推广的分步建设模式，首先选择既有线路或车站，以科研及创新项目的形式分专业开展新技术研究与试点应用，后续根据试点情况在新线推广应用。

1 智能运维的必要性

随着地铁线网规模不断扩大，各专业运维生产和管理工作存在监测信息不全面、纸质台账繁多、数据利用率较低、故障定位不精确、应急处置效率不高等问题，既有维修管理模式已经无法满足网络化运营管理对设备稳定运行及故障处置效率提出的更高要求，急需采用智能化手段解决问题。大数据、云计算、5G、图像识别、物联网等新技术的发展为地铁生产管理的提升与变革带来契机。

1.1 信息化时代的迫切需要

“智慧城轨”不仅是交通强国建设的突破口，更是信息化技术的重要承载体。智能运维作为“智慧城轨”的重要组成部分，推进智能运维建设成为城轨企业高质量发展的必然趋势。

1.2 网络化设备维保的迫切需要

首先，传统设备系统监测信息不全面导致人工巡检工作量巨大、故障原因排查耗时耗力，且存在故障无法精准定位的难题。

其次，设备在运行过程中产生海量数据，及时分析数据可有效发现设备运行隐患，进而及时制定维修策略、减少故障发生概率，提升设备的使用可靠性。

再次，随着新建线路增多，技术稳定的维修维护人员严重不足，导致维修维保任务压力较大。

1.3 网络化阶段设备维保管理的迫切需要

首先，设备维保管理是一项系统性、多环节、多接口的工作，掌握信息全面与否直接决定了管理水平的高低。传统运维管理存在“信息孤岛”严重、管理流程割裂两方面的重大问题。

其次，各线路新技术的应用程度存在差异导致设备的维修维护差异化较大，从而限制了人员的一岗多能及区域化管理下的应急处置效率。

再次，网络化运营模式下，通信、风水电、低压配电、车辆、轨道等多个专业从行业发展和维护成本两方面考量，可能将自主维修维护转变为委外维修维护，但委外维修的质量监管无法量化。

从设备数据骤增、挖掘数据价值、维修维护队伍技术水平差异、维修制度变革、维保模式变革及生产管理模式变革计六个方面进行的深入分析可知，智能运维系统的需求研究及建设是轨道交通发展的必经之路。郑州地铁已经进入网络化运营初级阶段，乘客服务高品质和生产效率高品质是运营品质建设的核心。智能运维将为两大品质建设提供强有力的支撑，也是“智慧地铁”的建设重点。

2 智能运维的含义

所谓智能，即利用先进技术实现设备感知端的自动化、数据处理端的大数据应用及分析决策端的智能化决策；所谓运维，即设备运行维护业务与相关的生产管理工作。智能运维即利用先进技术给设备和人员赋能，通过智能化软、硬件应用实现生产管理智能化。

智能运维建设的核心是构建一种新的生产关系，基于智能化新技术应用实现业务流程的优化与管理模式的变革，实现设备维修由传统故障修和计划修向状态修和指令修的转变，深度提升前台检修、后台维修及资源调配的衔接能力和网络化设备运维管理水平。

智能运维建设包含两层含义，即软、硬件层面的智能化建设和生产管理层面的智能化建设。其中：硬件建设是指加装采集装置、传输设备、安全设备、存储及分析设备等硬件设备，实现设备运行状态的全息感知；软件资源建设是指部署一系列的虚拟化管理、数据清洗及专业的应用分析等软件，实现采集数据的大数据处理及深度分析，为设备管理及维修维护提供决策支持；生产管理层面的智能化建设通过软、硬件智能化建设支撑维修维护管理的信息化、智能化，并赋予与之匹配的管理模式，实现运营管理的集约化和资源的高度共享。

软、硬件智能化建设是生产管理智能化建设的基础条件，生产管理智能化是智能运维建设的核心，即利用智能化的软、硬件实现生产管理的智能化。智能化维修维护管理具体表现为设备自动运行、一定程度上的无人巡检和设备健康管理。

智能化的具体实现路径为前端加装各类采集装置进行设备运行状态全面监测，中间通过统一的云平台进行数据集成、清洗、存储、计算等处理，后端利用数据挖掘、图像识别、深度学习等AI智能及大数据技术进行故障诊断与预警、设备健康状态评估分析、维修决策辅助等智能化分析应用，最终作用于维修生产管理由传统模式向智能模式的转变。

3 智能运维的目标

(1)全面提升巡检自动化水平。对关键设备运行状态全面、实时监测，对运行数据深入分析及健康评价，实现设备运行状态智能诊断，结合设备运行参数在线监测和设备环境监测，用远程巡检代替现场巡检，实现设备现场管理无人化，解放维修维护人员。

(2)实现关键设备健康管理。通过全面感知设备状态和数据分析实现关键设备健康状态评估和故障预测，在设备异常时能够及时发现、及时处理，降低故障发生率。

(3)提高设备维修效率。结合大数据实现故障原因分析、判断设备健康状况、及时预判故障点位、指导维保工作，触发维护维修系统派发维修工单、领料工单，推送故障信息至值班人员，提升维修效率。

(4)优化检修模式。现有检修周期缺少理论依据和验证，通过智能运维平台可开展深入分析故障原因、增加设备状态监测参数、全面评价设备状态、根据设备状态采取合理检修手段等工作，进而实现检修模式优化。

(5)提高运维管理水平。完善智能运维模块功能，实现各级管理人员通过云平台(OA)掌控现场设备状态、人员作业状态、故障抢修情况等，丰富管理手段。

4 智能运维总体需求

4.1 网络部署

各专业智能运维平台均部署于企管网辅助生产域，同时与生产网内的工业自动化生产系统和企管网的维修维护系统、施工管理系统、人力管理系统、安全管理系统等信息化系统互通互联，进行数据交互。生产网与企管网辅助生产域尽可能实现数据单向传输，防范生产网被攻击的风险。

智能运维平台部署于企管网辅助生产域的原因分析如下：

(1)智能运维平台的运行不能影响生产网自动控制系统的运行，设备的核心控制型业务部署在生产网内，监测和分析型业务部署在企管网。

(2)从线路的管理方式、设备维护和使用角度分析，建议将智能运维平台作为线网级平台建设，具备其他线路接入条件，实现数据在线网层面的集中分析。

(3)智能运维平台如果部署在生产网，须通过专线在生产网设置查看终端，大大降低了平台的灵活性。主要受到两方面制约：一是可查看的人员有限；二是查看智能运维平台时必须到达固定地点，查看位置受限。

(4)智能运维平台须与维修维护系统进行数据交互，若部署在生产网，需每个专业在生产网内单独开发维修维护系统，耗资巨大且无法满足维修维护系统与EAM(企业资产管理系统)数据交互的需求。

(5)智能运维平台相关专业的部分数据需通过U盘导入，如设在生产网，即使使用安全U盘仍会存在一定的安全风险。

所以，建议智能运维平台部署于企管网生产辅助域，且实现生产网与智能运维平台数据单向传输，即生产网可向智能运维平台传输数据，而智能运维平台不能向生产网回传任何数据，确保生产网内的设备控制系统安全运行。

4.2 硬件资源部署

各专业智能运维建立后，设备的监管层级共有四级，一级为中心级，二级为线网级，三级为班组级，四级为执行级(手机终端)，其中第二、三、四级为智能运维的监管范围。按照设备类型可将硬件资源分为非终端设备、监控终端、生产网新增设备、企管网新增设备四种类型。其中：非终端设备主要指后台的计算、存储、网络相关设备；监控终端指用于人员监控的复式工作站或办公电脑；生产网、企管网新增设备主要指前端采集及传输设备。

4.2.1 一级硬件资源需求

各专业一级设备均采用传统综合监控系统组网，受全自动驾驶影响除车辆专业须在生产网增设车辆调度工作站外，其他专业均使用部署在生产网中的传统调度监控设备。

不同专业按照设备状态是否上传综合监控分为两种类型：一是设备状态信息上传综合监控系统，调度人员使用调度工作站(包括全自动驾驶线路增设的车辆调度工作站)实时监控设备状态，大部分故障信息通过系统直接采集，少部分故障信息通过站务或乘务人员人工上报；二是设备状态信息不上传综合监控，因而不设调度监控工作站，故障信息均来源于人工上报。

4.2.2 二级硬件资源需求

二级硬件资源主要指智能运维平台新增资源需求，包含线网服务器、线网级专用监控终端、大屏计三种设备。

4.2.3 三级硬件资源需求

三级硬件资源主要指工班级监控终端，所有终端均须预留满足运行五大中心软件的性能需求。

按照使用方式可分为专用终端和复用终端，按照部署位置又分为企管网终端和生产网终端，各专业综合考虑网络安全要求、功能需求及用户使用需求，提出适合本专业的三级硬件资源需求方案。

4.2.4 四级硬件资源需求

四级结构主要为移动终端，需安装APP软件后应用，手机终端CPU、GPU、RAM/ROM、I/O、OS应满足APP运行及信息交互性能要求，并预留查看功能权限。

4.3 软件资源部署

所有设备数据应基于维修设备树建立基础设备单元及数据标签，基础数据库应基于维修设备树进行开发。考虑后续线路接入，智能运维系统软件应预留再次扩容资源及接口满足线网需求，同时底层数据上传应统一数据标准。软件资源分为系统软件部署、应用软件部署和网络安全部署。

4.3.1 系统软件部署

支持主流操作系统及数据库软件。

4.3.2 应用软件部署

应用软件主要部署在各级监控终端，应满足智能运维系统应用软件运行环境和性能等需求。

软件升级功能要求：现阶段智能运维系统处于发展的初级阶段，软件需要充分考虑与早期版本的兼容性，对于软件使用过程中出现的问题须提供免费软件的升级维护服务，实现智能运维软件功能性和稳定性的迭代式发展。

由于使用人员不同导致不同层级终端对软件功能的需求有所不同，且不同专业由于管理模式的不同导致相同层级人员对软件功能的需求亦不相同。

4.3.3 网络安全部署

(1)系统组网应遵照统一规划、统一标准、合理布局的原则，应具备可扩展性。

(2)系统网络采用TCP/IP等协议，符合开放式网络体系结构。

(3)系统网络设计应提供可靠的、冗余的、灵活的信息传输及交换信道。

(4)系统组网应采用环网保护技术，具备网络检测、自愈功能，时间小于50 ms。

(5)智能运维系统应遵循最小安装原则，仅安装需要的组件和应用程序，加强计算环境边界管控，关闭不需要的系统服务、默认共享服务和高危端口。

(6)系统局域网和外部接口之间应部署网络安全边界设备。

(7)安全设备应删除多余或无效的访问控制规则，应采用入侵检测技术捕获网络异常行为、分析潜在威胁、进行安全审计，具备违规行为和病毒攻击行为等报警功能。

4.3.4 接口需求

与维修维护相关系统接口：具备将智能运维系统故障报警等信息推送至维修维护相关系统的功能，接收维修维护相关系统数据信息用于数据分析或经数据分析中心处理后形成新的数据源。

与人力管理系统接口：智能运维系统中用户管理权限设置功能涉及的员工信息须来源于人力资源管理系统。

不同专业根据各自需求预留与其他专业系统的外部接口，获取其他专业的设备状态信息。

系统应预留与EAM、物资管理系统接口功能，接口采用通用的TCP/IP协议。

4.3.5 其他通用要求

(1)智能运维系统与其他接口要求统一规划，建立统一标准的生产域、企管域数据交互管理通道。

(2)智能运维系统与企管域其他系统接口应建立统一且唯一识别的数据交互接口及通信协议标准。

(3)智能运维系统应建立统一的基础设备单元库，具备数据耦合功能，确保智能运维系统及各系统接口设备数据的唯一性。

(4)智能运维系统云平台与通信各子系统采用标准、通用、开放和软件解码的TCP/IP、HTTP、FTP等协议，使用100 M/1 000 M以太网或单模光接口，支持主备通道热冗余。

4.4 系统功能需求

智能运维系统功能统一划分为运行监测、数据分析、健康管理、维修生产计四大中心。

(1)运行监测中心是在既有设备状态采集的基础上，通过加装各类采集装置新增采集点，实现设备运行状态的实时监测、设备外观检测、环境状况监测等内容，发现报警和异常信息上传至智能运维系统平台，代替人工完成日常巡视工作。同时，运行监测中心还为数据分析中心、健康管理中心、应急管理中心和维修生产中心提供基础数据。

(2)数据分析中心应基于大数据和人工智能技术，实现对各设备系统及结合部的实时分析、运维历史数据的深度挖掘及分析，可提供具有历史规律价值的量化评估及指导分析，能为后续的设备运维决策和管理过程决策提供支持。

(3)健康管理中心应能通过综合覆盖设备各组件的在线监测数据、在线监测数据的实时异常与故障分析、在线监测数据的历史趋势变化、设备各组件设计浴盆曲线、设备各组件使用时长与次数、历史故障情况、历史维修记录等因素，评判设备健康指标，实现系统及设备健康度计算及寿命预测。

(4)维修生产中心通过综合分析设备故障信息、历史维修记录、实时状态信息等，向维修人员推荐处理建议。故障修维修策略应具备自学习能力，可全生命周期存储(故障处理步骤发生变化时进行存储，具备自动覆盖功能)，并可以动态更新。