基于云计算的轨道交通机电智能运维平台设计研究

摘  要：城市轨道交通机电设备具有种类繁多、多专业相互交叉、系统构成复杂等特点，且都在尝试构建独立的机电设备智能运维系统。文章在对机电设备系统智能运维平台建设现状进行分析的基础上，结合云计算、大数据、物联网、5G等技术，提出并设计一种基于云计算的轨道交通机电智能运维平台的功能需求和系统架构，为后续轨道交通机电智能运维平台的建设提供技术支撑，具有很好的工程实用价值。

关键词：轨道交通;机电设备;云计算;智能运维

中图分类号：TP311        文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）02-0006-03

Abstract： The electromechanical equipment of urban rail transit has the characteristics of a wide variety， multi-professional intersection， and complex system composition， and all are trying to build an independent intelligent operation and maintenance system for electromechanical equipment. Based on the analysis of the current situation of the construction of the intelligent operation and maintenance platform for the electromechanical equipment system， combined with cloud computing， big data， Internet of things， 5G and other technologies， this paper proposes and designs the functional requirements and system architecture of a rail transit electromechanical intelligent operation and maintenance platform based on cloud computing， it provides technical support for the subsequent construction of electromechanical intelligent operation and maintenance platform of rail transit， and it has good engineering practical value.

Keywords： rail transit; electromechanical equipment; cloud computing; intelligent operation and maintenance

0  引  言

随着云计算、大数据、物联网、人工智能、5G、BIM等新兴信息技术的飞速发展，“智能+”技术体系开始被工业领域广泛接纳。2020年3月12日，中国城市轨道交通协会发布关于印发《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》，并提出构建轨道交通的智能运维体系[1]，轨道交通各业务系统对智能运维的研究已经成为热点。文献[2-3]分别对城市轨道交通行业的供电系统及接触网的智能运维及关键技术进行了阐述，文献[4]对机电系统智能运维末端设备、传感器的配置及功能进行了研究，对机电设备运维系统的研究主要聚焦在扶梯、风机、站台门等单个机电设备的在线监测诊断的探索，未形成体系化的机电系统运维平台的方案。因此，有必要对城市轨道交通机电智能运维的需求进行系统研究，在对机电设备智能运维系统现状分析的基础上，提出适用于城市轨道交通的机电智能平台技术方案，为运营单位机电设备运维平台的建设和机电设备检修维护提供技术支撑。

1  機电设备智能运维系统现状

城市轨道交通机电设备系统主要由通风空调系统、给排水系统、低压配电及照明系统、环境与设备监控系统、自动扶梯及电梯系统、站台门系统等构成，作为轨道交通运营的重要设备设施的组成部分，为轨道交通设备设施运营安全、广大乘客提供良好的工作、乘车环境。机电系统设备设施具有种类繁多，设备分布点多、线长、面广，多专业相互交叉，系统构成复杂等特点。目前，城市轨道交通对于机电智能运维系统的研究还处于探索和起步阶段，部分城市试点应用了风机智能诊断系统、电扶梯智能诊断系统、站台门智能诊断系统、EPS蓄电池在线监测系统等，但系统彼此独立构建，仅可实现关键运行参数的在线监测，无法提供故障的分析、预测和健康管理，对机电设备的维修支持不够，具体表现在：

（1）重要机电设备设施数据采集多为设备运行状态、综合故障报警状态等，部分机电设备在线监测信息缺失，关键故障信息、特征信息采集不够全面，数据颗粒度及维护维修参考价值低，运营维护多为人工巡查和判断，运维效率低。（2）各相关机电设备的维修系统数据多为信息孤岛，运维人员仍依赖综合监控系统的设备监控复示，缺乏多系统信息资源共享分析和相互联动，机电设备运行数据和维修数据的利用率低，机电运维功能单一、界面缺乏直观可视的友好设计。（3）由于目前机电各机电智能系统各自独立，各机电智能系统提供数据为各自系统计算后的结果数据，各机电智能系统独立配置计算服务器实现机电设备现场监测和诊断。由于各机电智能系统相对独立，各智能机电系统自成系统势必造成计算及存储资源浪费。（4）传统机电运维的信息化、数字化发展缓慢，仅实现了维修工单的电子化流转、设备台账履历的电子化管理，但是不具备机电设备的故障预测和健康管理功能，面对突发事故的抢修主要依靠人工排查故障和组织抢修，故障原因难定位，抢修时间长，抢修物资难到位，存在消耗大量人力、物力的可能，同时会缩短设备的运行寿命。E5787314-7492-4389-B566-4A8809DEA7D0

2  轨道交通机电智能运维平台功能需求

应充分利用通风、给排水、动照、自动扶梯/电梯系统、站台门系统、气体灭火系统等设置的在线运行监测系统的数据采集、设备运行状态数据和运维人员通过移动终端或人工采集的数据，拓展设备设施数据采集的范围，提高数据采集的准确性，构建基于城轨云平台、大数据分析平台的智机电智能运维平台，并实现以下核心功能：

（1）实现检修过程电子化记录、检修管理业务流程的电子化流转、检修计划的标准化定制、检修项目的电子化管理，提高运维的效率和质量，降低维修成本。（2）对机电设备运行和在线监测的海量数据进行采集、存储和处理，整合机电设备系统运行数据、检修数据、监测数据进行科学的分析和判断。（3）基于机电智能运维数据的沉淀，充分发挥地铁运维数据的价值，结合机电维修专家知识库的经验和数据挖掘技术构建专家维修决策支持，对设备状态进行预测、对机电设备故障进行诊断、对设备健康度综合评估，确定维修保养工作的策略和维修方案，保障地铁线路设备设施的运营安全[4]。

通过机电智能运维平台的构建，最终实现机电设备的运维模式从故障维修、计划维修向状态性维修转变提供支撑。

3  轨道交通机电智能运维平台方案

3.1  机电智能运维平台总体架构

机电智能运维平台总体架构分为数据采集层、基础网络层、基础设施层、运维管理层和应用展示层五层[5]，如图1所示。

机电智能运维平台各层总体功能主要包括：

（1）数据采集层。实现机电设备基础数据、运行状态数据、现场数据的采集和边缘计算分析，包含电扶梯、站台门、风机、EPS等设备及其智能诊断系统，涉及速度传感器、红外探测或激光探测器、温湿度传感器、信号读取器等在线监测和边缘分析。（2）基础网络层。实现物理设备与系统间运维数据高可靠性、低延迟传输的桥梁。通过工业以太网、工业现场总线、4G/5G无线网络等方式传送到机电智能运维平台，实现各类机电设备运行状态的实时监控。（3）基础设施层。保障运维数据可靠计算、存储、安全、分析的关键，通常由工作站、服务器、交换机、磁盘阵列、安全设备等组成，数据“上行”为运维管理层提供各类数据分析与运算服务;数据“下行”为感知层的在线监测数据提供运算、存储、安全服务。（4）运维管理层。运维管理层是向地铁机电设备运维管理人员及其他管理者采用图表化展示各类设备实时状态的窗口，其基本功能模块包括基础台账、标准中心、专项管理、计划管理、维修工单管理、机电设备实时监控、故障预测与健康管理、专家知识库、问题库管理、远程专家系统、系统管理等。（5）应用展示层。实现机电设备系统统一缺陷、故障报警监控;实现机电设备系统数据的可视化展示，GIS地图展示及机电设备终端展示。

3.2  机电智能运维平台应用架构

基于云计算的轨道交通机电智能运维平台应用架构主要由中央级、车站级和工区级三部分构成，如图2所示。

机电智能运维平台中央级：中央级不独立设置硬件设备，其所需计算资源、网络资源、存储资源和安全资源由线网云平台提供，包括虚拟机、容器等IaaS层资源，数据库、大数据框架、数据服务等PaaS层的服务。机电运维中心设置值班工作站、主任工作站、打印機和大屏幕投影显示系统，其中工作站可以由云平台提供云桌面终端实现。

机电智能运维平台车站级：考虑到轨道交通普遍构建了线网-车站两级的云计算平台，为实现车站计算、存储、网络资源的集约化配置，充分利用车站云计算资源，便于各机电智能分析系统数据共享，可将车站级机电智能运维平台、电扶梯在线监测、站台门在线监测、风机诊断等机电智能系统的X86服务器基于车站云计算平台的虚拟机进行部署，实现机电设备在线监测数据接入的同时，提升机电智能分析系统的计算性能，优化车站机电智能系统的硬件配置。车站机电智能运维平台所需的机电设备运行的数据则可从车站BAS系统获取。

机电智能运维平台工区级：车站机电维修工区设置工区工作站和智能手持移动终端。工区工作站可由云平台提供云桌面终端实现。工区可配置智能手持移动终端实现现场数据采集及巡检，手持移动终端数据可通过工区工作站回传到机电智能运维平台。

4  机电智能运维平台发展

未来，随着地铁线路不断投运将产生大量机电系统监测、故障、维修、检验数据和维修经验，结合运营单位的运维需求，可依托大数据和人工智能技术，实现机电设备运维海量数据辨析、抽取、清洗、分析，以数据为驱动，利用机器学习算法、工业大数据算法模型实现电扶梯、风机、EPS等机电系统设备的设备监控、三维数字孪生、故障在线诊断、维修策略建议，实现机电设备的全生命周期的故障预测和健康管理，为机电系统的运维提供辅助决策支持，实现机电设备计划修向状态修的改变，提升管理水平和运维效率。

5  结  论

本文在对机电设备智能运维系统和功能需求进行分析的基础上，提出基于云平台的轨道交通机电智能运维平台的应用架构和物理架构方案，并对依托大数据和人工智能技术构建机电设备的故障预测和健康管理系统进行了展望，对指导城市轨道交通基于云计算实现机电设备智能运维的平台构建和功能构建具有很好的工程实用价值。

参考文献：

[1] 中国城市轨道交通协会.中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要 [J].城市轨道交通，2020（4）：8-23.

[2] 白丽，王石生，姚湘静，等.城市轨道交通综合智能运维平台研究与设计 [J].铁路计算机应用，2020，29（11）：62-65.

[3] 郭德龙.地铁供电系统智能运维架构与功能实现 [J].城市轨道交通研究，2020，23（12）：155-157+172.

[4] 齐卫阳，徐智，陈树亮，等.机电系统智能运维探讨 [J].电气化铁道，2020，31（S1）：223-227.

[5] 党晓勇，王佳.基于物联网的多线路共用接触网监测管理系统研究 [J].电气化铁道，2020，31（5）：66-68+78.

作者简介：党晓勇（1984—），男，汉族，天津人，高级工程师，硕士研究生，研究方向：电气工程及其自动化。E5787314-7492-4389-B566-4A8809DEA7D0