城市轨道交通智能运维现状分析及发展建议

2022-10-27方俊乔素华谯都督

铁路技术创新 2022年3期

方俊，乔素华，谯都督

（1.杭州中港地铁装备维护有限公司技术中心，浙江杭州 310000；2.杭州中港地铁装备维护有限公司项目部，浙江杭州 310000；3.杭州中港地铁装备维护有限公司市场部，浙江杭州 310000）

0 引言

随着城市轨道交通路网规模快速扩张，城市轨道交通设备数量迅速增加，新技术的发展和应用为提升管理水平创造了可能，城市轨道交通车辆智能运维系统应运而生［1-3］。城市轨道交通是复杂的系统工程，涉及车辆、信号、供电、通信、自动售检票等多个系统，包括众多子系统及产品部件，系统的安全、稳定运行需要各专业设施、设备处于良好的服役状态［1］。新技术赋能城轨产业已成必然趋势［4］。

1 浙江省城市轨道交通智能运维发展现状

1.1 维护模式

随着城市轨道交通建设快速发展，运营规模逐渐形成网络化发展趋势，不同运营单位根据其运营里程、人力成本、维护成本、技术优势等多方面综合因素采取不同的维护模式。大致分为2种维护模式：自主维护和委外维护。

1.1.1 杭州

杭州作为浙江省省会城市，也是浙江省内唯一一个具有建成超大型规模线网运营潜力的城市，根据中华人民共和国国家发展和改革委员会于2018年批准的杭州地铁三期建设规划调整方案及现有载客运营线路里程，杭州市地铁集团有限责任公司（简称杭州地铁）将在2022年9月亚运会前建成12条线路，共计516 km较完整的轨道交通线网。同时，2021年12月杭州市人民政府办公厅印发的《杭州市综合交通发展“十四五”规划》明确提出：2022年将全面启动杭州城市轨道交通四期建设规划。在2022年7月杭州地铁发布的《杭州市城市轨道交通第四期建设环评公众意见征询》方案中：公示了12条线路，其中新增线路5条，延伸线路7条，新增线路总里程244.8 km。若加上周边杭绍、杭海等城际铁路，未来杭州城市轨道交通运营里程将近900 km，运营列车将超过7 000列。

杭州地铁运营维护业务主要包括车辆、供电、车站、工务、通号维护等。下设3个客运分公司：客运一公司负责2、4、9号线的车站、车辆维护业务；客运二公司负责3、6、16号线的车站、车辆维护业务；客运三公司负责7、8、10号线的车站、车辆维护业务；而维保公司则负责分公司运营所有线路的通号、供电、工务等维护业务。

目前维护模式以自主维护+部分委外维护为主，日常的均衡修、故障检修等基本都由杭州地铁运营分公司下设的客运一公司、二公司、三公司以及维保公司进行。其中涉及设备来源单一、技术难度较高无法自主检修的零部件及系统时（如地铁车辆制动系统相关阀件、电扶梯、工务系统等），仍然采取与供应商签订框架合同进行委外维护的模式。此外，车辆维护中检修周期较长、检修成本较大的预防性维护（架大修）业务也采取第三方委外维护的模式，如杭州地铁4号线地铁车辆60万km架修、杭州地铁1号线地铁车辆60万km及120万km大修都采取了第三方委外维护的模式。

1.1.2 宁波

宁波市轨道交通集团有限公司（简称宁波轨道交通）作为浙江省内运营里程第2长的城市轨道交通运营单位，虽然投入载客运营的时间不长，但在运营初期就开始探索不同设备系统的维护模式，根据宁波轨道交通运营分公司运营情况以及各设备系统的自身特性，并结合下设工程维修部门具有的技术条件，采取自主维护+部分委外维护的模式。运营设备、设施系统中，通风空调系统、给排水及消防系统、电扶梯系统、供电系统、安全门、工务系统、车站建筑采用完全委外维护的模式；关键系统中，电客车60万km架修采用自主维护的模式。此外，宁波轨道交通运营分公司负责日常维护作业、日常监管作业，与外部维护公司联合完成所有维护工作［5］。

1.1.3 温州

温州轨道交通虽仅有1条53.5 km的市域线路投入运营，但温州S1线是当时我国第1次提出介于地铁和国铁之间的“市域线路”［6］，采纳了城市轨道交通和高铁的优点，市域动车组以高速动车组技术平台为基础，同时借鉴城市轨道交通成熟经验，具备快速起停、持续高速、大载客量的特点。

但由于线路单一，未形成网络化运营规模，因此在设备维护时受到较多限制。现在温州S1线的运营单位、运营机构主要包括温州幸福轨道交通股份有限公司客运中心、乘务中心、调度中心和设备中心。车辆部分采取完全委外的维护模式，所有的车辆日常检修、故障修等都委托温州中车四方轨道车辆有限公司进行，运营单位只需派专业监管人员，对属地安全、质量验收进行控制。

1.2 发展现状

1.2.1 杭州

2019年9月，中华人民共和国国务院印发的《交通强国建设纲要》中指出：大力发展智慧交通，推动大数据、互联网、人工智能、区块链、超级计算等新技术与交通行业深度融合［7］。2020年3月中国城市轨道交通协会印发的《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》更加明确了未来城轨将以新兴信息技术与城轨交通深度融合为主线，推进城轨信息化，发展智能系统，建设智慧城轨，助推交通强国崛起。《浙江省数字化改革总体方案》和《杭州市5433工程》提出，杭州城市轨道交通将继续坚持“高速+高质量”发展方向，继续践行“八八战略”、奋力打造“重要窗口”［8-9］。

杭州城市轨道交通以智慧城轨总体架构为指导，以智能运维为突破点，全面启动智慧城轨建设：

框架：1个总体架构，4大功能板块，2个重要层次，4个统一基础。

技术：基于工业互联网、物联网，积极应用智能传感、数字通信、数据处理、视频图像处理等技术。

特点：形成“城轨运维”一张图，“城轨车站”一张图，“城轨调度”一张图的统一呈现平台。

目标：实现大范围、全方位、实时准确高效的地铁运营管理。

杭州城市轨道交通车辆智能运维平台架构见图1，包括以下重点智能运维设备及系统：

图1 杭州城市轨道交通车辆智能运维平台架构

（1）车门在线监测系统：通过智能门控器，实现采集电机的电流、转角、转速、输入输出信号，故障代码等数据，经过算法分析，建立预测模型，实现车门故障预警判断，亚健康状态预测，改变车门维护机制——从计划修转变为状态修。

（2）列车巡检机器人：由于人检人修受人为因素影响较大，比较主观，维护质量难以把控，同时难以形成形式数据关联和数据管理。巡检机器人通过摄像头识别、算法以及机器学习，能自主识别待检列车，调出待检列车数据，并将结果记录为一车一档；机器人采用自主导航、自主定位的移动方式，可满足巡检坑道之间的自行转运要求；识别到缺陷点后，能准确定位并告知运维人员故障准确位置并回传故障点图像；机器人覆盖单列列车超过5 000余个监测点的巡检工作。

（3）360°动态图像智能检测系统：采用图像特征分析和状态识别技术，当列车经过时360°高清全景扫描列车，实现故障报警。

1.2.2 宁波

面对新形势、新任务、新要求，宁波轨道交通全面推进智慧城轨布局，按照“安全、便捷、高效、绿色、经济”的原则，以解决城市轨道交通行业难点、痛点为目的，以实际业务需求为导向，统筹制定《宁波轨道交通智慧城轨顶层设计规划》，推进新型信息技术与城市轨道交通业务的深度融合。其中智能运维安全系统已在5号线一期初步实施，并将在新建线路全面建设车辆、信号、轨道、接触网等行车安全密切相关系统关键设备的数据监测、汇集、分析、预警智能运维系统。

宁波轨道交通智慧城轨设计规划见图2，重点智能运维系统包括：

图2 宁波轨道交通智慧城轨设计规划

（1）车辆智能运维系统：目前该系统已在宁波轨道交通5号线一期实施，并将在规划建设的6、7、8号线全面推广应用。该系统由车载维护以太网、车载智能大脑、地面智能运维平台、轨旁在线监测系统构成。可实现车辆数据实时监视、故障应急处理指导、设备健康管理、车辆外观在线监测与异常识别、历史数据查询与综合分析等功能。

设备健康管理依托新增的走行部在线监测、弓网在线监测、轨旁在线监测系统的检测数据，实现车载各子系统的监测网全面覆盖。

轨旁在线监测系统通过基于机器视觉、激光等传感技术的检测装置，在车辆低速通过时，实现对轮对、闸瓦、车顶、车侧、车底的关键部件缺失、变形及异常等的检测，并将所有检测结果及相关数据上传至地面智能运维平台，进行状态实时显示、故障识别、分级预警。

（2）信号智能运维系统：通过对主要信号设备监测数据的采集、分析和处理，采用大数据及人工智能技术，实现设备状态在线监测、智能综合分析、健康诊断评价及全生命周期管理功能，并实现设备检修向状态修维护模式转变。

（3）接触网可视化接地系统：采用远程自动控制、视频监视技术，实现远程可视化验电和自动接挂地线，可有效提高接触网验电和接挂地线的安全性，提高检修作业效率。

（4）轨道智能运维系统：以基于城市轨道交通列车车载的轨道检测装置，实现在城市轨道交通列车运行过程中对轨道几何参数、钢轨廓形、钢轨波磨等进行实时动态检测、检查以及轨道状态巡检，并通过车地传输系统，将检测数据实时传输到地面数据中心，利用人工智能和识别算法，对检测结果进行分析、筛选，并基于大数据，对关键项点状态和发展趋势进行预测。目前该系统将在宁波轨道交通3号线二期的城市轨道交通列车上装车运用。

（5）接触网智能巡检系统：已在宁波轨道交通5号线一期城市轨道交通列车上装车运用。该系统基于电客车车载的高清成像设备，对接触网定位装置零部件进行故障智能识别，及时发现接触网潜在故障，提高接触网的可靠性，同时提升接触网定位装置的巡检效率。

（6）桥隧结构智能巡检系统：为满足对结构设施进行全面检测、故障诊断的需求，对结构裂缝、渗漏水、管片错台、翻浆冒泥等病害进行定期动态检测，达到结构设施故障处理和运行维护检修可靠、高效、智能的目的。

1.3 存在问题

智能运维会对现有城市轨道交通运营单位造成多方面的冲击：组织架构被打破重建、全生命周期资产管理体系建立、信息化设备整改、专业技术人员能力提升和智能运维体系标准化等都将面临巨大的挑战，主要存在以下方面问题：

（1）运维成本居高不下：增加外部传感器等监测设备、关键子系统模型研究投入巨大，在未形成标准化、规模化之前，智能运维成本居高不下。

（2）数据采集支撑度不够：数据采集覆盖范围广度、深度不够，形式单一。阻碍车辆健康管理系统正常运行，且数据采集缺乏标准化、规范化。

（3）数据模型与运维目标脱节：智能运维数据需求不明确，对故障预测和健康评估的研究不够深入，关键子系统模型的数量和类型不能满足状态修需求。

（4）多系统、多专业数据孤岛：城市轨道交通多专业各自搭建运维系统，设备数据无法互联互通，难以支持多专业关联分析，影响故障处置效率与科学运维决策。

2 城市轨道交通智能运维发展建议

针对浙江省具体情况，以城市轨道交通维护业务为例，智能运维发展建议如下：

（1）推广专业化委外维护模式。目前，我国大部分城市轨道交通运营企业普遍采用“自主维护为主，委外合作为辅”的维护模式。然而，自主维护为主的模式对企业规模、自身经验、人员配置、投资成本等方面均有较高要求，城市轨道交通运营企业需要立足于管理机制和理念，在供应商技术支持下，组织自己的维护力量，完全负责所有轨道交通设备的维护。从风险管控、成本管控、质量和进度把控及架大修环境安全等角度出发，专业化委外维护模式具备更大优势。

（2）搭建全生命周期管理框架。香港铁路有限公司有成熟、值得借鉴的管理经验，全生命周期资产管理从可靠性、可维护性、安全性等方面，对材料老化、磨损、停产及资产更新、线路延伸等进行资产健康状态监控，类似于人类身体健康状态监控，是一个长期过程，符合行业从“计划修”“均衡修+故障修”向“状态修”转变的趋势。架大修是长周期维护项目，全生命周期资产管理为其提供数据支撑和维护经验，为后续进入架大修的车辆奠定坚实有效的基础。同时，随着科技进步，智能运维、数字化设备、信息化系统逐渐应用，全生命周期管理实施效果会更显著。

（3）剩余资源再利用。加强市内线网之间资源协调和组织，加速区域内城市轨道交通资源的共享机制建立和完善。利用第三方单位强大的供应链管理能力和丰富的备件资源，加强与委外企业之间的合作，有效降低某些高价值、高使用频率、难周转的大型部件和设备的使用成本和维护成本。

（4）确定示范单位和工程。运营企业通过选择行业内具备专业化服务水平的企业或与高校联合确定智能运维示范性项目，从技术、人才、产业方面入手，进行供应链培育，全面提升系统化水平。首先以点带线，完成部分代表性设备、系统的实践；其次以面带全，向城市轨道交通行业推广优秀智能运维产品和平台的应用案例。

（5）建立智能运维标准体系。通过结合资产设备全生命周期的维护理念，建立智能运维标准体系，利用科学化管理及技术手段分析设备可靠性及寿命，在保障运营服务质量的前提下适度延长设备目标寿命，有效降低全生命周期运维成本，并继续对不同子系统、不同机械和电子部件的维护标准、寿命管理和可靠性管理进行深入探索。