軌道交通智能運維與創新平臺建設

作者：杜心言

來源：《當代都市軌道交通》第06期

摘要：軌道交通智能運維產業作為大數據、物聯網等新技術發展的產物，對于確保軌道交通運行安全，提高其服務質量以及減少運行成本意義重大。通過梳理軌道交普通見故障及安全事故，明確發展智能運維產業的必要性;根據我國軌道交通智能運維產業的發呈現狀和趨勢，提出構建我國軌道交通智能運維體系的總體思路;介紹我國軌道交通技術創新平臺，特別是都市軌道交通安全與運維保障國家工程實驗室的建設狀況;最后對我國軌道交通智能運維產業的發展提出建議。

核心詞：軌道交通;智能運維;創新平臺

中圖分類號：U284.48

0引言

進入新世紀以來，軌道交通（鐵路和都市軌道交通）行業在國民經濟發展和都市化進程中，發揮了極其重要的作用，已成為我國發展較快的行業之一。隨著我國高速鐵路和都市軌道交通運行規模的快速擴大和“一帶一路”戰略的實施，整個行業對于保障運行安全、提高服務質量及減少運行成本，開始顯現巨大的剛性需求，軌道交通運維業務日益成為全行業關注的新焦點。這給軌道交通運維技術的創新提出了更高的規定，也給軌道交通運維產業開辟了極其廣闊的發展空間，并帶來了良好的發展機遇。

在這種環境下，軌道交通智能運維產業應運而生，各界在對軌道交通智能運維產業的發展前景寄予厚望的同時，也存在某些認識上的差別。本文盼望對軌道交通智能運維產業的健康發展提供某些建議和參考意見。

1軌道交通概述

1.1軌道交通分類及特點

1.1.1分類

現今世界各國的軌道交通發展呈現百花齊放的局面。縱觀軌道交通的發展歷史，鐵路從傳統的低速客貨混合運輸單一模式，發展為如今的涉及高速鐵路、快速鐵路、普通鐵路、重載鐵路等不同速度等級和不同用途的鐵路家族。都市軌道交通從傳統的有軌電車發展為涉及地鐵、輕軌、單軌、市郊快軌、磁浮、自動導向系統（APM）和當代有軌電車等多個制式的大家族。

另外，部分國家現在正在研發超高速軌道交通以及采用新能源和新型牽引驅動模式的都市軌道交通。

1.1.2特點

軌道交通運輸含有運輸量大、安全、可靠、速度快、準時、舒適性好、節能環保、受氣候和自然條件影響較小和運費低的優點。在多個交通運輸行業中，從單位運量的能源消耗、對環境資源的占用、對環境質量的影響、對自然環境的適應及運營安全等方面綜合分析，軌道交通的優勢最為明顯。

同時，由于軌道交通線路為專用線路，且地區范疇廣，因此固定成本較高，原始投資較大，工程建設周期較長;另外，其專業技術復雜，對運行人員素質和系統安全的規定也較高。

1.2系統裝備及設施構成

軌道交通行業的系統裝備和基礎設施體系龐大且技術復雜，由下列幾部分構成。

（1）行車有關系統。涉及機車車輛/動車組、供電系統、信號系統、通信系統、屏蔽門/安全門、軌道線路等。

（2）車站服務有關系統。涉及自動售檢票系統、綜合監控系統、環境控制及隧道通風系統、給排水及消防系統、電梯與自動扶梯、安防設施等。

（3）基礎設施。涉及橋梁與隧道、車站建筑、機車車輛及設備維修維護基地及裝備、工程施工安裝設施等。

2軌道交普通見故障及安全事故

軌道交通含有封閉性、獨立性的特性，這一點使其含有很高的安全性。但是，由于軌道交通的運量大，并且設備的科學技術含量高，一旦發生安全管理方面的問題，則后果不堪構想。因此，理解軌道交通在運行中的常見故障及安全事故，并制訂防止事故的有關對策，對于提高軌道交通安全系數、避免事故發生、減小事故損失含有十分重要的意義。

2.1常見故障

（1）車輛故障。涉及走行部位、弓網、車門故障。

（2）信號故障。涉及軌旁設備和車上設備信號故障。

（3）供電系統故障。涉及變電站、接觸網等故障。

（4）通信系統故障。涉及傳輸網絡、固定或移動終端故障。

（5）軌道線路故障。如軌道磨損、道床缺點。

（6）隧道、橋梁問題。如沉降、水文和地質隱患。

（7）機電設備故障。涉及屏蔽門、售檢票、電扶梯、通風空調、給排水、消防、綜合監控等設備故障。

（8）突發事件與人為因素。如自然災害、恐怖行為、管理疏漏等。

2.2安全事故類型

軌道交通安全事故涉及：火災、脫軌、碰撞、途中疏散、設備故障、服務受阻、自然災害、建筑施工事故、恐怖破壞等。這些安全事故會造成系統癱瘓、設備設施損壞及人員死傷等嚴重后果。世界各國軌道交通發生與運維管理有關的各類重大安全事故的案例非常多。

案例1：1998年6月3日，德國ICE-1型列車——“威廉·康拉德·倫琴”號的機車后第1節車廂的車輪鋼圈由于金屬疲勞而斷裂，造成列車脫軌顛覆，車上的400名乘客中，有101人死亡，105人受傷（圖1）。

案例2：1987年11月18日，倫敦最繁忙的“國王十字”地鐵車站發生了一起罕見的火災，有32人喪生，數百人受傷，堪稱倫敦地鐵自1975年以來最嚴重的事故（圖2）。事故因素為吸煙造成易燃垃圾失火，其本源在于運維管理不善。

為避免軌道交通的各類系統故障及其引發的安全事故，需要開展持續的運維管理工作，通過檢測、預判、檢修等手段，保持系統的可靠性、可用性、可維護性和安全性，盡量減少故障，避免安全事故。

3軌道交通智能運維體系構建

3.1運維工作的目的

運維有運行和維護兩重含義。軌道交通運維工作的目的在于：確保軌道交通安全、穩定、高效經濟地運行。

（1）安全是指系統在風險可控的狀態下運行，確保乘客、公眾與軌道交通工作人員的人身安全，以及運輸貨品與軌道交通設施設備的完好。

（2）穩定是指持續地向顧客提供可用、精確和完善的服務。

（3）高效經濟是指確保系統的運行效率，以合理的成本和資源投入實現較高的乘客及貨品周轉量，即在確保軌道交通安全運行的前提下，以合理的成本完畢系統預定的運輸服務任務和達成規定的服務指標水平。

軌道交通作為典型的設備設施資產密集型行業，設備設施數量巨大，涉及專業多。按照規范的運維工作原則來確保有關設備設施正常、高效地運行，是軌道交通安全、穩定、高效經濟運行的決定性因素。

3.2我國軌道交通智能運維現狀及發展趨勢

3.2.1面臨的挑戰

我國正處在軌道交通大發展時期，隨著線網規模不停擴大，面對人員分布不均、線路個性化、技術水平差別化、設備制式多樣化、客流量持續攀升、擁擠度超標以及需要高效應對突發事件的局面，對設施和設備的可靠性（Reliability）、可用性（Availability）、可維修性（Maintainability）和安全性（Safety）（4者縮寫為“RAMS”）提出了越來越高的規定。龐大的運行規模和復雜的裝備體系，加上大量設施設備的更新改造任務，給軌道交通的運維管理帶來了巨大的壓力和沉重的負擔（圖3）。

我國已開通的軌道交通運維業務大多沿用傳統運維模式，其特點有：①多防止修、故障修，少預知修;;;②大量使用人工操作，運維效率較低;③運維數據不夠細化，頻度不夠高;④缺少解決、分析設備設施大數據的系統平臺和智能化應用;⑤業主不能及時、透明地管理維保過程，事后緊急解決狀況較多。這既影響服務質量的提高，又會帶來安全隱患。隨著后續更大規模線路的開通運行，依靠傳統的軌道交通運維模式已經很難滿足行業快速發展的需要。例如，，某地鐵進行專業列車日檢超18萬次、均衡修6000余次、架大修超150列次;若按現在運維模式，至，每年最少需進行列車日檢40萬次、均衡修10000次、架大修700列次。

現在，地鐵車輛的維修方式普遍采用庫內人工檢測的方式，專業檢修設備與否齊備，自動化程度的高低，以及“人”的因素（如經驗、技術能力、責任心等）都會直接影響檢查成果。因此庫內檢測存在檢測方式不精確、不及時、不全方面等弊端。另外，新建線路和更新改造項目會采用最新技術，這些技術同現有設備存在較大差別，從而使人機關系產生變化，造成故障率不穩定。

3.2.2創新工作動態

在網絡化運行規模快速擴大的新形勢下，軌道交通運維管理人員的大量增加和粗放的運維管理模式，使得運維成本居高不下，并保持上升態勢。因此，進入網絡化運行的單位近些年來都在嘗試和謀求新的運維模式，并開展了某些圍繞運維智能化的課題研究和技術創新項目，以提高運維業務水平。其中涉及下列典型項目：

（1）高鐵與都市軌道交通車輛綜合監測系統的研發;

（2）基于全壽命周期的核心設施設備系統健康監測和智能診療管理系統課題研究與實踐;

（3）以防止性維護為主的定修機制向基于可靠性的狀態維修機制轉變的研究;

（4）基于統一數據模型的全壽命周期大數據實時解決技術研究;

（5）基于物聯網的核心設施設備故障預警系統的研究開發;

（6）采用生命周期成本（LifeCycleCost，LCC）管理對設備進行全壽命周期成本分析評定;

（7）列車安全狀態在途監測預警和網絡化維保系統開發;

（8）都市軌道交通基礎設施故障預測與健康管理系統研究開發;

（9）基于建筑信息模型化（BuildingInformationModeling，BIM）的設計施工運維全過程管理平臺研發;

（10）地鐵運行盾構隧道承載機理和破壞機制研究;

（11）地鐵運行隧道的智慧監控與運維;

（12）智能機器人在地鐵隧道巡檢領域的應用;

（13）基于MIoT+BIM+GIS的橋梁健康監測與管養系統;

（14）地鐵橋隧構造運維監測技術應用;

（15）移動巡檢系統開發;

（16）都市軌道交通自動售檢票系統（AutomaticFareCollectionSystem，AFC）維修模式優化的研究和實踐;

（17）供電設備在線監測系統研發。

通過分析這些課題和項目可知，采用大數據、物聯網等新技術構建綜合信息管理平臺，對軌道交通的核心設備設施進行全生命周期的健康監測和故障智能診療預警及成本分析，是業界普遍關注的熱點。

3.2.3創新工作存在的問題

現在國內各運行單位在設備檢修維護模式、設備運維管理體系以及整體信息化、自動化程度等方面的創新工作都還處在起步階段。智能運維管理大多集中在性能管理與故障解決上，距離實現智能運維功效的整合尚有一定差距。開發的信息系統各自獨立，缺少各系統間互聯互通的考慮，形成某些“信息孤島”，無法充足發揮信息化的整體優勢。從總體上看，存在許多需要進一步研究的課題以及需要改善的技術。智能運維創新工作面臨以下共性問題：

（1）各智能運維系統分離建設，缺少頂層設計和統一的管理平臺;

（2）不同線路或系統的運維綜合管理信息化程度差別大;

（3）公司智能運維管理創新能力局限性;

（4）缺少統一的運維管理體系原則;

（5）缺少統一的運維管理技術原則;

（6）缺少統一的運維管理評價原則。

3.3軌道交通智能運維體系建設思路

3.3.1智慧軌道交通是智慧都市體系的重要構成部分

，國家科技部、國標化管理委員會擬定國家“智慧都市”技術和原則。智慧軌道交通是智慧都市建設的重要構成部分，需在信息化、大數據的基礎上構建。智慧軌道交通作為都市公共交通的骨干，其含義是在軌道交通領域中充足運用物聯網、云計算、人工智能、自動控制、移動互聯網等技術，對軌道交通管理、運輸、公眾出行等領域以及軌道交通建設管理進行全方位全過程的管控，使軌道交通系統在局部區域、整個都市，甚至更大的時空范疇內含有感知、互聯、分析、預測、控制等能力，以充足保障軌道交通安全，發揮軌道交通基礎設施效能，提高軌道交通系統運行效率和管理水平，為公眾的暢通出行和經濟的可持續發展服務。

自7月1日起施行的《都市軌道交通運行管理規定》（交通運輸部令第8號）規定：“應當建立都市軌道交通智能管理系統，對全部運行過程、區域和核心設施設備進行監管，含有運行控制、核心設施和核心部位監測、風險管控和隱患排查、應急處置、安全監控等功效，并實現運行單位和各級交通運輸主管部門之間的信息共享，提高運行安全管理水平。”

3.3.2重要工作內容

為理解決軌道交通智能運維的問題，將傳統的周期性計劃修轉變為基于測試分析的狀態修和基于評定先驗的預知修（圖4），需要采用先進的技術，將傳統以人工為主的運維管理轉變為自動化、信息化的智能監測維護方式。

具體工作內容能夠理解為：運用傳感網、物聯網、車聯網、移動互聯、云平臺、大數據、深度與自主學習、協作、分享等技術手段，搭建智能運維管理平臺，實施精確的狀態感知、可靠的狀態預測以及應用“互聯網+”，通過進行流程管理、事件管理、問題管理、變更管理、公布管理、運行管理、知識管理、綜合分析管理，實現運行故障處置、駕駛行為評定、運行組織管理、列車能耗管理、設備健康評定、設備安全預警和數據共享等。

3.3.3業務開展影響因素

影響軌道交通智能運維業務開展的因素有以下方面：

（1）軌道交通設計、建設、運行技術原則（國際、國家、團體）;

（2）基于項目全生命周期LCC的軌道交通運維體系;

（3）軌道交通系統安全性及維保辦法;

（4）建設、運行主體與運維專業服務市場;

（5）智能運維技術創新體系建設。

3.3.4平臺架構

（1）接入采集。對于設備狀態、工況、維護保養和外接系統，采集設備全壽命周期的各類數據，打破獨立感知監控的信息孤島格局。

（2）解決存儲。運用物聯網、大數據，以及高性能的數據接入、解決、存儲技術，建立知識庫、模型庫。

（3）算法分析。運用云計算、人工智能和大數據挖掘算法對海量數據進行進一步挖掘和分析。

（4）智能應用。借助移動互聯的大數據和可視化軟件，實現多維可視化智能管理、移動應用、監控報警以及智能報表。

例如，某地鐵線路的綜合監控系統（IntegratedSupervisoryControlSystem，ISCS）有超出15萬監測點，日均產生監測數據超出5億條。某地鐵線路的自動列車監控系統（AutomaticTrainSupervision，ATS）每天產生的日志平均約在25萬條，一年的數據量高達9000萬條。依靠上述智能運維管理平臺，可采集、存儲、分析海量數據，確保軌道交通運行的安全性和經濟性。

3.3.5重要功效

（1）在線監測、移動過程管理。涉及整合信息孤島，實時預警，生成移開工單及進行可視化管理。

（2）設備健康智能管理。涉及數據驅動的故障管理，智能預測及性能衰退分析。

（3）升級設備維護管理。涉及消除過分維修和欠維修的狀況，優化備件庫存，減少人員配備，優化運維辦法及運維管理，協調公司資源計劃系統（EnterpriseResourcePlanning，ERP）、制造公司生產過程執行系統（ManufacturingExecutionSystem，MES）和客戶關系管理系統（CustomerRelationshipManagement，CRM）等各有關管理系統。

3.3.6實施環節

（1）以項目建設運行為根本，進行基于大數據的智能運維管理體系頂層設計，建立軌道交通網絡信息管理基礎數據核心框架。

（2）打破專業維護、系統維護的傳統體制，將分散且互相獨立的項目全生命周期的業務數據（涉及：基于BIM的勘察設計數據，基于項目信息管理PIM的工程建設管理數據，基于大數據云技術的智能運維數據，基于數據的實時動態RAMS管理數據，基于辦公自動化系統OA、公司資產管理系統EAM、ERP等的公司經營管理數據）按照統一的原則進行串接積累和管控，使其成為能與基礎數據核心框架對接的獨立模塊。

（3）采用大數據、互聯網和云技術將上述模塊有機地組合成綜合管理數據網絡，整合傳統的管理信息數據。

3.3.7智能運維管理優勢與效果

實施智能運維管理能夠有效提高運維管理的智能化程度，有助于增強軌道交通的可靠性、可用性、可維護性和安全性，提高服務質量和水平，減少公司運行成本;同時，為實現智慧都市的宏偉目的奠定扎實的基礎。

例如，通過列車智能運維管理能夠對列車狀態進行實時監測與報警，評定預測列車的安全狀態，使列車維保支持功效網絡化，其優勢與效果以下：

（1）通過數字化，簡化設備和布線;

（2）通過自動智能診療，提高診療效率;

（3）進行無線實時傳輸，無需人工下載;

（4）通過預測評定，為狀態修提供基于RAMS的數據支撐;

（5）實現互聯網+，提高資源運用效率;

（6）列車工況遠程可視，可進行遠程處置指導，因此處置速度快;

（7）易于擴展、可充足保護前期投資，因此擴展性好;

（8）可減少列車購置數量。

3.4軌道交通智能運維產業展望

3.4.1推動行業發展

軌道交通運維智能化將成為我國智慧經濟發展的重要產業之一。加緊軌道交通智能化發展，首先有助于推動我國交通行業的發展進程，另首先也有助于帶動與軌道交通智能化有關領域的發展，從而增進我國有關科技的進步。軌道交通作為智慧都市的重要標志，其建設運行規模不停增大，軌道交通智能化系統市場的容量也隨之擴大，從而推動軌道交通智能運維行業向著社會化、專業化、智能化的方向健康發展。

3.4.2市場前景廣闊

據行業保守預計，軌道交通維保市場約占軌道交通裝備市場總規模的4%。預測鐵路機車車輛維保市場規模將達成約2000億元。都市軌道交通車輛及其它機電系統投資約占總建設費的25%，每年約1000億元，其全生命周期的運維和更新改造費用則更高。保守預計，到2025年，其運維市場規模也將達成1500億元以上。

其中與智能運維直接有關的智能裝備研發和制造、系統集成、智能運維工藝設計和第三方服務業務、人力資源、金融資本、原則規范等方面，即將出現全方面發展的局面。

4軌道交通技術創新平臺建設

4.1國家軌道交通技術創新框架

我國經濟已由高速增加轉向高質量發展?？萍紕撔履軌驗榇颂峁┬碌某砷L空間、核心著力點和重要支撐，是增進實體經濟升級、引領高質量發展的核心驅動力。

現在，從全球范疇看，新技術、新產業蓬勃興起，科學技術日益成為推動經濟社會發展的重要力量。面對新一輪科技革命和產業變革帶來的機遇和挑戰，世界發達國家（美國、德國、英國、日本等）均采用政府手段增進科技創新，以驅動經濟發展，著重強化基礎研究和產業化研究（應用研究）之間的創新單薄環節，而構建新型創新平臺是重要舉措之一。

通過數年努力，我國軌道交通行業已初步構建了國家軌道交通技術創新框架，建成以當代軌道交通國家實驗室為代表的一批專業門類齊全的國家級研發機構。從“十二五”開始，國家有關部委就提出了有關建設“都市軌道交通創新平臺”的指導意見，并開展了有關的組織工作。自起，中國都市軌道交通協會組織行業內重要骨干公司和院校單位機構，開展都市軌道交通創新平臺建設的準備和研究工作。，國家發改委公布《有關請組織申報都市軌道交通創新能力建設專項的告知》（發改辦高技[]2600號），并于3月份同意了7個國家級工程實驗室，即軌道交通系統測試國家工程實驗室（含高鐵和地鐵）、軌道交通車輛系統集成國家工程實驗室（含高鐵和地鐵）、都市軌道交通數字化建設與測評技術國家工程實驗室、都市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室、都市軌道交通系統安全與運維保障國家工程實驗室、都市軌道交通系統安全保障技術國家工程實驗室、都市軌道交通列車通信與運行控制國家工程實驗室（圖5）。

根據告知和國家有關部委批復意見，上述7個國家工程實驗室所屬單位已經于共同出資組建了“城軌創新網絡中心有限公司”，將創新平臺拓展到行業范疇?，F在各實驗室正加緊推動平臺建設，并開展與軌道交通建設和智能運維有關的項目研究。該創新網絡的建成將大大提高我國軌道交通的技術創新能力。

4.2都市軌道交通安全與運維保障國家工程實驗室

由廣州地鐵牽頭聯合7家單位（北京交通大學、中南大學、廣州地鐵設計研究院有限公司、北京錦鴻希電信息技術股份有限公司、株洲中車時代電氣股份有限公司、廣州廣電運通金融電子股份有限公司、廣州新科佳都科技有限公司）共同申報的“都市軌道交通系統安全保障國家工程實驗室”專項，于近期正式通過專家組驗收。實驗室多項技術達成國際先進、國內領先水平，所形成的技術研究平臺及其研究成果為打造軌道上的大灣區提供創新技術支撐（圖6和圖7）。

都市軌道交通系統安全保障國家工程實驗室智能運維管理平臺構造見圖8。該平臺有以下功效：①在線監測與離線監測;②實景驗證與仿真分析;③數據挖掘與風險預估。

現在，實驗室采用“1+7+N”建設模式，整合全產業鏈，已實現多項成果轉化，并銷售出一批產品。預計將來幾年內，可轉化為每年數億元的市場銷售額。

近期，上海軌道交通車輛智能運維國家示范工程項目也正式啟動。該項目的實施，以及后續形成的對應技術原則體系和運行組織管理體系，將有力提高都市軌道交通行業的創新能力和運行水平，并且帶動一批公司的發展以及培養一批創新型領軍人才。

5思考與建議

5.1產業鏈合作

現在，行業內各軌道交通由于建設進程不同，對智能運維業務的認識也存在較大差別。因此，某些在單個專業系統或有限的數個專業系統內開展的智能運維項目研究和實踐出現不同技術水準的重復開發現象;同時，由于缺少全局性考慮，研究成果也很難大面積推廣應用和實現產業化。要打造完善的軌道交通智能運維產業體系，需要整個產業鏈中的各方攜手合作，共同推動智能運維業務的進步。

首先，應由政府、行業協會牽頭，各有關方參加，在智慧都市、智慧交通的大框架下進行頂層設計，制訂智能運維有關的行業原則。近期，都市軌道交通協會牽頭編制《智慧城軌信息技術規范》。該技術規范覆蓋都市軌道交通多個制式及其全生命周期的各個階段，可為制訂多個運輸制式信息化技術原則提供指導，為統籌全行業、全信息化的規劃奠定基礎。

另首先，由運行經驗豐富的運行單位根據軌道交通全生命周期運行的實際需要，提出切合實際的顧客需求。設計單位應根據頂層設計和顧客需求，規劃智能運維體系的架構，將以計劃修和故障修為主的模式轉變為狀態修和預知修模式，并且統一系統接口原則。智能運維裝備生產廠家按照運維需求和統一的接口原則，進行產品設計和智能系統集成等。

5.2智能運維技術創新中心

為了推動智能運維產業的健康發展，建議在各國家實驗室平臺的示范工程中，選擇有較好市場發展前景的項目，打造由政府、公司、學校、科研、資本、運行多方參加的全產業鏈技術創新中心或實體，推動智能運維有關產業的發展。

5.3產業發展政策

建議政府有關部門和行業協會，根據軌道交通智能運維行業的市場發展需求，在技術創新、市場推廣、金融資本、人才培養、知識產權等方面制訂有關扶持政策和激勵方法，以推動該行業的健康發展。

5.4信息安全

在構建智能運維體系時，應充足重視信息網絡安全，根據國家網絡安全法分別設立生產網、內部服務網和外部服務網，建立可靠的安全等級保護體系。