轨道交通智能运维与创新平台建设

轨道交通智能运维与创新平台建设

作者：杜心言

来源：《当代都市轨道交通》第06期

摘要：轨道交通智能运维产业作为大数据、物联网等新技术发展的产物，对于确保轨道交通运行安全，提高其服务质量以及减少运行成本意义重大。通过梳理轨道交普通见故障及安全事故，明确发展智能运维产业的必要性;根据我国轨道交通智能运维产业的发呈现状和趋势，提出构建我国轨道交通智能运维体系的总体思路;介绍我国轨道交通技术创新平台，特别是都市轨道交通安全与运维保障国家工程实验室的建设状况;最后对我国轨道交通智能运维产业的发展提出建议。

核心词：轨道交通;智能运维;创新平台

中图分类号：U284.48

0引言

进入新世纪以来，轨道交通（铁路和都市轨道交通）行业在国民经济发展和都市化进程中，发挥了极其重要的作用，已成为我国发展较快的行业之一。随着我国高速铁路和都市轨道交通运行规模的快速扩大和“一带一路”战略的实施，整个行业对于保障运行安全、提高服务质量及减少运行成本，开始显现巨大的刚性需求，轨道交通运维业务日益成为全行业关注的新焦点。这给轨道交通运维技术的创新提出了更高的规定，也给轨道交通运维产业开辟了极其广阔的发展空间，并带来了良好的发展机遇。

在这种环境下，轨道交通智能运维产业应运而生，各界在对轨道交通智能运维产业的发展前景寄予厚望的同时，也存在某些认识上的差别。本文盼望对轨道交通智能运维产业的健康发展提供某些建议和参考意见。

1轨道交通概述

1.1轨道交通分类及特点

1.1.1分类

现今世界各国的轨道交通发展呈现百花齐放的局面。纵观轨道交通的发展历史，铁路从传统的低速客货混合运输单一模式，发展为如今的涉及高速铁路、快速铁路、普通铁路、重载铁路等不同速度等级和不同用途的铁路家族。都市轨道交通从传统的有轨电车发展为涉及地铁、轻轨、单轨、市郊快轨、磁浮、自动导向系统（APM）和当代有轨电车等多个制式的大家族。

另外，部分国家现在正在研发超高速轨道交通以及采用新能源和新型牵引驱动模式的都市轨道交通。

1.1.2特点

轨道交通运输含有运输量大、安全、可靠、速度快、准时、舒适性好、节能环保、受气候和自然条件影响较小和运费低的优点。在多个交通运输行业中，从单位运量的能源消耗、对环境资源的占用、对环境质量的影响、对自然环境的适应及运營安全等方面综合分析，轨道交通的优势最为明显。

同时，由于轨道交通线路为专用线路，且地区范畴广，因此固定成本较高，原始投资较大，工程建设周期较长;另外，其专业技术复杂，对运行人员素质和系统安全的规定也较高。

1.2系统装备及设施构成

轨道交通行业的系统装备和基础设施体系庞大且技术复杂，由下列几部分构成。

（1）行车有关系统。涉及机车车辆/动车组、供电系统、信号系统、通信系统、屏蔽门/安全门、轨道线路等。

（2）车站服务有关系统。涉及自动售检票系统、综合监控系统、环境控制及隧道通风系统、给排水及消防系统、电梯与自动扶梯、安防设施等。

（3）基础设施。涉及桥梁与隧道、车站建筑、机车车辆及设备维修维护基地及装备、工程施工安装设施等。

2轨道交普通见故障及安全事故

轨道交通含有封闭性、独立性的特性，这一点使其含有很高的安全性。但是，由于轨道交通的运量大，并且设备的科学技术含量高，一旦发生安全管理方面的问题，则后果不堪构想。因此，理解轨道交通在运行中的常见故障及安全事故，并制订防止事故的有关对策，对于提高轨道交通安全系数、避免事故发生、减小事故损失含有十分重要的意义。

2.1常见故障

（1）车辆故障。涉及走行部位、弓网、车门故障。

（2）信号故障。涉及轨旁设备和车上设备信号故障。

（3）供电系统故障。涉及变电站、接触网等故障。

（4）通信系统故障。涉及传输网络、固定或移动终端故障。

（5）轨道线路故障。如轨道磨损、道床缺点。

（6）隧道、桥梁问题。如沉降、水文和地质隐患。

（7）机电设备故障。涉及屏蔽门、售检票、电扶梯、通风空调、给排水、消防、综合监控等设备故障。

（8）突发事件与人为因素。如自然灾害、恐怖行为、管理疏漏等。

2.2安全事故类型

轨道交通安全事故涉及：火灾、脱轨、碰撞、途中疏散、设备故障、服务受阻、自然灾害、建筑施工事故、恐怖破坏等。这些安全事故会造成系统瘫痪、设备设施损坏及人员死伤等严重后果。世界各国轨道交通发生与运维管理有关的各类重大安全事故的案例非常多。

案例1：1998年6月3日，德国ICE-1型列车——“威廉·康拉德·伦琴”号的机车后第1节车厢的车轮钢圈由于金属疲劳而断裂，造成列车脱轨颠覆，车上的400名乘客中，有101人死亡，105人受伤（图1）。

案例2：1987年11月18日，伦敦最繁忙的“国王十字”地铁车站发生了一起罕见的火灾，有32人丧生，数百人受伤，堪称伦敦地铁自1975年以来最严重的事故（图2）。事故因素为吸烟造成易燃垃圾失火，其本源在于运维管理不善。

为避免轨道交通的各类系统故障及其引发的安全事故，需要开展持续的运维管理工作，通过检测、预判、检修等手段，保持系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性，尽量减少故障，避免安全事故。

3轨道交通智能运维体系构建

3.1运维工作的目的

运维有运行和维护两重含义。轨道交通运维工作的目的在于：确保轨道交通安全、稳定、高效经济地运行。

（1）安全是指系统在风险可控的状态下运行，确保乘客、公众与轨道交通工作人员的人身安全，以及运输货品与轨道交通设施设备的完好。

（2）稳定是指持续地向顾客提供可用、精确和完善的服务。

（3）高效经济是指确保系统的运行效率，以合理的成本和资源投入实现较高的乘客及货品周转量，即在确保轨道交通安全运行的前提下，以合理的成本完毕系统预定的运输服务任务和达成规定的服务指标水平。

轨道交通作为典型的设备设施资产密集型行业，设备设施数量巨大，涉及专业多。按照规范的运维工作原则来确保有关设备设施正常、高效地运行，是轨道交通安全、稳定、高效经济运行的决定性因素。

3.2我国轨道交通智能运维现状及发展趋势

3.2.1面临的挑战

我国正处在轨道交通大发展时期，随着线网规模不停扩大，面对人员分布不均、线路个性化、技术水平差别化、设备制式多样化、客流量持续攀升、拥挤度超标以及需要高效应对突发事件的局面，对设施和设备的可靠性（Reliability）、可用性（Availability）、可维修性（Maintainability）和安全性（Safety）（4者缩写为“RAMS”）提出了越来越高的规定。庞大的运行规模和复杂的装备体系，加上大量设施设备的更新改造任务，给轨道交通的运维管理带来了巨大的压力和沉重的负担（图3）。

我国已开通的轨道交通运维业务大多沿用传统运维模式，其特点有：①多防止修、故障修，少预知修;;;②大量使用人工操作，运维效率较低;③运维数据不够细化，频度不够高;④缺少解决、分析设备设施大数据的系统平台和智能化应用;⑤业主不能及时、透明地管理维保过程，事后紧急解决状况较多。这既影响服务质量的提高，又会带来安全隐患。随着后续更大规模线路的开通运行，依靠传统的轨道交通运维模式已经很难满足行业快速发展的需要。例如，，某地铁进行专业列车日检超18万次、均衡修6000余次、架大修超150列次;若按现在运维模式，至，每年最少需进行列车日检40万次、均衡修10000次、架大修700列次。

现在，地铁车辆的维修方式普遍采用库内人工检测的方式，专业检修设备与否齐备，自动化程度的高低，以及“人”的因素（如经验、技术能力、责任心等）都会直接影响检查成果。因此库内检测存在检测方式不精确、不及时、不全方面等弊端。另外，新建线路和更新改造项目会采用最新技术，这些技术同现有设备存在较大差别，从而使人机关系产生变化，造成故障率不稳定。

3.2.2创新工作动态

在网络化运行规模快速扩大的新形势下，轨道交通运维管理人员的大量增加和粗放的运维管理模式，使得运维成本居高不下，并保持上升态势。因此，进入网络化运行的单位近些年来都在尝试和谋求新的运维模式，并开展了某些围绕运维智能化的课题研究和技术创新项目，以提高运维业务水平。其中涉及下列典型项目：

（1）高铁与都市轨道交通车辆综合监测系统的研发;

（2）基于全寿命周期的核心设施设备系统健康监测和智能诊疗管理系统课题研究与实践;

（3）以防止性维护为主的定修机制向基于可靠性的状态维修机制转变的研究;

（4）基于统一数据模型的全寿命周期大数据实时解决技术研究;

（5）基于物联网的核心设施设备故障预警系统的研究开发;

（6）采用生命周期成本（LifeCycleCost，LCC）管理对设备进行全寿命周期成本分析评定;

（7）列车安全状态在途监测预警和网络化维保系统开发;

（8）都市轨道交通基础设施故障预测与健康管理系统研究开发;

（9）基于建筑信息模型化（BuildingInformationModeling，BIM）的设计施工运维全过程管理平台研发;

（10）地铁运行盾构隧道承载机理和破坏机制研究;

（11）地铁运行隧道的智慧监控与运维;

（12）智能机器人在地铁隧道巡检领域的应用;

（13）基于MIoT+BIM+GIS的桥梁健康监测与管养系统;

（14）地铁桥隧构造运维监测技术应用;

（15）移动巡检系统开发;

（16）都市轨道交通自动售检票系统（AutomaticFareCollectionSystem，AFC）维修模式优化的研究和实践;

（17）供电设备在线监测系统研发。

通过分析这些课题和项目可知，采用大数据、物联网等新技术构建综合信息管理平台，对轨道交通的核心设备设施进行全生命周期的健康监测和故障智能诊疗预警及成本分析，是业界普遍关注的热点。

3.2.3创新工作存在的问题

现在国内各运行单位在设备检修维护模式、设备运维管理体系以及整体信息化、自动化程度等方面的创新工作都还处在起步阶段。智能运维管理大多集中在性能管理与故障解决上，距离实现智能运维功效的整合尚有一定差距。开发的信息系统各自独立，缺少各系统间互联互通的考虑，形成某些“信息孤岛”，无法充足发挥信息化的整体优势。从总体上看，存在许多需要进一步研究的课题以及需要改善的技术。智能运维创新工作面临以下共性问题：

（1）各智能运维系统分离建设，缺少顶层设计和统一的管理平台;

（2）不同线路或系统的运维综合管理信息化程度差别大;

（3）公司智能运维管理创新能力局限性;

（4）缺少统一的运维管理体系原则;

（5）缺少统一的运维管理技术原则;

（6）缺少统一的运维管理评价原则。

3.3轨道交通智能运维体系建设思路

3.3.1智慧轨道交通是智慧都市体系的重要构成部分

，国家科技部、国标化管理委员会拟定国家“智慧都市”技术和原则。智慧轨道交通是智慧都市建设的重要构成部分，需在信息化、大数据的基础上构建。智慧轨道交通作为都市公共交通的骨干，其含义是在轨道交通领域中充足运用物联网、云计算、人工智能、自动控制、移动互联网等技术，对轨道交通管理、运输、公众出行等领域以及轨道交通建设管理进行全方位全过程的管控，使轨道交通系统在局部区域、整个都市，甚至更大的时空范畴内含有感知、互联、分析、预测、控制等能力，以充足保障轨道交通安全，发挥轨道交通基础设施效能，提高轨道交通系统运行效率和管理水平，為公众的畅通出行和经济的可持续发展服务。

自7月1日起施行的《都市轨道交通运行管理规定》（交通运输部令第8号）规定：“应当建立都市轨道交通智能管理系统，对全部运行过程、区域和核心设施设备进行监管，含有运行控制、核心设施和核心部位监测、风险管控和隐患排查、应急处置、安全监控等功效，并实现运行单位和各级交通运输主管部门之间的信息共享，提高运行安全管理水平。”

3.3.2重要工作内容

为理解决轨道交通智能运维的问题，将传统的周期性计划修转变为基于测试分析的状态修和基于评定先验的预知修（图4），需要采用先进的技术，将传统以人工为主的运维管理转变为自动化、信息化的智能监测维护方式。

具体工作内容能够理解为：运用传感网、物联网、车联网、移动互联、云平台、大数据、深度与自主学习、协作、分享等技术手段，搭建智能运维管理平台，实施精确的状态感知、可靠的状态预测以及应用“互联网+”，通过进行流程管理、事件管理、问题管理、变更管理、公布管理、运行管理、知识管理、综合分析管理，实现运行故障处置、驾驶行为评定、运行组织管理、列车能耗管理、设备健康评定、设备安全预警和数据共享等。

3.3.3业务开展影响因素

影响轨道交通智能运维业务开展的因素有以下方面：

（1）轨道交通设计、建设、运行技术原则（国际、国家、团体）;

（2）基于项目全生命周期LCC的轨道交通运维体系;

（3）轨道交通系统安全性及维保办法;

（4）建设、运行主体与运维专业服务市场;

（5）智能运维技术创新体系建设。

3.3.4平台架构

（1）接入采集。对于设备状态、工况、维护保养和外接系统，采集设备全寿命周期的各类数据，打破独立感知监控的信息孤岛格局。

（2）解决存储。运用物联网、大数据，以及高性能的数据接入、解决、存储技术，建立知识库、模型库。

（3）算法分析。运用云计算、人工智能和大数据挖掘算法對海量数据进行进一步挖掘和分析。

（4）智能应用。借助移动互联的大数据和可视化软件，实现多维可视化智能管理、移动应用、监控报警以及智能报表。

例如，某地铁线路的综合监控系统（IntegratedSupervisoryControlSystem，ISCS）有超出15万监测点，日均产生监测数据超出5亿条。某地铁线路的自动列车监控系统（AutomaticTrainSupervision，ATS）每天产生的日志平均约在25万条，一年的数据量高达9000万条。依靠上述智能运维管理平台，可采集、存储、分析海量数据，确保轨道交通运行的安全性和经济性。

3.3.5重要功效

（1）在线监测、移动过程管理。涉及整合信息孤岛，实时预警，生成移开工单及进行可视化管理。

（2）设备健康智能管理。涉及数据驱动的故障管理，智能预测及性能衰退分析。

（3）升级设备维护管理。涉及消除过分维修和欠维修的状况，优化备件库存，减少人员配备，优化运维办法及运维管理，协调公司资源计划系统（EnterpriseResourcePlanning，ERP）、制造公司生产过程执行系统（ManufacturingExecutionSystem，MES）和客户关系管理系统（CustomerRelationshipManagement，CRM）等各有关管理系统。

3.3.6实施环节

（1）以项目建设运行为根本，进行基于大数据的智能运维管理体系顶层设计，建立轨道交通网络信息管理基础数据核心框架。

（2）打破专业维护、系统维护的传统体制，将分散且互相独立的项目全生命周期的业务数据（涉及：基于BIM的勘察设计数据，基于项目信息管理PIM的工程建设管理数据，基于大数据云技术的智能运维数据，基于数据的实时动态RAMS管理数据，基于办公自动化系统OA、公司资产管理系统EAM、ERP等的公司经营管理数据）按照统一的原则进行串接积累和管控，使其成为能与基础数据核心框架对接的独立模块。

（3）采用大数据、互联网和云技术将上述模块有机地组合成综合管理数据网络，整合传统的管理信息数据。

3.3.7智能运维管理优势与效果

实施智能运维管理能够有效提高运维管理的智能化程度，有助于增强轨道交通的可靠性、可用性、可维护性和安全性，提高服务质量和水平，减少公司运行成本;同时，为实现智慧都市的宏伟目的奠定扎实的基础。

例如，通过列车智能运维管理能够对列车状态进行实时监测与报警，评定预测列车的安全状态，使列车维保支持功效网络化，其优势与效果以下：

（1）通过数字化，简化设备和布线;

（2）通过自动智能诊疗，提高诊疗效率;

（3）进行无线实时传输，无需人工下载;

（4）通过预测评定，为状态修提供基于RAMS的数据支撑;

（5）实现互联网+，提高资源运用效率;

（6）列车工况远程可视，可进行远程处置指导，因此处置速度快;

（7）易于扩展、可充足保护前期投资，因此扩展性好;

（8）可减少列车购置数量。

3.4轨道交通智能运维产业展望

3.4.1推动行业发展

轨道交通运维智能化将成为我国智慧经济发展的重要产业之一。加紧轨道交通智能化发展，首先有助于推动我国交通行业的发展进程，另首先也有助于带动与轨道交通智能化有关领域的发展，从而增进我国有关科技的进步。轨道交通作为智慧都市的重要标志，其建设运行规模不停增大，轨道交通智能化系统市场的容量也随之扩大，从而推动轨道交通智能运维行业向着社会化、专业化、智能化的方向健康发展。

3.4.2市场前景广阔

据行业保守预计，轨道交通维保市场约占轨道交通装备市场总规模的4%。预测铁路机车车辆维保市场规模将达成约2000亿元。都市轨道交通车辆及其它机电系统投资约占总建设费的25%，每年约1000亿元，其全生命周期的运维和更新改造费用则更高。保守预计，到2025年，其运维市场规模也将达成1500亿元以上。

其中与智能运维直接有关的智能装备研发和制造、系统集成、智能运维工艺设计和第三方服务业务、人力资源、金融资本、原则规范等方面，即将出现全方面发展的局面。

4轨道交通技术创新平台建设

4.1国家轨道交通技术创新框架

我国经济已由高速增加转向高质量发展。科技创新能够为此提供新的成长空间、核心着力点和重要支撑，是增进实体经济升级、引领高质量发展的核心驱动力。

现在，从全球范畴看，新技术、新产业蓬勃兴起，科学技术日益成为推动经济社会发展的重要力量。面对新一轮科技革命和产业变革带来的机遇和挑战，世界发达国家（美国、德国、英国、日本等）均采用政府手段增进科技创新，以驱动经济发展，着重强化基础研究和产业化研究（应用研究）之间的创新单薄环节，而构建新型创新平台是重要举措之一。

通过数年努力，我国轨道交通行业已初步构建了国家轨道交通技术创新框架，建成以当代轨道交通国家实验室为代表的一批专业门类齐全的国家级研发机构。从“十二五”开始，国家有关部委就提出了有关建设“都市轨道交通创新平台”的指导意见，并开展了有关的组织工作。自起，中国都市轨道交通协会组织行业内重要骨干公司和院校单位机构，开展都市轨道交通创新平台建设的准备和研究工作。，国家发改委公布《有关请组织申报都市轨道交通创新能力建设专项的告知》（发改办高技[]2600号），并于3月份同意了7个国家级工程实验室，即轨道交通系统测试国家工程实验室（含高铁和地铁）、轨道交通车辆系统集成国家工程实验室（含高铁和地铁）、都市轨道交通数字化建设与测评技术国家工程實验室、都市轨道交通绿色与安全建造技术国家工程实验室、都市轨道交通系统安全与运维保障国家工程实验室、都市轨道交通系统安全保障技术国家工程实验室、都市轨道交通列车通信与运行控制国家工程实验室（图5）。

根据告知和国家有关部委批复意见，上述7个国家工程实验室所属单位已经于共同出资组建了“城轨创新网络中心有限公司”，将创新平台拓展到行业范畴。现在各实验室正加紧推动平台建设，并开展与轨道交通建设和智能运维有关的项目研究。该创新网络的建成将大大提高我国轨道交通的技术创新能力。

4.2都市轨道交通安全与运维保障国家工程实验室

由广州地铁牵头联合7家单位（北京交通大学、中南大学、广州地铁设计研究院有限公司、北京锦鸿希电信息技术股份有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、广州广电运通金融电子股份有限公司、广州新科佳都科技有限公司）共同申报的“都市轨道交通系统安全保障国家工程实验室”专项，于近期正式通过专家组验收。实验室多项技术达成国际先进、国内领先水平，所形成的技术研究平台及其研究成果为打造轨道上的大湾区提供创新技术支撑（图6和图7）。

都市轨道交通系统安全保障国家工程实验室智能运维管理平台构造见图8。该平台有以下功效：①在线监测与离线监测;②实景验证与仿真分析;③数据挖掘与风险预估。

现在，实验室采用“1+7+N”建设模式，整合全产业链，已实现多项成果转化，并销售出一批产品。预计将来几年内，可转化为每年数亿元的市场销售额。

近期，上海轨道交通车辆智能运维国家示范工程项目也正式启动。该项目的实施，以及后续形成的对应技术原则体系和运行组织管理体系，将有力提高都市轨道交通行业的创新能力和运行水平，并且带动一批公司的发展以及培养一批创新型领军人才。

5思考与建议

5.1产业链合作

现在，行业内各轨道交通由于建设进程不同，对智能运维业务的认识也存在较大差别。因此，某些在单个专业系统或有限的数个专业系统内开展的智能运维项目研究和实践出现不同技术水准的重复开发现象;同时，由于缺少全局性考虑，研究成果也很难大面积推广应用和实现产业化。要打造完善的轨道交通智能运维产业体系，需要整个产业链中的各方携手合作，共同推动智能运维业务的进步。

首先，应由政府、行业协会牵头，各有关方参加，在智慧都市、智慧交通的大框架下进行顶层设计，制订智能运维有关的行业原则。近期，都市轨道交通协会牵头编制《智慧城轨信息技术规范》。该技术规范覆盖都市轨道交通多个制式及其全生命周期的各个阶段，可为制订多个运输制式信息化技术原则提供指导，为统筹全行业、全信息化的规划奠定基础。

另首先，由运行经验丰富的运行单位根据轨道交通全生命周期运行的实际需要，提出切合实际的顾客需求。设计单位应根据顶层设计和顾客需求，规划智能运维体系的架构，将以计划修和故障修为主的模式转变为状态修和预知修模式，并且统一系统接口原则。智能运维装备生产厂家按照运维需求和统一的接口原则，进行产品设计和智能系统集成等。

5.2智能运维技术创新中心

为了推动智能运维产业的健康发展，建议在各国家实验室平台的示范工程中，选择有较好市场发展前景的项目，打造由政府、公司、学校、科研、资本、运行多方参加的全产业链技术创新中心或实体，推动智能运维有关产业的发展。

5.3产业发展政策

建议政府有关部门和行业协会，根据轨道交通智能运维行业的市场发展需求，在技术创新、市场推广、金融资本、人才培养、知识产权等方面制订有关扶持政策和激励方法，以推动该行业的健康发展。

5.4信息安全

在构建智能运维体系时，应充足重视信息网络安全，根据国家网络安全法分别设立生产网、内部服务网和外部服务网，建立可靠的安全等级保护体系。