軌道交通智能運維體系與創新平臺建設

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通運營規模的迅速擴大和“一帶一路”戰略的實施，整個行業對于保障運營安全、提高服務質量及降低運營成本，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要求，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，也存在一些認識上的差異。

1、軌道交通智能運維體系構建

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、高效經濟地運營。

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

（2）穩定是指持續地向用戶提供可用、準確和完善的服務。

（3）高效經濟是指確保系統的運營效率，以合理的成本和資源投入實現較高的乘客及貨物周轉量，即在確保軌道交通安全運行的前提下，以合理的成本完成系統預定的運輸服務任務和達到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標準來確保相關設備設施正常、高效地運行，是軌道交通安全、穩定、高效經濟運營的決定性因素。

我國軌道交通智能運維現狀及發展趨勢

 面臨的挑戰 

我國正處于軌道交通大發展時期，隨著線網規模不斷擴大，面對人員分布不均、線路個性化、技術水平差異化、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”）提出了越來越高的要求。龐大的運營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（下圖）。

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多預防修、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缺少處理、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，事后緊急處理情況較多。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營，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，2016 年，某地鐵進行專業列車日檢超18 萬次、均衡修6 000 余次、架大修超150 列次；若按目前運維模式，至2020 年，每年至少需進行列車日檢40 萬次、均衡修10 000 次、架大修700 列次。

目前，地鐵車輛的維修方式普遍采用庫內人工檢測的方式，專業檢修設備是否齊備，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）都會直接影響檢查結果。因此庫內檢測存在檢測方式不精確、不及時、不全面等弊端。此外，新建線路和更新改造項目會采用最新技術，這些技術同既有設備存在較大差異，從而使人機關系產生變化，導致故障率不穩定。

 創新工作動態 

在網絡化運營規模迅速擴大的新形勢下，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，進入網絡化運營的單位近些年來都在嘗試和尋求新的運維模式，并開展了一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。其中包括以下典型項目：

（1）高鐵與城市軌道交通車輛綜合監測系統的研發；

（2）基于全壽命周期的關鍵設施設備系統健康監測和智能診斷管理系統課題研究與實踐；

（3）以預防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處理技術研究；

（5）基于物聯網的關鍵設施設備故障預警系統的研究開發；

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

（7）列車安全狀態在途監測預警和網絡化維保系統開發；

（8）城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（Building InformationModeling，BIM）的設計施工運維全過程管理平臺研發；

（10）地鐵運營盾構隧道承載機理和破壞機制研究；

（11）地鐵運營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）地鐵橋隧結構運維監測技術應用；

（15）移動巡檢系統開發；

（16）城市軌道交通自動售檢票系統（AutomaticFare Collection System，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，對軌道交通的關鍵設備設施進行全生命周期的健康監測和故障智能診斷預警及成本分析，是業界普遍關注的熱點。

 創新工作存在的問題 

目前國內各運營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于起步階段。智能運維管理大多集中在性能管理與故障處理上，距離實現智能運維功能的整合還有一定差距。開發的信息系統各自獨立，缺乏各系統間互聯互通的考慮，形成一些“信息孤島”，無法充分發揮信息化的整體優勢。從總體上看，存在許多需要深入研究的課題以及需要改進的技術。智能運維創新工作面臨如下共性問題：

（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異大；

（3）企業智能運維管理創新能力不足；

（4）缺乏統一的運維管理體系標準；

（5）缺乏統一的運維管理技術標準；

（6）缺乏統一的運維管理評價標準。

軌道交通智能運維體系建設思路

 智慧軌道交通是智慧城市 體系的重要組成部分 

2013年，國家科技部、國家標準化管理委員會確定國家 “智慧城市”技術和標準。智慧軌道交通是智慧城市建設的重要組成部分，需在信息化、大數據的基礎上構建。智慧軌道交通作為城市公共交通的骨干，其含義是在軌道交通領域中充分運用物聯網、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、整個城市，甚至更大的時空范圍內具備感知、互聯、分析、預測、控制等能力，以充分保障軌道交通安全，發揮軌道交通基礎設施效能，提升軌道交通系統運行效率和管理水平，為公眾的通暢出行和經濟的可持續發展服務。

自2018 年7 月1 日起施行的《城市軌道交通運營管理規定》（交通運輸部令 2018 年第8 號）要求：“應當建立城市軌道交通智能管理系統，對所有運營過程、區域和關鍵設施設備進行監管，具備運行控制、關鍵設施和關鍵部位監測、風險管控和隱患排查、應急處置、安全監控等功能，并實現運營單位和各級交通運輸主管部門之間的信息共享，提高運營安全管理水平?！?/span>

 主要工作內容 

為了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估先驗的預知修（下圖），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。

具體工作內容可以理解為：利用傳感網、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，實施精準的狀態感知、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、發布管理、運行管理、知識管理、綜合分析管理，實現運營故障處置、駕駛行為評估、運營組織管理、列車能耗管理、設備健康評估、設備安全預警和數據共享等。

 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如下方面：

（1）軌道交通設計、建設、運營技術標準（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方法；

（4）建設、運營主體與運維專業服務市場；

（5）智能運維技術創新體系建設。

 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）處理存儲。利用物聯網、大數據，以及高性能的數據接入、處理、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深入挖掘和分析。

（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（IntegratedSupervisory Control System，ISCS）有超過15 萬監測點，日均產生監測數據超過5 億條。某地鐵線路的自動列車監控系統（Automatic Train Supervision，ATS）每天產生的日志平均約在25 萬條，一年的數據量高達9 000 萬條。依托上述智能運維管理平臺，可采集、存儲、分析海量數據，確保軌道交通運營的安全性和經濟性。

 主要功能 

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

（2）設備健康智能管理。包括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。包括消除過度維修和欠維修的情況，優化備件庫存，減少人員配置，優化運維方法及運維管理，協調企業資源計劃系統（EnterpriseResource Planning，ERP）、制造企業生產過程執行系統（Manufacturing Execution System ，MES）和客戶關系管理系統（Customer Relationship Management，CRM）等各相關管理系統。

 實施步驟 

（1）以項目建設運營為主線，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，將分散且相互獨立的項目全生命周期的業務數據（包括：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、企業資產管理系統EAM、ERP 等的企業經營管理數據）按照統一的標準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。

 智能運維管理優勢與效果 

實施智能運維管理可以有效提升運維管理的智能化程度，有利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，降低企業運營成本；同時，為實現智慧城市的宏偉目標奠定扎實的基礎。

例如，通過列車智能運維管理可以對列車狀態進行實時監測與報警，評估預測列車的安全狀態，使列車維保支持功能網絡化，其優勢與效果如下：

（1）通過數字化，簡化設備和布線；

（2）通過自動智能診斷，提高診斷效率；

（3）進行無線實時傳輸，無需人工下載；

（4）通過預測評估，為狀態修提供基于RAMS 的數據支撐；

（5）實現互聯網+，提高資源利用效率；

（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、可充分保護前期投資，因此擴展性好；

（8）可減少列車購置數量。

2、軌道交通智能運維產業展望

推進行業發展

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。加快軌道交通智能化發展，一方面有助于推進我國交通行業的發展進程，另一方面也有助于帶動與軌道交通智能化相關領域的發展，從而促進我國相關科技的進步。軌道交通作為智慧城市的主要標志，其建設運營規模不斷增大，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。

市場前景廣闊

據行業保守估計，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2020 年鐵路機車車輛維保市場規模將達到約2 000 億元。城市軌道交通車輛及其他機電系統投資約占總建設費的25%，每年約1 000 億元，其全生命周期的運維和更新改造費用則更高。保守估計，到2025 年，其運維市場規模也將達到1 500 億元以上。其中與智能運維直接相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、標準規范等方面，即將出現全面發展的局面。

3、軌道交通技術創新平臺建設

國家軌道交通技術創新框架

我國經濟已由高速增長轉向高質量發展?？萍紕撔履軌驗榇颂峁┬碌某砷L空間、關鍵著力點和重要支撐，是促進實體經濟升級、引領高質量發展的核心驅動力。當前，從全球范圍看，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主要力量。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）均采取政府手段促進科技創新，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）之間的創新薄弱環節，而構建新型創新平臺是重要舉措之一。

通過多年努力，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，建成以現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關于建設“城市軌道交通創新平臺”的指導意見，并開展了相關的組織工作。自2012 年起，中國城市軌道交通協會組織行業內主要骨干企業和院校單位機構，開展城市軌道交通創新平臺建設的準備和研究工作。2014 年，國家發改委發布《關于請組織申報城市軌道交通創新能力建設專項的通知》（發改辦高技[2014]2600 號），并于2016 年3 月份批準了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）、城市軌道交通數字化建設與測評技術國家工程實驗室、城市軌道交通綠色與安全建造技術國家工程實驗室、城市軌道交通系統安全與運維保障國家工程實驗室、城市軌道交通系統安全保障技術國家工程實驗室、城市軌道交通列車通信與運行控制國家工程實驗室（下圖）。

根據通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2017 年共同出資組建了“城軌創新網絡中心有限公司”，將創新平臺拓展到行業范圍。目前各實驗室正加緊推進平臺建設，并開展與軌道交通建設和智能運維相關的項目研究。該創新網絡的建成將大大提升我國軌道交通的技術創新能力。

城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“城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。實驗室多項技術達到國際先進、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（下圖）。

城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結構見下圖。該平臺有如下功能：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。

目前，實驗室采取“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。預計未來幾年內，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，以及后續形成的相應技術標準體系和運營組織管理體系，將有力提升城市軌道交通行業的創新能力和運營水平，并且帶動一批企業的發展以及培養一批創新型領軍人才。

4、思考與建議

產業鏈合作

目前，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異。因此，一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，由于缺乏全局性考慮，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，各有關方參與，在智慧城市、智慧交通的大框架下進行頂層設計，制定智能運維相關的行業標準。近期，城市軌道交通協會牽頭編制《智慧城軌信息技術規范》。該技術規范覆蓋城市軌道交通各種制式及其全生命周期的各個階段，可為制定各種運輸制式信息化技術標準提供指導，為統籌全行業、全信息化的規劃奠定基礎。

其次，由運營經驗豐富的運營單位根據軌道交通全生命周期運營的實際需要，提出切合實際的用戶需求。設計單位應根據頂層設計和用戶需求，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，并且統一系統接口標準。智能運維裝備生產廠家按照運維需求和統一的接口標準，進行產品設計和智能系統集成等。

智能運維技術創新中心

為了推進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、企業、學校、科研、資本、運營多方參與的全產業鏈技術創新中心或實體，推進智能運維相關產業的發展。

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、知識產權等方面制定相關扶持政策和鼓勵措施，以推動該行業的健康發展。

信息安全

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

5、結 語

目前，國內軌道交通已進入高速黃金建設期和安全運維期。軌道交通的急速發展給軌道交通運維市場帶來了廣闊的前景，但目前軌道建設和運維管理尚未高效化、信息化和智能化。面對軌道交通運維智能化這一大趨勢，只有提前布局、提前研究，才能更好地適應發展的需要。

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