地铁车辆基地智能运维管理平台的设计及实现

牛乙清

(济南轨道交通集团第一运营有限公司，山东 济南 250022）

0 引言

城市轨道交通在城市发展中发挥着重要作用，城市发展对城市轨道交通的安全、可靠、高效、密集、互联、智能发展提出越来越高的要求。在保证城市轨道交通系统安全可靠运行的基础上，如何在满足可持续发展战略要求的同时，应用现代信息技术，建立并优化智能管理系统，最大限度地提高城市轨道交通设备的运营效率、降低维护成本，已成为轨道交通行业关注和研究的课题。成都某线地铁车辆基地建成并投入应用的智能运维管理平台对此进行有益尝试并取得成功。

1 分析车辆基础业务

第一，车辆基地的生产活动是车辆基地的主要工作之一，包括制订车辆维修计划和维修活动管理，制订客运工作计划和客运活动管理。生产活动的目标是优化车辆基地维修资源，及时完成车辆维修任务，保证车辆随时健康运行，优化客运资源利用，圆满完成车辆运输任务[1]。从时间序列角度来看，车辆基地的生产经营过程可以分为规划、计划实施、统计数据分析和决策三个阶段。规划阶段的实质是在时间和空间上合理安排车辆基地的维修资源和乘务资源，确定周期内的维修任务和乘务任务，其合理性直接关系到维修资源和乘务资源的使用、车辆维修费用和乘务费用；计划实施阶段的实质是及时处理机组检修过程和运行中的异常情况，保证机组检修计划和运行计划的顺利实施；统计数据分析和决策阶段的统计分析主要是任务完成情况的统计分析，包括任务完成率、资源利用率以及各种异常情况的分析，为下一个决策阶段提供数据[2]。

第二，车辆基地的运输组织是基地内车辆的组织和计划以及车辆进出基地的运行过程（通常称为转运服务）。车辆段控制中心（DCC）根据运行控制中心（OCC）发送的列车运行计划，确定列车连接进路，制订车辆滚动计划，然后将车辆分配到特定的轨道，在指定的时间段内运行。同时，根据OCC 发布的列车运行调整方案，完成运输任务的车辆将在规定时间内纳入车辆部分的检修或停车轨道。影响车辆基地运营成本的主要因素是接收轨道的合理性、基地车辆的轨道以及接收车辆时的轨道布局。列车衔接不当导致所需车辆数量和进出基地空车数量增加；车辆在地基上的不合理移动导致能耗增加；提车时车道布局不合理，影响第二天出发，造成不必要的搬运和费用。

第三，补充活动。为了保证维修的安全和质量，车辆基地还必须进行安全和质量检查，以便在车辆基地进行安全和质量保证作业[3]。同样，在实施计划时，需要备件和维修工具等资源，这就导致备件和工具的管理。与基本的车辆生产和运输组织作业不同，辅助作业的目的是保证生产的安全和质量，与运输任务无直接相关。

第四，分析企业之间的关系。从企业内容来看，车辆基地的生产活动和运输组织相对独立。生产活动侧重车辆的维护和使用，以确保车辆健康并有足够的人员执行运输任务；运输组织活动的重点是为主要道路提供健康的车辆，并将执行运输任务的车辆连接到指定轨道。但是这两个活动之间是互动的，甚至一个企业的质量会影响到另一个企业的效率。如果无法完成车辆基础的生产运营，将导致健康车辆或人员的短缺，可能导致车辆基础无法正常启动；如果被检车辆在回收过程中在轨道上，车辆的维护需要额外的机动，可能影响维护工作的顺利进行。辅助工作包括安全和质量保证体系，以补充运输组织提供的生产和物流作业。如：资产管理系统，为车辆和操作人员的维护提供备件和乘务人员资源；五个保护系统确保车辆维护期间的电气安全。安全和质量管理确保所有车辆维护活动符合安全要求和各种维护规章制度[4]。车辆基本活动之间的关系如图1 所示。

图1 车辆基地业务关系示意

上述分析表明，这三种类型的公司是相互独立和相互依存的。在为车辆基地建立人工智能IT 运营管理平台时，应考虑提高车辆基地的运营效率，有效降低运营和维护成本。

2 城市轨道交通车辆基地运营现状分析

一是计划信息不同步。手动记录和手动交换用于车站计划、维修计划和城市车站客运计划之间的数据交换和更新。手动确认车辆位置、车牌号、跑道停电信息，手动调整仪表盘显示的占用磁条。车辆状态更新慢，往往导致实时信息滞后，调度与其他信息不同步。比如，车站工作人员误录入列车时刻表和列车位置信息，从而耽误列车计划员的日常列车运行计划；信号监视器未及时输入轨道上的停车信息，会导致司机在停电区域驾驶列车；控制信息未及时输入，会导致未使用的列车脱离车辆段，延误直线运行等情况出现[5]。

二是OCC 与车辆的协调是通过自动监控系统（ATS）来实现的，ATS 功能单一，不能满足。城市轨道交通车辆基地运营的各种要求。大多数ATS 扩展仅限了解车载基站的牵引方向剖面和显示，但需对车载基站的其他操作有一定了解。比如，列车发车时刻表由调度部门制订，通过纸质表格通知到部门，并没有可靠的信息管理。在城市轨道交通车辆的基础上，通常需要设置一个金属板来记录和显示车辆编号和车辆位置信息，设置一个磁板来显示车辆编号、轨道位置等信息。

三是企业管理不够高效。城市轨道交通车辆基站的生产计划是手工制订的，通过创建发车计划来组织车辆的日常运营计划[6]。同时，很多基地部门使用纸质电子表格和Excel 电子表格记录生产经营信息，给员工带来高工作量和高出错率，尤其难以对历史信息的可追溯性进行统计分析。对于每两周检查一次的计划，Excel 电子表格中的表格以不同颜色显示计划的开始和结束时间、计划维护的类型以及维护团队的信息。由于所有程序都是手工记录，无法自动生成统计数据，如车辆动态表、两天检查表、服务票等。

四是由于诸多因素影响，城市轨道交通基地的规划过程复杂而低效。生产任务的完成需要多个部门的直接反复协调和确认基本流程实例。

第一，根据列车里程、维修码表等信息，对车辆维修机构进行检查检验，并将车辆信息以纸质形式传输给现场调度员。

第二，现场计划员根据主列车运行计划的要求和可利用的车辆信息，编制每日列车运行计划，并将运行计划发送至地铁运营中心和车务段办公室，根据每日列车运行计划编制总运行计划，组织客运工作。

第三，乘务员按计划安排旅行过程。

第四，根据轨道规划器处理的道路运行情况，以及电力规划器提供的接触网状态，来保证电动车辆的正常运行。

3 智能运维管理平台的逻辑架构

如图2 所示，车载基础智能运营管理平台的逻辑架构分为四个层次：数据层、计划管理层、调度管理层和决策分析层。数据层主要完成基础数据的管理和相关信息的采集；计划管理层主要完成生产计划（包括车辆维修、客运业务）和恢复计划的制订；调度管理层主要是对车辆维护、乘客规划、铁路运营规划、监控等指挥活动的补充，以解决运营过程中出现的各种问题，确保各项活动安全、正确地完成。决策分析层主要完成各种生产数据的统计分析，生成相应的报告，并进行成本分析。图2 所示的物料管理、人员管理、安全管理、质量管理和车辆管理模块用于支持业务管理[7]。大多数车辆基地建立了相应的信息管理系统，为了避免重复投资，在构建智能运营管理平台和维护车辆基础时，要考虑与这些系统的接口或与现有系统兼容。

图2 车辆基地智能运维管理平台逻辑架构

4 智能运维管理平台的软件结构

用户模式是用于解释、可视化和记录面向对象系统产品的标准语言，也是面向对象设计中的建模工具。根据面向对象软件工程的概念，采用类图和序列图对软件结构进行设计和UML 描述。

一是根据面向对象软件工程的理念，通过业务分析，列出车辆维修、客运运营、交通组织和与逻辑层对应的基本类别。车辆维修计划、旅客卸载计划和换乘计划应在车辆维修计划、旅客卸载计划和换乘计划优化数学模型的基础上制订。由于数学模型的不断改进和完善，三种方案的实现代码也需要修改和维护。在系统设计中，抽象出CPMaking、VPMaking 和VUsingMaking 三个程序，分为VPManage、CPlanManage和VUsingPlan 类，方便系统的后续维护。

二是时序图从静态的角度描述组成平台的类别之间的关系，而时序图从动态的角度描述组成平台的对象之间的动态关系。消息传递的过程如下：通过DataAccess 对象从数据库中获取数据—VPMaking 对象制订检修计划并将计划传递给VPManage 对象—VPManage 对象根据检修计划将检修工单发送给检修VMWorkSheetManage 对 象—VMWorkSheetManage 对象将检修工单发送给相应的检修班组对象VMWork-Group—检修班组对象VMWorkGroup 在检修完毕后向VMWorkSheet 提出销单申请。最后以表格或图形的形式将统计信息提供给管理器。

5 实际应用

第一，提高工作效率，降低劳动强度。系统实施后，计划和人工确认单趟列车到站的时间由20min 减少到2min。手动确认路况从10min 压缩到5min；人工创建维护作业和自动转换到系统中，每个作业的分发时间从20min 缩短到10s 左右（无阅读时间）；将车辆的周保养计划从24h 减少到1h 左右（人工调整所需的时间），将时间缩短大约4h10min。在系统实施之前，各类数据都是以纸质或Excel 电子表格的形式记录，统计分析耗时长且容易出错[8]。实施后，各种数据统计由管理平台自动进行，减轻了人员的工作强度。

第二，系统实施后，车辆维修人员由10 人减少到5人，信号楼操作员由16 人减少到8 人。客运人工计划改为系统化自动计划，取消了原有的八项人工计划任务，有效降低人工成本。此外，管理平台的实施实现了信号、通信、车辆、技术、电力等各行业的数据交换，消除“信息孤岛”现象；各种数据以数据库的形式存储，为未来大数据技术在地铁运营中的应用提供大量基础数据。

6 结语

创建地铁车辆基地人工智能IT 运营管理平台可以有效管理车辆基地的车辆维护活动和客运运营活动，此举把人工智能引进应用到以地铁为代表的现代交通运输组织体系，推进交通运输运营管理现代化进程，揭示现代化交通体系建设发展方向。目前，该平台还面临进一步扩展和完善，还没有把所有与车辆维修流程相关的活动都充分考虑进去。例如：出入控制装置、五防装置和车辆维修防护罩的管理还没有纳入平台系统。平台还缺乏对车辆故障数据、维修数据和人员使用数据的分析功能。对此，还要予以完善和提高。