城市轨道交通智能运维系统技术应用

高鹏远，刘媛媛

[摘    要]城市轨道交通建设是解决我国大城市交通拥堵问题的重要举措之一，利用先进的列车运行控制、实施传感、信息传输等技术可以实现列车的全自动运行，对于保障列车运行安全、提高列车运行效率、提高运行过程自动化程度具有显著意义。目前，国内外多个国家和地区均对城市轨道交通的全自动运营进行了探索研究，缺少统一的自动化运营标准，与之对应的缺少相关轨道交通智能运维管理模式相关的信息化建设尚不完善，部分运营的信息化数据无法采集，无法为关键部件的更新换代提供数据支撑。开展轨道交通领域的智能运维可以减少检修过程中耗费的大量人力、物力，能够实时采集过程数据，实现过程数据的全程共享以及实时可视。通过故障诊断、故障预测等技术的应用可以提高轨道交通行业的运维效率，可以及时排查安全问题。

[关键词]分光智能运维;智能决策;轨道交通

[中图分类号]U239.5 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）12–0–03

Technical Application of Intelligent Operation and

Maintenance System for Urban Rail Transit

Gao Peng-yuan，Liu Yuan-yuan

[Abstract]The construction of urban rail transit is one of the important measures to solve the problem of traffic congestion in my country's big cities. The use of advanced train operation control， implementation of sensing， information transmission and other technologies can realize the fully automatic operation of trains， which is important for ensuring the safety and improvement of train operation. The train operation efficiency and the improvement of the automation degree of the operation process are of significant significance. At present， many countries and regions at home and abroad have explored and studied the fully automated operation of urban rail transit. There is a lack of unified automated operation standards. Correspondingly， there is a lack of related information construction related to rail transit intelligent operation and maintenance management mode. Perfect， informatization data of some operations cannot be collected， unable to provide data support for the upgrading of key components. Carrying out intelligent operation and maintenance in the field of rail transit can reduce the large amount of manpower and material resources consumed in the overhaul process， and can collect process data in real time， realize the whole process data sharing and real-time visualization. Through the application of technologies such as fault diagnosis and fault prediction， the operation and maintenance efficiency of the rail transit industry can be improved， and safety problems can be checked in time.

[Keywords]intelligent operation and maintenance; intelligent decision-making; rail transit

1 研究背景

近年來，我国各大城市交通压力持续增加，根据国内外城市的实践经验来看，优先发展公共交通是解决交通压力的最优方案。在各类公共交通出行方式中，由于城市轨道具有其他方式所不具备的高效、经济、准时、环保等优点使得其成为大中型城市首选的公共交通发展方向，为城市的可持续发展提供着重要的作用。近年来，我国城市轨道交通建设取得了令人瞩目的成绩，运营里程、运营速度不断创下新高，但也需要看到目前仍处于成绩与问题并存，机遇与挑战同在的发展阶段，线网规划具有前瞻性和科学性、城市内外交通的顺畅性和便捷性，乘客服务的智慧化和高品质、运营组织的多元化和智能化、技术装备的自主化和品牌知名度、信息资源男的共享度和利用率等方面与国际先进水平相比仍存在一定的差距。在上述背景下，通过目前应用较多的共性技术如云计算、大数据处理、机器学习以及机器强化学习等技术使得轨道交通的运行管理向着智慧化、智能化的方向发展。

2 城市轨道交通全自动运行系统概述

目前而言城市轨道交通的全自动运行可以分为两大部分，一个是指列车运行的全自动化，列车运行全自动化主要是指列车自动出站、自动停车、自动关闭车门等运行过程中的自动化。另一部分是指车站设备的全自动化，通过车站设备自动化实现相关车辆运行状态监测自动化、乘客服务自动化等。

2.1 全自動运营模式下运营方式研究

目前国内的自动运行线路多为GOA4级自动运营，与之对应的需要配备综合自动运维系统，系统应当具备车辆状态实时监控、车辆故障自动诊断等功能，对运行过程中关键部件的运行状态做到实时检测实时预警。便于运营人员对于车辆及关键设备信息的实时掌握。目前，全自动运行系统的开通运行模式需要根据线路条件、设备系统综合能力、人员基础素质等多方面确定。

2.2 全自动运行模式下运营场景设计

运营场景指在列车自动运行系统在运营过程中可能出现的各种场景，通过对场景进行描述，可以实现全自动运营系统中各装备与各岗位功能设置的依据以及系统之间联结。

在正常模式场景时，列车根据系统预设时间及动作自动执行工作运行命令，在部分场景中需要由多职能队员完成检查后方可执行下一命令。在故障模式场景下，针对不同情境，可执行远程命令尝试修复故障，当故障较为严重或涉及列车运行安全问题时需由多职能队员前往现场进行处理，尽早恢复列车线路的正常运行。在列车处于应急模式场景时，根据应急预案，调度员应下达紧急命令，对乘客进行疏散引导，及时对出现的问题进行抢修，将损失降低到最低。

2.3 控制中心场景设计

控制中心在正常模式下，只有运营准备场景，运营准备场景分为确认并下发运行图场景和施工确认注销场景。在故障模式下根据故障不同采用降速、降级、更换手动驾驶等方式在尽量减少对列车运行的情况下实现故障排除。当出现控制中心停电或失火时，会将控制权限下放，全线多职能队员登车进行人工驾驶，利用无线手持对讲机进行通信。

2.4 车站场景设计

车站在正常模式下，根据需要对车站设备进行自检，如未通过设备自检进行报警提示，乘客在正常情况下可根据提示自助办理票务服务，当出现问题时可由人工指引员根据原因进行处理。车站在故障模式下，车站工作人员首先根据故障情况进行处理。在车站出现应急模式时需要判断是否影响正线运行，根据故障严重程度选择过站运营、全线停运、旅客疏散等措施。

2.5 列车自动运营模式总结

本章介绍了全自动运行模式下各类场景，对各类场景下的正常模式、故障模式以及应急模式的各类处理措施进行了梳理，对全自动模式下自动运营所需要面对的全部问题进行了说明。

3 轨道交通智能运维技术研究及应用

发展智能化运维轨道交通是建设智慧化城市的具体实践工作。对轨道交通运维进行智能化建设可以进一步地加强轨道交通的安全性和功能性，能够保证我国尽早落实交通强国的战略。不仅如此，城轨的运维成本对于其盈利与否至关重要。以新加坡SMRT地铁为例，其两年连续的巨额亏损案例为行业带来前车之鉴。根据新加坡地铁的官方数据，由于其维修和人力成本的大幅提高，人力成本和维修成本占据了地铁车资71 %的收入，导致2019财政年巨亏1.5亿新加坡元，与上个财政年的8 600万新加坡元相比亏损激增80 %。与之相应的应用无人驾驶地铁技术、智能运维技术可以大大缩减人力成本和维修运营成本。

3.1 轨道交通运营维护的现状

影响列车安全的因素较多，其中关键设备的运行安全则会直接影响整列列车的运行安全，对于关键设备进行运行维护主要是通过计划修以及故障修结合。在维护过程中以计划修为主，该种检修方式占据了需要耗费较多人力、物力。另外，由于地铁大多采用白天运行夜间检修的模式，检修人员长期的昼夜颠倒严重影响了检修人员的身体健康。

目前，各车辆段针对关键设备均安装了大量的状态监测设备，能够获取设备在运行过程中的运行状态信息，但目前对状态信息的利用程度不高，无法做到数据信息的融合利用。

3.2 全自动模式下运营维修影响分析

在全自动运营模式下，为保证地铁运行的安全性对设备的可靠性提出了更高的要求，同时全自动运营模式能够为智能运维提供良好的数据基础，有助于将维修体系由从计划修到状态修的转变。

目前，现有的维修体系主要通过对设备日志、传感器记录等进行分析，根据结果对检修工艺进行优化，节约维修资源。但由于多源数据格式不同的原因，使得存在大量的信息孤岛，不利于信息整合，更不便于为系统在状态趋势等方面提供有效决策，维修队伍只能依靠经验、碰运气等方法开展设备检查维护和故障排查。

3.3 全自动运行模式下智能运维发展趋势

随着5G通信技术、云计算、大数据存储及处理技术以及人工智能技术的发展、成熟以及我国在轨道列车车辆、信号、通信等关键核心部件的生产上基本实现了国产化，为轨道列车的智能化运维提供了良好的支撑。

全自动模式下，车辆检修智能运维可以通过各类传感器采集到相应的温度、振动以及图像等信息，根据相关信息来对其进行无监督的强化深度学习。利用图像识别技术，根据学习算法对车辆异常状态识别，可大幅提高检修效率，降低检修成本。

在检修过程中，应用相关的机器学习技术、机器视觉、机械臂控制技术等在动态和静态情况下采集车底或车侧的图像，根据获取到的图像对车辆异常情况进行判断。降低人工劳动强度，提高检修效率以及检修可靠性。

目前，车底设备智能检修主要通过线阵相机与定位相机结合的方式，通过定位相机拍摄车底图片，定位车底设备，利用线阵相机采集相关设备图片，在采集过程中利用防抖技术，避免采集到的图像信号发生抖动等问题。通过对采集到的高清图像与正常工作图像以及故障工作图像的对比，对设备进行故障监测，与传统检修相比可以快速识别故障位置以及故障原因。

对于列车走形部件，如齿轮箱主轴而言，对其进行状态检测多通过在车上安装相关温振传感器的方式进行监测，将相应的传感器通过螺纹安装到轴承座和齿轮箱外壳等固定位置，通过对温度、振动数据的分析能够自动判定目前相关走形部零件状态。该过程主要是通过走行部获取关键运行数据，对传感器获取的数据进行数据预处理去除数据中的干扰数据，将数据进行傅里叶变换，在不影响判断准确性的情况下对数据进行学习，通过频谱进行分析判断故障类型、故障部位以及损伤程度。为了保障检测准确性，还可采用与图像识别相结合的方式对走向部以及闸片的高清图像进行获取，自动监控异常状态。对关键部件的缺失、变形等进行监测。

以上海地铁为例，其系统的运维管理随着设备数字化技术逐步发展并建立。目前上海地铁已经进入了智能运维相关技术的扩展阶段，通过多源异构数据的整合推动智能运维相关技术的系统性建设。

在对智能运维系统的建设过程中，上海地铁积累了宝贵的建设经验，在系统搭建时应关注以下3个方面的建设：

（1）上层设计与底层设计结合，采用部件级的试点开始，自上而下建设运维管控平台，最后做上层设计将各个平台关联起来，完善相关技术标准。

（2）多源异构数据进行整合，智能运维其核心驱动要素是数据，由于各个设备厂商不同数据标准的统一以及接口标准的统一是非常困难的工作，需要各个设备公司进行合作，将数据格式统一，便于运维数据的储存与应用。

（3）基础设施建设，数据驱动的智能运维系统中，其数据保障以及数据库是建设核心所在，建设智能运维数据的专用网络可大幅提高数据传输的可靠性以及传输速度。通过对多源异构数据的整合，可以布置共享数据库与专业数据库两种形式，既可以统一布置也可进行分布式布置。

4 结术语

目前，全球轨道交通行业仅有较少线路可以实现真正意义上的无人驾驶，相关的智能运维技术研究则相对较多，但各个国家和地区的运营规则相差较大，缺少统一的标准，需要根据自身情况探索适合自身的运营规则以及配套技术。本文主要对城市轨道交通全自动运营时的列车运营场景、运营组织规则、以及智能运维技术的应用进行了研究。

参考文献

[1] 陆化普.綠色交通：我国城市交通可持续发展的方向[J].综合运输，2011（2）：13-17.

[2] 李慕.地铁车辆智能维修管理系统的搭建[J].智能城市，2020，6（17）：107-108.