城市轨道交通智能维保发展现状及趋势
背景概述
近年来，中国城市轨道交通快速发展，在满足人民群众出行需求、支撑和引领城市发展等方面发挥了重要作用。截至2019年9月末，中国城市轨道交通运营里程已经超过6 300 km。城市轨道交通企业运用互联网、大数据、物联网、云计算、人工智能、故障预测与健康管理等技术，在城市轨道交通智能维保领域进行探索，智能维保逐渐成为行业焦点。针对车辆智能运维系统，上海地铁通过车联网技术与数字图像处理融合，将列车检修周期由日检调整为8日检，较之前新线运营服务水平提升63.7%。针对弓网、轮轨等实时监测，各地通过对列车走行部、线路、受电弓和信号系统等多种行车关键设备工况的实时监测，实现运维辅助决策。广州地铁利用车载综合检测可减少80%的轨道巡检人工成本，道床异物等缺陷检出率可达100%；东莞地铁利用弓网、轮轨等监测管理系统探索故障预警，并将检测数据与运营管理平台数据共享，为智能维保提供依据和参考；香港地铁利用信息化系统实时监控，提高了维修工作效率，从生产、预算、维修、人员、客流等方面为管理层提供信息并辅助科学决策。
1.1 智能维保的内涵
城市轨道交通智能维保是充分利用智能化、信息化和大数据等手段，在获取大量的设备运行状态数据基础上，通过数据计算和深度挖掘，指导设备运用与维护、优化运营管理方式和管理成本，从而提升运营管理活动和促进高质量可持续发展的过程。智能维保的载体包括数据采集和传输设备、数据分析平台和运营生产工具，并集成为一套智能化装备。智能维保的目标是提升设备可靠性、降低劳动强度、优化设备检修模式和行车组织方式、提高运营服务水平和城市轨道交通企业生产活动科学性。
1.2 智能维保的必要性
1) 智能维保是运营规模快速增长和新技术发展应用的必然选择。城市轨道交通是复杂的系统工程，涉及车辆、信号、供电、通信、自动售检票等多个系统，包括众多子系统及产品部件，系统的安全、稳定运行需要各专业设施设备处于良好的服役状态。随着网络规模的快速扩张，城市轨道交通设备数量迅速增加。广州地铁全网共计有超过40万台(套)设施设备，分布于线网延伸区域。由于设备种类繁多、数量庞大，长时间运行带来的不可预期故障对运营服务影响很大，如此大体量的设备设施维修无法仅依靠传统人工检修模式进行。新技术的发展和应用为提升管理手段创造了可能，因此需要利用智能维保平台和智能监测等技术支撑设施设备维保工作。
2) 智能维保能有效减轻维修人员工作强度和提高维保精准性。目前，北京、上海、天津、重庆、武汉、南京等多个城市部分线路运营时间已超过15年，随着服役时间增加，部分设施设备维护若仅依靠人工不但检修效率低，工作强度高，而且无法保障检修精度。因此，需要探索新的智能维保手段，提高检修效率与精度，减轻维修人员工作强度。以成都地铁为例，自动售检票(automatic fare collection，AFC)系统线网监测预警平台可协助维保人员在固定值班地点借助大屏系统或管理终端掌握全网系统设备状况，从人工巡检硬件的10余项指标提升至平台自动巡检40余项，可做到全时段对AFC系统各层级通用设备、数据库运行状态实时监测，覆盖日常人工巡检监测不到的网络协议、操作系统、数据库、通信中间件等资源状况，及时得知各级预警信息，在故障发生前开展排查和整改。
3) 智能维保为缓解运营成本压力创造了技术条件。人力成本和设施设备维护成本是城市轨道交通企业成本支出的主要部分，前者占企业成本支出的50%～60%，后者占10%～15%。随着城市轨道交通运营规模的增加，传统维修模式下的用工成本过高，对企业可持续发展带来了极大挑战。通过应用智能维保手段，可以发现设施设备维护过程中是否存在过修或欠修问题，同时为后期大修、整改提供数据支持，更利于企业长期的可持续发展。上海地铁17号线通过车辆轨旁综合检测，列车检修人车比已由0.6降到0.33，实现了减员增效；成都地铁借助AFC线网监测预警系统也精简了随线路增加而需倍增的巡检人员数量，以4条线100个站点的系统设备计算，预计每年可节约43万元。
中国城市轨道交通智能维保发展现状
中国城市轨道交通的运营维保模式主要以传统的计划预防修和故障修为主，然而随着各城市运营规模的持续扩大，部分线路的关键设施设备陆续进入大修阶段，维保压力不断增大，因此各地均在探索构建基于状态监测、特征提取、状态评估、故障诊断、故障预测、维修模式优化和维修决策于一体的智能维保系统。概括来讲，从监测分析与标准化、维修模式与修程修制、生产组织与管理模式以及维保能力建设4个维度来看，智能维保发展现状概要如图1所示。
以车辆、信号和供电系统为例，具体情况如下。
2.1 车辆系统维保现状
以车辆系统为例，在紧张的运营压力下，如何进一步提升维修效率、提高轨道车辆产品的可用性、延长产品的使用寿命，是当前维保系统的迫切需求。为充分提高车辆系统运维工作效率和水平，准确查找、判定车辆系统隐患，有效控制和减少车辆故障对正线运营影响，各单位利用车联网、轨旁监测、车载监测等技术手段，对列车车辆外表故障、磨耗件尺寸、走行部温度以及关键部件状态等进行监测，有效减少车辆系统故障，保证车辆全生命周期安全性和可靠性。
车载监测方面，深圳、西安、哈尔滨、沈阳、兰州等城市利用车载监测技术获取列车走行部轴承、传动齿轮、轮对踏面和构架的振动、冲击及温度信息，实现部件故障早期预警和分级报警，定期分析轮轨振动数据，监测全线路轨道状态；受电弓及车顶异常动态监视方面，郑州、兰州等城市利用动态监视和预警系统，对车顶受电弓、绝缘子、避雷器、空调机组、天线等关键部件进行高清监视和记录，实现对车顶故障的自动检测并预警，包含车顶异物、车顶关键部件形变和丢失等；蓄电池监测方面，厦门等城市利用蓄电池在线监测系统对单体电池、电池组的电压、电流、内阻等进行监测，当电池参数出现异常时将及时报警。
尽管城市轨道交通运营单位利用多种车辆监测技术和系统监测车辆运行状态，但现有手段还不成熟，如由于车辆运行时间长、启停频繁等原因，车门传感器等会出现故障误报情况。如何充分整合、利用现有资源和技术，打破传统维修方式，把事后维修、定期维修转变为视情维修、预防性维修，从而有效降低维修保障费用、缩短维修时间、提高车辆完好率，还需要进一步探索。
2.2 供电、信号等系统维保现状
各城市轨道交通企业相继采用先进的运营监测技术和智能信息化系统，提高供电系统和信号系统的安全性和稳定性，如弓网在线监测系统、微机监测系统等。供电系统维保方面，青岛、东莞等城市利用电力监控系统监测技术，实现对变电所供电设备的控制、保护、监视及运行数据的测量及传输，以及设备故障报警反馈、分合闸远程遥控等；成都、上海、深圳等城市利用弓网检测技术，对燃弧、弓网、轨道、限界等参数及弓网硬点、接触线磨耗等进行监测，能有效提升接触网运行质量，优化调整修程修制；青岛等城市利用可视化自动接地系统监测技术，监测接触轨带电状态、接地状态、自动接地设备运行状态等，能有效减少抢修时间、缩小事故范围、提高检修效率、节省定员编制。信号系统维保方面，重庆、哈尔滨、宁波、天津、合肥等城市采用维护支持系统监测和微机监测等技术，能采集道岔、信号机、外电网、电源屏、环境温湿度等信号设备及机房环境的模拟量、开关量、报警信息，能有效在ATS/ATP等系统故障情况下帮助信号维护人员定位故障设备，并实现对信号系统各设备的集中维护、监测和管理。
虽然通过上述维保技术和手段能在很大程度上及时发现供电和信号系统故障，减少对运营的影响，但仍存在很多不足，如电力监控系统调试效率和故障判断的准确性有待提高、故障点定位不够准确、设备稳定性有待优化增强等。
2.3 发展趋势
深度挖掘运营监测数据并进行分析和应用是一项长期的基础性任务。当前，各专业主要依靠安装的传感器和下载设备系统运行数据进行分析，通常倾向于增加更多传感器以便获得更多数据，这一方面导致数据更加庞大，也使得系统更加复杂，增加系统维护难度。在通过状态感知获取数据的基础上，进行数据深度挖掘和分析是一项长期的基础性任务，依靠数据建立故障诊断、预警分析、维修模式、人员调度、备品备件管理、行车组织优化以及标准成本定额等模型，进行不同场景的技术验证，为提升运营管理科学化水平提供深度的数据支撑。
建立多专业高度集成的智能维保系统是落实数据分析模型的重要载体。基于监测数据的分析模型需要集成到一套开放、兼容的智能维保系统中，依赖共同的基础数据和工具进行综合分析，并通过该系统为各专业的应用场景输出分析结果。
开发专业化的智能维保工具和装备并进行产业化，以满足行业相关方的共同需求。目前，智能维保主要是各专业系统分散发展，相关软硬件产品互相独立，系统供应商、运营单位、智能维保解决方案提供方之间主要针对某项具体需求进行研发和应用，建立数据集共享机制的难度较大，缺乏专业化的工具和装备。从长远来看，统一基础性的运营需求，开发专业化、标准化的智能维保工具和装备，并进行产业化应用，既减轻了运营单位进行独立研发的难度，为系统供应商提供了标准化的运营需求，同时又给智能维保解决方案提供者创造了产业化方向，可以满足各方的共同需求。
存在的主要问题
3.1 智能维保技术参数和标准仍处于探索阶段
目前，中国城市轨道交通运营维护类标准较少，尤其缺少设备技术状态评价标准。《城市轨道交通运营设备维修与更新技术规范》以及跨座式单轨的车辆、道岔、轨道梁桥、接触网等几个系统的维护与更新技术规范，主要对日常维修制度、修程等管理类要求进行了规定，技术性内容规定较少。城市轨道交通企业虽然制定了详细的企业标准，但参数通常是基于设备本身的使用寿命计算得出的，与实际的运营情况相结合不足。以车辆为例，企业标准一般规定车辆转向架轴承需在运行到一定里程数时进行拆卸，但多家企业反映，在实际运营时通过车辆在线监测等信息化系统发现轴承状态良好，无需更换，但目前行业没有相关的车辆健康评价模型及行业标准去评价设备的技术状态，从计划修转变成状态修缺少依据，相关技术参数和标准缺失，不利于长远发展。
3.2 智能维保专业分散化与建立集成系统平台的兼容问题
目前，城市轨道交通智能维保通常针对某项设备系统，如车辆、轨道、信号、供电、站台门等，通过设置多种传感器实现设备运行状态的采集、数据下载和分析，但尚未形成系统性工具，而且各设备系统独立发展，呈分散化状态。同时，各设备系统的维保工作在运营单位内部通常也是专业化运行的，搭建的技术平台和数据应用互相独立。这种情况导致对存在接口关系的故障判断、预警以及系统性分析存在难点，缺乏统一的数据来源。建立一套集成各专业的智能维保系统平台，解决目前各专业维保技术平台的兼容问题，统一数据标准和数据源，在此基础上建立各类应用，满足复杂系统的数据采集、分析和智能维保需求。
3.3 智能维保与运营管理模式优化、前期设计和装备制造的联动问题
智能维保对优化运营管理模式的推动作用有待增强。智能维保通过设置大量的传感器来获得海量数据，并进行简单深度分析，但这些数据与优化运营管理模式和改善运营绩效尚未建立联动关系。大量的监测数据可以用来进行哪些故障预警和设备状态趋势分析，并将分析结果如何应用到运营生产和设备维保等部门，仍存在很大局限性。例如，车辆智能维保与线上存车和优化行车组织方式的关系，与车辆检修班组和修程修制的关系，与备品备件库存管理的关系等，以及智能维保应用对改善列车服务可靠度的联动关系等，应需要通过各专业系统进行充分技术验证。
智能维保的监测数据及效果反馈到前期设计和应用到产品可靠度优化的作用尚需深入研究。车辆、轨道、信号等专业智能维保效果与车辆段设计、配线设计和设备选型等关系需要深入探讨，提出更为具体的规划设计阶段的运营需求。同时，通过分析运营阶段设备系统的故障预警和发生机理等，将结果反馈到系统承包商和设备供应商，从而优化设备系统前期设计制造等过程，提高设备系统可靠性等，这些方面的研究和应用尚处于空白状态。
城市轨道交通维保智能化发展建议
综上，如图2所示，为推进智能维保工作，在监测分析与标准化、维修模式与修程修制、生产组织与管理模式以及行业维保能力建设等方面，应制定智能维保技术标准，加强数据共享指导修程修制优化，强化数据应用提升管理效能，并培育专业化的维保服务企业，实现智能维保综合效益。
4.1 制定在线监测、分析等标准，规范智能维保管理
目前，中国各城市轨道交通企业都在建设信息化管理平台和智能维保系统，但是建设过程中缺少统一的标准，存在业务系统间联动性弱、可扩展性不强、信息孤岛、重复建设等问题。此外，利用信息化平台判断设施设备技术状态的标准处于空白，缺乏数据分析要求、修程修制技术指标以及分级管理等具体规定。因此，未来亟需建立一套智能化维保标准体系，统一规定设施设备状态、维修要求、维修指标、系统间接口等，推动行业健康发展。具体而言，包括设备网络标准、在线监测标准、运维数据分析标准和设备智能调度标准4大类。设备网络标准用于线网层面统一通信网络规划，打通维保生产信息跨线和跨专业传输通道等问题；在线监测标准用于规范线网各专业设备状态、预警及告警数据的集中管理；运维数据分析标准用于规范故障诊断和维修模型以及跨专业数据提取、分析和整合，实现数据分析的集约管理；设备智能调度标准用于规范线网集中维保的生产调度管理，实现设备管理智能化。
4.2 加强各专业数据共享，指导修程修制优化提升
车辆、供电、轨道、通信、信号等各系统都有专业故障检测和运维数据，但数据往往由各系统专业人员掌握，形成了一个个“信息孤岛”。以轮轨关系为例，通过振动检测可以实现对车轮状态在线分析，同样也可以实现对轨道状态进行检测和分析，及时发现轨道线路存在的故障和隐患，有针对性地指导轨道系统维护和保养，提高维修效率，减少维修成本。搭建行业设施设备维保信息共享平台，对解决城市轨道交通系统隐患及健康状态的感知与挖掘难题，突破基于可靠性与性能监测的柔性运维技术，实现物资管理、规程优化、维修决策运维一体化等目标具有重要支撑作用，利于促进行业健康可持续发展。例如，信号专业可以运用道岔、信号机等设备状态数据分析保持高密度行车条件的修程修制，实现差异化检修标准；轨道专业可以运用综合检测车的动态数据与轨道检查的静态数据进行复核，优化轨道专业的修程修制；变电专业应制定不同线路以及同线路不同负荷区域关键设备差异化检修内容，接触网专业结合弓网在线监测系统分析结果优化调整人工巡检方式、周期和项目。通过挖掘监测数据与设备故障的关系，制定不同线路、不同型号设备的差异化检修模式，实现精检细修和智能维保。
4.3 强化数据应用，提升生产组织和管理效能
强化智能维保数据发挥综合效应，利用数据优化规划、设计和运营管理全过程管理效能。综合考虑线网规模、设备数量与状态、故障应急响应、维保模式与人员配置等因素，按照集约化管理思路，结合智能维保数据应用与技术优势，优化现有生产组织方式和管理模式，提高故障处理、应急响应等环节工作效率。具体包括以下几方面：区域化维保模式与专业化维保模式结合，新线开通时充分考虑区域化班组设置；调整区域维保组织架构，优化各专业系统工班与区域化工班界面，制定应急制度和流程，优化联合值守、区域应急制度和流程；优化线网条件下区域范围划分，优化生产组织模式，实行检修人员精细化管理，建立完善的人员配置方案；研究系统维保、区域化维保与智能维保相结合的方式，逐步实现远程巡检模式，从根本上改善生产组织模式和提升管理效能。
4.4 培育专业化维保服务企业，提升能力建设
运营单位、系统供应商和维保服务提供者依赖专业的技术装备，在相同的技术平台上进行数据分析、模型验证和数据应用，既服务运营生产管理，又具备反馈和优化设计的条件，应鼓励开发具有产业化前景的智能维保技术装备，促进城市轨道交通智能维保技术标准化和装备产业化。同时，考虑到轨道交通行业的专业性和可靠性要求，应当培育专业化的维保服务企业，充分挖掘和分析各类数据，建立统一的分析模型和验证平台，逐步形成行业统一的分析平台和技术标准。专业化的维保服务企业可以提供稳定、专业、长期的维保服务，通过扩大维保社会化市场，发挥维保企业规模效益，降低行业平均维保成本。当暂不具备引入外部专业化维保服务企业条件时，运营单位内部应进行前瞻性思考，优化顶层设计，组建专业化维保服务分公司，为实现智能维保创造条件。例如，按线路、区域或专业组建多个维保服务分公司，各自负责所辖范围的安全生产、运维管理和生产组织等运维工作，实现人员统一管理、资源整合和成本优化，分阶段实施智能维保。
结语
城市轨道交通智能维保是当前行业的发展热点，也是运营单位生产管理过程面临的迫切需求。目前，车辆、轨道、供电、信号等各专业传感器和各类监测设备获取大量数据，但在深度数据分析和实际生产应用方面还存在较大差距。长远来看，进行深度数据挖掘和应用分析是必须要解决的基础性问题。通过运营单位、系统供应商和智能维保解决方案提供者的共同努力，加强数据共享，推动制定相关技术标准，建立统一的智能维保系统，研发具备产业化的技术装备是今后一段时期的发展方向。
