王君 袁超

摘? 要：2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》，為智慧城軌的發(fā)展戰(zhàn)略、建設(shè)目標(biāo)、重點(diǎn)任務(wù)等提供了思路。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，概括了當(dāng)前運(yùn)維中存在的主要問題。從“監(jiān)”“檢”“修”“管”4個(gè)維度，分析了智慧城軌下基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維的需求，并對(duì)智能運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。對(duì)城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維未來趨勢進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：智慧城軌? 基礎(chǔ)設(shè)施? 智能運(yùn)維? 智能檢修

中圖分類號(hào)：U284.48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2021）07（a）-0094-03

Present Situation and Prospect of Infrastructure Operation and Maintenance for Smart Urban Rail Transit

WANG Jun? YUAN Chao

（Zhuzhou CRRC Times Electric Co.， Ltd.， Zhuzhou， Hunan Province， 412000? China）

Abstract： In March 2020， China Association of Metros issued the Development Outline of Smart Urban Rail Transit in China， which provides ideas for the development strategy， construction objectives and key tasks of smart urban rail. On this basis， this paper introduces the current situation of urban rail transit infrastructure operation and maintenance， and summarizes the main problems existing in the current operation and maintenance. From the four dimensions of "supervision"， "inspection"， "repair" and "management"， this paper analyzes the requirements of intelligent operation and maintenance of infrastructure under the track of smart city， and introduces the key technologies of intelligent operation and maintenance. The future trend of intelligent operation and maintenance of urban rail transit infrastructure is prospected.

Key Words： Smart urban rail transit; Transit infrastructure; Intelligent operation and maintenance; Intelligent maintenance

近幾年來，中國城市軌道交通快速發(fā)展。到2020年底，全國共44個(gè)城市開通運(yùn)營城市軌道交通，線路共計(jì)233條，總里程7545.5km。2016—2019年每年全國城市軌道交通新增里程535km、880km、728km、975km，年均增長率達(dá)到16.8%[1]，而在2020年，我國新增運(yùn)營里程1240.3km，較2019年增長20.1%，運(yùn)營里程持續(xù)高速增長。伴隨著城軌規(guī)模的快速增長，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量急劇增加，相應(yīng)地，基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的壓力也越來越大，傳統(tǒng)的運(yùn)維模式在安全、效率、經(jīng)濟(jì)等方面的不足逐漸顯現(xiàn)。利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、5G等新興技術(shù)，為城市軌道交通建設(shè)、運(yùn)營、維護(hù)摸索出一條新路，成為行業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。2020年3月，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布了《中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展綱要》（以下簡稱《綱要》），不僅第一次明確地提出了發(fā)展智慧城軌的是城市軌道交通的發(fā)展方向，更為智慧城軌規(guī)劃了“1-8-1-1”[2]的布局結(jié)構(gòu)，如圖1所示，成為發(fā)展智慧城軌的重要參考。針對(duì)傳統(tǒng)運(yùn)維模式存在的問題，以建設(shè)智慧城軌為基本目標(biāo)，結(jié)合新技術(shù)，提出智慧城軌框架下的基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維思路。

1? 基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維現(xiàn)狀分析

城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施龐大而繁復(fù)，涉及多個(gè)專業(yè)，大量設(shè)施設(shè)備。這些設(shè)施/設(shè)備的正常運(yùn)作對(duì)城軌安全運(yùn)營至關(guān)重要。及時(shí)發(fā)現(xiàn)排除故障和隱患，是城軌基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的根本目標(biāo)[3]。

1.1 基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的運(yùn)維模式以分專業(yè)“檢”“修”為主，采用定期巡檢和故障維修的模式，根據(jù)規(guī)章修程，在“天窗期”對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行周期性檢查，檢查的方式以人工為主。為彌補(bǔ)人工效率不足，近年來，專門的檢測車輛得到了大量的應(yīng)用，檢測車輛采用城軌車輛或?qū)ｉT的工程車為載體，搭載特定檢測裝置，以較快的速度進(jìn)行作業(yè)，一定程度上緩解了當(dāng)前城軌基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的壓力。

作業(yè)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，基本由最初的紙質(zhì)記錄變成了電子文檔保存。隨著中國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，許多地鐵公司都為各專業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維開發(fā)了繁簡不一的信息化系統(tǒng)。時(shí)至今日，信息化仍是城軌智能運(yùn)維發(fā)展的重要支撐，但發(fā)展程度不高，紙質(zhì)/電子形式的數(shù)據(jù)記錄情況仍然存在。

1.2 基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維存在的問題

城軌基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維雖然較最初的運(yùn)維形式，已經(jīng)有很大進(jìn)步，但仍存在以下一些問題。

（1）設(shè)備設(shè)施運(yùn)維大量依賴人工，運(yùn)營成本高;同時(shí)人工檢修效率低，難以滿足日益增長的運(yùn)營需要。

（2）“計(jì)劃檢/修”導(dǎo)致過度檢/修，造成資源的浪費(fèi)，且周期性檢修作業(yè)無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)病害，在檢修空檔期發(fā)生故障。而“故障修”又會(huì)影響城軌正常運(yùn)營。

（3）各專業(yè)獨(dú)立運(yùn)維，造成人員和設(shè)備的浪費(fèi)。各專業(yè)獨(dú)立開發(fā)的信息化系統(tǒng)“煙囪”林立，既重復(fù)建設(shè)，增加投入和維護(hù)成本，又形成數(shù)據(jù)孤島，難以充分利用數(shù)據(jù)、無法發(fā)揮信息化優(yōu)勢。

（4）應(yīng)對(duì)環(huán)境、自然災(zāi)害的影響能力不足。

2? 智慧城軌下基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維需求分析

安全、高效、經(jīng)濟(jì)是智慧城軌下基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的主要目標(biāo)。與傳統(tǒng)運(yùn)維中的“檢”“修”不同，智能運(yùn)維從“監(jiān)”“檢”“修”“管”4個(gè)維度著手，通過裝備升級(jí)、技術(shù)創(chuàng)新、流程優(yōu)化，構(gòu)造智慧城軌下基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維解決方案[4]。

2.1 “監(jiān)”的需求

監(jiān)測是利用傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)等，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)、地質(zhì)氣候等線路周邊自然環(huán)境、異物入侵等進(jìn)行實(shí)時(shí)感知并上報(bào)。在《綱要》中，在線監(jiān)測更多的屬于智能基礎(chǔ)設(shè)施體系。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)有以下3點(diǎn)。

（1）及時(shí)性。在線監(jiān)測可以全天24h感知設(shè)施/設(shè)備/環(huán)境狀態(tài)，對(duì)異常情況實(shí)時(shí)反饋，并在第一時(shí)間得到處理。

（2）非擠占式運(yùn)維。在線監(jiān)測既不影響正常運(yùn)營，也不占用“天窗期”時(shí)間，可以將寶貴的“天窗”時(shí)間留給其他檢修作業(yè)。

（3）可預(yù)測性?；趯?shí)時(shí)感知得到的海量數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)進(jìn)行深度挖掘，對(duì)故障/病害進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修。

盡管實(shí)時(shí)在線監(jiān)測的優(yōu)勢明顯，但受限于傳感器技術(shù)發(fā)展水平和通過數(shù)據(jù)進(jìn)行狀態(tài)評(píng)估的理論基礎(chǔ)，在線監(jiān)測技術(shù)還無法廣泛應(yīng)用。

2.2 “檢”的需求

《綱要》中，巡檢屬于智能運(yùn)維安全體系。在智慧城軌框架下，要逐步降低人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度，減少巡檢人員數(shù)量，最終完全取消人工巡檢;實(shí)現(xiàn)多專業(yè)融合的綜合巡檢;減少巡檢對(duì)“天窗期”的依賴。

2.3 “修”的需求

“狀態(tài)修”是智能運(yùn)維的理想狀態(tài)，但偶發(fā)導(dǎo)致的故障不可避免。及時(shí)的響應(yīng)、快速的問題定位、智能化的專家指導(dǎo)、高效的維修施工、完善的閉環(huán)驗(yàn)收機(jī)制是智能運(yùn)維中“修”的目標(biāo)。

2.4 “管”的需求

以城軌云和大數(shù)據(jù)為平臺(tái)，進(jìn)行線網(wǎng)級(jí)的綜合智能運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理的信息化、智能化、精益化、可視化。圍繞數(shù)據(jù)，通過對(duì)數(shù)據(jù)的收集、分析，即時(shí)推送、分級(jí)響應(yīng)，為運(yùn)維提供決策支持，并輔助現(xiàn)場作業(yè)。

3? 智慧城軌下基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 在線監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 實(shí)時(shí)在線感知技術(shù)

針對(duì)不同的基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)計(jì)關(guān)鍵參數(shù)采集方案，包括采集項(xiàng)點(diǎn)、采集位置、傳感器類型、數(shù)據(jù)傳輸方案等。利用傳感器技術(shù)、視頻監(jiān)測技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、邊緣計(jì)算技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)實(shí)時(shí)感知。在線監(jiān)測要做到合理設(shè)計(jì)，既要考慮施工性，也要避免線路設(shè)置大量監(jiān)測設(shè)備后造成過多的額外運(yùn)維工作[5]。

3.1.2 基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)評(píng)價(jià)體系

利用數(shù)學(xué)模型計(jì)算、圖片識(shí)別技術(shù)、人工智能等，結(jié)合在線感知數(shù)據(jù)，多專業(yè)的數(shù)據(jù)融合分析，對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行判別。預(yù)測設(shè)施故障、分析故障原因，提供運(yùn)維決策支持。

3.2 新型巡檢裝備

智慧城軌下，不同的地鐵公司會(huì)根據(jù)線網(wǎng)運(yùn)營的實(shí)際情況，選擇運(yùn)維方式，基礎(chǔ)設(shè)施的智能運(yùn)維仍然不會(huì)完全摒棄巡檢作業(yè)。但巡檢裝備會(huì)不斷的進(jìn)步，新型巡檢裝備包括機(jī)器人巡檢、自走行檢測小車、多功能綜合巡檢車、電客車為載體的基礎(chǔ)設(shè)施巡檢系統(tǒng)等。

3.2.1 機(jī)器人巡檢

利用機(jī)器人平臺(tái)，搭載檢測設(shè)備，在“天窗期”自主巡檢，實(shí)現(xiàn)巡檢的智能化、無人化。機(jī)器人巡檢要重點(diǎn)保證安全可靠，不破壞基礎(chǔ)設(shè)施、不掉落部件，不在線路上宕機(jī)。

3.2.2 自走行檢測小車

以小型帶動(dòng)力車體為平臺(tái)，可靈活地配置不同巡檢/作業(yè)裝置，既可以實(shí)現(xiàn)類似機(jī)器人的無人作業(yè)，也可以載人作業(yè)。與機(jī)器人相比，自走行小車可以有人全程參加，能夠快速進(jìn)行突發(fā)事件處置。小車也可以快速改裝成為人員代步或運(yùn)輸工具。

3.2.3 多功能綜合巡檢車

巡檢車向功能集中方向發(fā)展。集成線路、供電、信號(hào)、通信等多專業(yè)巡檢設(shè)備的綜合巡檢車，通過一次作業(yè)，對(duì)多專業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)同時(shí)采集，綜合分析。新型綜合巡檢車可以有效壓縮“天窗期”占用，合并司乘人員，并通過FAO、自動(dòng)化作業(yè)，進(jìn)一步減少人員配置。

3.2.4 電客車為載體的基礎(chǔ)設(shè)施巡檢

與多功能綜合巡檢車類似，將多種基礎(chǔ)設(shè)施檢測設(shè)備集成到電客車上，在電客車運(yùn)行過程中完成檢測作業(yè)，釋放“天窗期”，減少作業(yè)人員。該方案需要解決檢測設(shè)備小型化、處理器集成化、通信高速化、作業(yè)自動(dòng)化的問題。

3.3 維修的關(guān)鍵技術(shù)

3.3.1 智能化的作業(yè)設(shè)備

以安全、高效、節(jié)能為主要目標(biāo)，研制智能化工裝和機(jī)械，實(shí)現(xiàn)快速精準(zhǔn)的基礎(chǔ)設(shè)施維修。

3.3.2 專家系統(tǒng)

利用專家系統(tǒng)，根據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)故障成因進(jìn)行分析，對(duì)故障影響進(jìn)行評(píng)估，為維修提供技術(shù)指導(dǎo)。

3.4 智能化管理的關(guān)鍵技術(shù)

3.4.1 BIM技術(shù)

建立基于BIM模型的基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)管理的可視化。結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測和巡檢數(shù)據(jù)，在BIM模型上直觀呈現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)，提高運(yùn)維效率[6]。

3.4.2 智能化作業(yè)過程管控

以工作流的機(jī)制對(duì)現(xiàn)場作業(yè)進(jìn)行管控。管理平臺(tái)可以自動(dòng)或手動(dòng)下發(fā)作業(yè)任務(wù)和數(shù)據(jù)到智能終端，同步下發(fā)的還可以包括智能診斷結(jié)果和專家處理意見。作業(yè)過程可以拍照或攝像進(jìn)行存檔備案，以保證作業(yè)的規(guī)范性，結(jié)果可以通過終端上傳，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)。

3.4.3 精益化的資產(chǎn)和庫存管理

在狀態(tài)檢/修的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施的全生命周期管理。實(shí)時(shí)判斷設(shè)施健康狀態(tài)，時(shí)刻保持設(shè)施狀態(tài)良好，避免過度檢修帶來的浪費(fèi)。同時(shí)，根據(jù)對(duì)設(shè)施狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果，精準(zhǔn)調(diào)整配件庫存，降低成本。

4? 結(jié)語

在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)快速發(fā)展的背景下，城軌基礎(chǔ)設(shè)施的運(yùn)維將越來越智能。用先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)備可以完全取代或大幅減少人工，降低運(yùn)維成本，并由此帶來安全、效率的大幅提升。信息化、流程化、自動(dòng)化、智能化、無人化將是智慧城軌下基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維的主要發(fā)展方向。

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