徐鵬

摘要 該研究針對數(shù)字經(jīng)濟時代背景下，為滿足軌道交通車站新的運維需求，采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、全息感知物聯(lián)網(wǎng)、人工智能及云邊協(xié)同技術，集成多源數(shù)據(jù)對包括屏蔽門、安保、照明、環(huán)境控制、給排水、電扶梯、消防、空調(diào)等的機電設備管理進行優(yōu)化。結果顯示，這些技術顯著提升了軌道交通車站的運維效率和設備管理智能化，實現(xiàn)了機電設備的數(shù)字化運維管理，有效降低了成本，提高了效率。

關鍵詞 智慧車站；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；物聯(lián)網(wǎng)；數(shù)字化運維

中圖分類號 U29-39文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0163-04

0 引言

地鐵已經(jīng)成為城市交通出行不可或缺的方式，隨著地鐵規(guī)模增大，安全保障、運營效率、服務質(zhì)量等多方面需求相互交織，迫切需要打造智慧地鐵大腦，為地鐵賦能實現(xiàn)智能化管理，促進城軌交通的信息化和智能化發(fā)展?！敖煌◤妵辈渴鸬穆涞兀厝粚π沦|(zhì)生產(chǎn)力的提升有著必然需求，智慧城軌發(fā)展綱要則具體提出了建設智慧城軌的發(fā)展目標[1]。截至2024年3月，上海地鐵運營里程為831 km（含磁浮線29 km），在建里程共482.2 km，位列世界前列。規(guī)模巨大的網(wǎng)絡化運營帶來了設備規(guī)模大、故障數(shù)量多、維修強度大、可用資源少等若干問題。該文研究通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、集成聯(lián)控、全息感知等技術，實現(xiàn)多元海量數(shù)據(jù)的匯聚和傳輸，滿足車站業(yè)務的高效運作、機電設備的高效運維，達到事前感知預警、事中智能決策、事后跟蹤維護的全方位監(jiān)控，最終實現(xiàn)軌道交通車站機電設備的數(shù)字化運維管理。

1 問題分析與解決方案

地鐵車站機電的管理包括以下幾類：屏蔽門監(jiān)測、照明系統(tǒng)監(jiān)測、環(huán)控監(jiān)測、給排水監(jiān)測、電扶梯監(jiān)測、消防監(jiān)測、空調(diào)監(jiān)測等。現(xiàn)有的管理方式主要是人工巡視為主，存在管理范圍有限、信息無法實時更新、使用需求不全等問題，需要建立融合各種技術的數(shù)字化管理平臺進行統(tǒng)一運維管理。通過各部門實地走訪調(diào)研，分析存在以下問題：

1.1 共性問題

信息化體系分散：各部門根據(jù)自身需求建立了相對獨立的信息化體系，缺乏統(tǒng)籌管控及信息聯(lián)動機制，造成信息不對稱、信息傳遞不通暢。車站管理部可通過建立統(tǒng)一的平臺信息處理中心，整合獨立信息體系，優(yōu)化信息聯(lián)動機制。

1.2 常見問題

包括三防（人防、物防、技防）聯(lián)動不足和物聯(lián)網(wǎng)應用不廣泛。通過加強三防聯(lián)動和推廣物聯(lián)網(wǎng)技術應用，可以提升車站安全管理水平和運維效率。

1.3 潛在問題

海量數(shù)據(jù)如何有效賦能業(yè)務是未來發(fā)展的重要挑戰(zhàn)。通過數(shù)據(jù)與業(yè)務流程的深度綁定和智能化管理手段，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效應用，促進業(yè)務管理水平的提升。

1.4 解決方案

從日常業(yè)務的電子化、標準化、流程化為切入點，重塑業(yè)務處理流程和管理方法。在全新的信息化業(yè)務架構下，結合業(yè)務的實際需求，將相關原生數(shù)據(jù)、過程數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)與業(yè)務過程進行綁定。借助科技、設備、平臺的力量，服務中國城市軌道交通智慧城軌發(fā)展，以及落實“交通強國”部署。建設目標包含：

（1）建立數(shù)字運維管理系統(tǒng)，對運行中的問題進行預測性維護。

（2）提升應急事件的處理能力，降低事件的負面影響。

（3）構建多層次的安全防護網(wǎng)絡，提升安全保障水平。

（4）實施協(xié)同管理策略，提高整體工作流程效率。

地鐵數(shù)字化運維管理平臺的架構涉及感知層、傳輸層、分析層、業(yè)務層和執(zhí)行層五個層面：

（1）感知層通過智能技術識別和感知物理世界，收集信息并進行邊緣處理。此外，其還實現(xiàn)反向感知反饋，并通過通信模塊實現(xiàn)物理實體與傳輸層及業(yè)務層的連接。該項目的感知包括環(huán)境感知、能耗感知、設備感知等方面。

（2）傳輸層是物聯(lián)網(wǎng)設備實現(xiàn)連接的通道，承擔連接終端設備、邊緣、云端的職責。隨著物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)量快速增加，應用場景日益豐富，市場的網(wǎng)絡連接方式主要是無線傳輸通信技術，蜂窩網(wǎng)絡通信“NB-IoT+Cat1+5G”結合IPv6的格局已定。

（3）分析層充當感知層與應用層之間的紐帶，起到連接先前和后續(xù)流程的關鍵作用。該層主要負責數(shù)據(jù)的處理和分析，涉及的資源包括低代碼開發(fā)平臺、全棧性能監(jiān)控、分析設備、傳感網(wǎng)絡、開源技術平臺以及信息安全措施。

（4）業(yè)務層與執(zhí)行層涵蓋應用基礎架構、中間件及多種業(yè)務應用程序。應用基礎架構和中間件提供數(shù)據(jù)處理、統(tǒng)計、分析和挖掘等基本服務、能力以及資源調(diào)用接口，以此為基礎實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領域的各種應用。

2 關鍵技術介紹

2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用技術

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，作為網(wǎng)絡信息技術與工業(yè)深度融合的產(chǎn)物，支持生產(chǎn)領域的全面連接，包括要素、產(chǎn)業(yè)鏈和價值鏈。通過推進數(shù)據(jù)驅(qū)動的質(zhì)量變革、效率變革、動力變革，帶動全要素生產(chǎn)率提高，實現(xiàn)企業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展[2]。

按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構，車站段局域網(wǎng)用于站段終端設備間的互聯(lián)、終端與邊緣計算平臺的接入、內(nèi)部管理辦公設備的互聯(lián)以及行車及人員的無線調(diào)度。站段局域網(wǎng)包括邊緣層的車站級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、車站辦公管理網(wǎng)、設備層的設備級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以及無線集群網(wǎng)絡。其中，車站級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要為PSCADA系統(tǒng)通信處理機及監(jiān)控單元、ACS系統(tǒng)門禁網(wǎng)絡控制器、BAS系統(tǒng)PLC、FAS系統(tǒng)控制器及各種主機、AFC系統(tǒng)售檢票機等直接通過車站以太網(wǎng)交換機接入車站邊緣控制節(jié)點的各個局域網(wǎng)。由于車站級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)承載了安全生產(chǎn)各系統(tǒng)的控制業(yè)務數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)監(jiān)測業(yè)務數(shù)據(jù)等重要數(shù)據(jù)，因此網(wǎng)絡架構主要采用AB雙網(wǎng)或冗余環(huán)網(wǎng)的組網(wǎng)方式提高網(wǎng)絡可用性。隨著智慧城軌應用部署、海量物聯(lián)終端接入，未來將逐步考慮IPv6標準的實施和落地，實現(xiàn)網(wǎng)絡管理和升級，滿足未來應用發(fā)展需求[3]。

2.2 全息感知物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)不僅指的是萬物之間的通信連接管道，更是人們通過對萬物終端所產(chǎn)生的信息進行感知和采集，利用物聯(lián)網(wǎng)絡匯集海量數(shù)據(jù)，并進行收集、分析和處理，再將結果展示或通過物聯(lián)網(wǎng)絡反饋回終端并指導終端行為的整個價值創(chuàng)造過程[4]。

車站級物聯(lián)網(wǎng)建設通過在豐富的物聯(lián)網(wǎng)基礎設施基礎上，打造具備全面互聯(lián)與智能互動功能的物聯(lián)網(wǎng)應用創(chuàng)新體系。這一獨特的體系將構建成一個遍布全域的“神經(jīng)元網(wǎng)絡”，實現(xiàn)軌道交通的全方位精準感知，快速形成具有地鐵站級特色的物聯(lián)網(wǎng)應用生態(tài)格局。新一代的車站運營管理體系主要體現(xiàn)在更加全息的物聯(lián)感知，包含屏蔽門監(jiān)測、照明系統(tǒng)監(jiān)測、環(huán)控監(jiān)測、給排水監(jiān)測、電扶梯監(jiān)測、消防監(jiān)測、空調(diào)監(jiān)測等智能終端，形成了新一代車站級工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算平臺，賦能更加智慧化的車站設備數(shù)字化運維管理。

2.3 人工智能技術

人工智能相關技術持續(xù)演進，產(chǎn)業(yè)化和商業(yè)化進程不斷提速，正在加快與千行百業(yè)的深度融合[5]。當前人工智能在技術層面的發(fā)展趨勢，仍以深度學習技術體系為主，計算機視覺、語音語義等技術持續(xù)發(fā)展，逐步從“看見、聽見”向“看懂和聽懂”邁進。如地鐵維護中的智能檢測技術經(jīng)歷了從人工檢測到智能檢測的技術革新，綜合了機器人、計算攝影學、多維多尺度多傳感器融合、深度學習和大數(shù)據(jù)處理等多項技術，提高了檢測效率和檢測精度，降低了人工成本，還能給出維修建議，從“計劃修”“故障修”“狀態(tài)修”到“智能修”，徹底克服了人工檢測時代的成本高、效率低、一致性差、安全性差、不可追溯等諸多缺點[6]。

近年來，地鐵安檢效率已經(jīng)成為乘客服務獲得感的重要影響因素。利用物質(zhì)識別與視覺識別技術相結合進行篩查，是當前地鐵安檢技術的發(fā)展趨勢。一方面提取密度、相對原子序數(shù)等物質(zhì)的物理特性，與圖像識別相結合，增加多維特征，提升識別的準確率；另一方面增加識別的種類，尤其增強對無固定形狀的液態(tài)物質(zhì)的自動識別，以適應軌道交通安檢的需求。

2.4 基于BIM的數(shù)據(jù)可視化技術

BIM是指建筑信息模型（Building Information Modeling），是一種在計算機輔助設計（CAD）等技術基礎上發(fā)展起來的多維建筑模型信息集成管理技術。該技術正逐漸應用在地鐵的設計與建設中，并在建設工程完成后仍可繼續(xù)應用在后續(xù)的運營管理中。

通過對綜合監(jiān)控系統(tǒng)的全面升級，地鐵運維真正實現(xiàn)了可視化的“管家式”管理。運用BIM的智能運維系統(tǒng)，將虛擬和現(xiàn)實進行結合，包括監(jiān)控攝像機、進出口閘機、自動售票機、出入口電梯、車輛運行等所有設備均布局其中，并在屏幕上實時顯示設備狀態(tài)；一旦出現(xiàn)故障，平臺就會提前預警，工作人員可即時查看原因，大幅縮短了故障排除時間。

例如上海17號線建設階段形成的BIM模型和信息傳遞應用于地鐵運營維護階段，開發(fā)了基于BIM的車站智能運維管理平臺。該平臺是車站運維管理的每日工作入口，以BIM數(shù)據(jù)為底，承載設備狀態(tài)、人員狀態(tài)、作業(yè)記錄等信息的基礎平臺，實現(xiàn)基于服務場景的車站多系統(tǒng)智能控制[7]。平臺主要功能包括：車站三維可視化管理、綜合監(jiān)控管理、運營維保管理、設備資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及多終端支持。

BIM技術在設計、施工、運維全生命期中的應用，通過協(xié)同管理平臺有效實現(xiàn)跨組織的文件和流程管理，促進項目建設與設計管理水平提升，切實提高項目施工管理水平，實現(xiàn)基于BIM的數(shù)字化和智能化地鐵運維管理，可有效提高運維管理水平。

2.5 云邊協(xié)同技術

云邊協(xié)同技術是解決中心化云平臺高時延、差響應性、傳輸帶寬要求高、有效性受限于通信網(wǎng)絡等問題的重要方向。邊緣計算平臺是靠近物或數(shù)據(jù)源頭的站段和車輛，采用網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的開放平臺，提供最近端服務；邊緣計算平臺統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲層實現(xiàn)了邊緣層側一級的數(shù)據(jù)融合；統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理層提供通用數(shù)據(jù)分析、基礎算法、智能模型等功能；而業(yè)務系統(tǒng)因此獲得了更好的條件，可開發(fā)出更多滿足車站運營要求的應用場景，以滿足軌道交通行業(yè)在現(xiàn)場的實時業(yè)務、應用智能、安全、高可用降級等方面的基本需求。

3 案例介紹

城市軌道交通企業(yè)設備高度密集，維護復雜，維修強度大。建立全層次、全生命周期的智慧維修管理體系，實現(xiàn)設備設施的故障信息全域感知、電子化規(guī)范管理、場景化決策控制，提升前臺維護、后臺維修及資源調(diào)配的銜接能力和管理能力，對運維作業(yè)的精準高效具有重大意義。

如圖1所示是上海地鐵某條線路的機電一體化運維管理平臺，主要功能包括智能感知診斷、分析預警、運維調(diào)度和業(yè)務（資產(chǎn)、辦公）聯(lián)動等。

3.1 健康狀態(tài)感知

城市軌道交通智能運維應利用人工錄入、信息導入、傳感監(jiān)測、視頻分析、關聯(lián)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集等手段，實現(xiàn)對設備設施的故障/健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的實時采集和匯聚。

3.2 在線監(jiān)測

基于狀態(tài)感知獲得的實時數(shù)據(jù)，實時應用運維分析決策獲得的設備設施機理模型，統(tǒng)計預測、智能模型，完成設備設施的健康狀態(tài)監(jiān)測，并提供給運維管理系統(tǒng)以觸發(fā)維修保養(yǎng)工單。

3.3 運維管理

根據(jù)PDCA循環(huán)的基本原理，采取“發(fā)現(xiàn)問題—處理問題—解決問題—問題反饋”的閉環(huán)維修作業(yè)處理機制，以可靠性為核心，以減少關鍵設備故障概率、優(yōu)化趨勢性維護相關標準為目標導向。維修作業(yè)管理包括：巡檢作業(yè)管理、維修作業(yè)管理、設備管理、故障管理、工單管理、人員管理、物料管理等。充分應用BIM、AR、移動等技術提高對維修作業(yè)人員的業(yè)務賦能，功能上包括巡檢作業(yè)管理、維修作業(yè)管理、設備管理、工單管理、人員管理、物料管理等。

3.4 運維分析

管理平臺通過對全生命周期運維數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)長期性、規(guī)模性和多維度的規(guī)律，其成果主要應用在設備設施在線監(jiān)測、維修處置建議、運維流程優(yōu)化等方面，還可為設備保養(yǎng)、備件采購、庫存決策、設備運行優(yōu)化、人員培訓提供建議。該系統(tǒng)應通過診斷案例自動更新和優(yōu)化完善，持續(xù)提升分析決策的精確度。

4 結束語

該文分析了現(xiàn)代軌道交通車站機電設備運維管理的實際問題，并提出了一套綜合解決方案。通過集成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和云邊協(xié)同技術，實現(xiàn)了設備的數(shù)字化運維管理。智慧物聯(lián)終端的部署，不僅提升了對設備如屏蔽門、安保系統(tǒng)、照明、環(huán)控等的全面監(jiān)控，也促進了能效管理的優(yōu)化。

軌道交通車站機電設備的數(shù)字化運維管理還有待進一步的發(fā)展方向，包括[8]：

（1）智能感知設備需更加豐富多樣。智能物聯(lián)感知設備受技術發(fā)展和市場應用的影響，在城市軌道、橋梁、隧道等基礎設施上的智能感知水平較低、檢測和監(jiān)測手段較少，并且在城市軌道領域應用較少。近幾年出現(xiàn)的新技術和方法，例如綜合檢測列車、智能機器人、無人機等智能巡檢裝備均處于探索應用階段，后續(xù)會大量應用到現(xiàn)代城市交通中。

（2）各垂直應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享有待提升。智能運維平臺的主要功能是對機電設備進行全生命周期的健康管理，所以需要對每個獨立的垂直應用系統(tǒng)進行設備的設計、生產(chǎn)、施工安裝、調(diào)試、交付使用、養(yǎng)護維修、更新改造、報廢等方面的信息數(shù)據(jù)采集，并且各垂直系統(tǒng)之間應形成有效的信息共享與交互，全生命周期的數(shù)字化管理需要全行業(yè)的通力合作進行解決。最終目的是實現(xiàn)各專業(yè)間的協(xié)同運維，建立多維度防護體系，提高應急事件的反應處置能力。

（3）智能運維標準體系有待健全。設備的更新迭代及新技術的應用，需要建立一套新的運維標準體系。另外，綜合檢測列車、智能機器人、無人機等檢測新裝備技術的應用，也需要進一步配套相應的評價評估方法。從頂層設計、全局部署，開展全系統(tǒng)的科學合理檢修、應急預案的編制與應急處置等方面工作，才能形成全面、有效的設施設備智能化診斷、評估、預測能力，以及產(chǎn)生智能決策應用。

參考文獻

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