基于 CPS 的超大城市地铁机电设备智能运维体系设计

黄宝静，周凌云，桑晓明

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司运输及经济研究所，北京 100081；2.铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）

依据2014年中华人民共和国国务院发布的《关于调整城市规模划分标准的通知》，城区常住人口1 000万以上的城市为超大城市。为缓解超大城市交通的压力，方便市民的日常出行，北京、上海、广州等地纷纷修建了庞大的地铁网络，随之而来的运维成本和压力也大幅增加。为有效提高地铁运维效率、提升运营安全水平，实现“经验型计划修”向“感知型状态修”的转变，引入智能化技术显得十分迫切。同时，随着物联网、5G通信、远程控制等技术的兴起，信息物理系统（Cyber-Physical Systems，CPS）也随之孕育而生。CPS将计算、通信与物理技术有机地融合，可实现对设备的实时感知、动态控制和信息服务。基于CPS技术特征构建的超大城市地铁机电设备智能运维体系是在站台门、自动售检票机、空调、电梯、排风扇等设备运行数据的提取、分析、建模基础上，实现对上述设备的状态实时诊断、故障提前预警、维修工单自动生成及物料库存动态调整。

1 超大城市地铁机电设备运维现状

根据中国城市轨道交通协会统计，截至2019年底，我国内地已开通地铁城市37个，总运营里程超过5 180.6 km，网络化运营“规模体量大、线路分布广、枢纽数量多、运营负荷强度大”的特点日益突出，从而对地铁机电设备运维管理提出了更高的要求。为此，北京、上海、广州等超大城市，结合本地地铁网络运维要求，纷纷构建了本土化的智能运维系统。全国及北京、上海、广州地铁在2013年—2019年的运营里程如图1所示。

1.1 北京地铁

北京地铁第一条线路于1971年正式开通，截至2019年底已开通运营线路22条，覆盖了11个市辖区，运营总里程为637.6 km。为有效解决定期人工巡检方式所造成的效率低、成本高等问题，北京地铁结合人工智能、大数据、云计算等技术，初步构建了设备在线检测系统，实现了站台门、自动售检票机、空调、电梯、封闭柜体及过轨穿管内不可视设备运行状态的实时检测、故障预警，大幅提升了北京地铁场站机电专业设备的检测效率和精准度。

图1 全国及北京、上海、广州地铁在2013年 — 2019年运营里程

1.2 上海地铁

上海地铁网络的运营设备由车辆、信号、通信、信息、变电、接触网、线路、土建、控制中心和车站机电10大专业设备组成，截至2019年底已开通运营线路18条，运营总里程达669.5 km。为提升设备状态检测的精准度和故障处理的敏捷度，上海地铁依托物联网、自动控制、大数据等技术，实现设备的状态智能感知、故障远程自动预处理。例如，在车辆专业，上海地铁自主搭建了由鹰眼、平轮检测、车地数据传输等多个子系统组成的设备状态数据智能分析平台，初步实现了车辆专业关键设备数据的采集和分析。对于其他如供电、工务、通号、机电等专业，上海地铁也分别建有多个零散的子系统，目前正在逐步整合。

1.3 广州地铁

广州地铁是服务于中国广东省广州市和珠江三角洲的城市轨道交通系统，截至2019年底运营线路14条，运营总里程为489.4 km。在设备运维智能化方面，广州地铁以专业化、精细化作业为主，建立了由轮轨接触几何状态、受电弓及车顶状态、站台门闭合状态、空调系统状态等检测模块组成的智能运维系统，但目前该系统各模块采集的设备状态数据、现场故障数据、维修工单数据、库存物料信息等并未实现共享。

2 超大城市地铁机电设备运维存在的问题

2.1 自动化、智能化运维手段不足

随着新修线路与场站的增加，地铁车站内机电设备数量和种类也在不断增长，使得保障超大城市地铁高效、可靠运行与设备维护任务艰巨之间的矛盾在不断加剧。受成本与技术的限制，当前北京、上海、广州等地铁智能化运维尚处于初级阶段，大量设备的运维仍以人工开展为主，各类自动化检测装备配备相对薄弱。以上海地铁为例，为实现全网5 000余台（套）自动售票机、1 000余台（套）垂直升降梯、800余组冷水机组等设备的检修，上海地铁配置了约1 000名专职维保人员；同时，为保障乘客出行安全，所有一线站务人员还需兼职负责对上述设备进行有效的日常维护和管理。

2.2 既有运维系统与设备间匹配程度低

目前，北京、上海、广州等超大城市部分地铁线路寿命已超过10年，随着后续线路的开通和新设备的大量投用，网络中新老系统之间设备型号和接口标准不统一的问题逐步加剧，各系统之间的兼容性存在不足，对网络资源的统筹共享、车站机电设备的统筹运用都造成一定的限制，影响了全网运行可靠性和效率的发挥。以上海地铁为例，由于在线路规划建设阶段对各专业系统与设备功能、型号考虑不够充分，造成系统与设备间匹配性不够，仅2018年为实现各条线路系统与设备的一致性，上海地铁设立了152个改造项目，其中涉及车站机电系统与设备改造的有44项，占总改造项目的29%。

2.3 设备运维状态数据传输实时性低、可靠性较差

地铁机电设备运维数据按照类型可以划分为结构化数据和非结构化数据2类，其中结构化数据如旅客进出站一卡通数据、设备运行状态数据、车站温湿度数据等；非结构化数据如各类设备图像与视频数据、运维台账与报表等。当前超大城市地铁机电设备运维数据采集过程由于受数据采集传感器布置数量、位置、性能及传输网络可靠性、带宽等的影响，很难达到较高的实时性。同时，数据采集过程易受异常断电、网络失效等因素影响，可靠性也较差。

3 超大城市地铁机电设备智能CPS运维体系

3.1 定义

从地铁机电设备专业化、可视化运维管理的需求出发，以地铁站台门、空调、电梯等设备实时状态感知和大数据分析技术为基础，通过对数据的特征提取、分析、建模，实现设备的运行状态在线诊断、故障提前预警；通过工业现场总线、以太网和无线网络的融合，实现设备运维数据高效、可靠的传输及设备的远程控制。

3.2 体系架构

在借鉴北京、上海、广州地铁设备运维管理经验的基础上，本文根据超大城市地铁机电设备实际运维管理的需要，构建由物理感知层、网络通信层、资源服务层和应用管理层组成的超大城市地铁机电设备智能CPS运维体系，如图2所示。

（1）物理感知层。物理感知层是地铁设备运维数据闭环流动的起点和终点。物理感知层包含地铁电梯、站台门、空调等设备，涉及速度传感器、红外探测或激光探测器、温湿度传感器、信号读取器等感知/检测装置。

（2）网络通信层。网络通信层是实现物理设备与系统间运维数据高可靠性、低延迟传输的桥梁。各类型传感器将采集到的设备运维状态数据，通过工业以太网、工业现场总线、无线网络等方式传送到服务器，实现各类设备运行状态的实时监控。

（3）资源服务层。资源服务层是保障运维数据可靠存储、计算、分析的关键，通常由图像与视频数据库、运维日志、分布式服务器组成，数据“上行”为应用管理层提供各类数据分析与运算服务；数据“下行”为物理感知层的图像、视频等提供数据存储服务。

（4）应用管理层。应用管理层是向地铁机电设备运维管理人员及其他管理者采用图表化展示各类设备实时状态的窗口，其基本功能模块包括在线检测、异常预警、故障诊断、维修绩效考核、维修施工调度、物料库存管理等。

3.3 运维体系关键技术

3.3.1 设备在线检测技术

设备在线检测技术是通过安装在地铁上的各类传感器，从不同维度对设备运行状态进行感知与采集，然后按照提前约定的网络通信协议，将检测到的状态数据进行实时传输，从而实现对各类设备运行状态实时监管的技术。目前大多数地铁设备运维主要以人工检修为主，不仅需要耗费大量人力，还难以做到设备状态的实时感知与采集。地铁机电设备智能CPS运维体系最底层是由激光传感器、加速度传感器、温湿度传感器、烟雾监测传感器等各类感知元器件组成的传感网，通过对屏蔽门间隙、电梯升降情况、车站温湿度等实时状态进行采集、分析，实现对设备状态的在线识别和管理。

3.3.2 设备故障诊断技术

设备故障诊断技术是在利用物联网和大数据技术的基础上，通过对采集到的设备海量运维数据进行大数据分析，判断设备是否健康运行的技术。地铁机电设备智能CPS运维体系中涉及信号传输、数据处理、设备自动控制等操作流程，需要在线检测、远程控制等技术进行支撑。以上海地铁机电专业为例，全网站台门与安全门共约有20 000樘、检票闸机约有10 000台（套）、自动扶梯约有3 300台（套），机电设备每天将产生大量的数据，如何对海量设备的健康状态进行诊断是实现地铁安全、高效运行的关键。为此，本文针对不同场景下机电设备运维管理的需要，通过在地铁机电设备上安装不同类型的状态感知元器件，实现对管理对象运行状态的实时自动采集，然后利用大数据分析得到一个整体综合量化的地铁机电设备健康度评估值，从而提高地铁机电设备健康诊断与异常检测的准确率。

3.3.3 设备远程控制与管理技术

设备远程控制与管理技术是在对设备状态诊断的基础上，通过工业现场总线、工业以太网、无线网络等传输技术，实现传感器与服务器双向通信、应用管理层对检测设备的远程控制。高速率、低延时的数据传输技术是实现地铁机电设备远程控制与管理的关键，目前地铁机电设备数据传输通常由上述3种方式完成。其中，工业现场总线负责地铁车站通风空调、站台门、自动扶梯等设备的控制；工业以太网用于自动售检票机、车站照明装置、风机等设备的控制；随着5G及下一代无线网络技术的发展，各种传感器与设备之间的“交互”将更加频繁，低时延、高带宽的无线网络技术将成为海量机电设备远程控制与管理的重要保障。

3.4 应用展望

超大城市地铁机电设备智能CPS运维的实现，从长远看，一是有利于地铁可靠性、可用性、可维护性、安全性目标的实现；二是有利于地铁运营主体精细化管理目标的达成；三是有利于地铁运维质量和水平的提升。以地铁机电专业为例，传统人工检修成本高、周期长，且对安装在柜机里面不可视设备的运行状态难以有效检修；而随着智能CPS运维体系的建立，机电专业各类设备将实现状态实时在线检测、故障自动诊断、异常状态智能预警、关键设备远程控制、库存物料动态调整等功能，这对提高机电设备诊断效率、提升设备运维服务质量，实现地铁设备“少人化、智能化”运维管理具有重要的作用。

4 结语

超大城市地铁机电设备智能化运维，是降低运维成本、提高运维质量的重要手段，是实现地铁安全、可靠运营的关键。为改变传统地铁设备以“经验型计划修”为主的维修体系，本文通过建立具有CPS技术特征的超大城市地铁机电设备智能运维体系，实现了设备运维由“经验型计划修”向“感知型状态修”的转变，满足了超大城市地铁海量机电设备在线实时诊断、故障提前预警、库存物料动态调整、运维人员科学分配的要求，可助力超大城市地铁的高质量运营管理。