安全背后的“智慧大脑”

张晓虹/文

目前，上海地铁总里程已经达到831公里，共有1103座变电站，2449余条公里的接触网（轨）设备，线网规模达世界第一。在上海地铁“跨越800”的发展新赛道上，没有任何一座城市的轨道交通管理经验可以参考，如何以智能运维数字赋能地铁运营安全保障，是摆在大家面前的重要课题。地铁由复杂的系统设施和设备组成，在乘客看不见的地方，电气线路布线密如蛛网，一旦出现短路等状况，极易发生电气火灾，并沿着线路和地铁通道迅速蔓延。因此，推进安全精细化管理、标准化作业、智能化运维的任务也越来越紧迫。为此，上海申通地铁集团在供电智能化管理方面进行探索并设计出“上海地铁维保供电智能运维安全管控平台”，在行业内首创集设备状态实时感知预警、全寿命管理、业务流程智能驱动、专家分析四大核心功能于一体的城市轨道交通超大规模网络化供电智能运维体系。

历经十年 攻坚克难

831公里运营里程，1103座变电站，到底是什么概念？相当于国家电网上海市南、市北两家供电公司管辖的设备体量总和；2449余条公里的接触网（轨）设备，则相当于3倍左右的上海地铁运营里程。而且，这一数据还在增加——到2025年，管辖规模将达到18条线路1000公里，1240座变电站，2600余条公里的接触网（轨）线路。要让世界运营规模第一的地铁网络保证每一天都安全可靠，对于设备维护工作人员来说，绝非易事。郭志是上海申通集团地铁维护保障有限公司供电分公司副总经理，工作二十多年的他带领着一支“维保技术铁军”。作为上海申通地铁集团旗下维保公司的技术团队，他们的工作就是让地铁通上电，安全地跑起来。

时间回到2010年。作为上海最早建设的地铁供电系统，一批1980年代建设的地铁1号线直流开关控制系统硬件停产，造成牵引设备无法正常有效运维。这些核心设备的安装、调试原来都由外国工程师来操作。这让当时还是技术部主管的郭志遇到了难题：如何摆脱原有硬件停产造成的开关设备运维困境？眼下，一时要找到现成可供参考的改造方案，基本上是不可能的，国内没有，国际上也没有，国产化改造只能依靠自己来。

郭志带领设计团队、工程团队翻阅原始资料，分析原设备接口，确定适配的硬件，重新编写软件代码。通过一次次模拟仿真试验，达到使用标准，最后制定现场改造方案。整个过程历时两年，完成了上海地铁1号线30套直流开关核心设备的国产化改造。

2012年，该项开发的成果《1号线直流系统PLC模块功能分析及替换的可行性研究》，经上海市科学技术委员会审查核实被确认为上海市科学技术成果。这也是“上海地铁维保供电智能运维安全管控平台”的前身。

由于上海地铁不同线路增能的需求，比如地铁1、2号线等城市中心区域行车密度的增加带来供电负荷需求的增加；或是地铁列车在进场检修的过程中，可能会出现的用电负载过大等情况，都可能导致电气设备过载引起供电设备故障，甚至引发电气火灾。郭志和他的团队完全自主研制了这套轨道交通直流负荷监测系统，实现了用电负荷的安全管控，就像是眺望整个电力系统负荷安全的前方“哨所”。“哨所”系统在直流1500V这个轨道交通行业特殊的电压等级上，首次实现了数据高速采样、数据处理及数据共享的一体化解决方案，为电力调度、运维人员提供了有效的专业应用支撑软件。

从依赖国外技术，到自主研发；从解决眼前困局，到破题维保系统升级，这是上海地铁供电设备维护人员主动探索，积极创新，并成功建立起地铁维保上海经验的一个缩影。

郭志团队前期的工作解决了设备运维工作中具体某个点的问题，那么身处在数据爆炸的时代，是时候为供电运维体系整体转型设计一套全面、最终的解决方案了。2020年，历经十年，在郭志团队的不断研究改良下，“上海地铁维保供电智能运维安全管控平台”正式上线。供电智能运维平台能让设备的运行变得可阅读，让实时掌控设备状态成为可能。供电智能运维团队借助大数据聚类分析工具，建立起设备状态评估模型，形成了全网络2065台变压器、15362台开关柜、21311公里电力电缆、2136条公里接触网（轨）等关键设备和部件的动态管理，探索和逐步推进设备健康度管理的收敛，让设备状态的人机交互更为便捷和高效。

平台使用至今，建立了集中式UPS（不间断供电系统）设备7大项部件102项智能诊断模型，2021年平台提前预警预判故障77次，保障了UPS设备的安全运行。该平台在轨道交通供电行业内首次实现了对接触网全自动智能检测，将原有一个月的巡检工作量，缩短至一个作业点，大大减少了人员和时间的成本。平台建立了全网络115套直流负荷监测系统，用以分析列车牵引直流系统的实时高精度运行电流及电压，对上海地铁安全运营增能提供评估依据。

投入使用 提高效率

复杂的地铁线路，若是出现供电设备故障，仅故障的排查就很费时间。以往，在设备故障发生后，检修人员先要赶到事故点，对故障进行初步排查和确认后，需要根据故障情况组织维修人员带上专业、匹配的维修工具或零部件进行抢修。“这样，非但很被动，效率也不高。”郭志坦言。现在，“维保供电智能运维安全管控平台”的诞生和投入使用，突破了多项供电系统核心设备的智能感知技术，提高了设备状态检测效率和准确度。

具体来说，就是采用物联网技术，融合了城市轨道交通供电智能综合采集终端、接触网悬挂状态检测车、视频监控和能耗、可视化接地等十多种监测系统，实现对城市轨道交通供电设备状态、负荷、安防、消防及环境的24小时实时监测和数据采集，对设备和变电站环境状态、故障预警和报警信息进行实时多维度聚合呈现。消除监测盲点，改善和取代现场重复性人工劳动和纸质记录，提高设备状态监测及故障预警告警的及时性和准确性。“以往都是故障发生后才能知道，现在零部件稍微有些松动、脱落、开裂等，都可进行全面检查并及时预警。”郭志说，这样不仅提高了故障鉴别的准确性，还有效地预防接触网部件故障对运营安全的影响。

“上海地铁维保供电智能运维安全管控平台”采用物联网技术，融合十多种监测系统，实现对城市轨道交通供电设备状态、安防、消防及环境的24 小时实时监测和数据采集

此外，上海地铁使用人工智能技术，自动收集并生成以线、区段、系统为单位的故障分析知识库及故障案例库，实现包络线、接触网磨耗等关键部件状态异常的自动分析识别以及消防预警，优化接触网的维修策略。这一技术代替了传统的步行巡视，提高了对设备状态的巡检频次和故障识别、预警效率。

技术创新 未来可期

城市轨道交通供电业务的信息数据种类繁多、特征差异明显。其中，实时感知类数据系统数量多，数据变化也快，并且访问效率要求高，几乎每30秒接收82678条实时数据；同时，历史留存数据量大，大约有50余类设备、900多项数据、70余万条业务要素，这些都需要快速处理。不仅如此，分析类数据运算处理量大，每日达到2.3TB，实时分析效率要求高，中间计算复杂度高，而且这些对反馈控制和时间的要求都很高。

如何实现异构数据和数据库产品的融合？是亟需解决的核心问题。上海地铁在国内城市轨道交通供电行业首次采用多源异构多模态数据存储技术，实现海量数据的汇聚，并为不同应用场景提供统一的数据服务接口。以城市轨道交通维保供电运营数据为基础，运用数据挖掘方法对不同城市轨道交通供电故障类别进行风险等级划分，建立高频次、高风险事故故障风险等级数据库，将供电运营数据的挖掘结果在城市轨道交通供电智能维保管理系统中进行应用，为城市轨道交通供电运营管理单位提供应急条件下的决策支持。

这一成果在上海地铁得到应用肯定。它满足了50余类设备、900多项数据、70余万条业务要素的存储和处理优化要求，可同时管控175台智能巡检设备及监控设备，每30秒接收82678条实时数据，每日数据分析量达115G。在高频暂态数据上，存储空间减少80%，查询速度提高两倍。

知道的信息变多了，管理的重点就更明显了。

通过“上海地铁维保供电智能运维安全管控平台”，地铁维保人员可收集并生成以线、区段、系统为单位的故障分析知识库及故障案例库，实现关键部件状态异常的自动分析识别，优化维修策略

在上海城市轨道交通维保供电安全业务中，管辖的1100多个变电站内，每个变电站约有6000个设备属性数据监测点。在实时采集运行状态数据过程中，受客流、天气、设备状况等因素的影响，这些数据也会随之发生较大幅度和频率的变化。

为此，郭志团队还研发了维保供电设备运行标准曲线分析法，通过数据建模，构建了城市轨道交通维保供电设备数据特征库，实现趋势分析、异常数据分析、阈值分析、峰谷分析。其中，供电设备运行曲线的“峰－谷”分析，为设备运行参数的设定提供了依据；预测曲线和离散点的分析，揭示线路运行的异常，通过异常的根因分析，做到事前防范。

更进一步来说，上海地铁依托基础大数据，分析设施设备运行状态，逐步形成更为合理的经验型计划检修模式，依托系统运行状态在线感知能力、在线监测状态数据，逐步形成专家型故障报修模式。

比如说，原来的故障信号比较简单：跳闸、短路，检修人员接到信号后，再去现场实地检查。但是现在，各种装置的过程状态信息都可通过远程调取。为何能做到？原来，在开关中，加入不少传感器，把开关温度、驱动时间等机械特性变化、动作准确度等信息一并记录并建模分析，及时提醒“加润滑油”等进行预防性维修。“原来，即使单节电压发生故障，100多节电池都需要一个一个人工去测。”郭志说，现在通过数据传输远程就可看到，避免关键电压在放电时放不出来。“不仅如此，有了大数据建模，还能分析出哪些设备出故障的概率比较高，以后选设备时就会避免。”郭志介绍，通过这些底层数据的分析，为企业降本增效。

供电智慧运维平台的研究成果获得了2020年上海市科技进步二等奖和2021年上海交通工程学会科学技术特等奖。该套系统是国内首创，技术水平达到了国际先进水平，现已推广到国内多个城市轨道交通的应用中，形成了一定的规模效应，开拓了城市轨道交通运维管理的新思路，构建了轨道交通行业的新格局。

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走过“四代”，上海地铁列车的智能化之旅

自1993 年1 号线第1 列车开行，上海地铁先后经历了四代列车，分别为“直流传动”列车、“交流传动”列车、“绿色地铁”列车和“智能地铁”列车。地铁车辆在列车技术、国产化水平、标准化水平和智能化等方面都有质的飞跃。

第一代：“直流传动”列车

1993 年，上海地铁从德国西门子引进的16 列全进口列车在1号线开通运营。当时采用直流传动，客室配置定频空调、日光灯照明和木质地板，行驶主要靠司机操作，仅有简单的ATC（列车自动控制）防护系统辅助司机保障列车安全。此后，上海地铁列车开始一次次技术革新。

第二代：“交流传动”列车

1999 年，上海地铁从德国西门子引进01A03 型电客列车，采用交流传动系统，拉开了第二代“交流传动”列车时代。不但传动方式升级，列车设计及国产化程度也有较大提升。2000 年投运的3 号线列车首次采用隔音性和防火性更好的铝蜂窝地板。

上海地铁列车早期完全依赖进口，价格昂贵，工期进度难以控制。2005 年，由西门子主导设计、中车株洲电力机车有限公司生产制造的04A01 型列车上线，上海地铁开始进入国产化时代。2008 年，1 号线既有列车直流传动改交流传动项目和6 节编组改8节编组项目先后开展，标志上海地铁列车已不再依赖外方设计。

第三代：“绿色地铁”列车

随着世博会的召开，上海提出“绿色地铁”概念，越来越多节能技术被运用到列车里。2011 年，16 号线列车采用节能性更好、效能更高的LED 客室照明和变频空调技术。2015 年，5 号线增购项目列车采用更环保的水性漆和贴膜技术作为列车外饰方案。

2012 年的3、4 号线增购项目中，国内供应商首次负责列车控制网络。第三代地铁列车的设计、生产和制造，均摆脱了依赖外方的窘境，平均国产化率超过75%。

第四代：“智能地铁”列车

从2016 年起，上海地铁以17 号线为契机，开始建设列车状态信息智能采集系统，收集车辆状态、视频及图像、环境信息及管理系统等多源异构数据信息。通过机车检修大数据云平台，存储、分析、处理海量数据，最终形成具有自动演进功能的闭环检修管理新模式。此外，上海地铁从10 号线开始探索应用全自动驾驶技术。2017 年至今，14、15、18 号线全自动无人驾驶列车采购项目相继落地，上海地铁列车智能化迈上新台阶。在不久的将来，具备自动唤醒、自动发车、列车自检、自动休眠等一系列全自动驾驶功能的智能列车将更普及，地铁列车运行不再依赖司机，真正实现无人化运营。

与29 年前的16 列第一代进口列车相比，经历多次技术升级的上海地铁列车，早已脱胎换骨，投入智能化的怀抱。