北京地铁智能维修辅助系统设计与开发

臧志超，崔霆锐，李明

（北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

0 引言

增强现实（Augmented Reality，AR），是将屏幕上投射的数字图像与现实世界叠加展现的技术，实现信息数据呈现与现实图景的紧密结合，加深我们对现实世界的感知和了解。AR 技术包含多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器溶合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。AR 提供了在一般情况下，不同于人类可以感知的信息。AR 系统具有3 个突出特点：（1）真实世界和虚拟世界的信息集成；（2）具有实时交互性；（3）在三维尺度空间中增添定位虚拟物体［1-3］。

目前，国外公司在智能巡检、远程指导、AI识别等领域取得了众多的成果，如微软、谷歌、苹果AR 等。AR应用开发的主要案例有美国电科院（EPRI）对AR在工业领域的广泛深入研究，以及谷歌等公司对工业AR智能眼镜的开发和应用等，多用于B端，提供如AR设计、AR会议、虚拟医疗、游戏和军用、远程交互、标准流程等功能。C端实际应用集中在导航，游戏、虚拟导览场景［4-9］。国内公司如Nreal、华为、OPPO等厂商对AR进行了诸多探索，C端市场火爆，如AR游戏、观看视频、手机同屏、AR导航商店活动信息呈现、AR景点导航等，且成熟的产品AR+AI 企业智能服务平台，已面向制造、安防、能源化工等众多行业客户提供了远程交互、标准流程、质量管理、知识库、3D展示等功能。

地铁车辆在维护过程中，检修流程步骤复杂，检修人员掌握较为困难，且发现问题后，也难以与专家进行沟通。车辆维修工作很大程度上是属于知识密集型行业，知识和技术的积累与进步是其不断发展的重要推动力。通过新技术人员进入和新兴设备的运用提高行业生命力的同时也产生了重要的困扰——如何有效进行维护维修经验的积累与传承［10-11］。随着计量、检修技术不断进步，亟须提高检修人员水平，并努力加强工作的标准化规范化［12］。结合目前车辆维修工作难点和需求，以头戴式增强现实设备为抓手，开发研究基于北京地铁运维体系的数字化、智能化和网络化维修辅助平台，通过增强现实方式实现多种支持信息融合的远程维护支持、工作流程监控、便捷技术培训和高效信息查询为一体的创新维修系统。

1 整体技术路线

依据超大城市轨道交通网络化维护条件下车辆高效率、高质量和高安全的综合维护作业需求，研究车辆数字化流程指引技术和智能化资料信息查询机制，研究车辆远程支持和远程培训技术，研制和开发车辆检修人员使用的智能检修辅助终端和应用软件，开发北京地铁智能维修辅助系统，技术路线见图1。

图1 车辆智能维修辅助系统研究技术路线

2 系统架构

智能维修辅助系统整体由前后台构成，前台终端系统由AR 智能眼镜及连接的安卓终端（手机、平板、PDA）组成。在智能手机上安装定制的APP，用以驱动眼镜以及连接后台系统，整个终端通过4G、5G 或者WiFi 网络与后台系统进行连接。后台服务平台是整个系统的核心部分，可提供各个服务功能，包括远程音视频交互、远程培训、流程和步骤辅助指导、数字工单、专家知识库及跨模态检索等，并配置相应的数据库系统，同时此平台具有北向接口，与既有维修管理系统进行对接融合，形成一个整体平台，实现企业利用AR 终端进行日常运维、巡检、检修和培训的各项功能。后台管理人员或者专家通过PC、手机或者平板电脑的浏览器连接到平台中，实现与前端眼镜佩戴者的实时通信。平台可以安装在北京地铁内部互联网数据中心（IDC）的物理服务器、云服务器和虚拟服务器中，采用纯私有化IP 地址，以保证系统的安全性。整个系统通过防火墙设备与外网连接，以便与外部专家或者相关人员进行连接。整个方案的系统架构见图2。

图2 智能维修辅助系统架构

3 系统功能

该车辆智能维修辅助系统由3 个功能模块构成，即音视频交互与培训系统、流程辅助与数字工单系统和用户管理及安全系统。所有的功能模块可以独立应用，也可以根据业务需求进行组合应用，从而形成一个完整的应用框架。功能架构见图3。

图3 车辆智能维修辅助系统功能架构

3.1 音视频交互与培训模块

地铁车辆各系统组件较多，结构复杂，检修维修技术难度大，紧急问题或者疑难问题缺乏高效即时的沟通方式。车辆检修人员专业技能要求高，培训需要大量时间去言传身教，人才成长速度慢，且专业人员有流动风险。针对上述问题设计开发了音视频交互与培训模块。

地铁检修人员佩戴AR 眼镜连入系统，专家通过浏览器远程连接系统，双方即可建立双向音视频交互通道，专家在远端观看前方工作情况或者指导前方工作人员解决问题，除了语音之外，专家还可以通过实时视频、文字、图片、AR 标记等多种方式，多维度向前方人员提供丰富信息，减少交流障碍，提升沟通效率。包含音视频通话、动态标注、多媒体信息交互、交互记录、多人会议等功能，具体设计功能如下。

（1）音视频通话。实现作业端与后台专家实时沟通，眼镜传输现场视频，双方进行语音对话。

（2）动态标注。专家可以在后台屏幕上进行标注标记，实时呈现在眼镜屏幕上。

（3）多媒体信息交互。前后台可以发送文本信息、图片、视频、图纸等资料。

（4）交互记录。无论是维修指导还是培训内容，所有交互内容可以实时存储在服务器中。

（5）多人会议。实现眼镜与PC 端的多对多通话，即1个专家可以同时接受多位前方员工的咨询，也可以采取培训模式，1个专家操作，同时给多个后方的培训员工看。

3.2 流程辅助与数字工单模块

地铁车辆各系统各个设备组件检修的步骤和流程较为复杂，现场人员较难掌握和严格执行，会带来相应风险。为实现标准作业指导、AI 关键步骤提示设计开发了流程辅助模块。为实现全程过程记录可追溯设计开发了数字工单模块。具体功能包含数字工作流、检修资料实时查询、数字工单生成和发送、检修报告生成和分析等。

（1）数字工作流。将现有各个维修手册中维修和检修流程转换为数字化流程指导文件，并允许员工在工作时调用，在眼镜中进行逐条显示，以指导作业。

（2）检修资料实时查询。在检修过程中如果需要参考任何资料，包括设备介绍、报警信息列表、工艺文件等，都可以通过与AR眼镜交互进行查询。

（3）数字工单生成和发送。在后台动态生成工单，确定工作内容、人员名单、工作时限等，并下发给相应的执行人员。

（4）检修报告生成和分析。在检修完成之后，自动在眼镜端生成定制报告，并上传服务器，同时在后台进行数据分析，生成相应报告。

3.2.1 流程辅助系统

以地铁列车液压制动系统为例，将检修工艺规程进行数字化流程改造。整个检修流程分为初步拆卸、控制装置拆卸、控制装置分解、控制装置清理、控制装置检验、控制装置组装、控制装置安装、供应装置拆卸、供应装置分解、供应装置清理、供应装置检验、供应装置组装、供应装置安装、最终装配等14个工序，每个工序都有10～20 多个步骤，记忆和查找都很困难。通过AR 的标准作业功能就可以将这些工序和步骤以数字化的方式呈现在佩戴AR 眼镜的员工眼前，只要按照屏幕上的文字、语音、图片和视频的指引就可以完成各个工序的工作。利用系统的编辑器功能，将工作流程整理为数字文件（见图4）。

图4 制作数字文件流程

数字文件的形式和顺序严格按照工艺流程排列，采用工卡模式，每1 个卡片代表1 个工序，在卡片中有标题、作业内容、备注输入、工作项结果输入、工作项附件等。制作数字文件的编辑界面见图5。

图5 数字文件编辑界面（文字语音）

考虑到很多检修场地的网络状况不稳定，维修辅助功能采用离线化运作方式，在作业前员工将整个流程文件下载到AR 终端，执行过程中则不需要联网，所有数据信息都暂存在AR 终端中，结束作业后的报告也是存在本地，待有网络连接时再自动上传。

3.2.2 数字工单系统

随着地铁运行里程和频率的不断增加，维修任务越来越繁重，管理人员需要向前线人员发送大量的检修工单，而工作人员在接受工单后才可以进行工作。如何让工单的创建和下发更加便捷，如何让员工更快捷地接受工单并开始工作就成为一个重要问题。数字工单系统将与北京地铁既有网络化运维增强平台进行对接和工单流转，接受其发送的工单信息并进行执行，将检修后的报告再发送到运维系统进行分析和存档，使之融入到北京地铁统一建设的数字化机务维护平台中，从而实现维修工单整个流转过程的高效和便捷，对接架构设计见图6。

图6 数字工单系统对接架构设计

（1）首先要建立车辆智能维修辅助系统与车辆智能运维系统一致的检修人员工作账号体系，这样从智能运维系统发送过来的工单就可以发送到相应的检修人员账号中。

（2）车辆智能运维系统建立有工单信息管理中心，通过人工方式生成工单，对平台内所有维修工作内容、进度、处理等多方面综合管理。在工单生成之后，工作人员点击“发送”按钮，则工单自动转换为特定的文本格式文件（如XML，CSV 等），并发送到车辆智能维修辅助系统中。此文件内容包括检修人账号、检修设备详情、检修时间、预期结果、设备维修情况等。

（3）车辆智能维修辅助系统接收到数字工单后，提取信息并转换为AR 维修工单，发送到相应的检修人员账号中，检修人员登录APP 后，则任务工单和对应的检修辅助数字流程自动调出，开始检修工作。

（4）检修完成后，车辆智能维修辅助系统会自动生成检修报告，包括检修视频以及检修每个步骤的时长、问题记录、检修备注等详细信息。这些信息也会放置到相关的文本文件中，附上检修人员账号等信息，发送回车辆智能运维系统中。系统接受后，将其中的信息进行提取，并存入到工单信息统计系统的数据库中，以备系统进行分析和处理。

3.3 用户管理和安全模块

系统安全包括两方面的含义：一是信息安全，二是网络安全，涉及到的是信息化过程中被保护信息系统整体安全。具体来说，信息安全是指信息的保密性、完整性和可用性的保持；网络安全主要从通信网络层面考虑，使信息的传输和网络的运行能够得到安全的保障，内部和外部的非法攻击得到有效的防范和遏制。

3.3.1 信息安全

系统从网络、系统、用户数据及应用程序等多个层面赋予最高的安全级别设计，确保用户能够安全使用系统提供的各项业务功能，主要包括以下几个方面。

（1）端到端安全加密。端到端级别采取的安全保障有SSL、HTTPs、Secure Websockets、AES 加密方案以及终端用户授权管理（End-user Authorization Management）等。

（2）业务数据安全。客户端与服务器之间交互采用SSL认证加密通信，客户端能够验证服务器的身份，同时防止通讯过程数据泄密和被篡改。客户端与服务器间交互方案通过专业机构安全测试与认证，可有效防止外来者入侵及黑客获取数据。

（3）媒体数据安全。通信过程中所有媒体数据在客户端之间以及客户端与服务器端采用AES-128 或AES-256算法进行加密。使用路由服务以提高通信质量、增强用户体验，但在传输过程中没有任何可对传输的信息进行解密的密钥，内容信息只能在终端设备上通过客户授权密钥才能解密。

音视频文件存储于云平台，用户通过时效用户或者秘钥等方式访问云存储上的音视频数据，且当使用用户访问云存储数据时会有时效限制。

3.3.2 网络安全

为确保整个系统安全可靠运行，系统在网络安全方面也做了全面设计。首先，整个系统可以封闭运行在北京地铁内部的IDC或者私有云系统中，全部使用保留IP地址，并且能够与网络平台中的防火墙、网关、负载均衡设备等配合运行，确保免受外部攻击的威胁。系统还支持混合云和公有云模式部署，以便通过公共因特网的终端用户和专家来访问系统服务。客户端APP与服务器端的通讯协议都采用了安全校验和加解密方案，实现网络加密。系统中主要采用了SSL 认证协议，用于利用HTTP协议进行通信双方身份认证及密钥分发。

4 系统平台建设

系统整体采用分布式架构，对每个业务进行服务拆分，业务服务之间松耦合无依赖，根据不同功能和模块对系统的性能要求不同，视频编码和流处理采用C/C++语言编写，中层服务采用JAVA 语言编写，上层前端采用HTML和安卓原生进行开发，并遵循公司编码规范，最大程度保障系统稳定性和安全性。

系统基于B/S 和安卓原生架构，集大容量、高并发、统一管理、多业务融合、多级互联、高扩展性、高安全性、高兼容性、高可靠性、高开放性等为一体。支持包括Android、Web 和MacOS 的主流操作系统，支持多端消息同步，支持基础的即时通讯功能，保证会话中的消息的发送、接受、转发，文档的收发、缓存，可以自动保存各种消息以及会话中的音视频，并且能够满足基本的群组管理功能。系统逻辑架构见图7。

图7 智能维修辅助系统逻辑架构

（1）模块化和服务化设计。将单一应用程序划分成一组小的服务，服务之间互相协调、互相配合，为用户提供最终价值。每个服务运行在其独立的进程中，服务与服务间采用轻量级通信机制互相沟通（通常是基于HTTP 协议的RESTful API）。每个服务都围绕具体业务进行构建，并且能够被独立部署到生产环境、类生产环境等。尽量避免统一的、集中式的服务管理机制，对具体服务而言，根据业务上下文，选择合适的语言、工具对其进行构建。

（2）数据库访问安全与优化。基于成熟开源的Mysql 搭建核心数据库系统，服务模块中只有数据接口有访问数据库的权限，提升数据访问效率与安全。

（3）建立日志体系。流媒体平台各模块的日志管理交由各模块独立实现，可以采用把日志信息记录到本地日志文件的方式，也可以采用把日志信息记录到日志数据库的方式，日志体系符合以下规则：①日志分级，日志分级别存储显示，分为调试日志、警告日志和错误日志，并能根据部署的不同来存储显示不同级别日志信息。②日志记录完善，单条日志记录中应包含时间、位置、日志级别和日志自定义内容等信息。③日志空间优化，文件占用尽量小的空间，当日志文件超过一定长度时应自动生成新的日志文件进行日志信息的保存，同时具有日志清理机制。

（4）可扩展性设计。系统先构建一个基础平台架构以实现基础视频流功能，构成流媒体平台的一个核心架构，同时预留接口和协议以方便后续跨模态业务软件实现。

5 结论

采用北京地铁智能维修辅助系统后，之前游离于整体数字化运维管理体系之外的关键一环，即前线维修和巡检一线人员就被全面融入到整个体系中，便于他们随时随地方便快捷地接触后台资料信息，接受实时维修指导和培训，且可以在工作的同时接受流程步骤指导，以数字化工单方式实现维修和巡检任务。这些功能对一线工人的工作带来了诸多收益和便利，包括：（1）技术水平切实提高；（2）有效减少工作失误；（3）问题可以迅速得到反馈和及时解决。一线检修人员除了从整个系统中获取帮助之外，也可以成为系统和知识库的贡献者，其求助获得帮助的视频可以成为故障排除范例，成为其他检修人员学习的材料。利用数字工单系统，在工作完成之后，自动实现检修报告生成和巡检数据录入。系统可以向远程技术专家提供维修现场的第一视角，给专家最直观全面的现场场景，而专家则通过文字、图片、文档、音视频通讯等方式指导检修人员操作。AR 远程交互技术使检修人员可以随时随地接受专业人员指导，同时不影响双手工作，可以快速、高效处理问题，显著提高工作效率。