摘 要：2020年3月，中國城市軌道交通協會發布了《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》，為智慧城軌的發展戰略、建設目標、重點任務等提供了思路。在此基礎上，本文對城市軌道交通基礎設施運維現狀進行了介紹，概括了當前運維中存在的主要問題。從“監”“檢”“修”“管”4個維度，分析了智慧城軌下基礎設施智能運維的需求，并對智能運維的關鍵技術進行介紹。對城市軌道交通基礎設施智能運維未來趨勢進行了展望。

　　關鍵詞：智慧城軌 基礎設施 智能運維 智能檢修

　　近幾年來，中國城市軌道交通快速發展。到2020年底，全國共44個城市開通運營城市軌道交通，線路共計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，年均增長率達到16.8%[1]，而在2020年，我國新增運營里程1240.3km，較2019年增長20.1%，運營里程持續高速增長。伴隨著城軌規模的快速增長，基礎設施數量急劇增加，相應地，基礎設施運維的壓力也越來越大，傳統的運維模式在安全、效率、經濟等方面的不足逐漸顯現。利用云計算、大數據、人工智能、5G等新興技術，為城市軌道交通建設、運營、維護摸索出一條新路，成為行業內研究的熱點。2020年3月，中國城市軌道交通協會發布了《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》(以下簡稱《綱要》)，不僅第一次明確地提出了發展智慧城軌的是城市軌道交通的發展方向，更為智慧城軌規劃了“1-8-1-1”[2]的布局結構，如圖1所示，成為發展智慧城軌的重要參考。針對傳統運維模式存在的問題，以建設智慧城軌為基本目標，結合新技術，提出智慧城軌框架下的基礎設施智能運維思路。

　　1 基礎設施運維現狀分析

　　城市軌道交通基礎設施龐大而繁復，涉及多個專業，大量設施設備。這些設施/設備的正常運作對城軌安全運營至關重要。及時發現排除故障和隱患，是城軌基礎設施運維的根本目標[3]。

　　1.1 基礎設施運維現狀

　　傳統的運維模式以分專業“檢”“修”為主，采用定期巡檢和故障維修的模式，根據規章修程，在“天窗期”對基礎設施進行周期性檢查，檢查的方式以人工為主。為彌補人工效率不足，近年來，專門的檢測車輛得到了大量的應用，檢測車輛采用城軌車輛或專門的工程車為載體，搭載特定檢測裝置，以較快的速度進行作業，一定程度上緩解了當前城軌基礎設施運維的壓力。

　　作業過程中產生的數據，基本由最初的紙質記錄變成了電子文檔保存。隨著中國互聯網技術的發展，許多地鐵公司都為各專業的基礎設施運維開發了繁簡不一的信息化系統。時至今日，信息化仍是城軌智能運維發展的重要支撐，但發展程度不高，紙質/電子形式的數據記錄情況仍然存在。

　　1.2 基礎設施運維存在的問題

　　城軌基礎設施運維雖然較最初的運維形式，已經有很大進步，但仍存在以下一些問題。

　　(1)設備設施運維大量依賴人工，運營成本高;同時人工檢修效率低，難以滿足日益增長的運營需要。

　　(2)“計劃檢/修”導致過度檢/修，造成資源的浪費，且周期性檢修作業無法及時發現病害，在檢修空檔期發生故障。而“故障修”又會影響城軌正常運營。

　　(3)各專業獨立運維，造成人員和設備的浪費。各專業獨立開發的信息化系統“煙囪”林立，既重復建設，增加投入和維護成本，又形成數據孤島，難以充分利用數據、無法發揮信息化優勢。

　　(4)應對環境、自然災害的影響能力不足。

　　2 智慧城軌下基礎設施智能運維需求分析

　　安全、高效、經濟是智慧城軌下基礎設施運維的主要目標。與傳統運維中的“檢”“修”不同，智能運維從“監”“檢”“修”“管”4個維度著手，通過裝備升級、技術創新、流程優化，構造智慧城軌下基礎設施運維解決方案[4]。

　　2.1 “監”的需求

　　監測是利用傳感器技術、物聯網技術、邊緣計算技術等，對基礎設施狀態、地質氣候等線路周邊自然環境、異物入侵等進行實時感知并上報。在《綱要》中，在線監測更多的屬于智能基礎設施體系。實時在線監測的優點有以下3點。

　　(1)及時性。在線監測可以全天24h感知設施/設備/環境狀態，對異常情況實時反饋，并在第一時間得到處理。

　　(2)非擠占式運維。在線監測既不影響正常運營，也不占用“天窗期”時間，可以將寶貴的“天窗”時間留給其他檢修作業。

　　(3)可預測性?；趯崟r感知得到的海量數據，利用人工智能技術進行深度挖掘，對故障/病害進行預測，實現狀態修。

　　盡管實時在線監測的優勢明顯，但受限于傳感器技術發展水平和通過數據進行狀態評估的理論基礎，在線監測技術還無法廣泛應用。

　　2.2 “檢”的需求

　　《綱要》中，巡檢屬于智能運維安全體系。在智慧城軌框架下，要逐步降低人工巡檢勞動強度，減少巡檢人員數量，最終完全取消人工巡檢;實現多專業融合的綜合巡檢;減少巡檢對“天窗期”的依賴。

　　2.3 “修”的需求

　　“狀態修”是智能運維的理想狀態，但偶發導致的故障不可避免。及時的響應、快速的問題定位、智能化的專家指導、高效的維修施工、完善的閉環驗收機制是智能運維中“修”的目標。

　　2.4 “管”的需求

　　以城軌云和大數據為平臺，進行線網級的綜合智能運維，實現基礎設施運維管理的信息化、智能化、精益化、可視化。圍繞數據，通過對數據的收集、分析，即時推送、分級響應，為運維提供決策支持，并輔助現場作業。

　　3 智慧城軌下基礎設施智能運維的關鍵技術

　　3.1 在線監測關鍵技術

　　3.1.1 實時在線感知技術

　　針對不同的基礎設施，設計關鍵參數采集方案，包括采集項點、采集位置、傳感器類型、數據傳輸方案等。利用傳感器技術、視頻監測技術、衛星遙感技術、物聯網技術、邊緣計算技術等，實現基礎設施狀態實時感知。在線監測要做到合理設計，既要考慮施工性，也要避免線路設置大量監測設備后造成過多的額外運維工作[5]。

　　3.1.2 基礎設施狀態評價體系

　　利用數學模型計算、圖片識別技術、人工智能等，結合在線感知數據，多專業的數據融合分析，對基礎設施狀態進行判別。預測設施故障、分析故障原因，提供運維決策支持。

　　3.2 新型巡檢裝備

　　智慧城軌下，不同的地鐵公司會根據線網運營的實際情況，選擇運維方式，基礎設施的智能運維仍然不會完全摒棄巡檢作業。但巡檢裝備會不斷的進步，新型巡檢裝備包括機器人巡檢、自走行檢測小車、多功能綜合巡檢車、電客車為載體的基礎設施巡檢系統等。

　　3.2.1 機器人巡檢

　　利用機器人平臺，搭載檢測設備，在“天窗期”自主巡檢，實現巡檢的智能化、無人化。機器人巡檢要重點保證安全可靠，不破壞基礎設施、不掉落部件，不在線路上宕機。

　　3.2.2 自走行檢測小車

　　以小型帶動力車體為平臺，可靈活地配置不同巡檢/作業裝置，既可以實現類似機器人的無人作業，也可以載人作業。與機器人相比，自走行小車可以有人全程參加，能夠快速進行突發事件處置。小車也可以快速改裝成為人員代步或運輸工具。

　　3.2.3 多功能綜合巡檢車

　　巡檢車向功能集中方向發展。集成線路、供電、信號、通信等多專業巡檢設備的綜合巡檢車，通過一次作業，對多專業基礎設施狀態數據同時采集，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、自動化作業，進一步減少人員配置。

　　3.2.4 電客車為載體的基礎設施巡檢

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

　　3.3 維修的關鍵技術

　　3.3.1 智能化的作業設備

　　以安全、高效、節能為主要目標，研制智能化工裝和機械，實現快速精準的基礎設施維修。

　　3.3.2 專家系統

　　利用專家系統，根據基礎設施狀態數據，對故障成因進行分析，對故障影響進行評估，為維修提供技術指導。

　　3.4 智能化管理的關鍵技術

　　3.4.1 BIM技術

　　建立基于BIM模型的基礎設施管理平臺，實現資產管理的可視化。結合實時監測和巡檢數據，在BIM模型上直觀呈現基礎設施狀態，提高運維效率[6]。

　　3.4.2 智能化作業過程管控

　　以工作流的機制對現場作業進行管控。管理平臺可以自動或手動下發作業任務和數據到智能終端，同步下發的還可以包括智能診斷結果和專家處理意見。作業過程可以拍照或攝像進行存檔備案，以保證作業的規范性，結果可以通過終端上傳，實現閉環。

　　3.4.3 精益化的資產和庫存管理

　　在狀態檢/修的基礎上，實現基礎設施的全生命周期管理。實時判斷設施健康狀態，時刻保持設施狀態良好，避免過度檢修帶來的浪費。同時，根據對設施狀態的預測結果，精準調整配件庫存，降低成本。

　　4 結語

　　在物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術快速發展的背景下，城軌基礎設施的運維將越來越智能。用先進的技術手段和設備可以完全取代或大幅減少人工，降低運維成本，并由此帶來安全、效率的大幅提升。信息化、流程化、自動化、智能化、無人化將是智慧城軌下基礎設施運維的主要發展方向。

　　參考文獻

　　[1] 崔學忠.城市軌道交通運營發展情況總結與展望[J].城市軌道交通，2020(10)：24-26.

　　[2] 中國城市軌道交通協會.中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要[G].2020.

　　[3] 陳文.城市軌道交通運營安全風險管控研究[D].北京：北京交通大學，2020.

　　[4] 于鑫.基于智能高鐵建設實踐的智慧城軌整體設計方案研究[J].現代城市軌道交通，2020(8)：1-7.

　　[5] 何奉祿，陳佳琦，李欽豪，等.智能電網中的物聯網技術應用與發展[J].電力系統保護與控制，2020，48(3)：58-69.

　　[6] 羅文城.BIM技術在裝配式建筑質量管理中的應用[D].南昌：南昌大學，2020.

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