基于數(shù)字孿生的城市軌道交通智慧運維應(yīng)用

王 楠 陳亞冬

(1.上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院,200235,上海; 2.上海申電云數(shù)字科技有限公司,200063,上?！蔚谝蛔髡?高級工程師)

城市軌道交通運營單位日常巡檢、設(shè)備維護維修等運營工作強度大、重復(fù)度高,且需填報數(shù)量龐大的紙質(zhì)表單。智慧運維管理應(yīng)解決對外部維護維修人員進行管理、對車站管理人員進行監(jiān)督、對站內(nèi)工作進行無紙化閉環(huán)管控等痛點問題。在城市軌道交通數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展趨勢下,以上海、北京、廣州為代表的大型城市近幾年均致力于城市軌道交通智慧運維體系建設(shè),并解決了一部分運維問題[1-3]。隨著運維需求的不斷增加,出現(xiàn)了一些新的痛點問題,主要包括多系統(tǒng)、多平臺、零散功能的融合度不夠,線路級運維向線網(wǎng)級運維需求的轉(zhuǎn)換不協(xié)調(diào),海量運營數(shù)據(jù)進入云平臺的需求難以滿足等。

數(shù)字孿生是指在數(shù)字空間中用高度精確的數(shù)字模型來映射真實世界中的事物,并將真實世界中采集得到的數(shù)據(jù)信息反映到數(shù)字模型中。數(shù)字模型會隨采集數(shù)據(jù)的改變而變化,研究者可以基于數(shù)字模型對各類信息數(shù)據(jù)進行聯(lián)動,并進行具有預(yù)測功能的可視化仿真分析[4]。目前上海、重慶、蘇州等地的城市軌道交通智慧運維應(yīng)用大多在竣工模型的基礎(chǔ)上集成了運營期間各類靜態(tài)和動態(tài)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)主要包括設(shè)備廠商產(chǎn)品模型與資料、資產(chǎn)信息、設(shè)備運行狀態(tài)信息、視頻監(jiān)控信息及人員定位信息等。數(shù)字化模型與車站實際運行狀態(tài)相對應(yīng),初步實現(xiàn)了數(shù)字孿生[5],建立了以云計算、大數(shù)據(jù)、IoT(物聯(lián)網(wǎng))、人工智能等新興信息技術(shù)為基礎(chǔ)的軌道交通智慧運維系統(tǒng),以提升設(shè)施設(shè)備的接入及感知能力,降低運營維護成本,實現(xiàn)城市軌道交通的高質(zhì)量發(fā)展[6]。

1 上海城市軌道交通智慧運維應(yīng)用介紹

由于各地城市軌道交通集團的運營管理模式、運維痛點略有差異,其痛點的解決方式大多由兩部分產(chǎn)品組成,即智慧車站類產(chǎn)品和智慧維保類產(chǎn)品。以上海城市軌道交通為例,上海申通地鐵集團有限公司數(shù)字化轉(zhuǎn)型總體架構(gòu)由“一朵云、一張網(wǎng)、一個大數(shù)據(jù)平臺、五大應(yīng)用系統(tǒng)群”,以及網(wǎng)絡(luò)安全體系和標準體系組成[7]。其中:五大應(yīng)用系統(tǒng)群中的設(shè)施設(shè)備管理及運營管理,分別對應(yīng)智慧設(shè)施設(shè)備管理系統(tǒng)解決方案及智慧運營管理系統(tǒng)解決方案。

1) 智慧設(shè)施設(shè)備管理系統(tǒng)解決方案。該方案主要以智慧維保類平臺產(chǎn)品為代表,集成了車輛、供電、通信信號、軌道隧道橋梁及車站機電等專業(yè)的智能監(jiān)測數(shù)據(jù),可作為智慧維保平臺的數(shù)據(jù)支撐。在完成頂層規(guī)劃設(shè)計的基礎(chǔ)上,應(yīng)統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)、分步實施建設(shè),生產(chǎn)核心模塊應(yīng)優(yōu)先實施,逐步搭建完成線網(wǎng)級的智慧維保系統(tǒng)。

2) 智慧運營管理系統(tǒng)解決方案。該方案主要以智慧車站類平臺產(chǎn)品為代表,對車站原有的數(shù)字資產(chǎn)交付標準進行擴展,以實現(xiàn)安全監(jiān)控綜合化及應(yīng)急處置高效化。將車站設(shè)施設(shè)備的運行狀態(tài)等動態(tài)數(shù)據(jù)與靜態(tài)模型應(yīng)用于設(shè)備維護維修等運營流程中,以提升城市軌道交通的安全監(jiān)控、預(yù)警以及應(yīng)急處置能力,提升綜合運維管理水平。

2 智慧運維的解決方案

城市軌道交通智慧運維平臺需要承載的數(shù)字孿生數(shù)據(jù)和運維人員采集數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)量大、業(yè)務(wù)分散、功能復(fù)雜等特點,很多城市采用城市軌道交通云平臺架構(gòu)搭建其智慧運維平臺[8],以提供智慧運維的解決方案。

2.1 海量多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的處理

基于數(shù)字孿生的智慧運維管理平臺在進行各類數(shù)據(jù)的收集及承載時,需要兼顧數(shù)據(jù)的兼容性、易用性及專業(yè)性等特點。基于數(shù)字孿生的智慧運維管理應(yīng)用,其首要目標是完成海量多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與共享。應(yīng)在城市軌道交通數(shù)字孿生靜態(tài)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,開發(fā)城市軌道交通運維期多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的通用接口,以集成CCTV(閉路電視)、ISCS(綜合監(jiān)控系統(tǒng))、AFC(自動售檢票)、OA(辦公自動化)及人員定位信息等數(shù)據(jù)。在B/S(瀏覽器/服務(wù)器)及C/S(客戶端/服務(wù)器)雙構(gòu)架下,應(yīng)用Web(萬維網(wǎng))、BIM (建筑信息模型)、GIS(地理信息系統(tǒng))、AI(人工智能)及IoT等技術(shù),將各專業(yè)設(shè)備的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)及能耗等數(shù)據(jù)有效、實時地反映在智慧運維平臺中,實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)、動態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與靜態(tài)模型的自動化集成和輕量化共享,初步完成數(shù)字孿生底座的建設(shè)。城市軌道交通智慧運維平臺數(shù)字孿生底座建設(shè)形式如圖1所示。

圖1 城市軌道交通智慧運維平臺數(shù)字孿生底座建設(shè)形式示意圖

2.2 “管用修”智慧管理業(yè)務(wù)流程的建立

城市軌道交通運營管理工作涉及的人員眾多,應(yīng)建立基于“管用修”智慧管理業(yè)務(wù)流程的智慧運維系統(tǒng),強化智能數(shù)據(jù)采集、智能業(yè)務(wù)處理及智能數(shù)據(jù)分析3大能力,綜合打造設(shè)備狀態(tài)實時感知預(yù)警、設(shè)備全壽命管理、生產(chǎn)業(yè)務(wù)全流程管控及專家分析4個體系。智慧管理業(yè)務(wù)的應(yīng)用集成,應(yīng)以實現(xiàn)主要業(yè)務(wù)流程自動化和規(guī)范化、管理現(xiàn)代化為目標,并為以設(shè)備設(shè)施為管理核心的生產(chǎn)管理全過程的控制、優(yōu)化及決策提供支持。

智慧運維管理平臺將日常巡檢及維護維修等運營流程內(nèi)置于本平臺中,通過自定義模板、流程和標準化表單,支持全專業(yè)設(shè)備設(shè)施巡檢及維護工作的自定義拆分組合、流程控制及人員控制,實現(xiàn)數(shù)字化驅(qū)動維護計劃、巡檢任務(wù)及維修工單的自動生成,實現(xiàn)全流程閉環(huán)管理。通過打通數(shù)據(jù)弧島,形成設(shè)施設(shè)備全生命周期的動態(tài)履歷,進而提升設(shè)施設(shè)備管理智能化水平。維護維修人員應(yīng)進行無紙化管理,在現(xiàn)場操作時使用移動終端執(zhí)行巡檢任務(wù),如圖2所示。為此,應(yīng)打通設(shè)備傳感器至維修工單的數(shù)據(jù)流,集成運維動態(tài)數(shù)據(jù),實現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化,這既可降低巡檢維護人員的工作強度,也可為城市軌道交通運營安全提供保障。

圖2 維修人員使用移動終端執(zhí)行日常巡檢任務(wù)

2.3 信息資源融合,實現(xiàn)“一屏總覽”

智慧運維管理平臺針對電梯、智慧廁所、應(yīng)急預(yù)案等內(nèi)容開發(fā)了專項管理模塊。通過數(shù)據(jù)打通匯聚電梯全生命期履歷信息,自動形成“一梯一檔”。結(jié)合IoT技術(shù)集成智慧廁所監(jiān)測數(shù)據(jù),車站用水量、用電量等能耗數(shù)據(jù)可實現(xiàn)“一屏知全站”。聚合乘客投訴信息、遺失物品信息、出行路徑查詢等運營信息,可避免線上線下和傳統(tǒng)車站OA系統(tǒng)之間的切換,面向乘客提供一站式服務(wù),對外提升服務(wù)質(zhì)量。配合全自動運行場景,智慧運維管理平臺集成了車輛狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),可為多職能列控隊員提供信息聚合終端,使列控人員能跟快速感知車輛狀態(tài)、快速處置車輛故障。

智慧運維管理平臺的用戶覆蓋了保障車站運營的各單位人員,在實現(xiàn)全線車站運維標準化管理的同時,通過統(tǒng)一標準的底層數(shù)據(jù)采集,可使車站級管理上升為線路級管理。單一公司級平臺上升為多公司協(xié)作平臺,進而實現(xiàn)“一屏總覽、一網(wǎng)統(tǒng)管”,有效解決車站之間、公司之間的信息壁壘及信息滯后等問題,顯著提升管理效率。

3 建設(shè)各類技術(shù)支撐平臺

3.1 智慧車站平臺

應(yīng)基于數(shù)字孿生場景,利用建設(shè)階段移交的竣工數(shù)據(jù),根據(jù)運營單位客運管理、維護維修管理、站務(wù)管理、人員管理及統(tǒng)計分析等業(yè)務(wù)需求,通過流程配置,實現(xiàn)運維業(yè)務(wù)流程的個性化、信息化,以及運維管理的可視化、精細化。智慧車站平臺包含網(wǎng)頁端、桌面端及移動端3個部分,其中:網(wǎng)頁端用以實現(xiàn)業(yè)務(wù)板塊的管理;桌面端用以集成輕量化數(shù)字模型場景,聯(lián)動展示設(shè)備狀態(tài);移動端面向車站工作人員、委外單位及運營單位管理人員,用以實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、信息反饋、流程管控、信息查詢及協(xié)同工作等功能,并對現(xiàn)場運行維護工作進行全面管控、對內(nèi)外部人員進行精準管理,以切實達到提高工作和管理效率、實現(xiàn)增質(zhì)增效的目標。智慧車站平臺功能架構(gòu)如圖3所示,其中,涉及委外單位的模塊主要包括施工登記、巡檢管理、維護管理、維修管理及電梯管理等。

圖3 智慧車站平臺功能架構(gòu)圖

3.2 智慧維保平臺

智慧維保是城市軌道交通智慧運維的重要組成部分,其核心是決策應(yīng)變。應(yīng)變有效性的衡量標準是從發(fā)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)發(fā)生變化到確定有效對策的時間。智慧維保由車輛、供電、通信信號、軌道隧道橋梁、車輛基地及車站機電等6個專業(yè)智能監(jiān)測模塊組成,這些模塊為智慧維保平臺提供數(shù)據(jù)支撐。通過數(shù)據(jù)資源貢獻技術(shù),智慧維保平臺可使一線人員能在事件處置一線及時獲取相關(guān)處置對象的靜態(tài)、動態(tài)數(shù)據(jù)的整合信息,支撐實時感知變化及實時分析變化,實時制定最優(yōu)決策,并將決策自動推送給處置人員。

智慧維保平臺采用頂層規(guī)劃設(shè)計,在統(tǒng)一系統(tǒng)架構(gòu)后分步實施建設(shè),生產(chǎn)核心模塊應(yīng)優(yōu)先建設(shè)優(yōu)先實施,以實現(xiàn)核心專業(yè)的在線監(jiān)測。智慧維保平臺功能架構(gòu)如圖4所示。

圖4 智慧維保平臺功能架構(gòu)圖

城市軌道交通運行設(shè)備的維保既具有及時性和預(yù)防性的特點,又具有管理協(xié)調(diào)復(fù)雜、可靠性保障要求高的特點。這兩類特點相互交織,互為矛盾。以通信及信號專業(yè)為例,這2個專業(yè)通過從設(shè)備管理和生產(chǎn)組織雙線推進,以設(shè)備狀態(tài)可控、作業(yè)結(jié)果可控、故障定位準確、運維成本可控作為管理目標,依托設(shè)備狀態(tài)感知技術(shù),將部分維護工作從事后緊急搶修模式向事中狀態(tài)變化處理、事前預(yù)知維修模式轉(zhuǎn)換,以有效降低設(shè)備維護工作的響應(yīng)要求和處理難度。應(yīng)通過集成信號、通信生產(chǎn)運行信息及生產(chǎn)輔助信息,構(gòu)建數(shù)據(jù)融合后的業(yè)務(wù)運維協(xié)同功能,基于應(yīng)急聯(lián)動實現(xiàn)從設(shè)備感知到運維人員生產(chǎn)全過程的質(zhì)量及效率的全面提升,基于設(shè)備評估輔助指導設(shè)備狀態(tài)修的維護轉(zhuǎn)型。

3.3 云計算平臺

由于智慧運維需求的不斷增長,大量分散的數(shù)據(jù)資源、IT(信息技術(shù))資源需要靈活利用,需要對實時數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)進行整合。隨著軌道交通線路、設(shè)備系統(tǒng)、車站的增加,面向服務(wù)的云計算技術(shù)優(yōu)勢日益顯著,該技術(shù)具有易于管理、動態(tài)高效、靈活擴展、穩(wěn)定可靠及按需使用等特點,可滿足虛擬化、彈性計算、高效等級安全等要求,并可大幅降低成本。城市軌道交通構(gòu)建線網(wǎng)-車站兩級的云計算平臺,可實現(xiàn)計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源的集約化配置。充分利用云計算資源,可為各系統(tǒng)數(shù)據(jù)的集成、分析及共享提供便利。利用云存儲和云計算中心,通過虛擬化技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器硬件計算資源、存儲資源和軟件資源等的統(tǒng)一管理、統(tǒng)一分配、統(tǒng)一部署及統(tǒng)一備份,可打破單一應(yīng)用對資源的獨占,幫助企業(yè)提高資源管理效率。云平臺兼顧了資源(包括虛機、存儲及網(wǎng)絡(luò)等)、數(shù)據(jù)服務(wù)及應(yīng)用部署3個方面,即專有云平臺包括平臺資源支持與管理、大數(shù)據(jù)分析、應(yīng)用部署管理3個部分,不僅涉及了基礎(chǔ)底座和IaaS(基礎(chǔ)架構(gòu)即服務(wù))服務(wù),更涉及到云超融合PaaS(平臺即服務(wù))和SaaS(軟件即服務(wù))。

4 結(jié)語

通過對車站級、線網(wǎng)級、各業(yè)務(wù)板塊、各設(shè)備專業(yè)的智慧運維應(yīng)用的研究,本文對各地城市軌道交通智慧運維管理的應(yīng)用需求建議如下:

1) 若城市軌道交通項目建設(shè)過程中包含數(shù)字資產(chǎn)建設(shè)的工作,建議采用基于數(shù)字孿生的智慧運維管理方式,將智慧運維業(yè)務(wù)需求與數(shù)字資產(chǎn)相融合,采用智慧運維管理模式統(tǒng)一數(shù)據(jù)資產(chǎn)標準,以盡可能發(fā)揮數(shù)字資產(chǎn)的價值。

2) 智慧運維需要在建設(shè)之初做好統(tǒng)一規(guī)劃。如果項目前期沒能做好頂層架構(gòu)規(guī)劃,沒有部署統(tǒng)一的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、定位系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲及分析平臺等軟硬件設(shè)施,會因未統(tǒng)籌考慮運營周期的完整功能而導致項目后期缺少擴展能力,或無法有效形成統(tǒng)一系統(tǒng),進而增加建設(shè)成本及運維成本。

3) 智慧運維應(yīng)用產(chǎn)品應(yīng)跟據(jù)各城市軌道交通運營管理單位的運營模式、數(shù)字化運用的程度等實際,選擇與之相匹配的解決方案。