轨道交通基于大数据的MOPES课题研究.docx
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轨道交通基于大数据的MOPES课题研究
轨道交通基于大数据的探索与实践
随着我国经济的高速持续发展，我国城市轨道交通市场在未来很长一段时间内都处于建设的高峰期，截止到2015年末，中国共有25座城市开通运营轨道交通线路，已累计建成投入运营线路3618公里，其中，北京、上海、广州至2016年底都超过10条轨道交通线路运营。
网络化运营是城市轨道交通发展的必然结果。
广州地铁线网指挥平台分期建设，利用先进的计算机通信网络平台采集及管理信息，在统一的运营调度规则下，对广州地铁各线的运营进行监视，遇有严重突发事件或影响相邻线路的突发事件发生时，及时进行协调和指挥。
广州轨道交通线网规划了1个线网运营管理指挥中心（万盛围线网指挥中心）、6个不同线路区域控制中心及1个线网后备控制中心（大石临时线网应急指挥中心）。
截止到2016年底，广州轨道交通线网指挥中心已经完成了一期建设，包括工程硬件设施建设（大屏幕及后台处理设备）；完成1\2\3\4\5\6\8\GF\APM，共计9条线的接入，实现对线网行车、电力及设备的线网统筹监控；实现线网指挥中心与区域\线路控制中心通信互联互通。
线网调度指挥平台实现对线网运行进行全面监视，提前预警、及时跨线协调指挥；对线网跨线共用关键设备总体协调，通过线路OCC进行操作。
调度指挥平台分为线网综合监控系统、线网综合应用系统和通信系统。
Ø线网综合监控系统：
通过各OCC主控系统读取线路数据，包括线网列车、牵引供电、防灾报警、主变电站、车站环控、CCTV、客流等信息；
Ø线网综合应用系统：
通过系统数据业务应用，运用COCC值班管理、决策支持、应急指挥、突发事件评估、提高应急处置效率，有效应对突发事件；
Ø通信系统：
包括传输系统、线网调度电话系统、线网拾音视频系统、线网无线统一调度系统、广播系统。
线网指挥平台数据中心在硬件和基础数据上，完成了广州市城市轨道交通的各系统数据汇聚，这就为进一步提升城市轨道系统运营效率提供了实现的可行性。
1大数据概述
麦肯锡全球研究所给出的定义是：
一种规模大到在获取、存储、管理、分析方面大大超出了传统数据库软件工具能力范围的数据集合，具有海量的数据规模、快速的数据流转、多样的数据类型和价值密度低四大特征。
大数据的特点通常用“4V”来概括：
Volume（体积大）、Velocity（速度快）、Variety（种类多）、Virtual（实时性）。
大数据已经在气候学、天文学、生物医学等领域大量应用，而如今正向轨道交通领域扩展。
大数据技术的战略意义不在于掌握庞大的数据信息，而在于对这些含有意义的数据进行专业化处理。
换而言之，如果把大数据比作一种产业，那么这种产业实现盈利的关键，在于提高对数据的“加工能力”，通过“加工”实现数据的“增值”。
从技术上看，大数据与云计算的关系就像一枚硬币的正反面一样密不可分。
大数据必然无法用单台的计算机进行处理，必须采用分布式架构。
它的特色在于对海量数据进行分布式数据挖掘。
但它必须依托云计算的分布式处理、分布式数据库和云存储、虚拟化技术。
大数据技术的成熟应用以及国家战略的重视，很多城市轨道交通行业管理者也开始思考如何挖掘大数据的深度应用价值，DT时代，城市轨道交通运营过程中产生的数据是复杂多样的，数据建立的重要性不言而喻，数据建立之后更为关键的是数据分析。
必须做好这些信息的优化，才能用数据分析的结果指导我们更加智慧的工作和生活，
因此，如何利用大数据挖掘、数据可视化分析等技术更好地建设智慧型轨道交通，是很多这个领域国家机构、行业专家和大数据厂商正在积极研究和分析的新领域。
2轨道交通运营绩效评估
MOPES的全称是MetroOperationalPerformanceEvaluationSystem，意思是城市轨道交通运营绩效评估体系。
MOPES在2009年3月成立，由中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会进行统一管理。
2009年3月成立，中国交通运输协会城市轨道交通专业委员会进行统一管理。
目前有10个城市的11加地铁运营企业参与MOPES体系。
轨道交通运营绩效指标体系
客流指标
运行指标
服务指标
能耗指标
成本指标
安全指标
基础指标
绩效指标
线网指标
车站指标
图1 城市轨道交通运营绩效指标体系框架
指标体系由基础指标和绩效指标两个大类构成，总计117个指标。
其中基础类指标包括线网指标、车站指标两种类型，共计8个指标；绩效指标包括客流指标、运行指标、服务指标、安全指标、能耗指标、成本指标六种类型，共计109个指标。
指标体系也是在实际的应用中不断补充和扩充的。
3大数据在轨道交通中的应用研究
在MOPES的指标体系中，更多的是将数据进行统计分析，单位时间（通常是一年）进行城市轨道交通绩效分析。
在MOPES能耗指标中，共涉及到7个绩效指标，属于“事后”分析，在城市轨道交通中，MOPES也是在不断发展和扩充。
3.1用能与节能
整个城市轨道交通系统里，列车牵引供电系统和通风空调系统是城市轨道交通中最主要的用电大户，分别占到轨道交通系统总能耗的1/2和1/3，节能潜力也相当大。
其它设备系统，也存在一定的节能潜力。
广州市轨道交通运营成本构成图
广州市轨道交通运营成本构成中，电力费占运营成本的41%，工资费、运营费、维修费占59%，因此电能的节省对于整个城市轨道交通运营来说，具有重要的现实意义
3.1.1城市轨道交通用能评价标准
由于不同地域、不同城市的大气气候条件、全年平均气温、温湿度差别很大，各城市轨道交通的运营模式又有所不同，所以目前城市轨道交通没有节能技术标准及评估、评价体系，所以需要建立一套城市轨道交通用能评价标准。
但是一个城市各线路，甚至推广到区域的用能评价体系是可以实现的。
广州市轨道交通数据中心根据数据中心可以根据历年来各线路的用能情况，节能技术应用后的数据对比，建立城市节能技术标准和评估、评价标准。
3.1.2节能专题技术研究
随着城市轨道交通的发展，新增线路的陆续建设，城市轨道交通能耗巨大，而城市轨道交通耗能专业多，节能优化技术应用前景广阔，城市轨道交通节能技术也进入了不断应用和创新的发展黄金期。
基于大数据统计和分析，可以建立多种节能新技术的对比，并且根据线路不同专业节能技术的应用进行优化方案筛选，为后续线路和区域节能技术的推广应用成为可能。
节能技术
节能创新技术
节能效果
通风空调节能技术
通风空调系统运行模式与自动控制的优化
空调系统节能10%~
15%
新型空气—水通风空调系统的应用
直接蒸发式空调系统的应用
再生电能吸收技术
设置再生电能吸收装置回收车辆制动能量
回收25%列车制动能量
给排水节水节电技术
给水压力控制、车辆段水处理优化组合、
冷却水泵变频
综合节能15%~25%
动力照明节能技术
公共区照明采用LED光源
车辆段设置太阳能并网光伏发电系统
综合节能20%
其他节能技术
线路节能坡技术、自动扶梯变频调速技术、列车节能运行模式技术等
节能新技术
3.1.3系统性、综合性节能解决方案
目前城市轨道交通的很多节能技术都是针对单一系统或专业进行设计，缺乏针对城市轨道交通综合和一体化的考虑，未形成系统性、综合性的节能解决方案。
对某一个系统或专业的节能研究只占到一小部分，没有考虑到各个相关专业之间的联系，以及各个专业之间可能会有的互补或者相关的转嫁作用。
可以利用数据中心大数据，建立各系统或专业的综合节能分析。
采用屏蔽门的通风空调系统空调季节系统负荷小，与设置安全门的闭式通风空调系统相比具有节能的优势。
但在非空调季节,由于设置屏蔽门后无法利用列车活塞风对车站进行自然通风，使得其通风能耗高于设置安全门的车站。
可调通风型站台门是屏蔽门与安全门的结合体，空调季节关闭门体上的开口作为屏蔽门使用，非空调季节开启门体上的开口作为安全门使用，从而达到全年节能的目的。
在非空调季通过实时数据AFC系统5分钟或者15分钟进出站客流量，站台公共区温度传感器的实时平均值，作为站台温度调节的前馈信号，BAS系统调节大系统空调和水系统，对比隧道温度和站台温度，联动屏蔽门系统打开或关闭门体上的开口，利用活塞风对车站进行自然通风。
5/15分钟进、出站客流是有相对的延时性，但是可以根据大数据的清分中心统计出车站站台层乘客数量模型，并根据温度传感器和户外温度和隧道温度，来进行BAS对风、水调节，可调通风型站台门系统开或者关闭门体上口联动调节。
3.2优化检修方式
3.2.1概述
城市轨道交通的有序运营离不开现场设备的良好技术状态，这就意味着各系统设备及时可靠保养将起着至关重要的作用。
检修方式是构成检修制度的一个重要组成部分。
从当前运营的城市轨道交通检修方式来看，主要分为两种：
保养性维修和故障性维修。
3.2.2保养性维修
保养维修的计划是根据设备制造者所提供的基础信息来确定的，但同时它也必须与设备当时的运转情况相适应。
如果系统的可靠性比较高，那么保养维修的周期可以相对延长，反之则要相对缩短维修周期。
保养维修具体可以分为以下二种形式：
计划预防修、状态修。
1.计划预防修
计划预防修是指在尚未发生故障之前就对设备进行检修，消除零部件的缺陷和隐患，预防故障的发生。
这种检修制度的检修作业是定期的，检修范围也是固定的，检修所需设备和工器具也相对较固定，无需做大的变更，每年的任务是可以通过计算量化的，可以提前准备检修所需的材料、零件、设备和人力。
2.状态修
状态修是借助于先进的检测与技术诊断设备，在设备或部件出现故障前影响系统运行前，检查和测量主要零部件的技术参数，掌握设备工作状态，并根据事先掌握的设备实际状态，有计划地适时安排适度维修。
即在应该进行修理的时候进行维修，在应该进行修理的部位进行恰到好处的修理，从而快速、经济、有效地达到消除隐患与故障，确保设备良好运行状态。
两种维修方式的对比如下图：
类别
内容
优势
劣势
适用于
计
划
预
防
修
根据事先确定的计划，当达到一个事先确定的时间周期时，对相关设备或系统进行的检查和处理或更换
管理相对简单，计划性强，能保证设备运行良好状态，能确保运营要求
维修成本高、维修周期与深度的合理性一时难以掌握
无备份的且运营要求非常严格的系统和设备。
如道岔、转撤机、接触网等系统和设备
状
态
修
在对设备进行检测的基础上，一旦某一参数超过了事先确定的限定警戒值，则需要介入维修
对症下药，故障设备修复周期短，能保证运营要求
检测工作量较大，检测周期和深度难确定
智能化、集成化较高的设备
3.2.3故障性维修
故障维修是在某个部件出现故障之后所采取的维修方式。
优点在于平时维护工作量最少，维护成本最低。
缺点是要考虑备用设备故初期投资较大，维修周期较长。
适用于对行车、消防安全无直接联系、设备运行稳定且已考虑了足够备份的系统或设备。
如房屋修缮、堵漏、车站一般照明灯具、车站排水等环控设备。
彻底维修
保养维修
计划修
故障维修
比较
保养维修作业
临时维修
监控
调整
检查
状态修
故障维修作业
故障报告
计划
事先确定的
参数警戒值
运营可用设备
3.3维修等级与设备分类
3.3.1维修等级
1、保养维修等级
保养维修是建立在对设备的检查、检测的基础之上的，因此，检查、检测设备的频率和周期以及检测深度是否合理，对设备运行的好坏、运营企业的规模都至关紧要，一般是采取动态管理，视系统设备的稳定性适时做出调整。
保养维修的等级，按检测、保养周期可分为：
日常检查、周检、双周检、月检、季检、半年检和年检。
按保养维修的专业深度划分可分为：
一至五级维修保养。
这其中：
表2-2保养维修等级
一、二级维修
维持性修理。
对设备进行局面性检查、清洗及调整，修复或更换磨损及不能维持使用到下次修理的零部件
三、四级维修
为消除各总成之间技术状态不平衡所进行的一种平衡性修理，以保证设备在大修间隔期内具有良好的技术状况和使用性能
五级维修
恢复性修理。
全面解体检查，修复和更换全部磨损的零部件。
大修后的设备要全面恢复和达到出厂时的设备性能和标准
2、故障维修等级
故障维修作业是由运营直接负责的，它追求在最短时间内完成故障排查、分析和解决。
通常需要外观检查、经验推断、部件替换、启动备用设备、确认故障点、临时性解决或彻底解决等流程。
可分为以下三个等级：
表2-3故障等级
A类故障
影响正常运营、运营安全、乘客服务界面的故障；需立即抢修的故障
B类故障
影响重要系统功能、消防安全的故障，需下达抢修的故障
C类故障
影响系统辅助功能，不影响正常监控的故障，可以在运营结束后维修的故障；其他故障
3.3.2设备分类
将不同系统的每台设备，按其运行状况对运营安全的影响程度，划分成不同的类别，分别对其采取不同的、合理的维修政策，明确恰当的检测周期和深度，并适时调整，是实现控制维修成本的根本手段。
A类设备：
其运行精度、性能变化或故障停修时，将对运营安全、服务水准、运营成本或行车组织秩序等方面产生重大影响，且没有备用的设备。
如接触网（轨）、转辙机、主变压器、数据传输网络、防淹门等。
B类设备：
其运行精度、性能变化或故障停修时，将对运营安全、服务水准、运营成本或行车组织秩序等方面产生较大影响，但可以通过启动备用设备或降级运行来减轻、消除影响。
如区间排水设备、屏蔽门、车站防排烟、AFC设备、BAS、FAS系统、视频监控等。
C类设备：
其运行精度、性能变化或故障停修时，将对运营安全、服务水准、运营成本或行车组织秩序等方面影响不大，可以通过降级运行来消除或减轻影响。
如环控设备、扶梯等。
D类设备：
其运行精度、性能变化或故障停修时，将对运营安全、服务水准、运营成本、行车组织或行车秩序等方面无直接影响。
如各类机加工维修设备、车站内给排水、车辆段内大部分设施等。
3.4基于大数据分析的状态修
从以上维修方式可以看出，采用现代的检测和诊断技术，能够及时发现缺陷和故障，大大减少了传统检修中查找问题的时间，并可根据预知的检修工作范围安排检修时间、检修地点、检修人员和检修工器具。
数据中心接入的基础数据和海量数据存储、处理为状态修提供了可能，可以分专业、分设备、按目前监测技术和手段、设备维修等级来进行状态修划分。
专业
设备名称
故障等级
是否有检测设备
实时监测
统计数据
大数据分析
需要检修
车辆
主电路系统
A
无
有
连续运行时间
品牌、型号、参数、历史故障统计等等
是
牵引制动控制系统
A
无
有
连续运行时间
否
辅助系统
B
无
有
连续运行时间
是
电力
110kV主变压器
A
无
有
连续运行时间
否
整流变
B
无
有
连续运行时间
是
动力变
B
无
有
连续运行时间
否
1500V电动隔离开关
A
无
有
开关次数
是
BAS
TVF隧道风机
C
无
有
连续运行时间、启停次数
否
AHU组合式空调器
C
无
有
连续运行时间
是
TEF排热风机
C
无
有
连续运行时间、启停次数
否
AFC
TVM售票机
C
无
有
连续运行时间
是
闸机
B
无
有
连续运行时间
否
从数据中心中可以利用提取的数据和实时监测数据、检测数据进行汇总分析，合理确定是否需要检修，并可以利用检修样本进行人员的安排、设备部件、备品备件的采购，及相应工器具的准备，实现人、料、机的优化配置。
3.5运营模式优化
目前城市轨道交通的很多运营模式都是根据设计院的通风空调模式来进行运营，但是所有的城市是不是有必要都采用相同的模式运营，基于数据中心数据分析为调整运营模式提供了技术分析手段，为轨道交通优化运营模式提供可能。
3.5.1取消早晚通风
目前已经运营的城市轨道交通地铁线路，都有隧早通风、晚通风模式。
早通风主要是在每天清晨运营前半小时进行，主要作用是利用此时室外冷空气对地铁隧道进行预冷却和通风，排除隧道内夜间维修检修作业产生的污染物；晚通风主要是在夜间收车后，进行半小时排热/机械冷却通风，排除日间列出运行产生的污染物和活塞风没有完全排除的残热余量。
早晚通风模式是关闭车站隧道排风系统，开启车站两端隧道风机及相应风阀，同事向两条隧道送风或排风，其中相邻车站的风机运行方向相反，在区间隧道形成纵向推挽式通风气流，在早晚运营前后进行半小时通风。
在早晚通风模式中，投入运行的隧道风机数量非常多，对一条20座地下车站的线路来说，每天早晚80台隧道风机运行半小时，每台隧道风机按90kW计算，每年的运营费用约为184万，费用较大。
从以上分析来看，早晚通风有两个主要作用：
一是对隧道进行冷却，而是排除污染物。
但是如果隧道的温度和空气质量符合要求，那么还有必要开启隧道风机，进行早晚通风吗？
或者是不是可以优化早晚通风？
有的城市通过实际运营发现，在隧道内加装温度和CO2传感器实时监测隧道内温度和CO2浓度，在符合设计规范要求的情况下，就可以不开启隧道风机，通过活塞风来实现通风换气。
通过数据中心的统计分析，对比开启和关闭早晚通风模式，绘制隧道内温度和CO2浓度曲线，发现不使用早晚通风，对隧道温度和CO2浓度几乎没有影响，则不再使用早晚通风，只是通过月检模式来检查隧道风机是否能够正常运行，全年节约近2千多万元。
数据中心为我们提供了海量数据，也为优化运营模式提供了技术支持的基础，我们可以通过建模和对比数据，探索更多优化运营模式，推动我国轨道交通事业发展和技术进步。
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