詹 煒 徐永能 王依蘭

（南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094）

引言

隨著我國(guó)對(duì)各大城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷加大，全國(guó)各主要城市軌道交通得到快速發(fā)展，我國(guó)城市軌道交通客流也隨之快速增長(zhǎng)，客流量不斷增長(zhǎng)要求車輛上線數(shù)量逐步提升。與此同時(shí)，為保障城市軌道交通車輛運(yùn)行性能安全可靠，車輛必須定期進(jìn)行架修或大修作業(yè)，這必然導(dǎo)致需架修或大修的車輛停在維修基地不能上線運(yùn)行，會(huì)出現(xiàn)車輛需求量大與車輛需下線維修而引發(fā)的車輛供給不足的供需矛盾問(wèn)題。為此，城市軌道交通車輛運(yùn)維行業(yè)急需一種能實(shí)現(xiàn)城市軌道車輛智能運(yùn)維的信息化平臺(tái)來(lái)縮短維修時(shí)間，提高車輛上線率。

1 智能運(yùn)維系統(tǒng)概述

上世紀(jì)70年代起，美軍將狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)引入到武器裝備中，由此開(kāi)啟了大型設(shè)備系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）研究的開(kāi)端。在隨后四十幾年的發(fā)展中，PHM已經(jīng)在航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)、風(fēng)電水電機(jī)組系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康管理、電池健康管理等方面取得了重要進(jìn)展[1]，且近年來(lái)越來(lái)越呈現(xiàn)出集成化發(fā)展的趨勢(shì)。智能運(yùn)維系統(tǒng)即是以PHM技術(shù)為核心的高度集成的信息化系統(tǒng)。

智能運(yùn)維是指利用先進(jìn)傳感技術(shù)獲取被管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)信息，并借助大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段及模糊邏輯等推理算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和環(huán)境因素等，對(duì)被管理系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)，與此同時(shí)，對(duì)被管理系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，結(jié)合維修基地維修資源情況，給出合適的維修決策，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件的狀態(tài)修[2]。

2 城市軌道交通車輛維修現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

城市軌道交通車輛是一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)，涵蓋了機(jī)械、電氣、材料等多種學(xué)科，因此，深入分析城市軌道交通車輛維修現(xiàn)狀及問(wèn)題，可對(duì)城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)及技術(shù)框架搭建提供支持。

2.1 現(xiàn)狀

城市軌道交通是一個(gè)城市的交通骨架，在疏導(dǎo)交通、引導(dǎo)城市發(fā)展格局上起到了重要作用。城市軌道交通車輛作為城市軌道交通企業(yè)重要的運(yùn)營(yíng)維護(hù)對(duì)象，如何更好的平衡車輛供需這一矛盾體，是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)之一。以國(guó)內(nèi)某地鐵公司為例，其投入使用的車輛多為中國(guó)中車公司制造，都安裝了傳感器，用于采集車輛運(yùn)行時(shí)某些關(guān)鍵部件的狀態(tài)信息，且車上均安裝了EVR系統(tǒng)，車輛回庫(kù)待檢時(shí)，工程師可下載故障數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)。

2.2 存在的問(wèn)題

相對(duì)于智能運(yùn)維系統(tǒng)在電力系統(tǒng)及航空系統(tǒng)的成熟應(yīng)用，在城市軌道交通車輛上智能運(yùn)維系統(tǒng)的應(yīng)用還存在諸多不足，需從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步完善和提升。

2.2.1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)種類不全

城市軌道交通車輛上傳感器多安裝于制動(dòng)系統(tǒng)、車門(mén)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部件不全。而對(duì)車輛安全行駛及乘客舒適度影響最大的走行部，目前沒(méi)有更好的監(jiān)測(cè)手段。特別是針對(duì)走行部軸箱軸溫是否異常的檢測(cè)，僅限于在軸箱外部貼溫度試紙的方法，待車輛回庫(kù)后，由日常檢修人員觀測(cè)記錄。這種方法無(wú)法獲得車輛運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)軸溫?cái)?shù)據(jù)，在軸溫異常時(shí)也無(wú)法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，具有很大的安全隱患。

2.2.2 過(guò)修欠修

目前我國(guó)大部分城市軌道交通企業(yè)對(duì)于車輛維修常分為日檢、周檢、雙周檢、月檢、半年檢、架修、大修等修程修制，極易出現(xiàn)過(guò)修情況，造成成本浪費(fèi)。由于大部分城市軌道交通企業(yè)未對(duì)車輛各部件或零件建立維修數(shù)據(jù)庫(kù)，可能會(huì)出現(xiàn)某部件或零件已達(dá)到需維修或更換的閾值，卻因?yàn)闄z修人員按照規(guī)程不予以維修或更換，造成欠修情況，形成安全隱患。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為基于狀態(tài)的預(yù)防性維修是解決過(guò)修欠修問(wèn)題的方法之一。

2.2.3 故障誤報(bào)

本世紀(jì)頭十年，為解決傳感器安裝空間受限及關(guān)鍵部件技術(shù)受限無(wú)法安裝傳感器的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)一些城市軌道交通企業(yè)采用軌旁紅外測(cè)試的方法來(lái)測(cè)定經(jīng)過(guò)車輛的運(yùn)行參數(shù)，以達(dá)到近似預(yù)警故障的目的。然而，由于城市軌道交通車輛運(yùn)行環(huán)境惡劣，軌道振動(dòng)較大等對(duì)紅外裝置影響較大，測(cè)定設(shè)備自身可靠性不高，造成誤報(bào)率很高。近幾年，城市軌道交通車輛開(kāi)始嘗試在一些部件直接加裝傳感器，但由于城市軌道交通車輛運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、啟停頻繁等原因，車門(mén)傳感器等會(huì)出現(xiàn)故障誤報(bào)的情況。

2.2.4 未能建立故障預(yù)測(cè)模型

目前的故障診斷主要是在車輛發(fā)生故障后，由調(diào)度將車調(diào)回相應(yīng)的維修庫(kù)，由經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師對(duì)系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，憑借自身經(jīng)驗(yàn)判斷故障類型和故障程度，做出維修決策。這種診斷方法受個(gè)人主觀因素影響較大，由于沒(méi)有建立故障預(yù)測(cè)模型，不能實(shí)現(xiàn)趨勢(shì)預(yù)警、突變預(yù)警等，且故障預(yù)測(cè)率為零。

2.2.5 其他

我國(guó)城市軌道交通車輛維修系統(tǒng)信息化不足，故障診斷及維修主要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師及一線員工，處于事后維修階段，不能實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)健康狀態(tài)管理。

3 城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)

在對(duì)城市軌道交通車輛維修現(xiàn)狀和不足充分分析后，本文研究的城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)至少包括如下幾種功能：實(shí)現(xiàn)車輛關(guān)鍵部件在線智能監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸與處理、智能診斷、智能排障、整車及關(guān)鍵部件剩余壽命預(yù)測(cè)等主要功能和維修前備品備件準(zhǔn)備及維修計(jì)劃修訂等輔助功能。

圖1 城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流程圖

圖2 城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)框架圖

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作流程如圖1所示。通過(guò)在城市軌道交通車輛關(guān)鍵部件加裝多種微型復(fù)合傳感器，如溫度傳感器、振動(dòng)傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器等獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在傳感器采集到數(shù)據(jù)后傳到隨車的數(shù)據(jù)中心，隨車數(shù)據(jù)中心利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)融合算法對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理，簡(jiǎn)化后續(xù)數(shù)據(jù)處理難度，隨后通過(guò)車地通信系統(tǒng)將預(yù)處理后的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸給地面數(shù)據(jù)處理中心；地面數(shù)據(jù)處理中心利用數(shù)據(jù)融合算法提取數(shù)據(jù)特征，通過(guò)對(duì)特征提取后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，并將這一數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫(kù)；與此同時(shí)，對(duì)特征提取后的數(shù)據(jù)利用人工智能判斷其是否出現(xiàn)故障，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)及產(chǎn)品參數(shù)模型等預(yù)測(cè)故障的部位、類型等，隨后系統(tǒng)內(nèi)部及時(shí)修訂維修計(jì)劃，調(diào)配備品備件及相關(guān)人員對(duì)故障車輛保障維修；若系統(tǒng)控制中心判斷未出現(xiàn)故障情況，則系統(tǒng)進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

圖1所示城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)工作流程需通過(guò)圖2所示城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)框架來(lái)實(shí)現(xiàn)。由前所述可知，智能運(yùn)維系統(tǒng)是一個(gè)信息化程度高，涉及專業(yè)繁多的綜合性信息化平臺(tái)。這種智能運(yùn)維系統(tǒng)會(huì)直接改變現(xiàn)有城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司的車輛管理模式，對(duì)車輛運(yùn)營(yíng)管理更加高效簡(jiǎn)潔，促進(jìn)各部門(mén)融合，減少各部門(mén)信息接口，降低管理成本。這是當(dāng)前國(guó)內(nèi)已網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通企業(yè)車輛管理模式發(fā)展趨勢(shì)之一。

如圖2所示，該系統(tǒng)由“數(shù)據(jù)采集層”、“中心數(shù)據(jù)庫(kù)”和“操作界面層”等三個(gè)層面構(gòu)成。在操作界面上，應(yīng)至少包括“綜合查詢”、“監(jiān)控界面”、“故障預(yù)警”、“知識(shí)庫(kù)維護(hù)”、“工卡界面”等供一線車輛維修人員及工程師操作。中心數(shù)據(jù)庫(kù)中，包含必要的維修知識(shí)庫(kù)、廠家提供的檢修手冊(cè)、各關(guān)鍵部件的故障預(yù)測(cè)模型庫(kù)、各關(guān)鍵部件的分析模型庫(kù)及監(jiān)控規(guī)則庫(kù)。數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)來(lái)源包括車載數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)及外部數(shù)據(jù)等三部分。以上所述各硬件軟件最終實(shí)現(xiàn)“數(shù)據(jù)采集”、“狀態(tài)監(jiān)測(cè)”、“健康評(píng)估”、“故障預(yù)警”、“決策輔助”等五個(gè)功能。

4 城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用展望

城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中還存在以下五個(gè)技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)需要解決。

4.1 確定需監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部件

城市軌道交通車輛是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，因此如何定義關(guān)鍵部件是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。由于城市軌道交通本質(zhì)上是面向社會(huì)的具有公益性質(zhì)的非營(yíng)利性運(yùn)輸方式，是公共交通的重要組成部分。城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司的主要目的是在保障車輛運(yùn)營(yíng)安全及運(yùn)營(yíng)成本最小的前提下，最大限度的提高運(yùn)輸效率。因此，可按照車輛運(yùn)營(yíng)安全、運(yùn)營(yíng)秩序、乘客舒適度等原則和重要程度順序來(lái)確定需監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵部件。

4.2 確定關(guān)鍵部件健康管理特征量

根據(jù)關(guān)鍵部件的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗(yàn)，確定關(guān)鍵部件健康管理的特征量。一般地，若一個(gè)狀態(tài)監(jiān)測(cè)量與該部件物理失效機(jī)理直接相關(guān)，則以該狀態(tài)監(jiān)測(cè)量作為該關(guān)鍵部件的健康管理特征量；若該關(guān)鍵部件過(guò)于復(fù)雜，無(wú)法或很難測(cè)定與部件失效機(jī)理直接相關(guān)的物理量，則可通過(guò)對(duì)多種狀態(tài)監(jiān)測(cè)量融合來(lái)建立該部件的虛擬健康管理特征量。

4.3 確定安裝傳感器的種類和位置

根據(jù)已確定的關(guān)鍵部件健康管理特征量來(lái)確定應(yīng)布置在各關(guān)鍵部件的傳感器種類及位置。作為承擔(dān)城市公共交通主干運(yùn)輸?shù)某鞘熊壍澜煌ㄜ囕v，其對(duì)安全性要求苛刻，這導(dǎo)致傳感器安裝位置要求隨之提高。例如，對(duì)于車輛轉(zhuǎn)向架，城市軌道交通車輛生產(chǎn)商多要求不能隨意鉆孔，以保證其安全性能，故安裝在轉(zhuǎn)向架的傳感器多采用強(qiáng)力膠貼在構(gòu)架上。其次，車上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置需考慮車輛實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，不能出現(xiàn)脫落等現(xiàn)象影響車輛運(yùn)行。最后，應(yīng)考慮各關(guān)鍵部件實(shí)際工作環(huán)境，選擇與之相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)方案。

4.4 確定數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩類，一類為車上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸方式，一類為車地間數(shù)據(jù)傳輸方式。對(duì)于車上檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸方式，可選擇采用新增以太網(wǎng)的方式，將加裝的數(shù)據(jù)與車上原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)車輛在線故障預(yù)警和智能診斷。對(duì)于車地間數(shù)據(jù)傳輸，可通過(guò)車輛離線后人工數(shù)據(jù)下載、無(wú)線通信數(shù)據(jù)傳輸或軌旁電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞綄㈩A(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心。建議對(duì)于關(guān)鍵部件的關(guān)鍵特征量，利用5G通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸；對(duì)于數(shù)據(jù)量較大的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其相關(guān)的環(huán)境參數(shù)可通過(guò)車輛離線后人工數(shù)據(jù)下載的方法傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心。

4.5 建立地面數(shù)據(jù)處理中心

在前述步驟完成的前提下，建議建立地面數(shù)據(jù)處理中心。該中心為城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)的核心，可對(duì)傳輸?shù)皆撝行牡臄?shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，開(kāi)展數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)等工作，是實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件健康管理的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)是城市軌道交通車輛專業(yè)實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)的預(yù)防性維修的重要手段之一，該系統(tǒng)可以顯著降低維修保障費(fèi)用，大幅提高維修保障效率，提高設(shè)備可靠性。對(duì)于城市軌道交通車輛專業(yè)將具有以下意義：

（1）通過(guò)減少備件、保障設(shè)備、維修人力等保障資源需求，降低維修保障費(fèi)用[3]；

（2）通過(guò)減少過(guò)度維修次數(shù)，特別是計(jì)劃外維修次數(shù)，縮短設(shè)備全生命周期中維修時(shí)間，提高車輛上線率；

（3）通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及故障診斷，減少車輛上線期間故障引起的風(fēng)險(xiǎn)，保障運(yùn)營(yíng)安全。