楊碩 陳艷鑫

摘要：基于全自動(dòng)運(yùn)行軌道交通系統(tǒng)的理念，為全面掌握列車的運(yùn)行狀態(tài)和科學(xué)維護(hù)，研究開發(fā)全自動(dòng)運(yùn)行車輛調(diào)度管理系統(tǒng)，為線路的可靠運(yùn)營(yíng)提供保障。系統(tǒng)以列車為原點(diǎn)出發(fā)，通過(guò)軟件硬件相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、遠(yuǎn)程控制和運(yùn)維決策等功能。本文從系統(tǒng)的構(gòu)建到以期實(shí)現(xiàn)的功能，全面闡述了全自動(dòng)運(yùn)行車輛調(diào)度管理系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容，并對(duì)本系統(tǒng)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：全自動(dòng)運(yùn)行;軌道交通;狀態(tài)監(jiān)測(cè);車輛調(diào)度;運(yùn)維支持

1? 概述

隨著軌道交通的智能化發(fā)展和列車運(yùn)行控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平不斷提高，城市軌道交通系統(tǒng)正向全自動(dòng)運(yùn)行（FAO）快速演進(jìn)。巴黎、新加坡、洛桑等城市多條線路已采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)，預(yù)計(jì)2025年全球?qū)⒂?300km全自動(dòng)運(yùn)行線路。目前我國(guó)也有線路開通了全自動(dòng)運(yùn)行，如北京燕房線、上海10號(hào)線，更有蘇州、南京、成都等多座城市的地鐵線路正在建或計(jì)劃采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)。無(wú)人駕駛的情況下，運(yùn)營(yíng)中的列車與地面OCC的信息交互及處理，是保障運(yùn)營(yíng)安全的重要環(huán)節(jié)，所以在設(shè)置行車調(diào)度的同時(shí)，增設(shè)車輛調(diào)度，對(duì)在線運(yùn)營(yíng)的列車狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。本文提出方案，構(gòu)建全自動(dòng)運(yùn)行車輛調(diào)度管理系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱“本系統(tǒng)”），為控制中心對(duì)在線列車的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行故障的診斷、遠(yuǎn)程控制及運(yùn)維決策等方面提供手段，同時(shí)與信號(hào)、通信、PIS、CCTV等系統(tǒng)可靠配合、聯(lián)動(dòng)，以期在全自動(dòng)運(yùn)行的大背景下，提高列車運(yùn)行的安全性與可靠性。

2? 系統(tǒng)構(gòu)成

構(gòu)建本系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集硬件、數(shù)據(jù)處理服務(wù)器集群及數(shù)據(jù)傳輸通道、系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)幾個(gè)關(guān)鍵模塊為出發(fā)點(diǎn)。

2.1 數(shù)據(jù)采集硬件

2.1.1 車載設(shè)備信息采集

車載設(shè)備的信息采集對(duì)象除常規(guī)的列車自身各子系統(tǒng)如牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、受電弓系統(tǒng)等系統(tǒng)的控制單元數(shù)據(jù)外，還包含了車載輔助監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)，如目前較為熱門的主/被動(dòng)障礙物探測(cè)設(shè)備、脫軌檢測(cè)設(shè)備、車載受電弓動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備、弓網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備等等。

2.1.2 軌旁設(shè)備信息采集

這里所說(shuō)的軌旁設(shè)備，主要是指安裝于車輛段、停車場(chǎng)及正線上的位于軌旁用來(lái)監(jiān)測(cè)列車的設(shè)備。這些設(shè)備是在“外面的”角度監(jiān)測(cè)列車的狀態(tài)，在列車運(yùn)行通過(guò)時(shí)，基于機(jī)器視覺(jué)、振動(dòng)分析、位移分析、圖像分析、紅外測(cè)溫、激光等傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)列車的物理特性是否存在問(wèn)題，對(duì)車輛的表面損傷、姿態(tài)、溫度等信息進(jìn)行采集并將狀態(tài)、報(bào)警等信息發(fā)送給服務(wù)器集群。

2.2 數(shù)據(jù)處理服務(wù)器集群

采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心的服務(wù)器集群，服務(wù)器是大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、處理的平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)、軌旁數(shù)據(jù)的整合，具備數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)整合、查詢?cè)L問(wèn)、數(shù)據(jù)分析等功能，并提供完全并行的處理架構(gòu)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理性能、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)訪問(wèn)能力、完善的混合負(fù)載管理能力、穩(wěn)定可靠高可用的保護(hù)能力，高效支撐智能查詢、智能報(bào)表等大數(shù)據(jù)分析查詢應(yīng)用。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸通道

2.3.1 車載設(shè)備信息的傳輸

車載數(shù)據(jù)通過(guò)列車既有的車地?zé)o線通道傳輸，目前主流的車地?zé)o線通道傳輸有WLAN和LTE傳輸，基于安全性的考慮，非監(jiān)控視頻類的數(shù)據(jù)通過(guò)信號(hào)系統(tǒng)的LTE傳輸，監(jiān)控視頻類數(shù)據(jù)通過(guò)PIS系統(tǒng)的WLAN傳輸，在控制中心分別由信號(hào)系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)的服務(wù)器匯集至本系統(tǒng)服務(wù)器集群。

2.3.2 軌旁設(shè)備信息的傳輸

軌旁數(shù)據(jù)通過(guò)專用通信OTN專網(wǎng)傳輸，在控制中心由通信系統(tǒng)服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至本系統(tǒng)服務(wù)器集群。

2.4 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)

本系統(tǒng)不是獨(dú)立存在的，與信號(hào)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)存在密切的聯(lián)動(dòng)，如對(duì)列車故障的處置、遠(yuǎn)程控制等要與信號(hào)系統(tǒng)的行車指令相結(jié)合，如列車觸發(fā)緊急對(duì)講、煙火報(bào)警、旋動(dòng)緊急手柄等動(dòng)作時(shí)與PIS、CCTV系統(tǒng)配合推送相應(yīng)位置攝像頭圖像至工作站，等等。

3? 系統(tǒng)功能

基于以上構(gòu)架，本系統(tǒng)可開發(fā)實(shí)現(xiàn)多種功能，下設(shè)車輛調(diào)系統(tǒng)、車輛運(yùn)維系統(tǒng)、車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)圖如圖1。

3.1 車輛調(diào)系統(tǒng)

車輛調(diào)定位于實(shí)時(shí)運(yùn)營(yíng)支持，在車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)保障車輛安全平穩(wěn)運(yùn)行。

3.1.1 實(shí)時(shí)監(jiān)控

車輛調(diào)前端顯示界面調(diào)取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，并會(huì)注明信息監(jiān)測(cè)的來(lái)源。以列車為中心顯示，便于操作人員全面地感知車輛的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，可顯示所有在線運(yùn)營(yíng)車輛的基本運(yùn)營(yíng)信息（列車號(hào)、車次號(hào)、速度、網(wǎng)壓、主風(fēng)壓力、蓄電池電壓、速度、站距等）、旁路開關(guān)狀態(tài)、車載和車輛軌旁監(jiān)測(cè)故障清單等。

3.1.2 故障診斷

系統(tǒng)將車載故障數(shù)據(jù)和軌旁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，按故障性質(zhì)或者所屬子系統(tǒng)進(jìn)行分類，提供多種方式排列查看，如項(xiàng)目號(hào)，故障發(fā)生時(shí)間，故障名稱，故障編號(hào)，所屬子系統(tǒng)、采集渠道等。對(duì)于嚴(yán)重故障，以醒目顏色的形式進(jìn)行標(biāo)注提醒。對(duì)于當(dāng)前發(fā)生的故障信息，系統(tǒng)建立故障的邏輯模型，實(shí)時(shí)診斷故障是由什么條件產(chǎn)生的，故障的邏輯診斷是怎樣的，故障發(fā)生后，系統(tǒng)明確給出故障發(fā)現(xiàn)的原因，并給出運(yùn)營(yíng)與維修建議。

3.1.3 遠(yuǎn)程控制

系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)置在控制中心的控制終端對(duì)列車進(jìn)行部分功能的遠(yuǎn)程控制，例如：空調(diào)溫度遠(yuǎn)程設(shè)定、受電弓遠(yuǎn)程升/降、照明遠(yuǎn)程開關(guān)、牽引系統(tǒng)故障遠(yuǎn)程復(fù)位、輔助系統(tǒng)故障遠(yuǎn)程復(fù)位、斷路器遠(yuǎn)程復(fù)位、遠(yuǎn)程強(qiáng)制自檢通過(guò)等。

3.1.4 視頻聯(lián)動(dòng)

當(dāng)車輛發(fā)生故障、煙火報(bào)警或有乘客觸發(fā)緊急對(duì)講、旋動(dòng)緊急手柄時(shí)，車輛調(diào)系統(tǒng)通過(guò)與PIS和CCTV系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制，將相關(guān)區(qū)域的視頻畫面推送至顯示終端，幫助操作人員遠(yuǎn)程準(zhǔn)確的處理故障。

3.2 運(yùn)維系統(tǒng)

運(yùn)維系統(tǒng)是車輛健康評(píng)估、故障提前預(yù)測(cè)與檢修管理，保障車輛即將發(fā)生的故障提前感知并進(jìn)行診斷維修，有以下幾個(gè)功能。

3.2.1 健康評(píng)分

基于車輛設(shè)計(jì)思想，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，建立列車健康指數(shù)評(píng)估體系，進(jìn)而依據(jù)該體系，按各系統(tǒng)分權(quán)重綜合建立大數(shù)據(jù)分析探索模型，對(duì)車輛健康狀態(tài)進(jìn)行客觀準(zhǔn)確評(píng)估，根據(jù)不同程度的得分給出列車相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)建議。

3.2.2 故障預(yù)警

系統(tǒng)具有車輛預(yù)警功能，系統(tǒng)采用自學(xué)習(xí)與故障機(jī)理分析融合的算法，根據(jù)大量歷史車載數(shù)據(jù)的積累，綜合給出故障預(yù)警的算法模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛故障的準(zhǔn)確預(yù)警，也可根據(jù)當(dāng)前實(shí)時(shí)的車載數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)列車在未來(lái)時(shí)間內(nèi)的故障發(fā)生機(jī)率。

3.2.3 統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)維系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)各重要的關(guān)鍵指標(biāo)，比如故障、能耗、里程等?？梢园凑詹煌瑫r(shí)間段、不同部件等多維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。對(duì)各類數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行組合對(duì)比，為用戶提供自主分析的功能，達(dá)到輔助決策、支撐運(yùn)營(yíng)管理的目的。

3.2.4 檢修管理

系統(tǒng)可按計(jì)劃或故障觸發(fā)等方式自動(dòng)生成檢修和故障工作單，可以對(duì)列車檢修后的狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，并具備根據(jù)列車最新狀態(tài)給出調(diào)整維護(hù)周期及工藝的建議和意見功能。同時(shí)能對(duì)作業(yè)人員、地點(diǎn)、檢修策略、檢修方案等要素進(jìn)行管理。支持按照部位、類別、故障等不同的類型實(shí)現(xiàn)故障代碼體系的層次化維護(hù)，自動(dòng)根據(jù)故障類別推薦相關(guān)的原因代碼與處理意見。

3.2.5 運(yùn)維決策

通過(guò)列車大數(shù)據(jù)積累，系統(tǒng)可以更準(zhǔn)確的判斷列車的健康狀態(tài)，與檢修規(guī)程結(jié)合，提供列車的狀態(tài)修和預(yù)防修等運(yùn)維決策。

3.3 車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)定位于監(jiān)測(cè)列車狀態(tài)的輔助系統(tǒng)，負(fù)責(zé)上述軌旁設(shè)備信息的采集及初步分析處理，在列車運(yùn)行通過(guò)軌旁監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，以列車為單位自動(dòng)采集走形部、車頂、車側(cè)、車底、受電弓的異物、缺損、姿態(tài)等狀態(tài)信息，并能根據(jù)異常按車號(hào)、部位、時(shí)間進(jìn)行分析報(bào)警，將監(jiān)測(cè)及初步分析結(jié)果上傳到控制中心的服務(wù)器集群。

3.3.1 輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

輪對(duì)故障動(dòng)態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)安裝在車輛段/停車場(chǎng)入庫(kù)線上，由車輪外形幾何尺寸檢測(cè)子系統(tǒng)、車輪擦傷（與鋼軌接觸區(qū)域）檢測(cè)子系統(tǒng)、車輪踏面缺陷動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)測(cè)、輪軌振動(dòng)監(jiān)測(cè)等子系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)能夠檢測(cè)車輪外形幾何尺寸、踏面擦傷、車輪踏面表面部缺陷、輪緣厚度、輪緣高度、車輪直徑、車輪不圓度、輪對(duì)內(nèi)測(cè)距等功能。

3.3.2 全車360°動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

列車全車360°動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝在車輛段/停車場(chǎng)入庫(kù)線上，采用圖像分析的手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)走行部、車側(cè)、車頂、受電弓及其他關(guān)鍵部件工作狀態(tài)進(jìn)行全面監(jiān)測(cè)，包括但不限于螺栓螺母的松動(dòng)及丟失，各類管線脫落，車頂異物侵入，車地懸掛設(shè)備、牽引電機(jī)、齒輪箱等關(guān)鍵部件脫落、丟失、變形等，對(duì)異常情況進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警。

3.3.3 受電弓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

受電弓在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝于線路運(yùn)營(yíng)正線上，利用多個(gè)高速、高分辨率的相機(jī)以及高精度傳感器，采用激光定位技術(shù)，精確采集受電弓和絕緣子等主要部件的圖像，通過(guò)圖像識(shí)別及結(jié)構(gòu)光技術(shù)，對(duì)受電弓的常見故障（碳滑板磨耗、偏磨、掉塊等）、異常的部件（如絕緣子的外觀，滑板裂紋、異物、平行度、偏轉(zhuǎn)角度等）、受電弓結(jié)構(gòu)變化、受電弓姿態(tài)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并報(bào)警。

3.3.4 走行部紅外溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

列車在運(yùn)行中，滾動(dòng)軸承、齒輪箱、電機(jī)等關(guān)鍵部件均會(huì)產(chǎn)生溫升，溫度超限會(huì)極大影響行車安全，如果不能在線及時(shí)監(jiān)測(cè)到異常的高溫就會(huì)出現(xiàn)滾子脫落、斷軸等直接危及行車安全的事故。針對(duì)此種情況，我們采用紅外技術(shù)動(dòng)態(tài)采集在線列車的軸承部位、齒輪箱部位、電機(jī)部位溫度，列車溫度異常時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，能夠以紅外熱圖方式顯示溫度信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)在線列車溫度的安全監(jiān)控。

4? 展望

本系統(tǒng)的將車載、軌旁數(shù)據(jù)融合至同一平臺(tái)，采用大數(shù)據(jù)的理念進(jìn)行分析處理、智能決策，尤其是針對(duì)采用全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的線路，系統(tǒng)提供了列車在線運(yùn)行的全方位狀態(tài)監(jiān)控及計(jì)劃性運(yùn)維，符合當(dāng)前智能化的大趨勢(shì)，當(dāng)然技術(shù)的完善逐步優(yōu)化的，在現(xiàn)有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，仍需在以下幾個(gè)方面深入研究。

4.1 系統(tǒng)的可靠性

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)中的列車行駛在線路上，一切常規(guī)的監(jiān)視和操控均在遠(yuǎn)程進(jìn)行，無(wú)疑本系統(tǒng)成為了列車的“眼睛”，系統(tǒng)的可靠性是安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)，如何提升系統(tǒng)的可靠性，除增加系統(tǒng)的冗余性外，還需要繼續(xù)深入的分析完善各項(xiàng)功能，在方案落地后根據(jù)試驗(yàn)、運(yùn)營(yíng)的實(shí)際情況探索優(yōu)化。

4.2 數(shù)據(jù)的積累

本系統(tǒng)部分功能的實(shí)現(xiàn)，如運(yùn)維決策功能是需要通過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累，可以更準(zhǔn)確的判斷列車的健康狀態(tài)，再將列車健康狀態(tài)與檢修進(jìn)行關(guān)聯(lián)性匹配，并給出調(diào)整維護(hù)周期及工藝的建議，所以數(shù)據(jù)的積累和系統(tǒng)學(xué)習(xí)是持續(xù)的。

4.3 系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)配合

軌道交通線路項(xiàng)目中，列車與信號(hào)、通信、綜合監(jiān)控系統(tǒng)是緊密互動(dòng)的，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)尤甚。相關(guān)專業(yè)在可視化的終端處又會(huì)設(shè)置行調(diào)、車輛調(diào)、乘客調(diào)、環(huán)調(diào)等作業(yè)角色，所以各專業(yè)間的職能界面和功能聯(lián)動(dòng)是需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)營(yíng)方案及時(shí)調(diào)整優(yōu)化的，這里說(shuō)的優(yōu)化某種意義上也可以理解為簡(jiǎn)化，使系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、高效是智能化的有力支撐。

4.4 線網(wǎng)化

隨著線網(wǎng)的建設(shè)，如何做到數(shù)據(jù)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，服務(wù)于網(wǎng)間的多條線路，做到互聯(lián)互通也是本系統(tǒng)接下來(lái)的深入研究方向。同時(shí)整個(gè)線網(wǎng)的數(shù)據(jù)又能反哺系統(tǒng)，使系統(tǒng)更為有效地學(xué)習(xí)與自我完善，更精準(zhǔn)的服務(wù)線網(wǎng)。

5? 結(jié)論

全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)是未來(lái)軌道交通的一個(gè)重要發(fā)展方向，在既有技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文論述的全自動(dòng)運(yùn)行車輛調(diào)度管理系統(tǒng)是可行的，為列車安全的自動(dòng)行駛和智能運(yùn)維提供了有力支撐，當(dāng)然，對(duì)系統(tǒng)的可靠性、實(shí)用性、多維化、智能化是我們持續(xù)關(guān)注并探索的目標(biāo)。后期通過(guò)實(shí)際運(yùn)營(yíng)的驗(yàn)證、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)彈性和智能化水平的原理、方法和技術(shù)后，相信可以為軌道交通事業(yè)科學(xué)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李猛，張艷兵，徐成永，郭澤闊.全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)地鐵車輛關(guān)鍵技術(shù)[J].都市快軌交通，2018，31（1）：123-128.

[2]寧濱，郜春海，李開成，張強(qiáng).中國(guó)城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)技術(shù)及應(yīng)用[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，43（1）：1-6.

[3]郜春海，王偉，李凱，等.全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)及建議[J].都市快軌交通，2018，31（1）：51-57.

[4]張海濤，梁汝軍.地鐵列車全自動(dòng)無(wú)人駕駛系統(tǒng)方案[J].城市軌道交通研究，2015（5）：33-37.