徐勇烈

0 引言

新基建時代的熱點將由傳統(tǒng)方式向數(shù)智化轉(zhuǎn)型，軌道交通的數(shù)智化是大勢所趨。新的應用潮流將產(chǎn)生新的建設(shè)、管理、維護模式。

軌道交通“數(shù)智化”依托人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動化設(shè)備等，實現(xiàn)傳統(tǒng)業(yè)務的進化與升級，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以機器為抓手，提供快捷服務，重塑業(yè)務價值等，完成傳統(tǒng)業(yè)務的轉(zhuǎn)型。其不僅僅是對傳統(tǒng)的業(yè)務、系統(tǒng)、技術(shù)、動態(tài)化計算、移動化技術(shù)的簡單疊加，而且是需要更進一步地融合各種業(yè)務場景的服務化、信息化、智慧化應用[1～5]。軌道交通數(shù)智化依托核心技術(shù)，以數(shù)據(jù)、場景為驅(qū)動，基于業(yè)務，面向服務，打造一站式、可擴展的數(shù)智化平臺?；趫鼍把莼摹皵?shù)智化+全行業(yè)”解決方案，可簡化施工項目的構(gòu)建、實施和管理工作，縮短項目工期，大幅節(jié)約項目成本，聚焦于數(shù)智化業(yè)務的設(shè)計與開發(fā)，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)數(shù)智化賦能[6～12]。

1 軌道交通數(shù)智化依托技術(shù)

1.1 人工智能

新基建時代“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念已在各行業(yè)得到了應用，數(shù)智化得到了越來越廣泛的重視。人工智能的層次有弱、強與超人工智能3 種，軌道交通行業(yè)目前處在弱人工智能階段，作用于特定的場景，涉及的領(lǐng)域包括自動化裝備、視覺辨別、智能語音等。人工智能作為一個賦能載體正在有力地推動產(chǎn)業(yè)的換代升級[13～18]。

人工智能在工程中的應用以信息要素為基礎(chǔ)，貫穿于項目的全過程。目前，人工智能可應用在進度管理、人員管理、成本管理、安全管理、機械設(shè)備管理等方面，且針對人員、設(shè)備、材料和現(xiàn)場等要素展開，其對工程施工質(zhì)量起到關(guān)鍵作用[19，20]。行業(yè)對人工智能的認知逐漸從“提升效益”“協(xié)助管理”上升為對社會建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的保護。

1.2 云計算技術(shù)

目前，數(shù)字化工程建設(shè)實施中廣泛應用的分析方法大多使用單臺計算機進行本地化分析，然而隨著工程越來越復雜、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)越來越豐富，單臺計算機本地化分析方法可能難以滿足實時分析的要求[21～23]。伴隨云計算和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，基于云計算的模型分析方法開始在數(shù)字化施工中逐步得到應用實踐。

云計算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計算方式，將共享的軟硬件資源和信息按需提供給客戶端設(shè)備，用戶按需求彈性地向云計算提供商購買資源和空間進行計算、存儲及分析服務[24]。云計算主要通過部署在云端的服務器和用戶使用的客戶端實現(xiàn)，其中云端服務器負責數(shù)據(jù)的集成、存儲、分析等，客戶端負責應用不同載體進行信息采集、模型展現(xiàn)。云端服務器通過分布式文件系統(tǒng)存儲各類文檔，采用分布式數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

1.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)是指無法在一定時空范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處理，需要采用結(jié)構(gòu)化獲取、系統(tǒng)化處理的海量、高增長率和多樣化的數(shù)據(jù)集合，并能幫助企業(yè)取得一定積極效力的信息。在技術(shù)層面上，云計算與大數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，大數(shù)據(jù)需要使用分布式的架構(gòu)進行分析，單一處理器無法勝任。為了完成對規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)的發(fā)掘，還需依靠仿真技術(shù)、云技術(shù)、分布式處理與數(shù)據(jù)技術(shù)。

目前，大數(shù)據(jù)的信息將被作為提升產(chǎn)業(yè)能力的重要力量，其新型處理方式為決策方賦予了強有力的支持。未來，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)各種能力的不斷提升，與云計算進行深度整合后，對行業(yè)的信息安全工程、數(shù)智化產(chǎn)業(yè)、數(shù)字經(jīng)濟的實現(xiàn)具有不可替代的作用。

1.4 現(xiàn)代電力電子技術(shù)

現(xiàn)代電力電子技術(shù)在軌道交通行業(yè)已獲得廣泛應用。電力電子設(shè)備極大地提高了牽引供電系統(tǒng)、車載安全系統(tǒng)的穩(wěn)定性及乘客的便利性。隨著其性能、容量的不斷增強，封裝的升級，簡化了傳動系統(tǒng)，有利于牽引電力傳動系統(tǒng)的升級。圖1 給出了一種采用電力電子裝置架構(gòu)的牽引供電系統(tǒng)。

圖1 電力電子裝置架構(gòu)的牽引供電系統(tǒng)

1.5 自動化裝備

在制造業(yè)、建筑業(yè)、軍工業(yè)、軌道交通業(yè)等領(lǐng)域，自動化技術(shù)有著大量的應用。通過使用自動化技術(shù)，可以使勞動者從體力勞動中解放出來，并減輕腦力活動和存在一定危險性的工作，提高了生產(chǎn)安全系數(shù)，大大提升了生產(chǎn)效率，為人們對事物的認識和轉(zhuǎn)化提供了幫助。將自動化系統(tǒng)中的一類大型化的裝備稱作自動化裝置，是裝置在無人干預的情況下依靠設(shè)置的指令與程序自主完成操作或控制的狀態(tài)。因此，自動化裝備是制造業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防等實現(xiàn)現(xiàn)代化的重要條件。

2 數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

軌道交通數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)區(qū)別于服務架構(gòu)，軌道交通數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)更專注于松耦合性、動態(tài)擴容、軟硬件融合性。圍繞軌道交通數(shù)智化合作場景業(yè)務能力構(gòu)建“2+3+N”生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)，通過輕量級協(xié)議通信，打造軌道交通數(shù)智化全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。圖2 所示為數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 “2+3+N”數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

軌道交通數(shù)智化“2+3+N”生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)容包括：外圈層面的屏幕生態(tài)與自動化設(shè)備生態(tài)；內(nèi)圈層面的人工智能、云端生態(tài)、應用端APP 生態(tài)；在此“2+3”基礎(chǔ)上實現(xiàn)的“N”，即各種場景化應用解決方案。該系統(tǒng)有利于解決軌道交通數(shù)智化合作服務體系中的諸多問題，在全產(chǎn)業(yè)鏈的服務產(chǎn)品研發(fā)過程中提升效率。

3 應用與實踐

3.1 數(shù)智化綜合能源系統(tǒng)

綜合能源系統(tǒng)是指利用一定區(qū)域內(nèi)物理信息技術(shù)和新型管理模式，整合煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)化各種異構(gòu)能源子系統(tǒng)之間的運行、協(xié)同管理、交互響應與互補[25～35]。運用先進的電力電子技術(shù)（信息技術(shù)和智能管理技術(shù)、分布式能源采集技術(shù)、分布式能源存儲技術(shù)），可結(jié)合分布式能源（光伏/風電/儲能）達到多能源優(yōu)勢互補的效果，實現(xiàn)統(tǒng)一能源管理與調(diào)度，提高供電質(zhì)量和安全可靠性[36～40]。圖3 所示為主要鐵路沿線清潔能源分布。

圖3 鐵路沿線清潔能源

清潔能源可被沿線路上的所有列車使用，有效減少牽引變電所的數(shù)量或在同等數(shù)量的牽引變電所情況下，可增加行駛的列車數(shù)量，采用貫通式-柔性牽引供電技術(shù)（如圖4 所示），可構(gòu)成新能源協(xié)同供電系統(tǒng)，具備新能源的接入和消納，改善牽引供電電源結(jié)構(gòu)，符合國家雙碳目標和綠色發(fā)展需求，同時具有削峰填谷的作用。

圖4 貫通式-柔性牽引供電技術(shù)

傳統(tǒng)軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用不可控二極管整流方式供電，二極管整流機組成為交流中壓環(huán)網(wǎng)和直流接觸網(wǎng)之間能量雙向自由流通的重大阻礙，且對交流側(cè)功率因數(shù)、直流側(cè)電壓無法進行調(diào)節(jié)和控制。

柔性直流供電技術(shù)通過采用大功率、高性能的電力電子器件構(gòu)成的可控式電力設(shè)備，實現(xiàn)對供輸電系統(tǒng)的電壓、電流、相角、功率等參數(shù)進行靈活調(diào)節(jié)，將原來基本不可控的供電網(wǎng)絡變得可控，提高供電線路的輸送能力，減小故障影響，大大提升電力供電系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。圖5 為柔性直流牽引系統(tǒng)原理圖。

圖5 柔性直流牽引系統(tǒng)

3.2 數(shù)智化施工

基于數(shù)智化的施工方式，通過軟硬件的技術(shù)共享，可動態(tài)收集和存儲工程施工全過程中的數(shù)據(jù)。在云計算的模式下進行施工進度實時管理與分析、質(zhì)量安全問題在線處理、物資管理、工程資料管理；在應用APP 端（手機端、智慧屏端、網(wǎng)頁端、PC端）進行人、機、料、法、環(huán)等施工關(guān)鍵要素的處理；在機械層面，借助云平臺可以逐步實現(xiàn)高度自動化的施工。數(shù)智化施工相比于傳統(tǒng)施工，可對不同需求的場景進行兼容，實現(xiàn)功能服務器與不同數(shù)據(jù)模型的自由匹配。圖6 所示為基于數(shù)智化模型的施工架構(gòu)。

圖6 基于數(shù)智化模型的施工架構(gòu)

3.3 數(shù)智化裝備

（1）輔助運維機器人。輔助運維機器人（圖7）可通過有線或無線的方式進行控制，具有可實現(xiàn)協(xié)同工作的雙機械臂及末端執(zhí)行器，結(jié)合云共享平臺實現(xiàn)自動巡檢、煙感/紅外探測、守衛(wèi)、遠程巡視/巡檢處置，具有有線與無線2 種控制模式，均可以獨立控制機器人，具有人體隨動控制臺、手持控制器2 種控制方式。

圖7 輔助運維機器人進行變電所操作

（2）自動化預裝配技術(shù)。腕臂、吊弦自動化生產(chǎn)線改變了以往“人挑肩扛”式的粗放型腕臂、吊弦預配方式，提高了接觸網(wǎng)腕臂和吊弦預配的精準性、可靠性、安全性，避免了傳統(tǒng)預配方式下接觸網(wǎng)發(fā)生“松、脫、斷、裂、卡、磨”等問題，對接觸網(wǎng)上部的工藝質(zhì)量提升顯著。

（3）動態(tài)檢測車。動態(tài)檢測車（圖8）用于限界檢測、冷滑試驗、熱滑試驗、弓網(wǎng)關(guān)系測試、輪軌關(guān)系測試、無線通信場強測試等檢測任務；運用多項機器視覺技術(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡的深度學習技術(shù)，在接觸網(wǎng)/軌幾何參數(shù)檢測、時空定位檢測等方面作了較為前沿的技術(shù)探索。

圖8 動態(tài)檢測車

（4）智能化水沖洗車。具有全斷面沖洗功能的隧道智能化水沖洗車（圖9），具有沖洗壓力、角度調(diào)節(jié)功能，在隧道沖洗過程中可實現(xiàn)隧道壁部分低壓沖洗、道床部分高壓沖洗，并可單獨控制各噴嘴朝向及開閉，實現(xiàn)沖洗過程中避讓重要設(shè)備；可有效清理小型垃圾、塵土、隧道壁附著物，每次可裝水50 t，沖洗5 km。

圖9 智能化水沖洗車

4 結(jié)語

軌道交通的數(shù)智化已經(jīng)成為行業(yè)重要的發(fā)展方向，依托數(shù)智化技術(shù)必將對施工行業(yè)帶來重要的變革。數(shù)智化對軌道交通行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與施工效率提升是驚人的，通過構(gòu)建數(shù)智化生態(tài)服務平臺，圍繞各種應用化場景需求，深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、云計算技術(shù)、自動化機械裝備等先進技術(shù)，將推動軌道交通行業(yè)設(shè)計、施工、制造、優(yōu)化與維護全生命周期的創(chuàng)新發(fā)展。