韓南南

(常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的發(fā)展，國內(nèi)軌道交通已進(jìn)入高速黃金建設(shè)期和安全運(yùn)維期。與此同時，整個軌道行業(yè)對于保障列車運(yùn)營安全、提高服務(wù)質(zhì)量、降低運(yùn)營成本的要求也越來越高。軌道交通車輛是軌道交通系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，車輛的安全性、可靠性是乘客安心出行的必要條件。

一般車輛的使用年限在30年左右，車輛長期運(yùn)行很容易造成車輛機(jī)械磨損，為了保證車輛安全可靠的運(yùn)行，運(yùn)營期間，需要對車輛進(jìn)行科學(xué)的檢查和維護(hù)。據(jù)統(tǒng)計，地鐵車輛維修成本約占整個軌道交通建造成本的40%。因此建立合理的車輛維修模式，有效安排維護(hù)檢修工作，對車輛安全運(yùn)行、降低運(yùn)營成本、縮短投資回收期有十分重要的實際意義。

1 城市軌道車輛維修模式的發(fā)展

很多城市的地鐵線路運(yùn)營時間已超過15年，隨著城市運(yùn)營規(guī)模的不斷擴(kuò)大，車輛維保的壓力也不斷增強(qiáng)。為準(zhǔn)確查找、判定車輛系統(tǒng)隱患，提高維保精準(zhǔn)性，控制和減少車輛故障對正線運(yùn)營影響，提高車輛系統(tǒng)運(yùn)維工作效率和水平，減輕維修人員工作強(qiáng)度?；跔顟B(tài)檢測、特征提取、狀態(tài)評估、故障診斷、故障預(yù)測、維修模式優(yōu)化和維修決策于一體的智能維修模式不斷被開發(fā)。各單位利用車聯(lián)網(wǎng)、軌旁監(jiān)測、車載監(jiān)測等技術(shù)手段，對列車車輛外表故障、磨耗件尺寸、走行部溫度以及關(guān)鍵部件狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測，有效減少車輛系統(tǒng)故障，保障車輛全生命周期的安全性和可靠性。同時，傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能等尖端科技的發(fā)展，為軌道交通車輛智能維保提供了技術(shù)支持。目前，智能維保技術(shù)的主要應(yīng)用于列車走行部軸承、傳動齒輪、輪對踏面和構(gòu)架的振動沖擊及溫度信息、車頂受電弓、絕緣子、避雷器、空調(diào)機(jī)組、天線等車頂設(shè)備的動態(tài)檢測與預(yù)警，包含車頂異物、車頂關(guān)鍵部件變形和丟失；對蓄電池單體電池以及電池組的電壓、電流、內(nèi)阻的在線監(jiān)測等。

城市軌道交通車輛智能維保系統(tǒng)主要包括在線檢測系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理中心、故障診斷與健康狀態(tài)評估系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)。通過對車輛關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件的運(yùn)行狀態(tài)、剩余壽命和運(yùn)營生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，以故障檢測與健康管理技術(shù)為基礎(chǔ)搭建模型，根據(jù)模型評估對車輛關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件的運(yùn)行狀態(tài)和剩余壽命與運(yùn)營生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合分析，對設(shè)備健康狀況進(jìn)行監(jiān)視、診斷、預(yù)警，并進(jìn)一步作出維護(hù)指導(dǎo)，從而實現(xiàn)以車輛全壽命周期健康狀態(tài)為導(dǎo)向的狀態(tài)維修方式，提高了列車運(yùn)行突發(fā)故障的應(yīng)急處理能力、車輛維修效率、車輛的可靠性和使用率，降低了車輛全壽命周期的維護(hù)成本。

1)在線檢測系統(tǒng)依托傳感器高精度、小型化、集成化、嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、低能耗的特點(diǎn)，在列車上和軌旁安裝在線監(jiān)測設(shè)備(如紅外線、激光、線陣相機(jī)、雷達(dá)等)，檢測車輛的外表尺寸、磨耗、電機(jī)溫度以及關(guān)鍵零部件的狀態(tài)，通過圖像識別、激光測距、機(jī)器視覺等技術(shù)，對列車實時狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2)信息傳輸系統(tǒng)依賴于無線通信技術(shù)的發(fā)展，采用光纖、WLAN、5G公網(wǎng)，傳輸?shù)竭\(yùn)維數(shù)據(jù)管理中心。

3)數(shù)據(jù)管理中心通過對車載數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測數(shù)據(jù)、檢修操作數(shù)據(jù)、資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)分析平臺的檢測結(jié)果可為現(xiàn)場管理提供維修預(yù)測參考，巡檢人員在工作中可以把分析數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對校驗。

4)故障診斷與健康狀態(tài)評估系統(tǒng)利用故障診斷技術(shù)對列車進(jìn)行實時檢測、診斷、對列車狀態(tài)走向進(jìn)行預(yù)測，典型的故障診斷與預(yù)測流程包含了數(shù)據(jù)特征提取、數(shù)據(jù)融合、健康狀態(tài)評估、故障診斷、故障預(yù)測、保障決策等環(huán)節(jié)。

5)信息管理系統(tǒng)依據(jù)診斷數(shù)據(jù)生成統(tǒng)計報表、診斷結(jié)果，進(jìn)而制定維保方案。

車輛運(yùn)維系統(tǒng)將各子系統(tǒng)，包括牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)、輪軌系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等列車子系統(tǒng)聯(lián)系起來。形成集運(yùn)行監(jiān)控、故障預(yù)警、健康評估、維修指導(dǎo)于一體的智慧運(yùn)維系統(tǒng)。人工智能技術(shù)的大力發(fā)展與大數(shù)據(jù)計算服務(wù)器的邏輯運(yùn)算能力大幅提高，雖然讓設(shè)想得以實現(xiàn)，但是巨大的數(shù)據(jù)庫與判斷條件也需要不斷進(jìn)行測試與演算，智能維保系統(tǒng)方案還不夠成熟。

2 城市軌道車輛常見的幾種維修模式

隨著各種新興設(shè)備的出現(xiàn)，各種各樣的運(yùn)維模式也相繼出現(xiàn)。目前車輛維修的模式主要分為：計劃性維修、經(jīng)驗修、故障維修、狀態(tài)維修和委外維修。我國城市軌道交通車輛的維修主要采用計劃性維修與故障性維修相結(jié)合的檢修模式。

2.1 計劃性維修

計劃性維修也稱預(yù)防性維修，主要針對車輛和部件故障預(yù)防，在故障出現(xiàn)之前采取預(yù)見方案，有計劃地進(jìn)行預(yù)防性檢查和維修保養(yǎng)，車輛運(yùn)營初期主要采用這種維修模式。計劃性維修是以車輛及設(shè)備廠家維護(hù)手冊為依據(jù)，定期對設(shè)備進(jìn)行維修，檢修級別和檢修周期主要以車輛制造商提供的數(shù)據(jù)為依據(jù)，因車輛制造商和車型的不同而不同。 根據(jù)車輛每個部件的壽命、車輛的運(yùn)行環(huán)境等因素綜合考慮，維修規(guī)程可分為：日檢、雙日檢、列檢、雙(3)月檢、定修、架修、大修等(見表1)。由于每個城市行車條件不同，計劃性維修主要依據(jù)車輛走行公里數(shù)進(jìn)行定期維護(hù)維修。

表1 車輛計劃性維修修程和檢修周期

來源：《地鐵設(shè)計規(guī)范 GB 50157-2013》。

2.2 經(jīng)驗修

經(jīng)驗修主要針對沒有明確維修策略的系統(tǒng)和部件，不能進(jìn)行有規(guī)律的計劃修策略，此時需要具有長期使用經(jīng)驗的維修人員，通過經(jīng)驗積累，制定維修規(guī)程和工藝。

2.3 故障性維修

故障性維修是按照車輛隨機(jī)發(fā)生的故障執(zhí)行臨時維修的檢修模式。在運(yùn)營過程中出現(xiàn)故障時，采用對在線運(yùn)營列車以維持運(yùn)營為原則進(jìn)行應(yīng)急處理，對回段列車以出庫標(biāo)準(zhǔn)為原則進(jìn)行快速處理。

2.4 狀態(tài)性維修

狀態(tài)性維修是依靠智能化檢測設(shè)備對車輛運(yùn)行狀態(tài)在線檢測并預(yù)測可能發(fā)生的故障?；谥悄苓\(yùn)維技術(shù)，以國內(nèi)主要城市軌道交通企業(yè)、鐵路行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)，建立設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，通過采集設(shè)備出場數(shù)據(jù)、運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)、檢修試驗數(shù)據(jù)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)算法對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算得出評估結(jié)果，實現(xiàn)對設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)各部件的自動預(yù)警、自動輸出報表等功能的一種新的設(shè)備維保概念。

狀態(tài)性維修的實現(xiàn)必須依托先進(jìn)檢測傳感器的技術(shù)手段，在此基礎(chǔ)上利用互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的云計算將對應(yīng)設(shè)備采集的信息與廠家資料、國內(nèi)外行業(yè)規(guī)范、技術(shù)總結(jié)綜合起來，采取大數(shù)據(jù)計算的方式分析得出設(shè)備最精準(zhǔn)的狀態(tài)評估結(jié)論。這種維修模式可以有效減少維修人員數(shù)量，降低維修費(fèi)用，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，迅速排除故障，節(jié)省檢修時間，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理水平，最終達(dá)到對設(shè)備的全壽命周期管理目標(biāo)。

2.5 委外維修

目前，很多地鐵公司主要負(fù)責(zé)列檢和月檢，將計劃維修中的架修、大修實行委外管理模式，委托車輛制造廠進(jìn)行維修。大修的主要目的是在車輛整體上恢復(fù)其尺寸和性能。

3 城市軌道交通車輛維修模式存在的問題

目前，地鐵公司維保部門普遍采用計劃檢修與故障檢修相結(jié)合的方式對車輛設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。這種檢修模式在城市軌道交通建設(shè)初期尚能維持，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大以及人工成本的增長，乘客對于服務(wù)水平需求的不斷提高，困難和挑戰(zhàn)越來越大，這樣的檢修模式無法形成可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢。

同時，隨著軌道線路里程的增加，地鐵所需維修人員數(shù)量逐漸增多，作業(yè)時間長，地鐵維修維護(hù)的壓力逐年增加，已經(jīng)無法滿足目前軌道交通系統(tǒng)發(fā)展的需求，城市軌道交通車輛維修模式還存在諸多不足。

3.1 檢修效率低，檢修記錄碎片化

由于車輛配置增加、夜間作業(yè)時間縮短，檢修效率難以保障檢修質(zhì)量。計劃檢修主要通過人工檢查來判斷設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)，檢修頻次高、維護(hù)效率低，且通常無法有效量化評估。其實際健康程度、檢修技術(shù)與周期不僅缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還缺少理論支撐和驗證環(huán)節(jié)。同時，維修數(shù)據(jù)離散缺失，導(dǎo)致車輛施工信息記錄碎片化、安全風(fēng)險上升。

3.2 維修強(qiáng)度大，人工成本高

隨著運(yùn)營里程增加，客流量不斷增長，運(yùn)營壓力的不斷上升，車輛維修保養(yǎng)的負(fù)荷也逐步增加，設(shè)備故障數(shù)量增多，增加了維修壓力。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國車輛維修平均人車數(shù)量比為0.6，隨著越來越多線路的開通，人員需求必然還會逐漸增加，人工成本也不斷增長。

3.3 過修，欠修

由于我國軌道交通維修模式采用計劃修與故障修相結(jié)合的方式，相同車輛由于運(yùn)營線路不同，運(yùn)營環(huán)境不同，產(chǎn)品失效機(jī)理不完全相同，卻采用相同的檢修內(nèi)容和檢修周期，造成部分零部件已經(jīng)到了使用的年限，卻因為工作人員的原因沒有如期更換而得不到良好的維護(hù)。故障檢修是在故障發(fā)生后進(jìn)行，通過檢修日志的人工分析排查、定位故障原因的方式，人為經(jīng)驗依賴度高，無法保證故障及時排除，嚴(yán)重影響運(yùn)營效率，影響車輛的可用性和乘客的乘坐舒適性，還會給運(yùn)營管理帶來安全隱患。 或者很多零部件在檢修時發(fā)現(xiàn)其狀態(tài)良好，并未有任何失效征兆，仍然對其進(jìn)行更換式維修，造成零部件過度維修，將小故障放大，不僅造成人力、物力的資源浪費(fèi)，還增加了產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用。

3.4 各類預(yù)報警信息離散、難用、誤報

預(yù)報警信息依賴于各檢測系統(tǒng)、人工報警、巡檢、綜合監(jiān)控等，由于我國的相關(guān)技術(shù)還存在一定的限制，這一方式受外界的干擾十分嚴(yán)重，可靠性較低，而且經(jīng)常會出現(xiàn)誤報的情況；另外，沒有統(tǒng)一的信息系統(tǒng)收集，造成信息不集中、不準(zhǔn)確，甚至缺失，數(shù)據(jù)不可靠無法應(yīng)用。

4 城市軌道車輛維修優(yōu)化與改進(jìn)措施

4.1 制定科學(xué)的運(yùn)維指標(biāo)體系

城市軌道交通車輛的健康狀況是制定維修策略的主要依據(jù)。目前，車輛設(shè)備維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要以零部件使用狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，缺少科學(xué)的設(shè)施設(shè)備狀態(tài)、維修指標(biāo)要求。建立合理的健康狀態(tài)評估指標(biāo)體系，制定設(shè)備健康預(yù)警閾值，實現(xiàn)可視化和可量化的評價依據(jù)，從而實現(xiàn)檢測運(yùn)行狀態(tài)和控制維修成本的目的。

4.2 優(yōu)化檢修規(guī)程、檢修計劃和檢修作業(yè)

采用健康狀態(tài)評估方法對車輛的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，根據(jù)評估的結(jié)果制定科學(xué)合理的均衡修檢修規(guī)程，進(jìn)而確定檢修級別，檢修計劃，避免車輛過修的情況，減少車輛停庫時間，提升車輛的上線率。

4.3 開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的智能維保工具與數(shù)據(jù)采集裝備

穩(wěn)定的基礎(chǔ)感知技術(shù)和設(shè)備，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)及時、快速、準(zhǔn)確地采集與檢測控制的基礎(chǔ)。軌道交通車輛系統(tǒng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集裝備主要針對影響車輛穩(wěn)定性的振動沖擊、磨損、變形、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，利用傳感器技術(shù)：圖像采集分析結(jié)構(gòu)的變形、紅外線技術(shù)檢測設(shè)備的溫度、壓力傳感器監(jiān)測設(shè)備的振動沖擊等。實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性是車輛智能維保的關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 車輛維保服務(wù)專業(yè)化，加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享

軌道交通規(guī)劃周期長，車輛設(shè)備更新?lián)Q代快，不同的廠家設(shè)備由于技術(shù)的保護(hù)性，數(shù)據(jù)無法共享是目前存在的問題之一，對實現(xiàn)軌道交通線網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享帶來了困難，目前智能維保方案的實施還僅存在單線。同時，車輛在整個軌道交通系統(tǒng)中不是獨(dú)立存在的，建立集通信與信號、車輛、供電、軌道、機(jī)電設(shè)備等于一體的智能維保系統(tǒng)是目前研究的主要方向。

4.5 以準(zhǔn)確數(shù)據(jù)為條件的建模算法開發(fā)

車輛智能維保系統(tǒng)建立在可靠的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上，對設(shè)備進(jìn)行健康狀態(tài)評估，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實性、全面性是健康狀態(tài)評估準(zhǔn)確性的保障，健康狀態(tài)評估與故障診斷是以模型算法計算而來，對數(shù)學(xué)模型的建立與驗證是目前故障診斷和健康狀態(tài)評估亟待解決的主要問題。

5 結(jié)語

本文介紹了軌道交通車輛常見的幾種維修模式，包括計劃性維修、故障性維修、狀態(tài)性維修和委外維修，分析了其各自特點(diǎn)與應(yīng)用場合以及目前維修模式存在的問題；總結(jié)了目前城市軌道車輛智能維保系統(tǒng)組成，建立科學(xué)的設(shè)備健康指標(biāo)體系，進(jìn)一步優(yōu)化車輛檢修模式、檢修規(guī)程，提高車輛上線率；開發(fā)智能維保工具和數(shù)據(jù)采集裝備為智能維保提供基礎(chǔ)支持，同時加強(qiáng)數(shù)據(jù)的共享，進(jìn)一步開發(fā)故障診斷與健康狀態(tài)評估算法模型。軌道交通車輛智能維保的發(fā)展對車輛維護(hù)和管理模式的改進(jìn)和優(yōu)化，對于提升地鐵系統(tǒng)的效率、降低運(yùn)營成本均具有重要意義，城市軌道車輛維保系統(tǒng)的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步探索、發(fā)展和完善。