趙立新

（上海申電通軌道交通科技有限公司，上海 200023）

0 引言

城市軌道交通在城市發(fā)展中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，公眾也對(duì)城市交通的安全、效率、網(wǎng)絡(luò)化和智能發(fā)展提出了越來越多的要求。如何確保城市軌道交通系統(tǒng)在城市地區(qū)安全運(yùn)作的基礎(chǔ)上最大程度地降低維護(hù)費(fèi)用，同時(shí)滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的要求，并改進(jìn)城市地區(qū)軌道運(yùn)輸設(shè)備的智能化管理，成為軌道交通行業(yè)的研究熱點(diǎn)與中心內(nèi)容。智能運(yùn)維系統(tǒng)是以狀態(tài)維修模式為基礎(chǔ)、以人工智能大數(shù)據(jù)分析為途徑的智能系統(tǒng)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，將設(shè)備檢修數(shù)據(jù)與地鐵車輛數(shù)據(jù)收集起來，進(jìn)行分析，判斷管理趨勢、診斷健康狀況，從而提供早期預(yù)警和分級(jí)警告，并實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場關(guān)鍵設(shè)備的智能管理。

1 智能運(yùn)維整體方案

現(xiàn)階段，上海、北京和廣州等城市的地鐵公司已經(jīng)開始實(shí)施智能運(yùn)維整體系統(tǒng)的探索應(yīng)用，我國大城市的交通運(yùn)輸公司正在積極研究自己的智能模式。城市軌道交通智能維保解決方案通常通過在車輛牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和車門系統(tǒng)中安裝傳感器來實(shí)現(xiàn)在線狀態(tài)監(jiān)測與故障預(yù)警。然而其功能有限，致使維修人員無法有效監(jiān)測車輛的性能。我國部分交通運(yùn)輸機(jī)構(gòu)的運(yùn)維系統(tǒng)老舊，維護(hù)工作不能保證精度，導(dǎo)致過度修的現(xiàn)象，造成人力、物力和財(cái)政資源的浪費(fèi)。與此同時(shí)，由于無法及時(shí)獲取設(shè)備的運(yùn)行狀況，部分設(shè)備在損壞后沒有得到及時(shí)維修，形成嚴(yán)重的安全隱患。部分城市軌道交通在探討智能運(yùn)維戰(zhàn)略方面取得了一些成果，例如優(yōu)化維修和計(jì)劃維修之間的間隔，但大多數(shù)公司仍然以試點(diǎn)測試為主導(dǎo)，且還沒有實(shí)際量化的案例。

2 地鐵車輛智能檢修系統(tǒng)

2.1 智能檢修機(jī)器人

智能檢修機(jī)器人的基本技術(shù)是利用前線相機(jī)圖像確定故障位置，并結(jié)合線掃描照相機(jī)，采用圖像處理算法控制機(jī)械臂。利用智能機(jī)器人技術(shù)、自動(dòng)視覺技術(shù)、多層控制技術(shù)和先進(jìn)算法在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)定條件下從車輛底部和側(cè)面收集高清晰度圖像，并通過人工智能圖像處理技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)了解車輛的具體情況，可以減少工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，改善操作環(huán)境，提高服務(wù)效率。定位系統(tǒng)的車底部分為面陣照相機(jī)和線掃描照相機(jī)，前者用于底部定位，后者則用于拍攝車輛下設(shè)備的照片。另外，使用輪軸步進(jìn)編碼設(shè)備，以確保在車輛下拍攝的圖像是穩(wěn)定的和清晰的，通過使用照相機(jī)對(duì)車輛下設(shè)備進(jìn)行高清晰度成像，對(duì)設(shè)備異常情況和異常改變進(jìn)行精密監(jiān)測，從而迅速查明故障點(diǎn)和故障分類，對(duì)故障做出詳細(xì)分析，并指示工作人員采用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備維修標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備維修工具進(jìn)行維護(hù)，最終達(dá)到快速診斷和故障精準(zhǔn)定位的目的，從而提高了列車日常維護(hù)效率。

2.2 走行部智能監(jiān)測系統(tǒng)

走行部智能監(jiān)測系統(tǒng)的基本技術(shù)是收集車身縱向振動(dòng)圖像和橫向振動(dòng)圖像進(jìn)行分析處理。走行部智能監(jiān)測系統(tǒng)安裝在城市軌道交通車輛入庫線上，通道探測系統(tǒng)自動(dòng)捕捉高精度運(yùn)行圖像和設(shè)備圖像，同時(shí)自動(dòng)監(jiān)測識(shí)別異常情況。走行部智能監(jiān)測系統(tǒng)可以收集車輛側(cè)面的圖像，并通過數(shù)字圖像處理技術(shù)提高清晰度，對(duì)走行部上存在外來物體、缺乏關(guān)鍵部件或變形等情況進(jìn)行異常監(jiān)測。

車載走行部智能監(jiān)測系統(tǒng)包括2 臺(tái)診斷裝置、12個(gè)前端處理器、28 個(gè)復(fù)合傳感器和1 個(gè)加速度度傳感器。通過在轉(zhuǎn)向架上安裝車輛傳感器，監(jiān)測沖擊、振動(dòng)和溫度三項(xiàng)信息，以及實(shí)時(shí)監(jiān)測診斷車輛走行部的運(yùn)行情況。其功能還包括向司機(jī)發(fā)出警報(bào)，并指示工作人員及時(shí)采取措施，確保車輛的安全；在出現(xiàn)故障時(shí)指導(dǎo)工作人員進(jìn)行維修；提供早期的跟蹤與分析數(shù)據(jù)等。走行部智能監(jiān)測系統(tǒng)測量溫度為15～105C，測量誤差不超過±2C；在低于15C 或超過105C 時(shí)，測量誤差不超過±4C。該系統(tǒng)的警報(bào)率不低于98%，漏報(bào)率不超過1%。

2.3 走行部機(jī)載故障診斷系統(tǒng)

走行部機(jī)載故障診斷系統(tǒng)是一種基于大規(guī)模共振的檢測技術(shù)，它用于從旋轉(zhuǎn)部件（例如齒輪、軸承和輪子的相應(yīng)部件）中提取功能失效的震動(dòng)信號(hào)特征，這是確定設(shè)備狀況的一種非常有效的方法。走行部機(jī)載故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器傳輸智能維護(hù)信息，同時(shí)實(shí)時(shí)將信息發(fā)送到地面端交通管理系統(tǒng)的目的，從而建立了一個(gè)封閉的數(shù)據(jù)生態(tài)系統(tǒng)。

2.4 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)

車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)是一種新型的智能車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中主要包括分布式以太網(wǎng)轉(zhuǎn)換的分布式設(shè)備控制裝置、安裝在列車上的無線數(shù)據(jù)傳輸裝置、波導(dǎo)天線、4G/5G 接收天線、數(shù)據(jù)服務(wù)器與數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)備和分析中心。

車載無線數(shù)據(jù)能夠通過數(shù)據(jù)傳輸裝置分析車輛情況，并將全部可用的數(shù)據(jù)信息傳送到地面。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)可通過現(xiàn)有車輛硬線采集故障定位系統(tǒng)的綜合分析確定車輛的繼電器狀況，包括繼電器和空開等設(shè)備是否有故障。此外，TCMS 根據(jù)對(duì)車輛的觸點(diǎn)狀況的觀察，對(duì)繼電器的任務(wù)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)機(jī)械壽命曲線就繼電器的維修提出有效建議。地面轉(zhuǎn)件服務(wù)器能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送并接收車輛的數(shù)據(jù)，其中包括記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)故障。數(shù)據(jù)傳輸協(xié)調(diào)機(jī)制和定期系統(tǒng)機(jī)制是分析與地鐵有關(guān)設(shè)備狀況的基本系統(tǒng)，其功能包括：車門健康預(yù)警、牽引設(shè)備狀況預(yù)警、軸溫預(yù)警和繼電器狀況預(yù)警。車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)性能指標(biāo)如下：波導(dǎo)管的波段不超過1.5Ghz，波導(dǎo)管末端的信號(hào)強(qiáng)度不小于-56dBm，地面局域網(wǎng)的帶寬不少于200MB。

2.5 其他智能檢修

其一，360可視檢查將對(duì)圖像進(jìn)行獨(dú)立評(píng)估檢測，其范圍包括螺栓松動(dòng)，管路/線路脫落，異物侵入，牽引裝置、牽引電動(dòng)機(jī)和齒輪等主要部件脫落、丟失以及變形。如果發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，可以及時(shí)發(fā)出自動(dòng)警報(bào)。

其二，線陣激光數(shù)字輪式檢查能夠快速、準(zhǔn)確和高效率地測量車輪踏面輪廓、車輪直徑、車輪內(nèi)部范圍，并使用無線數(shù)據(jù)傳輸，分析車輪踏面和鐵路路面上的摩擦情況，從而對(duì)車輛的穩(wěn)定性發(fā)出安全警告，為輪調(diào)決策提供指導(dǎo)，提高地鐵運(yùn)行的安全性，延長其使用壽命。這兩項(xiàng)應(yīng)用改進(jìn)了車輛的側(cè)面測試功能，從而有助于進(jìn)行車輛走行部和車輛的智能修理，減少了維修人員的數(shù)量，節(jié)省了維修費(fèi)用，并避免了過度維修。

3 車場智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)

3.1 車輛狀態(tài)管理

當(dāng)車輛進(jìn)入場段時(shí)，使用定位設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測與自動(dòng)定位，顯示車輛狀況信息(如股道編號(hào)、傳輸狀態(tài)、車輛狀況維修、車輛信息故障)與維修工單狀態(tài)，目標(biāo)車輛維修人員隨時(shí)能夠檢索車輛情況；通過邏輯推理計(jì)算，股道的狀況得到了不同以往的實(shí)時(shí)監(jiān)測，通過判斷操作條件是否沖突，提高了智能安全管理質(zhì)量。

3.2 運(yùn)行管理

基于車輛維修計(jì)劃、故障、運(yùn)行里程、施工、預(yù)訂和目前股道位置的信息，制定智能處置模型；該模型根據(jù)每一種影響因素的不同加權(quán)值規(guī)劃車輛自動(dòng)運(yùn)行；維修人員必須根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整和核準(zhǔn)運(yùn)營日計(jì)劃。在需要收回或發(fā)放車輛時(shí)，服務(wù)管理人員重新確定目標(biāo)車輛的優(yōu)先次序；在車輛被替換或退回倉庫后，該模型將根據(jù)當(dāng)前情況更新操作計(jì)劃。

3.3 定位管理

在車輛到達(dá)場段后，核心系統(tǒng)站將通過超高頻定位技術(shù)與車載定位設(shè)備進(jìn)行通信，確定車輛的準(zhǔn)確位置，并在車場控制中心的屏幕上實(shí)時(shí)顯示；通過車場的主要設(shè)備與車場的基站之間的通信，結(jié)合安裝在地面上的定位設(shè)備，使系統(tǒng)能夠?qū)χ饕O(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確定位；施工工作人員通過安全頭盔或胸卡等定位設(shè)備與基站進(jìn)行通信，控制中心屏幕可實(shí)時(shí)顯示他們所處場段的位置；列檢施工區(qū)有高壓觸網(wǎng)，要豎立電子圍欄，防止未經(jīng)許可的人員進(jìn)入，在發(fā)現(xiàn)入侵時(shí)發(fā)出聲光信號(hào)，從而消除帶電股道區(qū)域人員和設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.4 施工管理

該系統(tǒng)可在當(dāng)天自動(dòng)生成服務(wù)計(jì)劃工作表。值班長通過移動(dòng)終端對(duì)服務(wù)任務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢查，并按照相關(guān)提示將任務(wù)發(fā)給工作人員。該系統(tǒng)會(huì)根據(jù)工作人員的專業(yè)資格分配相關(guān)業(yè)務(wù)，優(yōu)先考慮具有高水平的工作人員從事維修工作，同時(shí)兼顧工作量和合理性，并確保服務(wù)質(zhì)量。系統(tǒng)工單關(guān)閉后，該系統(tǒng)將自動(dòng)生成車輛電子維修履歷，為今后列車的全生命周期研究打下良好基礎(chǔ)。

3.5 智能終端管理

工作人員可以借助手持終端來工作，包括請(qǐng)銷點(diǎn)申請(qǐng)、斷電申請(qǐng)、借調(diào)申請(qǐng)等，監(jiān)控維保服務(wù)過程的所有階段。用二維碼進(jìn)行掃描，就能完成核對(duì)相應(yīng)設(shè)備的修理任務(wù)訂單，從而將無紙化維護(hù)流程貫徹到底。此外，還支持包括圖像、視頻和音頻在內(nèi)的故障報(bào)告格式，提供相應(yīng)的解決辦法，具有車輛狀況實(shí)時(shí)查詢、生產(chǎn)信息和修復(fù)材料查詢等功能。

4 智能專家診斷系統(tǒng)

地面智能專家診斷系統(tǒng)通過收集實(shí)時(shí)車輛狀況數(shù)據(jù)來監(jiān)測車輛系統(tǒng)的運(yùn)行狀況、預(yù)警異常情況、機(jī)動(dòng)車輛預(yù)處理狀況以及通過車輛的科學(xué)算法來建立數(shù)據(jù)分析模型，判斷車輛信息狀況。

4.1 車載數(shù)據(jù)采集

車載監(jiān)測設(shè)備通過傳感器、數(shù)據(jù)收集站和多功能車輛連通網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)收集途徑，對(duì)車門系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和電池等關(guān)鍵部件和組件的實(shí)時(shí)狀況進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)通過4G/5G 等地面無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)布車輛狀況的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析

從車輛狀況監(jiān)測設(shè)備中獲取實(shí)時(shí)車輛狀況數(shù)據(jù)以及根據(jù)該系統(tǒng)或部件的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析和比較專家系統(tǒng)確定的閾值內(nèi)數(shù)據(jù)的變動(dòng)趨勢，監(jiān)測設(shè)備在特定作業(yè)區(qū)域內(nèi)記錄走行部軸箱軸承狀態(tài)數(shù)據(jù)。不超過該系統(tǒng)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)閾值，但與該軸的歷史數(shù)據(jù)記錄不同，該系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)的變動(dòng)趨勢，并發(fā)出警報(bào)信號(hào)，提醒工作人員對(duì)該區(qū)域進(jìn)行具體檢查。

4.3 異常狀態(tài)檢測

智能專家診斷系統(tǒng)將影響車輛運(yùn)行狀況的關(guān)鍵數(shù)據(jù)和實(shí)際變量，作為確定故障的主要參考；在收集所有狀況數(shù)據(jù)之后，收集與車輛或系統(tǒng)的位置相對(duì)應(yīng)的時(shí)間窗，發(fā)現(xiàn)所有模擬數(shù)據(jù)，并利用各種參數(shù)，如所提取的最大值、最小值、平均值和平均范圍值，重新進(jìn)行數(shù)據(jù)整理。然后，使用人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)算法，利用同一類別車輛或設(shè)備的狀況數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，對(duì)異常獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行測試。整個(gè)數(shù)據(jù)集分成培訓(xùn)數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集，并在適當(dāng)比例的基礎(chǔ)上使用相應(yīng)算法進(jìn)行核查測試。

4.4 故障預(yù)警方法

故障預(yù)警方法是一種以故障數(shù)據(jù)點(diǎn)為基礎(chǔ)的自動(dòng)化監(jiān)督學(xué)習(xí)方法。首先，是擴(kuò)大數(shù)據(jù)特性，將每個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)作為時(shí)間窗口末端的特點(diǎn)，標(biāo)注數(shù)據(jù)和選擇抽樣數(shù)據(jù)；其次，進(jìn)行數(shù)據(jù)維、標(biāo)準(zhǔn)化和均衡處理等預(yù)處理，將數(shù)據(jù)集按比例分成培訓(xùn)集和測試集；最后，在訓(xùn)練集中使用自動(dòng)學(xué)習(xí)算法，并將故障前時(shí)間窗口數(shù)據(jù)作為數(shù)學(xué)模型，以核實(shí)培訓(xùn)集和測試集，核實(shí)異常情況下的故障預(yù)警模型，如果發(fā)現(xiàn)持續(xù)存在異常情況，可以提供預(yù)警。

5 結(jié)語

城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)是信息時(shí)代改造城市軌道車輛狀況的一個(gè)重要途徑，可大大降低維修成本，并有效提高維修效率和設(shè)備的可靠性?；谥悄苓\(yùn)維行業(yè)現(xiàn)狀，探究了智能運(yùn)維系統(tǒng)的發(fā)展，從而論證了城市軌道交通地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)在充分監(jiān)測城市軌道交通車輛全面狀態(tài)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、縮短設(shè)備生命周期管理人員的維修時(shí)間、降低運(yùn)營期間車輛故障風(fēng)險(xiǎn)、提高運(yùn)營質(zhì)量和確保安全運(yùn)行等方面都具備一定有效性。