徐凱歌

徐州地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 江蘇 徐州 221000

引言

在現(xiàn)代化城市進(jìn)程不斷深入下，軌道交通網(wǎng)日益完善，交通規(guī)模逐漸擴(kuò)大，以往車輛檢修模式難以滿足人們對(duì)運(yùn)維服務(wù)提出的新需求，應(yīng)在原本檢修設(shè)備基礎(chǔ)上，制定預(yù)防性維修模式實(shí)施方案，通過智能檢修機(jī)器人、走行部智能檢測(cè)、智能專家診斷系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，使車輛缺陷第一時(shí)間得到定位，車輛運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)更換受損或丟失的部件，使地鐵行駛更加安全可靠。

1 軌道交通智能運(yùn)維技術(shù)概述

智能運(yùn)維的技術(shù)原理是基于新科技監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)，根據(jù)待監(jiān)測(cè)對(duì)象的技術(shù)特征，創(chuàng)建相應(yīng)的健康標(biāo)準(zhǔn)，借助先進(jìn)技術(shù)采集對(duì)象運(yùn)行信息，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)、運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行綜合分析，創(chuàng)建不同專業(yè)數(shù)據(jù)接口，憑借人工智能與邏輯算法進(jìn)行健康評(píng)估，預(yù)測(cè)設(shè)備使用壽命與故障規(guī)律，并提出科學(xué)的維修決策，逐步提高維修效率和質(zhì)量，滿足軌道交通運(yùn)營(yíng)需求。智能運(yùn)維的優(yōu)勢(shì)眾多，主要體現(xiàn)在以下方面，一是可節(jié)約維修時(shí)長(zhǎng)，依靠人工智能對(duì)故障位置進(jìn)行自動(dòng)定位和成因分析，在短時(shí)間內(nèi)將維修建議提供給技術(shù)人員，使設(shè)備故障得到及時(shí)應(yīng)急響應(yīng)；二是節(jié)約運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用，根據(jù)故障預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)，對(duì)人員、材料與機(jī)器設(shè)備等準(zhǔn)備充分，以免因維保物資與設(shè)備不匹配，增加維保資金投入；三是提高故障檢測(cè)準(zhǔn)確性，避免過度維修、欠維修等造成的資源浪費(fèi)，使設(shè)備安全得到多一重保障，并有效降低故障風(fēng)險(xiǎn)[1]。

2 軌道交通智能運(yùn)維的關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)多個(gè)城市陸續(xù)開展智能運(yùn)維系統(tǒng)研發(fā)，現(xiàn)已生產(chǎn)出以預(yù)防為主的檢修模式，并結(jié)合地鐵車輛設(shè)備實(shí)際情況，利用先進(jìn)技術(shù)在車輛運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)，涉及車體外表、側(cè)面、底盤等多個(gè)位置，所用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

2.1 智能檢修機(jī)器人

在車輛智能運(yùn)維中，通過檢修機(jī)器人的應(yīng)用可在地鐵靜態(tài)或者行駛期間，實(shí)施整體數(shù)據(jù)模塊錄入，依靠機(jī)器人的視覺、控制技術(shù)、拍攝技術(shù)等，獲得地鐵車身、車底、側(cè)面等多個(gè)區(qū)域的高清圖像，分析圖中車輛異常狀態(tài)，降低車輛檢修中的人力勞動(dòng)強(qiáng)度，促進(jìn)整體檢修效率提升。例如，在車底智能運(yùn)維期間，可利用機(jī)器人設(shè)備內(nèi)的面陣與線掃相機(jī)，確定車底位置，收集該區(qū)域相關(guān)設(shè)備圖像，依靠輪軸編碼器減少圖像采集時(shí)的振動(dòng)，便于機(jī)器人更加及時(shí)準(zhǔn)確的識(shí)別故障位置，衡量故障等級(jí)，使維修人員能夠快速響應(yīng)故障預(yù)警，為其提供檢修流程與方案建議，使維修目標(biāo)快速完成，提高車輛檢修效率[2]。

2.2 走行部智能檢測(cè)

在智能檢修系統(tǒng)內(nèi)，將走行部智能檢測(cè)系統(tǒng)安裝在入庫(kù)線上，便可在車輛無須停車情況下進(jìn)行自動(dòng)檢驗(yàn)。通根據(jù)走行部上方車輛、閘片位置拍攝照片，可對(duì)該位置運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，將異常情況利用圖像處理技術(shù)進(jìn)行及時(shí)處理，如變形、關(guān)鍵零件缺失、閘片位置帶有異物等等。該系統(tǒng)應(yīng)用核心在于圖像采集、數(shù)字處理算法，可對(duì)車輛非勻速轉(zhuǎn)臺(tái)形成的橫縱向畸變問題、車體共振產(chǎn)生的圖片失真問題進(jìn)行處理，使檢測(cè)裝置可對(duì)圖片內(nèi)車輛非健康狀態(tài)做出正確判斷。

2.3 智能專家診斷系統(tǒng)

該系統(tǒng)在地鐵運(yùn)維中的應(yīng)用，可利用車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，針對(duì)車輛行駛中的狀態(tài)變化情況24h持續(xù)不斷地監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況將在第一時(shí)間發(fā)出警報(bào)，并將車輛當(dāng)前狀態(tài)信息匯集起來，創(chuàng)建數(shù)據(jù)分析模型，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷故障位置，依靠自動(dòng)化管理使車輛提早恢復(fù)健康狀態(tài)。該系統(tǒng)還可對(duì)相同架次，不同車輛在行駛中形成的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，及時(shí)判斷多個(gè)地鐵運(yùn)行中的數(shù)據(jù)區(qū)別，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果為故障判斷提供參考。

2.4 智能檢修規(guī)劃技術(shù)

智能運(yùn)維系統(tǒng)在規(guī)劃布局中，可利用360°全方位視覺檢測(cè)裝置，針對(duì)地鐵上方關(guān)鍵位置進(jìn)行距離測(cè)量，對(duì)可視位置進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)對(duì)象為車輛設(shè)備與主要零部件，重點(diǎn)檢測(cè)是否出現(xiàn)螺母松動(dòng)、丟失、管線脫落、異物混入等情況，結(jié)合檢測(cè)結(jié)果判斷車輛現(xiàn)行狀態(tài)，是否需要發(fā)出報(bào)警提示等。值得強(qiáng)調(diào)的是，在車輪位置檢修中，可利用激光檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確測(cè)量車輪踏面的直徑、輪廓、內(nèi)側(cè)距離等，利用無線傳輸技術(shù)分析地鐵輪軌中的接觸開關(guān)、摩擦因素，衡量是否處于均勻穩(wěn)定行駛狀態(tài)，進(jìn)而維護(hù)地鐵運(yùn)行安全[3]。

3 地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 業(yè)務(wù)功能

在智能運(yùn)維理念引導(dǎo)下，以地鐵運(yùn)維特點(diǎn)和業(yè)務(wù)需求為例進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)共包括4個(gè)主要內(nèi)容，通過軟硬件結(jié)合方式，使系統(tǒng)的業(yè)務(wù)功能得以豐富，具體如下。

3.1.1 軌旁綜合檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)是在車輛段入線和正線位置，利用紅外激光、機(jī)器視覺等智能檢測(cè)系統(tǒng)，在地鐵經(jīng)過時(shí)對(duì)車輛外表、關(guān)鍵零件、磨耗零件尺寸等信息進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)整理和清洗后，傳遞到運(yùn)維平臺(tái)中，重點(diǎn)分析車輛走行部、弓網(wǎng)系統(tǒng)等圖像，針對(duì)異常之處發(fā)起預(yù)警，并有的放矢的開展車輛維護(hù)工作。

3.1.2 設(shè)備管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要對(duì)集成設(shè)備、關(guān)鍵部件進(jìn)行管理，包括部件基礎(chǔ)信息、應(yīng)用情況等。先對(duì)關(guān)鍵信息全面采集，再借助BIM技術(shù)對(duì)待檢設(shè)備幾何建模，將模型與設(shè)備所處位置、運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合，在明確設(shè)備位置的基礎(chǔ)上，將其形狀、使用情況與分布狀況等信息全面展示出來。

3.1.3 車輛維修管理系統(tǒng)。與以往運(yùn)維模式相比，該系統(tǒng)可對(duì)設(shè)備歷史運(yùn)行信息、檢修記錄等自動(dòng)化分析，創(chuàng)建設(shè)備故障預(yù)測(cè)模型，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)檢修目標(biāo)。將待檢設(shè)備故障數(shù)據(jù)匯總起來，創(chuàng)建故障診斷模型，為維修提供輔助決策；還可根據(jù)運(yùn)維數(shù)據(jù)智能化分析，制定相應(yīng)的檢修計(jì)劃，改變以往計(jì)劃?rùn)z修模式，采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)巡查模式，有效避免過度檢修造成的資源浪費(fèi)，在及時(shí)快速響應(yīng)的同時(shí)，促進(jìn)維修質(zhì)量提升。

3.1.4 運(yùn)維平臺(tái)創(chuàng)建。該平臺(tái)采用分層體系進(jìn)行建設(shè)，包括中臺(tái)、基礎(chǔ)設(shè)施與應(yīng)用3個(gè)層次。其中，中臺(tái)層的作用在于數(shù)據(jù)清洗、分析與可視化操作；基礎(chǔ)設(shè)施層是利用大數(shù)據(jù)中心建設(shè)模式，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施統(tǒng)一化管理，以標(biāo)準(zhǔn)化接口促進(jìn)信息共享，為大數(shù)據(jù)分析打下良好基礎(chǔ)；應(yīng)用層是借助建模工具、開發(fā)工具等，為平臺(tái)開發(fā)與應(yīng)用提供支撐，如故障預(yù)測(cè)、能耗管理、健康評(píng)估等；該平臺(tái)的應(yīng)用還可監(jiān)控車輛狀態(tài)，包括故障報(bào)警、自動(dòng)診斷、應(yīng)急處理等方面[4]。

3.2 架構(gòu)設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，結(jié)合智能運(yùn)維的關(guān)鍵業(yè)務(wù)場(chǎng)景，創(chuàng)建數(shù)據(jù)平臺(tái)，在系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)對(duì)平臺(tái)信息進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，包括基礎(chǔ)設(shè)施信息、維修信息、使用信息等。在業(yè)務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，通過系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集終端設(shè)備信息，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、格式預(yù)處理、存儲(chǔ)管理。站在信息處理的角度，將運(yùn)維系統(tǒng)分成4層架構(gòu)，在應(yīng)用層，包括智能工單、備用物件管理等；在數(shù)據(jù)層中，主要涵蓋模塊庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、人員信息庫(kù)、專家經(jīng)驗(yàn)庫(kù)等內(nèi)容；在業(yè)務(wù)層內(nèi)，包括狀態(tài)預(yù)警、運(yùn)行與拆解仿真、檢修維護(hù)分析等；在設(shè)備層內(nèi)，包括移動(dòng)終端、TVM、AGM等內(nèi)容。在管理期間，由專業(yè)人員在應(yīng)用層中制定維修方案，為維修設(shè)備模型創(chuàng)建、故障分析和處理提供便利，促進(jìn)維修效率和業(yè)務(wù)水平提升。業(yè)務(wù)層可結(jié)合應(yīng)用層的現(xiàn)實(shí)需求，針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)進(jìn)行邏輯處理，構(gòu)建完善的業(yè)務(wù)模型，為后續(xù)應(yīng)用層決策提供依據(jù)。

3.3 實(shí)際應(yīng)用

某工程實(shí)驗(yàn)室對(duì)車載式智能軌道巡檢系統(tǒng)進(jìn)行研究，將其應(yīng)用到某地鐵系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)軌道缺陷、軌道道床區(qū)域進(jìn)行巡檢，借助無線網(wǎng)絡(luò)將檢測(cè)信息與圖片上傳給云服務(wù)器，利用云計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析，為維修人員缺陷評(píng)估和處理提供便利，確保地鐵車輛安全運(yùn)行。

3.3.1 主要功能。在地鐵運(yùn)行過程中，可采集軌道和道床高清圖像，根據(jù)狀態(tài)圖像精準(zhǔn)迅速識(shí)別缺陷，涉及鋼軌裂紋、扣件斷裂、位移、丟失、道床內(nèi)異物混入等多個(gè)方面，體現(xiàn)出智能化、自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)；對(duì)巡檢范圍進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量地鐵運(yùn)行位置，將其作為鋼軌缺陷的線路坐標(biāo)確定提供參考；借助無線網(wǎng)將檢測(cè)到的缺陷信息傳遞給云服務(wù)器，針對(duì)線路中的關(guān)鍵點(diǎn)位，也將實(shí)時(shí)圖像傳遞給服務(wù)器，便于動(dòng)態(tài)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行情況；云服務(wù)器在接受軌道缺陷資料后自動(dòng)保存，利用客戶端程序進(jìn)行缺陷信息查看、匯總和比較[5]。

3.3.2 使用情況。在2020年5月1日—2021年10月1日之間，某地鐵安裝車載智能軌道巡檢系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行，共采集到缺陷點(diǎn)481處，其中扣件缺陷點(diǎn)位305處，軌枕破損點(diǎn)135處，異物41處。從2021年1月開始，開展系統(tǒng)調(diào)試與創(chuàng)新工作，使其更加適應(yīng)地鐵運(yùn)行環(huán)境，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。巡檢人員可打開微信小程序中的管理界面，對(duì)最近扣件缺陷、道床內(nèi)異物、軌枕受損等情況進(jìn)行查看，通過圖文信息了解現(xiàn)實(shí)情況，便于采取針對(duì)性的解決措施。當(dāng)?shù)刂悄苓\(yùn)維系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)規(guī)劃后，嚴(yán)格遵循全自動(dòng)運(yùn)行的要求，將車載、軌旁、檢修等環(huán)節(jié)有機(jī)結(jié)合起來，分部上傳到云端，創(chuàng)建出完善的智能運(yùn)維系統(tǒng)。

3.3.3 應(yīng)用效益。該地鐵線網(wǎng)長(zhǎng)度為478km，按照規(guī)程每日巡道，線網(wǎng)需要287人；在巡檢系統(tǒng)投入使用后，可每間隔4天巡道一次，工作效率極大提升，所需人數(shù)降低。同時(shí)，該系統(tǒng)帶有即時(shí)傳送功能，可在獲取軌道缺陷信息后第一時(shí)間自動(dòng)分析，提出維修建議，有效減少因檢修失誤延誤時(shí)機(jī)，甚至使故障擴(kuò)大，設(shè)備受到二次傷害，通過精準(zhǔn)化維修維護(hù)軌道設(shè)備安全，減少占用線路作業(yè)時(shí)間，節(jié)約維修成本。在系統(tǒng)試運(yùn)行期間，實(shí)測(cè)效果良好，能夠與全自動(dòng)運(yùn)行車輛控制要求相符合，還促使檢修效率大大提升，值得后續(xù)完善后推廣應(yīng)用。

3.4 未來發(fā)展

在軌道交通飛速發(fā)展下，未來將朝著“提高設(shè)備安全性、降本增效”的方向發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)軌道維修車載化、智慧化的維修體系，具體如下。

3.4.1 車載化。經(jīng)過長(zhǎng)期不斷探索，發(fā)現(xiàn)將軌道幾何檢測(cè)、圖像識(shí)別等技術(shù)應(yīng)用到車輛運(yùn)維中，并將運(yùn)行環(huán)境、軌道受力、剛度檢測(cè)等功能整合起來，可使地鐵在運(yùn)輸乘客的同時(shí)，對(duì)軌道狀態(tài)進(jìn)行全面采集；

3.4.2 智慧化。在未來發(fā)展中不但要注重硬件設(shè)備創(chuàng)新，還要大力發(fā)展軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)、傳輸、數(shù)據(jù)分析、智慧維修與報(bào)警等。針對(duì)系統(tǒng)間現(xiàn)存的壁壘問題，應(yīng)將供電、軌道、車輛等專業(yè)的數(shù)據(jù)相互串聯(lián)起來，依靠大數(shù)據(jù)技術(shù)提高信息應(yīng)用效率，充分開發(fā)出數(shù)據(jù)背后的深層價(jià)值。

3.4.3 產(chǎn)業(yè)化。未來應(yīng)在制定標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，借助工程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的科研力量，結(jié)合自身實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，朝著產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、更新?lián)Q代等方面拓展，緊緊圍繞運(yùn)營(yíng)維護(hù)形成產(chǎn)業(yè)化新格局，依靠智慧化維修實(shí)現(xiàn)降本增效的目標(biāo)，促進(jìn)軌道交通行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

綜上所述，當(dāng)前國(guó)內(nèi)科技水平不斷提升，城規(guī)運(yùn)維系統(tǒng)勢(shì)必朝著信息化、智能化方向發(fā)展，借助大數(shù)據(jù)與圖像處理技術(shù)采集地鐵運(yùn)行中的狀態(tài)信息，在第一時(shí)間確定軌道故障位置，并提出維修建議，促使維修效率極大提升，達(dá)到降本增效的目標(biāo)。在后續(xù)發(fā)展中，應(yīng)借助大數(shù)據(jù)技術(shù)剖析軌道故障規(guī)律，在檢修中實(shí)現(xiàn)分級(jí)預(yù)警與維修作業(yè)智能化管理，推動(dòng)軌道交通朝著車載化、產(chǎn)業(yè)化方向發(fā)展。