城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)應(yīng)用研究

詹 煒 徐永能 王依蘭

（南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210094）

引言

隨著我國對各大城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入不斷加大，全國各主要城市軌道交通得到快速發(fā)展，我國城市軌道交通客流也隨之快速增長，客流量不斷增長要求車輛上線數(shù)量逐步提升。與此同時，為保障城市軌道交通車輛運行性能安全可靠，車輛必須定期進(jìn)行架修或大修作業(yè)，這必然導(dǎo)致需架修或大修的車輛停在維修基地不能上線運行，會出現(xiàn)車輛需求量大與車輛需下線維修而引發(fā)的車輛供給不足的供需矛盾問題。為此，城市軌道交通車輛運維行業(yè)急需一種能實現(xiàn)城市軌道車輛智能運維的信息化平臺來縮短維修時間，提高車輛上線率。

1 智能運維系統(tǒng)概述

上世紀(jì)70年代起，美軍將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)引入到武器裝備中，由此開啟了大型設(shè)備系統(tǒng)故障預(yù)測與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）研究的開端。在隨后四十幾年的發(fā)展中，PHM已經(jīng)在航空航天、旋轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)、風(fēng)電水電機(jī)組系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)健康管理、電池健康管理等方面取得了重要進(jìn)展[1]，且近年來越來越呈現(xiàn)出集成化發(fā)展的趨勢。智能運維系統(tǒng)即是以PHM技術(shù)為核心的高度集成的信息化系統(tǒng)。

智能運維是指利用先進(jìn)傳感技術(shù)獲取被管理系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)信息，并借助大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段及模糊邏輯等推理算法，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)、實時數(shù)據(jù)和環(huán)境因素等，對被管理系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測和故障預(yù)測，與此同時，對被管理系統(tǒng)的健康狀態(tài)進(jìn)行評估，結(jié)合維修基地維修資源情況，給出合適的維修決策，以實現(xiàn)關(guān)鍵部件的狀態(tài)修[2]。

2 城市軌道交通車輛維修現(xiàn)狀及存在的問題

城市軌道交通車輛是一個復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)，涵蓋了機(jī)械、電氣、材料等多種學(xué)科，因此，深入分析城市軌道交通車輛維修現(xiàn)狀及問題，可對城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)工作流程設(shè)計及技術(shù)框架搭建提供支持。

2.1 現(xiàn)狀

城市軌道交通是一個城市的交通骨架，在疏導(dǎo)交通、引導(dǎo)城市發(fā)展格局上起到了重要作用。城市軌道交通車輛作為城市軌道交通企業(yè)重要的運營維護(hù)對象，如何更好的平衡車輛供需這一矛盾體，是近年來的研究熱點之一。以國內(nèi)某地鐵公司為例，其投入使用的車輛多為中國中車公司制造，都安裝了傳感器，用于采集車輛運行時某些關(guān)鍵部件的狀態(tài)信息，且車上均安裝了EVR系統(tǒng)，車輛回庫待檢時，工程師可下載故障數(shù)據(jù)及運行數(shù)據(jù)。

2.2 存在的問題

相對于智能運維系統(tǒng)在電力系統(tǒng)及航空系統(tǒng)的成熟應(yīng)用，在城市軌道交通車輛上智能運維系統(tǒng)的應(yīng)用還存在諸多不足，需從以下幾個方面進(jìn)一步完善和提升。

2.2.1 實時監(jiān)測種類不全

城市軌道交通車輛上傳感器多安裝于制動系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，能實時監(jiān)測的關(guān)鍵部件不全。而對車輛安全行駛及乘客舒適度影響最大的走行部，目前沒有更好的監(jiān)測手段。特別是針對走行部軸箱軸溫是否異常的檢測，僅限于在軸箱外部貼溫度試紙的方法，待車輛回庫后，由日常檢修人員觀測記錄。這種方法無法獲得車輛運行過程中實時軸溫數(shù)據(jù)，在軸溫異常時也無法及時發(fā)現(xiàn)，具有很大的安全隱患。

2.2.2 過修欠修

目前我國大部分城市軌道交通企業(yè)對于車輛維修常分為日檢、周檢、雙周檢、月檢、半年檢、架修、大修等修程修制，極易出現(xiàn)過修情況，造成成本浪費。由于大部分城市軌道交通企業(yè)未對車輛各部件或零件建立維修數(shù)據(jù)庫，可能會出現(xiàn)某部件或零件已達(dá)到需維修或更換的閾值，卻因為檢修人員按照規(guī)程不予以維修或更換，造成欠修情況，形成安全隱患。多數(shù)學(xué)者認(rèn)為基于狀態(tài)的預(yù)防性維修是解決過修欠修問題的方法之一。

2.2.3 故障誤報

本世紀(jì)頭十年，為解決傳感器安裝空間受限及關(guān)鍵部件技術(shù)受限無法安裝傳感器的問題，國內(nèi)一些城市軌道交通企業(yè)采用軌旁紅外測試的方法來測定經(jīng)過車輛的運行參數(shù)，以達(dá)到近似預(yù)警故障的目的。然而，由于城市軌道交通車輛運行環(huán)境惡劣，軌道振動較大等對紅外裝置影響較大，測定設(shè)備自身可靠性不高，造成誤報率很高。近幾年，城市軌道交通車輛開始嘗試在一些部件直接加裝傳感器，但由于城市軌道交通車輛運行時間長、啟停頻繁等原因，車門傳感器等會出現(xiàn)故障誤報的情況。

2.2.4 未能建立故障預(yù)測模型

目前的故障診斷主要是在車輛發(fā)生故障后，由調(diào)度將車調(diào)回相應(yīng)的維修庫，由經(jīng)驗豐富的工程師對系統(tǒng)中的故障數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，憑借自身經(jīng)驗判斷故障類型和故障程度，做出維修決策。這種診斷方法受個人主觀因素影響較大，由于沒有建立故障預(yù)測模型，不能實現(xiàn)趨勢預(yù)警、突變預(yù)警等，且故障預(yù)測率為零。

2.2.5 其他

我國城市軌道交通車輛維修系統(tǒng)信息化不足，故障診斷及維修主要依靠經(jīng)驗豐富的工程師及一線員工，處于事后維修階段，不能實現(xiàn)故障預(yù)測，也無法實現(xiàn)健康狀態(tài)管理。

3 城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)架構(gòu)

在對城市軌道交通車輛維修現(xiàn)狀和不足充分分析后，本文研究的城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)應(yīng)至少包括如下幾種功能：實現(xiàn)車輛關(guān)鍵部件在線智能監(jiān)測、數(shù)據(jù)傳輸與處理、智能診斷、智能排障、整車及關(guān)鍵部件剩余壽命預(yù)測等主要功能和維修前備品備件準(zhǔn)備及維修計劃修訂等輔助功能。

圖1 城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)設(shè)計工作流程圖

圖2 城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)技術(shù)框架圖

該系統(tǒng)設(shè)計工作流程如圖1所示。通過在城市軌道交通車輛關(guān)鍵部件加裝多種微型復(fù)合傳感器，如溫度傳感器、振動傳感器、加速度傳感器、壓力傳感器等獲取實時數(shù)據(jù)，在傳感器采集到數(shù)據(jù)后傳到隨車的數(shù)據(jù)中心，隨車數(shù)據(jù)中心利用大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)融合算法對數(shù)據(jù)預(yù)處理，簡化后續(xù)數(shù)據(jù)處理難度，隨后通過車地通信系統(tǒng)將預(yù)處理后的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸給地面數(shù)據(jù)處理中心；地面數(shù)據(jù)處理中心利用數(shù)據(jù)融合算法提取數(shù)據(jù)特征，通過對特征提取后的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析實現(xiàn)對各關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測，并將這一數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫；與此同時，對特征提取后的數(shù)據(jù)利用人工智能判斷其是否出現(xiàn)故障，并結(jié)合歷史數(shù)據(jù)及產(chǎn)品參數(shù)模型等預(yù)測故障的部位、類型等，隨后系統(tǒng)內(nèi)部及時修訂維修計劃，調(diào)配備品備件及相關(guān)人員對故障車輛保障維修；若系統(tǒng)控制中心判斷未出現(xiàn)故障情況，則系統(tǒng)進(jìn)入下一個循環(huán)。

圖1所示城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)工作流程需通過圖2所示城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)技術(shù)框架來實現(xiàn)。由前所述可知，智能運維系統(tǒng)是一個信息化程度高，涉及專業(yè)繁多的綜合性信息化平臺。這種智能運維系統(tǒng)會直接改變現(xiàn)有城市軌道交通運營公司的車輛管理模式，對車輛運營管理更加高效簡潔，促進(jìn)各部門融合，減少各部門信息接口，降低管理成本。這是當(dāng)前國內(nèi)已網(wǎng)絡(luò)化運營的城市軌道交通企業(yè)車輛管理模式發(fā)展趨勢之一。

如圖2所示，該系統(tǒng)由“數(shù)據(jù)采集層”、“中心數(shù)據(jù)庫”和“操作界面層”等三個層面構(gòu)成。在操作界面上，應(yīng)至少包括“綜合查詢”、“監(jiān)控界面”、“故障預(yù)警”、“知識庫維護(hù)”、“工卡界面”等供一線車輛維修人員及工程師操作。中心數(shù)據(jù)庫中，包含必要的維修知識庫、廠家提供的檢修手冊、各關(guān)鍵部件的故障預(yù)測模型庫、各關(guān)鍵部件的分析模型庫及監(jiān)控規(guī)則庫。數(shù)據(jù)采集層采集的數(shù)據(jù)來源包括車載數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)及外部數(shù)據(jù)等三部分。以上所述各硬件軟件最終實現(xiàn)“數(shù)據(jù)采集”、“狀態(tài)監(jiān)測”、“健康評估”、“故障預(yù)警”、“決策輔助”等五個功能。

4 城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)應(yīng)用展望

城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)在實際應(yīng)用過程中還存在以下五個技術(shù)關(guān)鍵點需要解決。

4.1 確定需監(jiān)測的關(guān)鍵部件

城市軌道交通車輛是一個復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，因此如何定義關(guān)鍵部件是一個需要解決的問題。由于城市軌道交通本質(zhì)上是面向社會的具有公益性質(zhì)的非營利性運輸方式，是公共交通的重要組成部分。城市軌道交通運營公司的主要目的是在保障車輛運營安全及運營成本最小的前提下，最大限度的提高運輸效率。因此，可按照車輛運營安全、運營秩序、乘客舒適度等原則和重要程度順序來確定需監(jiān)測的關(guān)鍵部件。

4.2 確定關(guān)鍵部件健康管理特征量

根據(jù)關(guān)鍵部件的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)及經(jīng)驗，確定關(guān)鍵部件健康管理的特征量。一般地，若一個狀態(tài)監(jiān)測量與該部件物理失效機(jī)理直接相關(guān)，則以該狀態(tài)監(jiān)測量作為該關(guān)鍵部件的健康管理特征量；若該關(guān)鍵部件過于復(fù)雜，無法或很難測定與部件失效機(jī)理直接相關(guān)的物理量，則可通過對多種狀態(tài)監(jiān)測量融合來建立該部件的虛擬健康管理特征量。

4.3 確定安裝傳感器的種類和位置

根據(jù)已確定的關(guān)鍵部件健康管理特征量來確定應(yīng)布置在各關(guān)鍵部件的傳感器種類及位置。作為承擔(dān)城市公共交通主干運輸?shù)某鞘熊壍澜煌ㄜ囕v，其對安全性要求苛刻，這導(dǎo)致傳感器安裝位置要求隨之提高。例如，對于車輛轉(zhuǎn)向架，城市軌道交通車輛生產(chǎn)商多要求不能隨意鉆孔，以保證其安全性能，故安裝在轉(zhuǎn)向架的傳感器多采用強(qiáng)力膠貼在構(gòu)架上。其次，車上監(jiān)測系統(tǒng)布置需考慮車輛實際運行環(huán)境，不能出現(xiàn)脫落等現(xiàn)象影響車輛運行。最后，應(yīng)考慮各關(guān)鍵部件實際工作環(huán)境，選擇與之相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)方案。

4.4 確定數(shù)據(jù)傳輸方式

數(shù)據(jù)傳輸方式分為兩類，一類為車上監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸方式，一類為車地間數(shù)據(jù)傳輸方式。對于車上檢測系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸方式，可選擇采用新增以太網(wǎng)的方式，將加裝的數(shù)據(jù)與車上原有網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)對接，實現(xiàn)車輛在線故障預(yù)警和智能診斷。對于車地間數(shù)據(jù)傳輸，可通過車輛離線后人工數(shù)據(jù)下載、無線通信數(shù)據(jù)傳輸或軌旁電路數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞綄㈩A(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心。建議對于關(guān)鍵部件的關(guān)鍵特征量，利用5G通訊技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸；對于數(shù)據(jù)量較大的非關(guān)鍵數(shù)據(jù)及其相關(guān)的環(huán)境參數(shù)可通過車輛離線后人工數(shù)據(jù)下載的方法傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)處理中心。

4.5 建立地面數(shù)據(jù)處理中心

在前述步驟完成的前提下，建議建立地面數(shù)據(jù)處理中心。該中心為城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)的核心，可對傳輸?shù)皆撝行牡臄?shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理，開展數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)挖掘和深度學(xué)習(xí)等工作，是實現(xiàn)關(guān)鍵部件健康管理的基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)是城市軌道交通車輛專業(yè)實現(xiàn)基于狀態(tài)的預(yù)防性維修的重要手段之一，該系統(tǒng)可以顯著降低維修保障費用，大幅提高維修保障效率，提高設(shè)備可靠性。對于城市軌道交通車輛專業(yè)將具有以下意義：

（1）通過減少備件、保障設(shè)備、維修人力等保障資源需求，降低維修保障費用[3]；

（2）通過減少過度維修次數(shù)，特別是計劃外維修次數(shù)，縮短設(shè)備全生命周期中維修時間，提高車輛上線率；

（3）通過實時監(jiān)測及故障診斷，減少車輛上線期間故障引起的風(fēng)險，保障運營安全。