城軌列車智能運(yùn)維技術(shù)體系框架研究

鐘銓

摘 要：為明確城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）列車智能運(yùn)維的工作開展內(nèi)容與方式，在介紹城軌智能運(yùn)維背景基礎(chǔ)上，提出城軌列車智能運(yùn)維系統(tǒng)定義和技術(shù)體系框架，闡述該框架的技術(shù)特征?；诖耍榻B廣佛城軌列車智能運(yùn)維建設(shè)規(guī)劃和建設(shè)內(nèi)容，分析建設(shè)后的預(yù)期價值，以期為城軌列車智能運(yùn)維管理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：城軌列車;智能運(yùn)維;技術(shù)體系

中圖分類號：U284.48

來自安全與成本的壓力致使城軌列車設(shè)備狀態(tài)跟蹤、評估、性能預(yù)測及運(yùn)維管理面臨更多的挑戰(zhàn)。各地鐵公司、大專院校、科研機(jī)構(gòu)紛紛開展了許多針對城軌列車部分子系統(tǒng)、部件的狀態(tài)監(jiān)測及故障報(bào)警裝置的研究與開發(fā)活動，如文獻(xiàn)[1]結(jié)合威布爾比例故障率模型（WPHM）繪制出走行部滾動軸承的運(yùn)行可靠度和失效特征;文獻(xiàn)[2]建立了受電弓/接觸網(wǎng)垂向耦合動力學(xué)模型;文獻(xiàn)[3]采用線性矩陣不等式（LMI）和分散式控制的理論方法，建立了列車制動系統(tǒng)控制模型;文獻(xiàn) [4]針對城軌列車運(yùn)行多目標(biāo)的特點(diǎn)，以能耗、準(zhǔn)時性、精確停車以及舒適度為指標(biāo)建立城軌列車運(yùn)行多目標(biāo)模型。以上研究都是通過列車局部異常展開的工作，對于面向城軌列車運(yùn)行的復(fù)雜環(huán)境，其運(yùn)維能力的設(shè)計(jì)與部署亟待系統(tǒng)性、智能化提升。

本文在對城軌列車智能運(yùn)維技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析基礎(chǔ)上，對列車智能運(yùn)維技術(shù)體系框架進(jìn)行研究，提出城軌列車智能運(yùn)維系統(tǒng)定義和技術(shù)體系框架，為明確城軌列車智能運(yùn)維建設(shè)的下一階段研究做出努力和探討。

1 城軌列車智能運(yùn)維背景

（1）為保障列車的可靠性，確保運(yùn)營安全，傳統(tǒng)的方式是絕對保障，造成維護(hù)開支巨大。傳統(tǒng)方式還可能存在過度修、修不足、高冗余等不足，導(dǎo)致維修人員和資源配置冗余，備用設(shè)備資源閑置，致使成本居高不下。城軌設(shè)備對安全性要求高，設(shè)備成本、相應(yīng)的設(shè)備備品備件成本也較高;運(yùn)營公司既要借助委外維護(hù)完成現(xiàn)階段的維護(hù)任務(wù)，又要培訓(xùn)儲備維護(hù)人員，導(dǎo)致人力成本居高不下。據(jù)統(tǒng)計(jì)，各地城軌維保費(fèi)用平均占到日常運(yùn)營總成本的20%，人力成本占到日常運(yùn)營總成本的50%。

（2）在自主創(chuàng)新基礎(chǔ)上，圍繞數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，大力應(yīng)用新技術(shù)革命成果，并與城軌交通深度融合。一手抓智能化，強(qiáng)力推進(jìn)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、5G、衛(wèi)星通信、區(qū)塊鏈等新興信息技術(shù)和城軌交通業(yè)務(wù)深度融合，推動城軌交通數(shù)字技術(shù)應(yīng)用，推進(jìn)城軌信息化，發(fā)展智能系統(tǒng)，建設(shè)智慧城軌;一手抓自主化，創(chuàng)新創(chuàng)優(yōu)，增強(qiáng)自主技術(shù)創(chuàng)新能力，持續(xù)不斷研發(fā)新技術(shù)、新產(chǎn)品，并增強(qiáng)自主品牌創(chuàng)優(yōu)能力，不斷研發(fā)新產(chǎn)品、新品牌。通過持續(xù)不斷的智能化和自主化建設(shè)，完成城軌交通由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變，強(qiáng)力助推交通強(qiáng)國建設(shè)。

（3）檢測、感知、虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）、信號分析、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、圖像處理、無線通信、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，為全面覆蓋機(jī)械、電氣系統(tǒng)，開展列車部件狀態(tài)感知、故障預(yù)警報(bào)警、狀態(tài)評估及預(yù)測、維保決策及維修支撐等工作提供了有效手段，為城軌列車智能運(yùn)維系統(tǒng)的研發(fā)創(chuàng)造了技術(shù)實(shí)現(xiàn)條件。

2 城軌列車智能運(yùn)維技術(shù)體系框架

城軌列車智能運(yùn)維技術(shù)體系面向城軌列車運(yùn)行的復(fù)雜環(huán)境，運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車及設(shè)備的互聯(lián)互通，并將基于場景的車載數(shù)據(jù)、軌旁檢測數(shù)據(jù)、檢修業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有效耦合，對城軌列車狀態(tài)特征和運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行深度挖掘，形成一套具有列車狀態(tài)感知與跟蹤、故障診斷預(yù)警、剩余壽命預(yù)測、運(yùn)維智能決策、作業(yè)自動化等能力的智慧系統(tǒng)，保障列車安全可靠、提效節(jié)能，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)維精準(zhǔn)管理。

2.1 體系框架

列車智能運(yùn)維技術(shù)體系采用3-5-3體系框架，具體為：3個業(yè)務(wù)范圍，5項(xiàng)業(yè)務(wù)作業(yè)管理，3類業(yè)務(wù)技術(shù)支撐，如圖1所示。

2.1.1 業(yè)務(wù)范圍

（1）列車在途運(yùn)行。滿足安全、舒適、便捷客運(yùn)服務(wù)要求的列車組織管理，包括列車調(diào)度、運(yùn)行控制、故障處理、應(yīng)急智慧等業(yè)務(wù)活動。

（2）列車場段維護(hù)。保持列車服役能力的日常維護(hù)管理，包括列車日常檢測、故障維修、普查整治、列車技改等業(yè)務(wù)活動。

（3）列車基地檢修?；謴?fù)列車服役能力的維修維護(hù)管理，包括列車檢測、列車分解、列車維修、列車調(diào)試、列車移交等業(yè)務(wù)活動。

2.1.2 作業(yè)管理

（1）計(jì)劃。根據(jù)業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境與內(nèi)部條件的分析，編制在未來一定時期內(nèi)要達(dá)到的業(yè)務(wù)目標(biāo)以及方案途徑。

（2）調(diào)配。根據(jù)業(yè)務(wù)方案，組織所需的人、機(jī)、料、法等資源。

（3）進(jìn)度。對業(yè)務(wù)活動的進(jìn)展情況進(jìn)行把控。

（4）質(zhì)量。對業(yè)務(wù)活動實(shí)現(xiàn)過程的標(biāo)準(zhǔn)和業(yè)務(wù)活動目標(biāo)的達(dá)成度進(jìn)行管控。

（5）安全。在列車運(yùn)維過程中，減少對人、物所造成的威脅或損失。

2.1.3 技術(shù)支撐

（1）信息化。通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)管理，完成業(yè)務(wù)各環(huán)節(jié)的無紙化橫向貫通。

（2）自動化。實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)鏈與底層設(shè)備的互聯(lián)互通，及作業(yè)過程的自動化執(zhí)行與管控。

（3）智能化。智能化技術(shù)的融入，實(shí)現(xiàn)安全的自動導(dǎo)向和基于效益驅(qū)動的業(yè)務(wù)自適應(yīng)調(diào)整和執(zhí)行。

2.2 技術(shù)特征

（1）系統(tǒng)性業(yè)務(wù)覆蓋。對列車運(yùn)維業(yè)務(wù)進(jìn)行全面系統(tǒng)性覆蓋，該框架滿足列車部件最小可維護(hù)單元的全服役周期的狀態(tài)跟蹤與管理;滿足列車在途運(yùn)行、場段調(diào)度檢修、大架修業(yè)務(wù)的全覆蓋。

（2）模塊化配置。該框架為三維立體結(jié)構(gòu)，具備模塊化配置的特點(diǎn)，從業(yè)務(wù)維度滿足列車在途、場段、架修基地的運(yùn)用場景，從作業(yè)管理維度滿足計(jì)劃、資源調(diào)配、進(jìn)度、質(zhì)量、安全的流程貫通，從技術(shù)支撐維度滿足信息化、自動化、智能化的不斷提升。

（3）階段部署與持續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。隨著數(shù)據(jù)的積累，滿足智能化水平的不斷提升;隨著新技術(shù)的使用，滿足模塊化部署與能力提升;隨著服務(wù)線路范圍的擴(kuò)大，滿足框架和基礎(chǔ)模塊的直接遷移應(yīng)用。

（4）綜合判斷與評估。從安全、成本、效率綜合評估每一個業(yè)務(wù)單元。

3 廣佛城軌列車智能運(yùn)維實(shí)踐

3.1 發(fā)展規(guī)劃

廣佛城軌列車智能運(yùn)維發(fā)展規(guī)劃分為5個階段完成，第1階段主要完成狀態(tài)感知和運(yùn)維數(shù)據(jù)化，全面系統(tǒng)地獲得列車運(yùn)維狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括列車基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運(yùn)用數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)等;第 2階段主要完成平臺化建設(shè)，建立接口平臺、網(wǎng)絡(luò)平臺、數(shù)據(jù)平臺和業(yè)務(wù)運(yùn)用平臺;第3階段主要實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)維監(jiān)控、故障診斷分析;第4階段主要通過數(shù)據(jù)的積累和機(jī)理的分析，實(shí)現(xiàn)列車健康評估、壽命預(yù)測、故障預(yù)測和風(fēng)險評估;第5階段主要完成列車運(yùn)維的決策和資源的優(yōu)化利用，如圖2所示。

3.2 建設(shè)內(nèi)容

廣佛城軌列車智能運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容包括3個層次：1個列車智能運(yùn)維系統(tǒng)解決方案，5個核心子系統(tǒng)，N 個關(guān)鍵子設(shè)備，如圖3所示。

3.2.1 列車在途狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)

針對列車在途狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備相互獨(dú)立、車地傳輸困難、數(shù)據(jù)管理不規(guī)范、輔助故障應(yīng)急處理效率低、狀態(tài)跟蹤與隱患挖掘效率低下等問題，建立列車在途狀態(tài)智能監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)車載數(shù)據(jù)采集融合、預(yù)處理、數(shù)據(jù)解析、集中記錄、車地傳輸、地面管理等功能，如圖4所示，具體功能如下。

（1）列車運(yùn)行狀態(tài)跟蹤展示。車載智能監(jiān)測綜合管理系統(tǒng)通過大屏展示被監(jiān)測列車車號、列車位置、運(yùn)行方向、運(yùn)行速度、里程數(shù)、耗能情況、升降弓、開關(guān)門、牽引/制動等。

（2）列車乘客運(yùn)載服務(wù)狀態(tài)跟蹤展示。車載智能檢測綜合管理系統(tǒng)通過大屏展示被監(jiān)測列車客室溫度、擁擠程度、乘客分布、CO2濃度、平穩(wěn)性、手機(jī)信號強(qiáng)度、乘客異常等。

（3）列車運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)跟蹤展示。車載智能檢測綜合管理系統(tǒng)通過大屏展示被監(jiān)測線路軌道質(zhì)量、接觸網(wǎng)質(zhì)量、彎道、坡度、車載、道岔群、網(wǎng)群等。

（4）列車部件健康狀態(tài)跟蹤。車載智能檢測綜合管理系統(tǒng)通過大屏展示被監(jiān)測列車部件健康狀態(tài)、部件是否故障預(yù)警報(bào)警、當(dāng)前列車故障是否排查等。

3.2.2 列車軌旁智能檢測系統(tǒng)

針對軌旁多系統(tǒng)獨(dú)立部署所導(dǎo)致的模塊重復(fù)、多系統(tǒng)操作、數(shù)據(jù)管理不統(tǒng)一、部署維護(hù)不協(xié)同、無法直接應(yīng)用于檢修業(yè)務(wù)等問題，采用軌旁設(shè)備統(tǒng)一設(shè)計(jì)安裝、設(shè)備互聯(lián)互通、統(tǒng)一操控等方式，對部件狀態(tài)進(jìn)行采集、傳輸、處理，如圖5所示，具體功能如下。

（1）及時掌握列車經(jīng)過軌旁的過車情況、檢測內(nèi)容項(xiàng)、檢測故障項(xiàng)等信息。

（2）及時提示相關(guān)人員對預(yù)警報(bào)警內(nèi)容進(jìn)行查看，并通過調(diào)用子系統(tǒng)分析頁面，了解故障詳情。

（3）收集所有的在線故障問題，與檢修業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，推送至檢修關(guān)聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)查。

（4）對軌旁檢測設(shè)備及子模塊進(jìn)行監(jiān)測，包括采集設(shè)備本身、軌旁服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

（5）提供統(tǒng)計(jì)分析功能，對軌旁檢測的故障按不同維度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，對檢測準(zhǔn)確率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.2.3 列車健康管理分析系統(tǒng)

針對列車故障分析手段單一且效率低、故障定位困難、部件利用率低、檢修人員投入巨大、工作環(huán)境惡劣、技改支撐不足的問題，研發(fā)了一套城軌列車健康管理專家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了列車全壽命周期履歷管理、故障專項(xiàng)分析、故障耦合分析、狀態(tài)預(yù)測、RAMS（可靠性、可用性、可維修性、安全性）分析、耗能分析與節(jié)能優(yōu)化等功能。其功能如下。

（1）支持故障快速、準(zhǔn)確診斷。為各子系統(tǒng)提供多維度信息，有利于故障干擾的排查;提供專業(yè)化的分析工具，快速識別引發(fā)故障現(xiàn)象的原因，如圖6所示。

（2）支持普查整治優(yōu)化。根據(jù)數(shù)據(jù)的耦合分析，確定部件狀態(tài)以及影響部件狀態(tài)的原因，繪制狀態(tài)變化譜圖，優(yōu)化掌控普查整治的時間。

（3）支持日常檢測優(yōu)化。從自動化設(shè)備獲取數(shù)據(jù)，與日常檢測修程修制進(jìn)行映射，確定設(shè)備代替人工的可行性，從RAMS角度分析評估部件故障的失效概率、影響程度和劣化趨勢，調(diào)整檢測方式和人工檢測時間間隔，如圖7所示。

（4）支持技改。統(tǒng)計(jì)故障發(fā)生的概率和失效形式，優(yōu)化改進(jìn)短板項(xiàng)點(diǎn);從可維護(hù)性角度出發(fā)，增加輔助標(biāo)識或強(qiáng)化非自動檢測項(xiàng)，提升部件可靠性和可維護(hù)性;從軌道、隧道、接觸網(wǎng)、供電等方向，實(shí)現(xiàn)協(xié)同整改。

3.2.4 列車運(yùn)維業(yè)務(wù)系統(tǒng)

針對車場運(yùn)作信息孤立、場段運(yùn)作管理自動化率低、沖突檢測手段原始等核心問題，實(shí)現(xiàn)車場調(diào)度和檢修計(jì)劃自動編制，收發(fā)車、調(diào)車、遠(yuǎn)程請銷點(diǎn)、底層設(shè)備信息自動接入，信息自動更新，沖突檢測預(yù)警報(bào)警等功能。其功能如下。

（1）實(shí)現(xiàn)車場信息綜合展示，輔助調(diào)度、檢修決策;顯示列車位置、狀態(tài)、檢修進(jìn)度、質(zhì)量及計(jì)劃變更等內(nèi)容。

（2）實(shí)現(xiàn)車場運(yùn)作的有序和智能。自動編排檢修計(jì)劃、資源配置計(jì)劃，持續(xù)跟蹤車場調(diào)度檢修進(jìn)度和質(zhì)量，出現(xiàn)異?；蜃兏鼤r，自適應(yīng)調(diào)整計(jì)劃，并進(jìn)行計(jì)劃執(zhí)行的演練。

（3）實(shí)現(xiàn)管理信息與生產(chǎn)信息無縫對接。對生產(chǎn)信息精細(xì)化、精準(zhǔn)采集與管理，將生產(chǎn)信息自動收集整理后支撐管理決策。

3.2.5 列車運(yùn)維智能監(jiān)控系統(tǒng)

針對列車服役周期關(guān)鍵狀態(tài)信息無法及時掌握，影響乘客運(yùn)載服務(wù)、行車安全、作業(yè)安全、車場調(diào)度、生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)整等問題，列車運(yùn)維智能監(jiān)控系統(tǒng)采用基于場景的列車運(yùn)維全生命周期軌跡跟蹤、風(fēng)險自動識別與管控技術(shù)，完成列車運(yùn)維過程和關(guān)鍵指標(biāo)的智能監(jiān)控。

3.3 預(yù)期價值體現(xiàn)

列車智能運(yùn)維建設(shè)需要投入大量的精力和資源，廣佛城軌從系統(tǒng)性、長遠(yuǎn)規(guī)劃的角度出發(fā)，建設(shè)列車智能運(yùn)維系統(tǒng)，預(yù)期從安全、經(jīng)濟(jì)、協(xié)同的角度產(chǎn)生價值，如表1所示。

4 結(jié)束語

本文對城軌列車智能運(yùn)維技術(shù)體系框架進(jìn)行了研究，主要成果如下。

（1）給出了城軌列車智能運(yùn)維系統(tǒng)定義，提出了基于場景的價值數(shù)據(jù)挖掘，具備貫通狀態(tài)感知、分析、決策、執(zhí)行的智慧系統(tǒng)特性。

（2）提出了城軌列車智能運(yùn)維3-5-3技術(shù)體系框架，實(shí)現(xiàn)了列車運(yùn)維業(yè)務(wù)的系統(tǒng)性覆蓋，滿足建設(shè)內(nèi)容的模塊化配置和分步實(shí)施。

（3）以廣佛

城軌列車智能運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)為例，

證明城軌列車智能運(yùn)維技術(shù)體系框架符合更安全、更經(jīng)濟(jì)、更協(xié)同的價值目標(biāo)。

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收稿日期 2020-06-15

責(zé)任編輯 朱開明