全自動運行軌道交通列車狀態(tài)監(jiān)控與調度管理系統(tǒng)的研究

楊碩 陳艷鑫

摘要：基于全自動運行軌道交通系統(tǒng)的理念，為全面掌握列車的運行狀態(tài)和科學維護，研究開發(fā)全自動運行車輛調度管理系統(tǒng)，為線路的可靠運營提供保障。系統(tǒng)以列車為原點出發(fā)，通過軟件硬件相結合的方法，實現(xiàn)對列車的遠程監(jiān)測、故障報警、遠程控制和運維決策等功能。本文從系統(tǒng)的構建到以期實現(xiàn)的功能，全面闡述了全自動運行車輛調度管理系統(tǒng)的研究內容，并對本系統(tǒng)的發(fā)展方向進行了展望。

關鍵詞：全自動運行;軌道交通;狀態(tài)監(jiān)測;車輛調度;運維支持

1? 概述

隨著軌道交通的智能化發(fā)展和列車運行控制系統(tǒng)的自動化水平不斷提高，城市軌道交通系統(tǒng)正向全自動運行（FAO）快速演進。巴黎、新加坡、洛桑等城市多條線路已采用全自動運行系統(tǒng)，預計2025年全球將有2300km全自動運行線路。目前我國也有線路開通了全自動運行，如北京燕房線、上海10號線，更有蘇州、南京、成都等多座城市的地鐵線路正在建或計劃采用全自動運行系統(tǒng)。無人駕駛的情況下，運營中的列車與地面OCC的信息交互及處理，是保障運營安全的重要環(huán)節(jié)，所以在設置行車調度的同時，增設車輛調度，對在線運營的列車狀態(tài)進行實時監(jiān)控。本文提出方案，構建全自動運行車輛調度管理系統(tǒng)（以下簡稱“本系統(tǒng)”），為控制中心對在線列車的狀態(tài)監(jiān)測、運行故障的診斷、遠程控制及運維決策等方面提供手段，同時與信號、通信、PIS、CCTV等系統(tǒng)可靠配合、聯(lián)動，以期在全自動運行的大背景下，提高列車運行的安全性與可靠性。

2? 系統(tǒng)構成

構建本系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集硬件、數(shù)據(jù)處理服務器集群及數(shù)據(jù)傳輸通道、系統(tǒng)聯(lián)動幾個關鍵模塊為出發(fā)點。

2.1 數(shù)據(jù)采集硬件

2.1.1 車載設備信息采集

車載設備的信息采集對象除常規(guī)的列車自身各子系統(tǒng)如牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、受電弓系統(tǒng)等系統(tǒng)的控制單元數(shù)據(jù)外，還包含了車載輔助監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)，如目前較為熱門的主/被動障礙物探測設備、脫軌檢測設備、車載受電弓動態(tài)監(jiān)測設備、弓網(wǎng)檢測設備等等。

2.1.2 軌旁設備信息采集

這里所說的軌旁設備，主要是指安裝于車輛段、停車場及正線上的位于軌旁用來監(jiān)測列車的設備。這些設備是在“外面的”角度監(jiān)測列車的狀態(tài)，在列車運行通過時，基于機器視覺、振動分析、位移分析、圖像分析、紅外測溫、激光等傳感技術監(jiān)測列車的物理特性是否存在問題，對車輛的表面損傷、姿態(tài)、溫度等信息進行采集并將狀態(tài)、報警等信息發(fā)送給服務器集群。

2.2 數(shù)據(jù)處理服務器集群

采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至控制中心的服務器集群，服務器是大數(shù)據(jù)存儲、分析、處理的平臺，實現(xiàn)車載數(shù)據(jù)、軌旁數(shù)據(jù)的整合，具備數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)整合、查詢訪問、數(shù)據(jù)分析等功能，并提供完全并行的處理架構、實時數(shù)據(jù)處理性能、動態(tài)數(shù)據(jù)訪問能力、完善的混合負載管理能力、穩(wěn)定可靠高可用的保護能力，高效支撐智能查詢、智能報表等大數(shù)據(jù)分析查詢應用。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸通道

2.3.1 車載設備信息的傳輸

車載數(shù)據(jù)通過列車既有的車地無線通道傳輸，目前主流的車地無線通道傳輸有WLAN和LTE傳輸，基于安全性的考慮，非監(jiān)控視頻類的數(shù)據(jù)通過信號系統(tǒng)的LTE傳輸，監(jiān)控視頻類數(shù)據(jù)通過PIS系統(tǒng)的WLAN傳輸，在控制中心分別由信號系統(tǒng)和PIS系統(tǒng)的服務器匯集至本系統(tǒng)服務器集群。

2.3.2 軌旁設備信息的傳輸

軌旁數(shù)據(jù)通過專用通信OTN專網(wǎng)傳輸，在控制中心由通信系統(tǒng)服務器將數(shù)據(jù)發(fā)送至本系統(tǒng)服務器集群。

2.4 系統(tǒng)聯(lián)動

本系統(tǒng)不是獨立存在的，與信號系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、PIS系統(tǒng)、CCTV系統(tǒng)存在密切的聯(lián)動，如對列車故障的處置、遠程控制等要與信號系統(tǒng)的行車指令相結合，如列車觸發(fā)緊急對講、煙火報警、旋動緊急手柄等動作時與PIS、CCTV系統(tǒng)配合推送相應位置攝像頭圖像至工作站，等等。

3? 系統(tǒng)功能

基于以上構架，本系統(tǒng)可開發(fā)實現(xiàn)多種功能，下設車輛調系統(tǒng)、車輛運維系統(tǒng)、車輛監(jiān)測系統(tǒng)，簡圖如圖1。

3.1 車輛調系統(tǒng)

車輛調定位于實時運營支持，在車輛運營時保障車輛安全平穩(wěn)運行。

3.1.1 實時監(jiān)控

車輛調前端顯示界面調取實時數(shù)據(jù)庫內的數(shù)據(jù)進行顯示，并會注明信息監(jiān)測的來源。以列車為中心顯示，便于操作人員全面地感知車輛的運行狀態(tài)參數(shù)，可顯示所有在線運營車輛的基本運營信息（列車號、車次號、速度、網(wǎng)壓、主風壓力、蓄電池電壓、速度、站距等）、旁路開關狀態(tài)、車載和車輛軌旁監(jiān)測故障清單等。

3.1.2 故障診斷

系統(tǒng)將車載故障數(shù)據(jù)和軌旁監(jiān)測數(shù)據(jù)進行融合，按故障性質或者所屬子系統(tǒng)進行分類，提供多種方式排列查看，如項目號，故障發(fā)生時間，故障名稱，故障編號，所屬子系統(tǒng)、采集渠道等。對于嚴重故障，以醒目顏色的形式進行標注提醒。對于當前發(fā)生的故障信息，系統(tǒng)建立故障的邏輯模型，實時診斷故障是由什么條件產生的，故障的邏輯診斷是怎樣的，故障發(fā)生后，系統(tǒng)明確給出故障發(fā)現(xiàn)的原因，并給出運營與維修建議。

3.1.3 遠程控制

系統(tǒng)可通過設置在控制中心的控制終端對列車進行部分功能的遠程控制，例如：空調溫度遠程設定、受電弓遠程升/降、照明遠程開關、牽引系統(tǒng)故障遠程復位、輔助系統(tǒng)故障遠程復位、斷路器遠程復位、遠程強制自檢通過等。

3.1.4 視頻聯(lián)動

當車輛發(fā)生故障、煙火報警或有乘客觸發(fā)緊急對講、旋動緊急手柄時，車輛調系統(tǒng)通過與PIS和CCTV系統(tǒng)的聯(lián)動控制，將相關區(qū)域的視頻畫面推送至顯示終端，幫助操作人員遠程準確的處理故障。

3.2 運維系統(tǒng)

運維系統(tǒng)是車輛健康評估、故障提前預測與檢修管理，保障車輛即將發(fā)生的故障提前感知并進行診斷維修，有以下幾個功能。

3.2.1 健康評分

基于車輛設計思想，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，建立列車健康指數(shù)評估體系，進而依據(jù)該體系，按各系統(tǒng)分權重綜合建立大數(shù)據(jù)分析探索模型，對車輛健康狀態(tài)進行客觀準確評估，根據(jù)不同程度的得分給出列車相應的運營建議。

3.2.2 故障預警

系統(tǒng)具有車輛預警功能，系統(tǒng)采用自學習與故障機理分析融合的算法，根據(jù)大量歷史車載數(shù)據(jù)的積累，綜合給出故障預警的算法模型，實現(xiàn)對車輛故障的準確預警，也可根據(jù)當前實時的車載數(shù)據(jù)預測列車在未來時間內的故障發(fā)生機率。

3.2.3 統(tǒng)計分析

運維系統(tǒng)統(tǒng)計各重要的關鍵指標，比如故障、能耗、里程等?？梢园凑詹煌瑫r間段、不同部件等多維度進行統(tǒng)計。對各類數(shù)據(jù)項進行組合對比，為用戶提供自主分析的功能，達到輔助決策、支撐運營管理的目的。

3.2.4 檢修管理

系統(tǒng)可按計劃或故障觸發(fā)等方式自動生成檢修和故障工作單，可以對列車檢修后的狀態(tài)進行評估，并具備根據(jù)列車最新狀態(tài)給出調整維護周期及工藝的建議和意見功能。同時能對作業(yè)人員、地點、檢修策略、檢修方案等要素進行管理。支持按照部位、類別、故障等不同的類型實現(xiàn)故障代碼體系的層次化維護，自動根據(jù)故障類別推薦相關的原因代碼與處理意見。

3.2.5 運維決策

通過列車大數(shù)據(jù)積累，系統(tǒng)可以更準確的判斷列車的健康狀態(tài)，與檢修規(guī)程結合，提供列車的狀態(tài)修和預防修等運維決策。

3.3 車輛監(jiān)測系統(tǒng)

車輛監(jiān)測系統(tǒng)定位于監(jiān)測列車狀態(tài)的輔助系統(tǒng)，負責上述軌旁設備信息的采集及初步分析處理，在列車運行通過軌旁監(jiān)測設備時，以列車為單位自動采集走形部、車頂、車側、車底、受電弓的異物、缺損、姿態(tài)等狀態(tài)信息，并能根據(jù)異常按車號、部位、時間進行分析報警，將監(jiān)測及初步分析結果上傳到控制中心的服務器集群。

3.3.1 輪對故障動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

輪對故障動態(tài)檢測系統(tǒng)安裝在車輛段/停車場入庫線上，由車輪外形幾何尺寸檢測子系統(tǒng)、車輪擦傷（與鋼軌接觸區(qū)域）檢測子系統(tǒng)、車輪踏面缺陷動態(tài)圖像監(jiān)測、輪軌振動監(jiān)測等子系統(tǒng)組成，實現(xiàn)能夠檢測車輪外形幾何尺寸、踏面擦傷、車輪踏面表面部缺陷、輪緣厚度、輪緣高度、車輪直徑、車輪不圓度、輪對內測距等功能。

3.3.2 全車360°動態(tài)圖像監(jiān)測系統(tǒng)

列車全車360°動態(tài)圖像監(jiān)測系統(tǒng)安裝在車輛段/停車場入庫線上，采用圖像分析的手段，實現(xiàn)對走行部、車側、車頂、受電弓及其他關鍵部件工作狀態(tài)進行全面監(jiān)測，包括但不限于螺栓螺母的松動及丟失，各類管線脫落，車頂異物侵入，車地懸掛設備、牽引電機、齒輪箱等關鍵部件脫落、丟失、變形等，對異常情況進行自動報警。

3.3.3 受電弓在線監(jiān)測系統(tǒng)

受電弓在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝于線路運營正線上，利用多個高速、高分辨率的相機以及高精度傳感器，采用激光定位技術，精確采集受電弓和絕緣子等主要部件的圖像，通過圖像識別及結構光技術，對受電弓的常見故障（碳滑板磨耗、偏磨、掉塊等）、異常的部件（如絕緣子的外觀，滑板裂紋、異物、平行度、偏轉角度等）、受電弓結構變化、受電弓姿態(tài)進行自動識別并報警。

3.3.4 走行部紅外溫度監(jiān)測系統(tǒng)

列車在運行中，滾動軸承、齒輪箱、電機等關鍵部件均會產生溫升，溫度超限會極大影響行車安全，如果不能在線及時監(jiān)測到異常的高溫就會出現(xiàn)滾子脫落、斷軸等直接危及行車安全的事故。針對此種情況，我們采用紅外技術動態(tài)采集在線列車的軸承部位、齒輪箱部位、電機部位溫度，列車溫度異常時發(fā)出報警信息，能夠以紅外熱圖方式顯示溫度信息，實現(xiàn)對在線列車溫度的安全監(jiān)控。

4? 展望

本系統(tǒng)的將車載、軌旁數(shù)據(jù)融合至同一平臺，采用大數(shù)據(jù)的理念進行分析處理、智能決策，尤其是針對采用全自動運行系統(tǒng)的線路，系統(tǒng)提供了列車在線運行的全方位狀態(tài)監(jiān)控及計劃性運維，符合當前智能化的大趨勢，當然技術的完善逐步優(yōu)化的，在現(xiàn)有設計的基礎上，仍需在以下幾個方面深入研究。

4.1 系統(tǒng)的可靠性

全自動運行系統(tǒng)中的列車行駛在線路上，一切常規(guī)的監(jiān)視和操控均在遠程進行，無疑本系統(tǒng)成為了列車的“眼睛”，系統(tǒng)的可靠性是安全運行的重要基礎，如何提升系統(tǒng)的可靠性，除增加系統(tǒng)的冗余性外，還需要繼續(xù)深入的分析完善各項功能，在方案落地后根據(jù)試驗、運營的實際情況探索優(yōu)化。

4.2 數(shù)據(jù)的積累

本系統(tǒng)部分功能的實現(xiàn)，如運維決策功能是需要通過長期的數(shù)據(jù)積累，可以更準確的判斷列車的健康狀態(tài)，再將列車健康狀態(tài)與檢修進行關聯(lián)性匹配，并給出調整維護周期及工藝的建議，所以數(shù)據(jù)的積累和系統(tǒng)學習是持續(xù)的。

4.3 系統(tǒng)的聯(lián)動配合

軌道交通線路項目中，列車與信號、通信、綜合監(jiān)控系統(tǒng)是緊密互動的，全自動運行系統(tǒng)尤甚。相關專業(yè)在可視化的終端處又會設置行調、車輛調、乘客調、環(huán)調等作業(yè)角色，所以各專業(yè)間的職能界面和功能聯(lián)動是需要根據(jù)實際運營方案及時調整優(yōu)化的，這里說的優(yōu)化某種意義上也可以理解為簡化，使系統(tǒng)操作簡單、高效是智能化的有力支撐。

4.4 線網(wǎng)化

隨著線網(wǎng)的建設，如何做到數(shù)據(jù)統(tǒng)一協(xié)調，服務于網(wǎng)間的多條線路，做到互聯(lián)互通也是本系統(tǒng)接下來的深入研究方向。同時整個線網(wǎng)的數(shù)據(jù)又能反哺系統(tǒng)，使系統(tǒng)更為有效地學習與自我完善，更精準的服務線網(wǎng)。

5? 結論

全自動運行系統(tǒng)是未來軌道交通的一個重要發(fā)展方向，在既有技術經驗的基礎上，本文論述的全自動運行車輛調度管理系統(tǒng)是可行的，為列車安全的自動行駛和智能運維提供了有力支撐，當然，對系統(tǒng)的可靠性、實用性、多維化、智能化是我們持續(xù)關注并探索的目標。后期通過實際運營的驗證、總結經驗，并進一步優(yōu)化系統(tǒng)彈性和智能化水平的原理、方法和技術后，相信可以為軌道交通事業(yè)科學的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻。

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