動車組一級檢修人機交替作業(yè)模式研究

陳 澄，金永祥，姜 陳

（1.中國鐵路上海局集團有限公司 上海動車段，上海 201812；2.中國鐵路上海局集團有限公司科信部，上海 200071)

2007年，全國鐵路實施第六次大提速[1]，在提速干線開行動車組旅客列車，部分線路列車運行速度達到200 km/h以上，我國從此進入了高速鐵路時代。2017年，復(fù)興號動車組列車上線運營，運行速度提升至350 km/h[2]。隨著中國高速鐵路迅速發(fā)展，新線路不斷建成，動車組上線運營的數(shù)量與日俱增，動車組檢修工作量也隨之快速增長。由于高速動車組運行速度快，安全運行要求高，因而與之配套的動車組運用檢修[3]工作壓力倍增，動車組檢修體制、設(shè)備設(shè)施等亟待優(yōu)化與提升[4-5]。目前，動車組一級檢修使用的單一人工檢查維護作業(yè)模式已經(jīng)不能滿足日常運營的需要。因此，需要研究利用智能機器人技術(shù)部分代替人工檢修維護工作[6-7]，形成現(xiàn)代化的動車組檢修人機交替作業(yè)模式，適應(yīng)未來高速鐵路動車組的運用與檢修需要。

1 動車組一級檢修現(xiàn)狀

我國動車組實行以走行公里周期為主，以時間周期為輔(先到為準(zhǔn))的計劃預(yù)防修，動車組修程分為5級。一、二級檢修為運用檢修，在動車運用所內(nèi)進行；三、四、五級檢修為高級檢修，在具備相應(yīng)車型檢修資質(zhì)的檢修單位進行[8-9]。

動車組一級檢修是對動車組的車頂、車下、車體兩側(cè)、車內(nèi)和司機室等部位實施的快速例行檢查、試驗和故障處理的檢修作業(yè)，以動車組技術(shù)狀態(tài)檢查為主，還包括吸污、外皮清洗、室內(nèi)保潔等整備作業(yè)。動車組一級檢修是涉及多單位、多工種的一體化作業(yè)，可以采用“無電(可外接電源)—有電”或“有電—無電—有電”作業(yè)模式。檢修時，短編(8輛編組)由1個作業(yè)小組實施，長編(16輛編組)由2個作業(yè)小組實施。以CRH380B型動車組為例，每次一級修作業(yè)在檢修庫內(nèi)需要安排4名作業(yè)人員，作業(yè)耗時約2.5 h。各動車組型號一級檢修周期如表1所示。

目前，我國高速鐵路動車組一級檢修存在以下問題。

（1）檢修能力趨于飽和。隨著高速鐵路迅速發(fā)展，動車組需求量呈上升趨勢。以中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段為例，截至2019年6月共配屬動車組279列(折合標(biāo)準(zhǔn)組419組)，平均每日夜間需要進行一級檢修的動車組達到120～130組。受到各動車所人員數(shù)量、庫線能力、檢修班制等制約，大部分動車所夜間檢修能力已達到飽和狀態(tài)。例如，虹橋動車所共配屬180組動車組，14條檢修股道，實際日均檢修量約66組/d。綜合調(diào)車作業(yè)、股道占用、一體化聯(lián)勞協(xié)作、動車組回所時間(每日20 : 00之前回所的占20%，其余80%都集中在21 : 00—23 : 00回所，時間不均衡)等因素，經(jīng)寫實測算，虹橋動車所夜間最大檢修能力為70組/d左右，已基本飽和。

表1 各動車組型號一級檢修周期Tab.1 Level-1 repair cycle of different types of EMU

（2）作業(yè)人員利用率較低。按照目前的一級檢修作業(yè)模式，檢修作業(yè)主要由①至④號位作業(yè)人員承擔(dān)。由于作業(yè)內(nèi)容和分工不同，各作業(yè)人員的作業(yè)時間存在差異。例如，CRH380B型動車組一級檢修作業(yè)中，①②號位完成每組動車組的檢修任務(wù)需要約2 h，而③④號位則需要約2.5 h，①②號位的作業(yè)人員在無電作業(yè)區(qū)間存在0.5 h左右的等待時間。同時，現(xiàn)有一級檢修臨修任務(wù)由檢查人員承擔(dān)，“檢、修”同人，存在專業(yè)性不強、檢查進度不流暢等問題，導(dǎo)致檢查流程時常中斷，影響檢修質(zhì)量及效率。

（3）生產(chǎn)效率存在瓶頸。近幾年，新造配屬的高速鐵路動車組數(shù)量逐年遞增，傳統(tǒng)的人力檢修作業(yè)模式存在作業(yè)總量大、作業(yè)強度高、職業(yè)病高發(fā)等問題。例如，虹橋動車所夜間日常檢修任務(wù)量為66組左右，夜班作業(yè)時長共12 h，其中夜班檢修共設(shè)14個作業(yè)小組，平均每個作業(yè)組需要檢修4 ～ 5個標(biāo)準(zhǔn)組，按照一級修檢修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，每組車需要作業(yè)2.5 h計算，每人平均需要連續(xù)工作約11 h，幾乎沒有間休時間。其次，夜班檢修壓力過大，人員在夜間作業(yè)較為疲勞，存在檢修質(zhì)量下降的安全風(fēng)險。因此，在目前修程修制框架范圍內(nèi)，僅使用人力開展一級檢修工作的生產(chǎn)效率己經(jīng)接近極限。

2 動車組一級檢修人機交替作業(yè)模式

2.1 動車組在線智能檢測系統(tǒng)

為了突破人力檢修的生產(chǎn)效率瓶頸，需要借鑒智能機器人在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、航天航空、醫(yī)藥衛(wèi)生等多個領(lǐng)域的運用經(jīng)驗，研究將智能機器人技術(shù)應(yīng)用在動車組檢修領(lǐng)域，以提升動車組一級檢修效率。通過不斷的研究和實踐，將智能機器人技術(shù)與動車組一級檢修工藝相結(jié)合，在虹橋動車所研制并布設(shè)了一套“動車組入所在線智能檢測系統(tǒng)”(以下簡稱“檢測系統(tǒng)”)，基本實現(xiàn)了動車組一級檢修作業(yè)中的車頂、車側(cè)、車底相關(guān)部件的狀態(tài)檢測和故障自動識別。該系統(tǒng)主要由動車組入庫動態(tài)檢測裝置、庫內(nèi)檢測機器人系統(tǒng)等組成。檢測系統(tǒng)運轉(zhuǎn)流程圖如圖1所示。其中，入庫動態(tài)檢測裝置布設(shè)在虹橋動車所虹高B線踏面診斷庫內(nèi)，實現(xiàn)對動車組車頂、車側(cè)及裙板相關(guān)部件的檢測，適應(yīng)列車運行速度5 ～ 12 km/h；庫內(nèi)檢測機器人布設(shè)在檢修庫J8道地溝內(nèi)，實現(xiàn)對動車組底板、轉(zhuǎn)向架等走行部部件的檢測。同時，輔以信息化管理平臺，實現(xiàn)數(shù)字化的現(xiàn)場操作和檢修信息閉環(huán)管理。

2.2 人機交替作業(yè)模式

為了更好地發(fā)揮檢測系統(tǒng)的優(yōu)勢，結(jié)合檢測系統(tǒng)的特點，提出動車組一級檢修人機交替作業(yè)模式。該模式中，第一次動車組一級檢修作業(yè)由檢修人員承擔(dān)(以下簡稱“人檢”)，下一次動車組一級檢修作業(yè)部分內(nèi)容由檢測系統(tǒng)承擔(dān)(以下簡稱“機檢”)，人、機循環(huán)交替。機檢作業(yè)時，系統(tǒng)負責(zé)對動車組車頂、車下、車體兩側(cè)實施快速例行檢查；檢修人員負責(zé)司機室的快速例行檢查、試驗，故障復(fù)核及處理。檢測系統(tǒng)的應(yīng)用逐步實現(xiàn)動車組一級檢修作業(yè)由“人檢”向“人機交替”作業(yè)模式的過渡，并形成了一整套功能齊全、運行穩(wěn)定的動車組檢測系統(tǒng)，最終達到在保證安全的前提下，提高動車所檢修能力及生產(chǎn)效率的目的。機檢作業(yè)模式流程圖如圖2所示。

檢測系統(tǒng)于2018年12月14日開始在中國鐵路上海局集團有限公司(以下簡稱“上海局集團公司”)上海動車段開展運用考核工作。在運用考核期間，固化形成了“一次人檢、一次機檢”的運用檢修模式，即人機交替作業(yè)模式，明確了檢修分工、保障方案等，形成一整套高效完整的檢測作業(yè)流程。根據(jù)2019年中國鐵路總公司及上海局集團公司關(guān)于動車組修程修制改革的總體方向及指導(dǎo)意見，計劃在2020年增配該系統(tǒng)，并逐步推行一級檢修人機交替檢修模式，進一步提高檢修效率，提高經(jīng)濟效益。

3 動車組一級檢修人機交替作業(yè)模式應(yīng)用分析

3.1 檢測系統(tǒng)可靠性

3.1.1 覆蓋車型及檢查項目

檢測系統(tǒng)目前基本可以覆蓋CRH380B，CRH380BL及CR400BF，CR400BF-A型動車組一級檢修的車頂、車側(cè)及車底檢查項目。各車型一級檢修檢查項目覆蓋率如表2所示。

圖1 檢測系統(tǒng)運轉(zhuǎn)流程圖Fig.1 Detection system operation process

圖2 機檢作業(yè)模式流程圖Fig.2 Machine inspection operation process

表2 各車型一級檢修檢查項目覆蓋率 %Tab.2 Inspection item coverage rate of level-1 repair of different types of EMU

對于目前檢測系統(tǒng)尚未覆蓋的檢修項目，對故障的惡化速度、安全風(fēng)險等級、部件安全冗余度等方面進行安全風(fēng)險評估，同時對2017—2018年的故障進行統(tǒng)計、類型分析、百萬公里故障率計算，判斷未覆蓋的檢修項目在動車組運用過程中發(fā)生故障的概率很低，這些部件運行安全穩(wěn)定，風(fēng)險可控，可以將該檢修項目一級檢修周期調(diào)整為小于等于10 000+1 000 km或運用96 h。

3.1.2 典型故障識別

基于動車組一級檢修作業(yè)指導(dǎo)書，結(jié)合日常運用過程中發(fā)生的常見故障類型，通過實車模擬真實故障，使檢測系統(tǒng)不斷進行深度學(xué)習(xí)，了解掌握故障類型，以達到不斷提高識別精度及準(zhǔn)確率的目的。經(jīng)過為期半年的測試優(yōu)化以及3個月的試運用，檢測系統(tǒng)對大部分典型故障的識別率已達到100%，基本滿足日常一級檢修作業(yè)要求。同時，對影響行車安全的“松、脫、斷”類故障模式的識別率已達到100%。

3.1.3 部件測量數(shù)據(jù)精度

基于中國鐵路總公司下發(fā)的《鐵路動車組運用維修規(guī)則》，梳理日常一級檢修作業(yè)中需要進行測量的磨耗件及部分車體部件的限度要求。檢測系統(tǒng)通過不斷識別、學(xué)習(xí)，逐漸形成相關(guān)部件的測量算法。目前，通過不斷改進完善，對于動車組閘片、碳滑板、撒砂裝置及排障器的測量精度已滿足日常運用要求。其中，閘片測量精度基本達到±1 mm的測量誤差；碳滑板的測量精度基本達到±1 mm的測量誤差；撒砂裝置的測量精度基本達到±2 mm的測量誤差；排障器的測量精度基本達到±2 mm的測量誤差。

3.1.4 人機互控

為提高人機交替檢修作業(yè)模式的可靠性，不斷優(yōu)化機檢作業(yè)的穩(wěn)定性，同時提高人檢及機檢的作業(yè)質(zhì)量，建立了一套人機互控機制。在人機交替檢修作業(yè)模式實際運用中，一方面根據(jù)人檢發(fā)現(xiàn)的真實故障反查機檢作業(yè)是否準(zhǔn)確、無遺漏的檢查出相應(yīng)的故障。如果存在機檢沒有發(fā)現(xiàn)的故障，應(yīng)及時改進系統(tǒng)算法，提高檢查精度，彌補機檢檢查的薄弱環(huán)節(jié)。另一方面，根據(jù)機檢發(fā)現(xiàn)的真實故障，反查前次人檢時的作業(yè)情況，依托機器人系統(tǒng)判定作業(yè)人員漏檢或漏修，發(fā)掘人檢作業(yè)執(zhí)行和貫徹作業(yè)存在的問題。

3.2 經(jīng)濟效益

通過使用動車組入所在線智能檢測系統(tǒng)實現(xiàn)人機交替檢修的作業(yè)模式，能夠有效提升動車組一級檢修的作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，產(chǎn)生較大的直接和間接經(jīng)濟效益，具有良好推廣運用前景。

（1）直接經(jīng)濟效益。以每個6線庫配備1套動車組入庫動態(tài)檢測裝置和3條自動檢修股道(6臺庫內(nèi)檢測機器人系統(tǒng))進行估計，設(shè)備投入約680萬元/a，使用人機交替作業(yè)模式可以節(jié)約人工成本約1 000萬元/a，每個6線庫每年可以節(jié)約成本約為320萬元/a。如果全面鋪開試用，按照目前上海局集團公司共60條檢修股道進行測算，折算成10個6線庫，可以節(jié)約成本約3 200萬元/a。

（2）間接經(jīng)濟效益。實行動車組一級檢修人機交替作業(yè)模式，可以優(yōu)化目前檢修庫內(nèi)的生產(chǎn)組織，減少車組待檢時間，最大程度地提高檢修股道的使用效率，在同等檢修作業(yè)時間內(nèi)能夠檢修更多數(shù)量的動車組。系統(tǒng)可以在動車組供電情況下開展檢查作業(yè)，相較于現(xiàn)行的作業(yè)模式具有明顯優(yōu)勢，可以節(jié)省股道供斷電作業(yè)時間。例如，虹橋動車所目前6線檢修庫每晚約可以檢修30組動車組。經(jīng)初步測算，系統(tǒng)應(yīng)用后，每晚約可以檢修40組動車組，庫線檢修能力可以提升30%以上，作業(yè)效率得到了較大的提升。

4 結(jié)束語

經(jīng)過不斷摸索和實踐，依托“動車組入所在線智能檢測系統(tǒng)”進行的機檢作業(yè)模式目前已能基本實現(xiàn)動車組一級檢修作業(yè)車頂、車側(cè)、車底等部件的狀態(tài)檢測和故障自動識別，系統(tǒng)通過運用考核論證，安全可靠。在此基礎(chǔ)上，通過探索及實踐，逐步形成了一套人機交替檢修的作業(yè)模式。在此模式下，原一級檢修人工檢修周期可以延長1 倍，降低了動車組一級檢修作業(yè)的人工成本，保證了檢修作業(yè)質(zhì)量的穩(wěn)定，同時增加了現(xiàn)有檢修庫的檢修能力，符合中國國家鐵路集團有限公司關(guān)于動車組修程修制改革的要求，是以設(shè)備保安全的有效手段，對將來動車組修程修制的改革和優(yōu)化帶來積極影響。