城市軌道交通智能運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

高鵬遠(yuǎn)，劉媛媛

[摘? ? 要]城市軌道交通建設(shè)是解決我國(guó)大城市交通擁堵問(wèn)題的重要舉措之一，利用先進(jìn)的列車(chē)運(yùn)行控制、實(shí)施傳感、信息傳輸?shù)燃夹g(shù)可以實(shí)現(xiàn)列車(chē)的全自動(dòng)運(yùn)行，對(duì)于保障列車(chē)運(yùn)行安全、提高列車(chē)運(yùn)行效率、提高運(yùn)行過(guò)程自動(dòng)化程度具有顯著意義。目前，國(guó)內(nèi)外多個(gè)國(guó)家和地區(qū)均對(duì)城市軌道交通的全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)進(jìn)行了探索研究，缺少統(tǒng)一的自動(dòng)化運(yùn)營(yíng)標(biāo)準(zhǔn)，與之對(duì)應(yīng)的缺少相關(guān)軌道交通智能運(yùn)維管理模式相關(guān)的信息化建設(shè)尚不完善，部分運(yùn)營(yíng)的信息化數(shù)據(jù)無(wú)法采集，無(wú)法為關(guān)鍵部件的更新?lián)Q代提供數(shù)據(jù)支撐。開(kāi)展軌道交通領(lǐng)域的智能運(yùn)維可以減少檢修過(guò)程中耗費(fèi)的大量人力、物力，能夠?qū)崟r(shí)采集過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程數(shù)據(jù)的全程共享以及實(shí)時(shí)可視。通過(guò)故障診斷、故障預(yù)測(cè)等技術(shù)的應(yīng)用可以提高軌道交通行業(yè)的運(yùn)維效率，可以及時(shí)排查安全問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]分光智能運(yùn)維;智能決策;軌道交通

[中圖分類(lèi)號(hào)]U239.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）12–0–03

Technical Application of Intelligent Operation and

Maintenance System for Urban Rail Transit

Gao Peng-yuan，Liu Yuan-yuan

[Abstract]The construction of urban rail transit is one of the important measures to solve the problem of traffic congestion in my country's big cities. The use of advanced train operation control， implementation of sensing， information transmission and other technologies can realize the fully automatic operation of trains， which is important for ensuring the safety and improvement of train operation. The train operation efficiency and the improvement of the automation degree of the operation process are of significant significance. At present， many countries and regions at home and abroad have explored and studied the fully automated operation of urban rail transit. There is a lack of unified automated operation standards. Correspondingly， there is a lack of related information construction related to rail transit intelligent operation and maintenance management mode. Perfect， informatization data of some operations cannot be collected， unable to provide data support for the upgrading of key components. Carrying out intelligent operation and maintenance in the field of rail transit can reduce the large amount of manpower and material resources consumed in the overhaul process， and can collect process data in real time， realize the whole process data sharing and real-time visualization. Through the application of technologies such as fault diagnosis and fault prediction， the operation and maintenance efficiency of the rail transit industry can be improved， and safety problems can be checked in time.

[Keywords]intelligent operation and maintenance; intelligent decision-making; rail transit

1 研究背景

近年來(lái)，我國(guó)各大城市交通壓力持續(xù)增加，根據(jù)國(guó)內(nèi)外城市的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，優(yōu)先發(fā)展公共交通是解決交通壓力的最優(yōu)方案。在各類(lèi)公共交通出行方式中，由于城市軌道具有其他方式所不具備的高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)時(shí)、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)使得其成為大中型城市首選的公共交通發(fā)展方向，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供著重要的作用。近年來(lái)，我國(guó)城市軌道交通建設(shè)取得了令人矚目的成績(jī)，運(yùn)營(yíng)里程、運(yùn)營(yíng)速度不斷創(chuàng)下新高，但也需要看到目前仍處于成績(jī)與問(wèn)題并存，機(jī)遇與挑戰(zhàn)同在的發(fā)展階段，線網(wǎng)規(guī)劃具有前瞻性和科學(xué)性、城市內(nèi)外交通的順暢性和便捷性，乘客服務(wù)的智慧化和高品質(zhì)、運(yùn)營(yíng)組織的多元化和智能化、技術(shù)裝備的自主化和品牌知名度、信息資源男的共享度和利用率等方面與國(guó)際先進(jìn)水平相比仍存在一定的差距。在上述背景下，通過(guò)目前應(yīng)用較多的共性技術(shù)如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)以及機(jī)器強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)使得軌道交通的運(yùn)行管理向著智慧化、智能化的方向發(fā)展。

2 城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)概述

目前而言城市軌道交通的全自動(dòng)運(yùn)行可以分為兩大部分，一個(gè)是指列車(chē)運(yùn)行的全自動(dòng)化，列車(chē)運(yùn)行全自動(dòng)化主要是指列車(chē)自動(dòng)出站、自動(dòng)停車(chē)、自動(dòng)關(guān)閉車(chē)門(mén)等運(yùn)行過(guò)程中的自動(dòng)化。另一部分是指車(chē)站設(shè)備的全自動(dòng)化，通過(guò)車(chē)站設(shè)備自動(dòng)化實(shí)現(xiàn)相關(guān)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化、乘客服務(wù)自動(dòng)化等。

2.1 全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)模式下運(yùn)營(yíng)方式研究

目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)運(yùn)行線路多為GOA4級(jí)自動(dòng)運(yùn)營(yíng)，與之對(duì)應(yīng)的需要配備綜合自動(dòng)運(yùn)維系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備車(chē)輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、車(chē)輛故障自動(dòng)診斷等功能，對(duì)運(yùn)行過(guò)程中關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)做到實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)時(shí)預(yù)警。便于運(yùn)營(yíng)人員對(duì)于車(chē)輛及關(guān)鍵設(shè)備信息的實(shí)時(shí)掌握。目前，全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)的開(kāi)通運(yùn)行模式需要根據(jù)線路條件、設(shè)備系統(tǒng)綜合能力、人員基礎(chǔ)素質(zhì)等多方面確定。

2.2 全自動(dòng)運(yùn)行模式下運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景指在列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中可能出現(xiàn)的各種場(chǎng)景，通過(guò)對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行描述，可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)中各裝備與各崗位功能設(shè)置的依據(jù)以及系統(tǒng)之間聯(lián)結(jié)。

在正常模式場(chǎng)景時(shí)，列車(chē)根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)時(shí)間及動(dòng)作自動(dòng)執(zhí)行工作運(yùn)行命令，在部分場(chǎng)景中需要由多職能隊(duì)員完成檢查后方可執(zhí)行下一命令。在故障模式場(chǎng)景下，針對(duì)不同情境，可執(zhí)行遠(yuǎn)程命令嘗試修復(fù)故障，當(dāng)故障較為嚴(yán)重或涉及列車(chē)運(yùn)行安全問(wèn)題時(shí)需由多職能隊(duì)員前往現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理，盡早恢復(fù)列車(chē)線路的正常運(yùn)行。在列車(chē)處于應(yīng)急模式場(chǎng)景時(shí)，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，調(diào)度員應(yīng)下達(dá)緊急命令，對(duì)乘客進(jìn)行疏散引導(dǎo)，及時(shí)對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行搶修，將損失降低到最低。

2.3 控制中心場(chǎng)景設(shè)計(jì)

控制中心在正常模式下，只有運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備場(chǎng)景，運(yùn)營(yíng)準(zhǔn)備場(chǎng)景分為確認(rèn)并下發(fā)運(yùn)行圖場(chǎng)景和施工確認(rèn)注銷(xiāo)場(chǎng)景。在故障模式下根據(jù)故障不同采用降速、降級(jí)、更換手動(dòng)駕駛等方式在盡量減少對(duì)列車(chē)運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)故障排除。當(dāng)出現(xiàn)控制中心停電或失火時(shí)，會(huì)將控制權(quán)限下放，全線多職能隊(duì)員登車(chē)進(jìn)行人工駕駛，利用無(wú)線手持對(duì)講機(jī)進(jìn)行通信。

2.4 車(chē)站場(chǎng)景設(shè)計(jì)

車(chē)站在正常模式下，根據(jù)需要對(duì)車(chē)站設(shè)備進(jìn)行自檢，如未通過(guò)設(shè)備自檢進(jìn)行報(bào)警提示，乘客在正常情況下可根據(jù)提示自助辦理票務(wù)服務(wù)，當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)可由人工指引員根據(jù)原因進(jìn)行處理。車(chē)站在故障模式下，車(chē)站工作人員首先根據(jù)故障情況進(jìn)行處理。在車(chē)站出現(xiàn)應(yīng)急模式時(shí)需要判斷是否影響正線運(yùn)行，根據(jù)故障嚴(yán)重程度選擇過(guò)站運(yùn)營(yíng)、全線停運(yùn)、旅客疏散等措施。

2.5 列車(chē)自動(dòng)運(yùn)營(yíng)模式總結(jié)

本章介紹了全自動(dòng)運(yùn)行模式下各類(lèi)場(chǎng)景，對(duì)各類(lèi)場(chǎng)景下的正常模式、故障模式以及應(yīng)急模式的各類(lèi)處理措施進(jìn)行了梳理，對(duì)全自動(dòng)模式下自動(dòng)運(yùn)營(yíng)所需要面對(duì)的全部問(wèn)題進(jìn)行了說(shuō)明。

3 軌道交通智能運(yùn)維技術(shù)研究及應(yīng)用

發(fā)展智能化運(yùn)維軌道交通是建設(shè)智慧化城市的具體實(shí)踐工作。對(duì)軌道交通運(yùn)維進(jìn)行智能化建設(shè)可以進(jìn)一步地加強(qiáng)軌道交通的安全性和功能性，能夠保證我國(guó)盡早落實(shí)交通強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略。不僅如此，城軌的運(yùn)維成本對(duì)于其盈利與否至關(guān)重要。以新加坡SMRT地鐵為例，其兩年連續(xù)的巨額虧損案例為行業(yè)帶來(lái)前車(chē)之鑒。根據(jù)新加坡地鐵的官方數(shù)據(jù)，由于其維修和人力成本的大幅提高，人力成本和維修成本占據(jù)了地鐵車(chē)資71 %的收入，導(dǎo)致2019財(cái)政年巨虧1.5億新加坡元，與上個(gè)財(cái)政年的8 600萬(wàn)新加坡元相比虧損激增80 %。與之相應(yīng)的應(yīng)用無(wú)人駕駛地鐵技術(shù)、智能運(yùn)維技術(shù)可以大大縮減人力成本和維修運(yùn)營(yíng)成本。

3.1 軌道交通運(yùn)營(yíng)維護(hù)的現(xiàn)狀

影響列車(chē)安全的因素較多，其中關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行安全則會(huì)直接影響整列列車(chē)的運(yùn)行安全，對(duì)于關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行運(yùn)行維護(hù)主要是通過(guò)計(jì)劃修以及故障修結(jié)合。在維護(hù)過(guò)程中以計(jì)劃修為主，該種檢修方式占據(jù)了需要耗費(fèi)較多人力、物力。另外，由于地鐵大多采用白天運(yùn)行夜間檢修的模式，檢修人員長(zhǎng)期的晝夜顛倒嚴(yán)重影響了檢修人員的身體健康。

目前，各車(chē)輛段針對(duì)關(guān)鍵設(shè)備均安裝了大量的狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備，能夠獲取設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的運(yùn)行狀態(tài)信息，但目前對(duì)狀態(tài)信息的利用程度不高，無(wú)法做到數(shù)據(jù)信息的融合利用。

3.2 全自動(dòng)模式下運(yùn)營(yíng)維修影響分析

在全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)模式下，為保證地鐵運(yùn)行的安全性對(duì)設(shè)備的可靠性提出了更高的要求，同時(shí)全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)模式能夠?yàn)橹悄苓\(yùn)維提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有助于將維修體系由從計(jì)劃修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。

目前，現(xiàn)有的維修體系主要通過(guò)對(duì)設(shè)備日志、傳感器記錄等進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果對(duì)檢修工藝進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約維修資源。但由于多源數(shù)據(jù)格式不同的原因，使得存在大量的信息孤島，不利于信息整合，更不便于為系統(tǒng)在狀態(tài)趨勢(shì)等方面提供有效決策，維修隊(duì)伍只能依靠經(jīng)驗(yàn)、碰運(yùn)氣等方法開(kāi)展設(shè)備檢查維護(hù)和故障排查。

3.3 全自動(dòng)運(yùn)行模式下智能運(yùn)維發(fā)展趨勢(shì)

隨著5G通信技術(shù)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展、成熟以及我國(guó)在軌道列車(chē)車(chē)輛、信號(hào)、通信等關(guān)鍵核心部件的生產(chǎn)上基本實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)化，為軌道列車(chē)的智能化運(yùn)維提供了良好的支撐。

全自動(dòng)模式下，車(chē)輛檢修智能運(yùn)維可以通過(guò)各類(lèi)傳感器采集到相應(yīng)的溫度、振動(dòng)以及圖像等信息，根據(jù)相關(guān)信息來(lái)對(duì)其進(jìn)行無(wú)監(jiān)督的強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)。利用圖像識(shí)別技術(shù)，根據(jù)學(xué)習(xí)算法對(duì)車(chē)輛異常狀態(tài)識(shí)別，可大幅提高檢修效率，降低檢修成本。

在檢修過(guò)程中，應(yīng)用相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)械臂控制技術(shù)等在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)情況下采集車(chē)底或車(chē)側(cè)的圖像，根據(jù)獲取到的圖像對(duì)車(chē)輛異常情況進(jìn)行判斷。降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高檢修效率以及檢修可靠性。

目前，車(chē)底設(shè)備智能檢修主要通過(guò)線陣相機(jī)與定位相機(jī)結(jié)合的方式，通過(guò)定位相機(jī)拍攝車(chē)底圖片，定位車(chē)底設(shè)備，利用線陣相機(jī)采集相關(guān)設(shè)備圖片，在采集過(guò)程中利用防抖技術(shù)，避免采集到的圖像信號(hào)發(fā)生抖動(dòng)等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)采集到的高清圖像與正常工作圖像以及故障工作圖像的對(duì)比，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，與傳統(tǒng)檢修相比可以快速識(shí)別故障位置以及故障原因。

對(duì)于列車(chē)走形部件，如齒輪箱主軸而言，對(duì)其進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)多通過(guò)在車(chē)上安裝相關(guān)溫振傳感器的方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將相應(yīng)的傳感器通過(guò)螺紋安裝到軸承座和齒輪箱外殼等固定位置，通過(guò)對(duì)溫度、振動(dòng)數(shù)據(jù)的分析能夠自動(dòng)判定目前相關(guān)走形部零件狀態(tài)。該過(guò)程主要是通過(guò)走行部獲取關(guān)鍵運(yùn)行數(shù)據(jù)，對(duì)傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理去除數(shù)據(jù)中的干擾數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，在不影響判斷準(zhǔn)確性的情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過(guò)頻譜進(jìn)行分析判斷故障類(lèi)型、故障部位以及損傷程度。為了保障檢測(cè)準(zhǔn)確性，還可采用與圖像識(shí)別相結(jié)合的方式對(duì)走向部以及閘片的高清圖像進(jìn)行獲取，自動(dòng)監(jiān)控異常狀態(tài)。對(duì)關(guān)鍵部件的缺失、變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

以上海地鐵為例，其系統(tǒng)的運(yùn)維管理隨著設(shè)備數(shù)字化技術(shù)逐步發(fā)展并建立。目前上海地鐵已經(jīng)進(jìn)入了智能運(yùn)維相關(guān)技術(shù)的擴(kuò)展階段，通過(guò)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合推動(dòng)智能運(yùn)維相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)性建設(shè)。

在對(duì)智能運(yùn)維系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中，上海地鐵積累了寶貴的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，在系統(tǒng)搭建時(shí)應(yīng)關(guān)注以下3個(gè)方面的建設(shè)：

（1）上層設(shè)計(jì)與底層設(shè)計(jì)結(jié)合，采用部件級(jí)的試點(diǎn)開(kāi)始，自上而下建設(shè)運(yùn)維管控平臺(tái)，最后做上層設(shè)計(jì)將各個(gè)平臺(tái)關(guān)聯(lián)起來(lái)，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，智能運(yùn)維其核心驅(qū)動(dòng)要素是數(shù)據(jù)，由于各個(gè)設(shè)備廠商不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一以及接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是非常困難的工作，需要各個(gè)設(shè)備公司進(jìn)行合作，將數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，便于運(yùn)維數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存與應(yīng)用。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能運(yùn)維系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)保障以及數(shù)據(jù)庫(kù)是建設(shè)核心所在，建設(shè)智能運(yùn)維數(shù)據(jù)的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)可大幅提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皞鬏斔俣?。通過(guò)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合，可以布置共享數(shù)據(jù)庫(kù)與專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)兩種形式，既可以統(tǒng)一布置也可進(jìn)行分布式布置。

4 結(jié)術(shù)語(yǔ)

目前，全球軌道交通行業(yè)僅有較少線路可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人駕駛，相關(guān)的智能運(yùn)維技術(shù)研究則相對(duì)較多，但各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的運(yùn)營(yíng)規(guī)則相差較大，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)自身情況探索適合自身的運(yùn)營(yíng)規(guī)則以及配套技術(shù)。本文主要對(duì)城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)營(yíng)時(shí)的列車(chē)運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景、運(yùn)營(yíng)組織規(guī)則、以及智能運(yùn)維技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

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