軌道交通行業(yè)數(shù)智化轉(zhuǎn)型應(yīng)用淺析

徐勇烈

0 引言

新基建時(shí)代的熱點(diǎn)將由傳統(tǒng)方式向數(shù)智化轉(zhuǎn)型，軌道交通的數(shù)智化是大勢(shì)所趨。新的應(yīng)用潮流將產(chǎn)生新的建設(shè)、管理、維護(hù)模式。

軌道交通“數(shù)智化”依托人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、自動(dòng)化設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的進(jìn)化與升級(jí)，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以機(jī)器為抓手，提供快捷服務(wù)，重塑業(yè)務(wù)價(jià)值等，完成傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)型。其不僅僅是對(duì)傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)、系統(tǒng)、技術(shù)、動(dòng)態(tài)化計(jì)算、移動(dòng)化技術(shù)的簡(jiǎn)單疊加，而且是需要更進(jìn)一步地融合各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景的服務(wù)化、信息化、智慧化應(yīng)用[1～5]。軌道交通數(shù)智化依托核心技術(shù)，以數(shù)據(jù)、場(chǎng)景為驅(qū)動(dòng)，基于業(yè)務(wù)，面向服務(wù)，打造一站式、可擴(kuò)展的數(shù)智化平臺(tái)。基于場(chǎng)景演化的“數(shù)智化+全行業(yè)”解決方案，可簡(jiǎn)化施工項(xiàng)目的構(gòu)建、實(shí)施和管理工作，縮短項(xiàng)目工期，大幅節(jié)約項(xiàng)目成本，聚焦于數(shù)智化業(yè)務(wù)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)數(shù)智化賦能[6～12]。

1 軌道交通數(shù)智化依托技術(shù)

1.1 人工智能

新基建時(shí)代“互聯(lián)網(wǎng)+”的概念已在各行業(yè)得到了應(yīng)用，數(shù)智化得到了越來(lái)越廣泛的重視。人工智能的層次有弱、強(qiáng)與超人工智能3 種，軌道交通行業(yè)目前處在弱人工智能階段，作用于特定的場(chǎng)景，涉及的領(lǐng)域包括自動(dòng)化裝備、視覺(jué)辨別、智能語(yǔ)音等。人工智能作為一個(gè)賦能載體正在有力地推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的換代升級(jí)[13～18]。

人工智能在工程中的應(yīng)用以信息要素為基礎(chǔ)，貫穿于項(xiàng)目的全過(guò)程。目前，人工智能可應(yīng)用在進(jìn)度管理、人員管理、成本管理、安全管理、機(jī)械設(shè)備管理等方面，且針對(duì)人員、設(shè)備、材料和現(xiàn)場(chǎng)等要素展開(kāi)，其對(duì)工程施工質(zhì)量起到關(guān)鍵作用[19，20]。行業(yè)對(duì)人工智能的認(rèn)知逐漸從“提升效益”“協(xié)助管理”上升為對(duì)社會(huì)建設(shè)與生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。

1.2 云計(jì)算技術(shù)

目前，數(shù)字化工程建設(shè)實(shí)施中廣泛應(yīng)用的分析方法大多使用單臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行本地化分析，然而隨著工程越來(lái)越復(fù)雜、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越豐富，單臺(tái)計(jì)算機(jī)本地化分析方法可能難以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)分析的要求[21～23]。伴隨云計(jì)算和數(shù)據(jù)分析技術(shù)的發(fā)展，基于云計(jì)算的模型分析方法開(kāi)始在數(shù)字化施工中逐步得到應(yīng)用實(shí)踐。

云計(jì)算是一種基于互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算方式，將共享的軟硬件資源和信息按需提供給客戶(hù)端設(shè)備，用戶(hù)按需求彈性地向云計(jì)算提供商購(gòu)買(mǎi)資源和空間進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)及分析服務(wù)[24]。云計(jì)算主要通過(guò)部署在云端的服務(wù)器和用戶(hù)使用的客戶(hù)端實(shí)現(xiàn)，其中云端服務(wù)器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的集成、存儲(chǔ)、分析等，客戶(hù)端負(fù)責(zé)應(yīng)用不同載體進(jìn)行信息采集、模型展現(xiàn)。云端服務(wù)器通過(guò)分布式文件系統(tǒng)存儲(chǔ)各類(lèi)文檔，采用分布式數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

1.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)

大數(shù)據(jù)是指無(wú)法在一定時(shí)空范圍內(nèi)用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理，需要采用結(jié)構(gòu)化獲取、系統(tǒng)化處理的海量、高增長(zhǎng)率和多樣化的數(shù)據(jù)集合，并能幫助企業(yè)取得一定積極效力的信息。在技術(shù)層面上，云計(jì)算與大數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，大數(shù)據(jù)需要使用分布式的架構(gòu)進(jìn)行分析，單一處理器無(wú)法勝任。為了完成對(duì)規(guī)模龐大的數(shù)據(jù)的發(fā)掘，還需依靠仿真技術(shù)、云技術(shù)、分布式處理與數(shù)據(jù)技術(shù)。

目前，大數(shù)據(jù)的信息將被作為提升產(chǎn)業(yè)能力的重要力量，其新型處理方式為決策方賦予了強(qiáng)有力的支持。未來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)各種能力的不斷提升，與云計(jì)算進(jìn)行深度整合后，對(duì)行業(yè)的信息安全工程、數(shù)智化產(chǎn)業(yè)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)的實(shí)現(xiàn)具有不可替代的作用。

1.4 現(xiàn)代電力電子技術(shù)

現(xiàn)代電力電子技術(shù)在軌道交通行業(yè)已獲得廣泛應(yīng)用。電力電子設(shè)備極大地提高了牽引供電系統(tǒng)、車(chē)載安全系統(tǒng)的穩(wěn)定性及乘客的便利性。隨著其性能、容量的不斷增強(qiáng)，封裝的升級(jí)，簡(jiǎn)化了傳動(dòng)系統(tǒng)，有利于牽引電力傳動(dòng)系統(tǒng)的升級(jí)。圖1 給出了一種采用電力電子裝置架構(gòu)的牽引供電系統(tǒng)。

圖1 電力電子裝置架構(gòu)的牽引供電系統(tǒng)

1.5 自動(dòng)化裝備

在制造業(yè)、建筑業(yè)、軍工業(yè)、軌道交通業(yè)等領(lǐng)域，自動(dòng)化技術(shù)有著大量的應(yīng)用。通過(guò)使用自動(dòng)化技術(shù)，可以使勞動(dòng)者從體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，并減輕腦力活動(dòng)和存在一定危險(xiǎn)性的工作，提高了生產(chǎn)安全系數(shù)，大大提升了生產(chǎn)效率，為人們對(duì)事物的認(rèn)識(shí)和轉(zhuǎn)化提供了幫助。將自動(dòng)化系統(tǒng)中的一類(lèi)大型化的裝備稱(chēng)作自動(dòng)化裝置，是裝置在無(wú)人干預(yù)的情況下依靠設(shè)置的指令與程序自主完成操作或控制的狀態(tài)。因此，自動(dòng)化裝備是制造業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的重要條件。

2 數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

軌道交通數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)區(qū)別于服務(wù)架構(gòu)，軌道交通數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)更專(zhuān)注于松耦合性、動(dòng)態(tài)擴(kuò)容、軟硬件融合性。圍繞軌道交通數(shù)智化合作場(chǎng)景業(yè)務(wù)能力構(gòu)建“2+3+N”生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)，通過(guò)輕量級(jí)協(xié)議通信，打造軌道交通數(shù)智化全產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)。圖2 所示為數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2 “2+3+N”數(shù)智化生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)

軌道交通數(shù)智化“2+3+N”生態(tài)系統(tǒng)架構(gòu)內(nèi)容包括：外圈層面的屏幕生態(tài)與自動(dòng)化設(shè)備生態(tài)；內(nèi)圈層面的人工智能、云端生態(tài)、應(yīng)用端APP 生態(tài)；在此“2+3”基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的“N”，即各種場(chǎng)景化應(yīng)用解決方案。該系統(tǒng)有利于解決軌道交通數(shù)智化合作服務(wù)體系中的諸多問(wèn)題，在全產(chǎn)業(yè)鏈的服務(wù)產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中提升效率。

3 應(yīng)用與實(shí)踐

3.1 數(shù)智化綜合能源系統(tǒng)

綜合能源系統(tǒng)是指利用一定區(qū)域內(nèi)物理信息技術(shù)和新型管理模式，整合煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)籌規(guī)劃、優(yōu)化各種異構(gòu)能源子系統(tǒng)之間的運(yùn)行、協(xié)同管理、交互響應(yīng)與互補(bǔ)[25～35]。運(yùn)用先進(jìn)的電力電子技術(shù)（信息技術(shù)和智能管理技術(shù)、分布式能源采集技術(shù)、分布式能源存儲(chǔ)技術(shù)），可結(jié)合分布式能源（光伏/風(fēng)電/儲(chǔ)能）達(dá)到多能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的效果，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一能源管理與調(diào)度，提高供電質(zhì)量和安全可靠性[36～40]。圖3 所示為主要鐵路沿線清潔能源分布。

圖3 鐵路沿線清潔能源

清潔能源可被沿線路上的所有列車(chē)使用，有效減少牽引變電所的數(shù)量或在同等數(shù)量的牽引變電所情況下，可增加行駛的列車(chē)數(shù)量，采用貫通式-柔性牽引供電技術(shù)（如圖4 所示），可構(gòu)成新能源協(xié)同供電系統(tǒng)，具備新能源的接入和消納，改善牽引供電電源結(jié)構(gòu)，符合國(guó)家雙碳目標(biāo)和綠色發(fā)展需求，同時(shí)具有削峰填谷的作用。

圖4 貫通式-柔性牽引供電技術(shù)

傳統(tǒng)軌道交通牽引供電系統(tǒng)采用不可控二極管整流方式供電，二極管整流機(jī)組成為交流中壓環(huán)網(wǎng)和直流接觸網(wǎng)之間能量雙向自由流通的重大阻礙，且對(duì)交流側(cè)功率因數(shù)、直流側(cè)電壓無(wú)法進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。

柔性直流供電技術(shù)通過(guò)采用大功率、高性能的電力電子器件構(gòu)成的可控式電力設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)供輸電系統(tǒng)的電壓、電流、相角、功率等參數(shù)進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，將原來(lái)基本不可控的供電網(wǎng)絡(luò)變得可控，提高供電線路的輸送能力，減小故障影響，大大提升電力供電系統(tǒng)的靈活性和穩(wěn)定性。圖5 為柔性直流牽引系統(tǒng)原理圖。

圖5 柔性直流牽引系統(tǒng)

3.2 數(shù)智化施工

基于數(shù)智化的施工方式，通過(guò)軟硬件的技術(shù)共享，可動(dòng)態(tài)收集和存儲(chǔ)工程施工全過(guò)程中的數(shù)據(jù)。在云計(jì)算的模式下進(jìn)行施工進(jìn)度實(shí)時(shí)管理與分析、質(zhì)量安全問(wèn)題在線處理、物資管理、工程資料管理；在應(yīng)用APP 端（手機(jī)端、智慧屏端、網(wǎng)頁(yè)端、PC端）進(jìn)行人、機(jī)、料、法、環(huán)等施工關(guān)鍵要素的處理；在機(jī)械層面，借助云平臺(tái)可以逐步實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化的施工。數(shù)智化施工相比于傳統(tǒng)施工，可對(duì)不同需求的場(chǎng)景進(jìn)行兼容，實(shí)現(xiàn)功能服務(wù)器與不同數(shù)據(jù)模型的自由匹配。圖6 所示為基于數(shù)智化模型的施工架構(gòu)。

圖6 基于數(shù)智化模型的施工架構(gòu)

3.3 數(shù)智化裝備

（1）輔助運(yùn)維機(jī)器人。輔助運(yùn)維機(jī)器人（圖7）可通過(guò)有線或無(wú)線的方式進(jìn)行控制，具有可實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的雙機(jī)械臂及末端執(zhí)行器，結(jié)合云共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢、煙感/紅外探測(cè)、守衛(wèi)、遠(yuǎn)程巡視/巡檢處置，具有有線與無(wú)線2 種控制模式，均可以獨(dú)立控制機(jī)器人，具有人體隨動(dòng)控制臺(tái)、手持控制器2 種控制方式。

圖7 輔助運(yùn)維機(jī)器人進(jìn)行變電所操作

（2）自動(dòng)化預(yù)裝配技術(shù)。腕臂、吊弦自動(dòng)化生產(chǎn)線改變了以往“人挑肩扛”式的粗放型腕臂、吊弦預(yù)配方式，提高了接觸網(wǎng)腕臂和吊弦預(yù)配的精準(zhǔn)性、可靠性、安全性，避免了傳統(tǒng)預(yù)配方式下接觸網(wǎng)發(fā)生“松、脫、斷、裂、卡、磨”等問(wèn)題，對(duì)接觸網(wǎng)上部的工藝質(zhì)量提升顯著。

（3）動(dòng)態(tài)檢測(cè)車(chē)。動(dòng)態(tài)檢測(cè)車(chē)（圖8）用于限界檢測(cè)、冷滑試驗(yàn)、熱滑試驗(yàn)、弓網(wǎng)關(guān)系測(cè)試、輪軌關(guān)系測(cè)試、無(wú)線通信場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試等檢測(cè)任務(wù)；運(yùn)用多項(xiàng)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)技術(shù)，在接觸網(wǎng)/軌幾何參數(shù)檢測(cè)、時(shí)空定位檢測(cè)等方面作了較為前沿的技術(shù)探索。

圖8 動(dòng)態(tài)檢測(cè)車(chē)

（4）智能化水沖洗車(chē)。具有全斷面沖洗功能的隧道智能化水沖洗車(chē)（圖9），具有沖洗壓力、角度調(diào)節(jié)功能，在隧道沖洗過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)隧道壁部分低壓沖洗、道床部分高壓沖洗，并可單獨(dú)控制各噴嘴朝向及開(kāi)閉，實(shí)現(xiàn)沖洗過(guò)程中避讓重要設(shè)備；可有效清理小型垃圾、塵土、隧道壁附著物，每次可裝水50 t，沖洗5 km。

圖9 智能化水沖洗車(chē)

4 結(jié)語(yǔ)

軌道交通的數(shù)智化已經(jīng)成為行業(yè)重要的發(fā)展方向，依托數(shù)智化技術(shù)必將對(duì)施工行業(yè)帶來(lái)重要的變革。數(shù)智化對(duì)軌道交通行業(yè)產(chǎn)品研發(fā)與施工效率提升是驚人的，通過(guò)構(gòu)建數(shù)智化生態(tài)服務(wù)平臺(tái)，圍繞各種應(yīng)用化場(chǎng)景需求，深度融合人工智能、大數(shù)據(jù)、現(xiàn)代電力電子技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、自動(dòng)化機(jī)械裝備等先進(jìn)技術(shù)，將推動(dòng)軌道交通行業(yè)設(shè)計(jì)、施工、制造、優(yōu)化與維護(hù)全生命周期的創(chuàng)新發(fā)展。