軌道交通車輛智能運維技術(shù)研究

□ 呂元穎

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 研究背景

2000年后,隨著我國各大城市建設(shè)的迅速發(fā)展,國內(nèi)城市軌道交通運營里程逐年增加。截至2021年中,全國共有48個城市開通運營245條城市軌道交通線路,運營里程超過7 957 km,實際開行列車超256萬列次,客運量超19.8億人次。我國已經(jīng)成為世界上最大的城市軌道交通市場,而且軌道交通在我國仍有較大市場需求。其中,北上廣深四大城市軌道交通運營線網(wǎng)規(guī)模位居世界城市前列。面對國內(nèi)各主要城市軌道交通運營網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大,軌道交通運營里程及車輛保有量不斷增加,如何進一步提升軌道交通正線故障應(yīng)對處理能力和軌道交通運營網(wǎng)絡(luò)自救能力,提高軌道交通車輛運營效率、檢修效率、可靠性、可用性、可維護性、安全性,降低軌道交通車輛全壽命周期成本,成為軌道交通行業(yè)的關(guān)注焦點[1-3]。

2 智能運維技術(shù)目的和優(yōu)點

目前,國內(nèi)城市軌道交通車輛傳統(tǒng)檢修模式基本采用日常檢查+計劃維修。日常檢查包括日檢、周檢、月檢,計劃維修包括每年的定修,第5年、第15年、第25年架修,第10年、第20年大修。傳統(tǒng)檢修模式下,工作人員的工作量較大,特別是日常檢查,目前實際日常檢查的檢出率較低,投入的資源與回報無法匹配。因此,需要對檢修模式進行研究及探討,并進行優(yōu)化和改善[4-5]。另一方面,隨著各大城市軌道交通運營車輛服役時間的增加,車載設(shè)備及零部件的老化愈加嚴重,車輛故障頻次增高,維護需求日益上升。以日常人工檢查為主的維保模式用工成本不斷提高,城市軌道交通運維單位負擔加重,難以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展?？梢?傳統(tǒng)檢修模式已經(jīng)無法應(yīng)對超大網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下城市軌道交通的運維需求,因此需要加快推進實現(xiàn)智能運維一體化的管理模式,通過智能運維技術(shù)來提升城市軌道交通車輛的運維效率[6-8]。

智能運維技術(shù)基于智能感知、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù),利用信息化、數(shù)字化、智能化、集成化等手段,實現(xiàn)部分或全部代替人工對軌道交通車輛的監(jiān)控、維護、檢修等工作,從而最大化提升軌道交通車輛運維工作的質(zhì)量、效率、效益。具體而言,智能運維技術(shù)的目的是實現(xiàn)軌道交通車輛運營和維護的一體化管理,提升軌道交通車輛整體運維效率。智能運維技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展對軌道交通車輛的運營和維護而言,有八方面優(yōu)點:

(1)進一步優(yōu)化軌道交通車輛的檢修規(guī)程和工藝流程;

(2)有效提高軌道交通車輛故障的日常檢出率、車輛整體檢修生產(chǎn)效率;

(3)進一步降低軌道交通車輛日常維保人力工時,減輕一線維保人員工作壓力,降低勞動強度;

(4)進一步降低軌道交通車輛及零部件的全壽命周期材料成本;

(5)及時預(yù)報軌道交通車輛故障發(fā)生的時間和起因,消除設(shè)備已有故障誘發(fā)的二次損壞;

(6)具備軌道交通車輛檢修信息追溯和質(zhì)量追溯能力;

(7)進一步提升軌道交通車輛整體的運營效率;

(8)全面提升軌道交通車輛的可靠性、可用性、可維護性、安全性。

3 智能運維技術(shù)主要內(nèi)容

3.1 車地聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

車地聯(lián)網(wǎng)技術(shù)指軌道交通車輛與地面控制中心的聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù),主要通過軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)和通信單元對軌道交通車輛的運行狀態(tài)與故障數(shù)據(jù)進行采集、傳輸,采用分布式結(jié)構(gòu),感知從零部件級到子系統(tǒng)級再到整車級的相關(guān)信息,完成實時數(shù)據(jù)融合、過濾、特征提取、存儲等工作?？蓪z測到的軌道交通車輛狀態(tài)及故障信息通過無線通信傳送至地面控制中心,用于數(shù)據(jù)分析處理、故障診斷處理、各種場景判斷,同時地面控制中心也可以通過無線通信對軌道交通車輛進行監(jiān)控,確保軌道交通車輛的可靠性和安全性[9-10]。車地聯(lián)網(wǎng)技術(shù)如圖1所示。

▲圖1 車地聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

3.2 車載檢測技術(shù)

車載檢測技術(shù)主要分為車輛子系統(tǒng)檢測和線路狀態(tài)檢測兩部分。車輛子系統(tǒng)檢測實時采集軌道交通車輛走行部、牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、輔助電氣系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)等的各種數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)通過軌道交通車輛網(wǎng)絡(luò)和車地聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸至專家診斷單元,進行數(shù)據(jù)存儲和分析。車輛子系統(tǒng)檢測如圖2所示。線路狀態(tài)檢測主要通過在軌道交通車輛內(nèi)外部安裝檢測裝置,包括高清攝像設(shè)備、紅外熱成像設(shè)備、激光設(shè)備、雷達、加速度計、電磁設(shè)備、壓敏設(shè)備等,對軌道交通線路進行限界輪廓、橋隧狀態(tài)、軌道幾何參數(shù)、軌道狀態(tài)、輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系、接觸網(wǎng)及其懸掛狀態(tài)、軌旁設(shè)備狀態(tài)等進行實時在線檢測,通過車載檢測設(shè)備采集、記錄數(shù)據(jù),并分析故障情況,將信息發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控終端,聯(lián)網(wǎng)智能運維管理系統(tǒng)。線路狀態(tài)檢測如圖3所示。

▲圖2 車輛子系統(tǒng)檢測

▲圖3 線路狀態(tài)檢測

3.3 軌旁檢測技術(shù)

軌旁檢測技術(shù)主要通過在出入庫線上設(shè)置龍門架,在龍門架上安裝檢測裝置,包括高清攝像設(shè)備、紅外熱成像設(shè)備、激光設(shè)備、雷達等,對經(jīng)過的軌道交通車輛進行輪廓線、360°車體外觀、受電弓或集電靴狀況、輪對及踏面尺寸、軸端溫度、齒輪箱及電機溫度、緊固件防松線、鎖具關(guān)緊標志、關(guān)鍵零部件故障及磨耗等進行自動檢測。除出入庫線外,在正線軌旁同樣設(shè)置用于檢測軌道交通車輛狀態(tài)的設(shè)備,通過軌旁檢測設(shè)備采集、記錄數(shù)據(jù),并分析故障情況,將信息發(fā)送至數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控終端,聯(lián)網(wǎng)智能運維管理系統(tǒng)。軌旁檢測技術(shù)如圖4所示。

▲圖4 軌旁檢測技術(shù)

3.4 專家診斷技術(shù)

專家診斷技術(shù)在車地聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、車載檢測技術(shù)、軌旁檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上,融合計算機、通信、現(xiàn)代控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù),如圖5所示。應(yīng)用先進傳感技術(shù),獲取軌道交通車輛及各子系統(tǒng)運行狀態(tài)、線路沿線狀態(tài)等信息,借助各種智能推理算法,根據(jù)系統(tǒng)歷史狀態(tài)和環(huán)境因素,對軌道交通車輛及各子系統(tǒng)、線路沿線情況進行狀態(tài)分析和監(jiān)測,以及故障診斷與預(yù)測,評估系統(tǒng)未來的健康狀態(tài),提出維修維護建議,為管理決策提供支持。所有專家診斷分析的結(jié)果都將輸入數(shù)據(jù)服務(wù)器和監(jiān)控終端,聯(lián)網(wǎng)智能運維管理系統(tǒng)。通過專家診斷技術(shù),可以提升軌道交通車輛狀態(tài)評估數(shù)字化水平,增強運維人員對軌道交通車輛及線路異常情況的處置能力。

▲圖5 專家診斷技術(shù)

3.5 智能運維管理系統(tǒng)

智能運維管理系統(tǒng)集成前述幾項關(guān)鍵技術(shù),將各種運營數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、輔助數(shù)據(jù)通過信息化、數(shù)字化、智能化、集成化等手段形成聯(lián)動,最終自動提取綜合運維數(shù)據(jù),反饋至軌道交通軌道交通車輛檢修維保人員,并自動形成高效的維保或檢修排班計劃。運營數(shù)據(jù)包括軌道交通車輛司機日常報單、狀態(tài)數(shù)據(jù)、運行環(huán)境數(shù)據(jù)、診斷分析數(shù)據(jù)等。檢修數(shù)據(jù)包括軌道交通車輛日常維保檢修記錄、履歷數(shù)據(jù)、施工記錄數(shù)據(jù)、物料管理數(shù)據(jù)等。輔助數(shù)據(jù)包括人力資源數(shù)據(jù)、物料采購數(shù)據(jù)、外協(xié)單位數(shù)據(jù)、辦公流程記錄。通過提取多維度數(shù)據(jù)并計算,避免重復(fù)數(shù)據(jù)引起的人力或檢修資源浪費,提高檢修維保任務(wù)效率,降低作業(yè)過程中的安全風險。智能運維管理系統(tǒng)如圖6所示。

4 結(jié)束語

目前國內(nèi)城市軌道交通車輛傳統(tǒng)檢修模式已經(jīng)無法應(yīng)對超大網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的城市軌道交通運維需求,需要加快推進實現(xiàn)智能運維一體化管理模式。通過與軌道交通車輛傳統(tǒng)檢修模式對比,重點分析智能運維技術(shù)的目的與優(yōu)點。智能運維技術(shù)采用信息化、數(shù)字化、智能化、集成化等手段,通過智能感知、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)來實現(xiàn)部分或全部代替人工對軌道交通車輛的監(jiān)管、維護、檢修等工作。著重研究了車地聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、車載檢測技術(shù)、軌旁檢測技術(shù)、專家診斷技術(shù)、智能運維管理系統(tǒng)等軌道交通車輛智能運維技術(shù)。智能運維技術(shù)能夠?qū)壍澜煌ㄜ囕v及其子系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)控,通過專家診斷分析提前進行軌道交通車輛故障預(yù)警,迅速制訂維修維護策略,實現(xiàn)軌道交通車輛維修和排故快速介入。隨著智能運維技術(shù)的發(fā)展,還可以對軌道交通線路狀態(tài)、接觸網(wǎng)狀態(tài)、軌旁設(shè)備狀態(tài)、橋隧線路限界、輪軌關(guān)系、弓網(wǎng)關(guān)系等故障信息和安全隱患實現(xiàn)快速精準定位。通過專家診斷分析,進一步指揮故障處理,提出解決措施,提高整體檢修維保工作的效率和質(zhì)量。后續(xù)通過智能運維技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,將進一步提升國內(nèi)城市軌道交通的整體運維效率。

▲圖6 智能運維管理系統(tǒng)