城市軌道車輛維修模式的優(yōu)化與改進(jìn)研究

韓南南

(常州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的發(fā)展，國(guó)內(nèi)軌道交通已進(jìn)入高速黃金建設(shè)期和安全運(yùn)維期。與此同時(shí)，整個(gè)軌道行業(yè)對(duì)于保障列車運(yùn)營(yíng)安全、提高服務(wù)質(zhì)量、降低運(yùn)營(yíng)成本的要求也越來越高。軌道交通車輛是軌道交通系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，車輛的安全性、可靠性是乘客安心出行的必要條件。

一般車輛的使用年限在30年左右，車輛長(zhǎng)期運(yùn)行很容易造成車輛機(jī)械磨損，為了保證車輛安全可靠的運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)期間，需要對(duì)車輛進(jìn)行科學(xué)的檢查和維護(hù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地鐵車輛維修成本約占整個(gè)軌道交通建造成本的40%。因此建立合理的車輛維修模式，有效安排維護(hù)檢修工作，對(duì)車輛安全運(yùn)行、降低運(yùn)營(yíng)成本、縮短投資回收期有十分重要的實(shí)際意義。

1 城市軌道車輛維修模式的發(fā)展

很多城市的地鐵線路運(yùn)營(yíng)時(shí)間已超過15年，隨著城市運(yùn)營(yíng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，車輛維保的壓力也不斷增強(qiáng)。為準(zhǔn)確查找、判定車輛系統(tǒng)隱患，提高維保精準(zhǔn)性，控制和減少車輛故障對(duì)正線運(yùn)營(yíng)影響，提高車輛系統(tǒng)運(yùn)維工作效率和水平，減輕維修人員工作強(qiáng)度?；跔顟B(tài)檢測(cè)、特征提取、狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、維修模式優(yōu)化和維修決策于一體的智能維修模式不斷被開發(fā)。各單位利用車聯(lián)網(wǎng)、軌旁監(jiān)測(cè)、車載監(jiān)測(cè)等技術(shù)手段，對(duì)列車車輛外表故障、磨耗件尺寸、走行部溫度以及關(guān)鍵部件狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，有效減少車輛系統(tǒng)故障，保障車輛全生命周期的安全性和可靠性。同時(shí)，傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”、人工智能等尖端科技的發(fā)展，為軌道交通車輛智能維保提供了技術(shù)支持。目前，智能維保技術(shù)的主要應(yīng)用于列車走行部軸承、傳動(dòng)齒輪、輪對(duì)踏面和構(gòu)架的振動(dòng)沖擊及溫度信息、車頂受電弓、絕緣子、避雷器、空調(diào)機(jī)組、天線等車頂設(shè)備的動(dòng)態(tài)檢測(cè)與預(yù)警，包含車頂異物、車頂關(guān)鍵部件變形和丟失；對(duì)蓄電池單體電池以及電池組的電壓、電流、內(nèi)阻的在線監(jiān)測(cè)等。

城市軌道交通車輛智能維保系統(tǒng)主要包括在線檢測(cè)系統(tǒng)、信息傳輸系統(tǒng)、數(shù)據(jù)管理中心、故障診斷與健康狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)、信息管理系統(tǒng)。通過對(duì)車輛關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件的運(yùn)行狀態(tài)、剩余壽命和運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集，以故障檢測(cè)與健康管理技術(shù)為基礎(chǔ)搭建模型，根據(jù)模型評(píng)估對(duì)車輛關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件的運(yùn)行狀態(tài)和剩余壽命與運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)融合分析，對(duì)設(shè)備健康狀況進(jìn)行監(jiān)視、診斷、預(yù)警，并進(jìn)一步作出維護(hù)指導(dǎo)，從而實(shí)現(xiàn)以車輛全壽命周期健康狀態(tài)為導(dǎo)向的狀態(tài)維修方式，提高了列車運(yùn)行突發(fā)故障的應(yīng)急處理能力、車輛維修效率、車輛的可靠性和使用率，降低了車輛全壽命周期的維護(hù)成本。

1)在線檢測(cè)系統(tǒng)依托傳感器高精度、小型化、集成化、嚴(yán)酷環(huán)境適應(yīng)性、可靠性、低能耗的特點(diǎn)，在列車上和軌旁安裝在線監(jiān)測(cè)設(shè)備(如紅外線、激光、線陣相機(jī)、雷達(dá)等)，檢測(cè)車輛的外表尺寸、磨耗、電機(jī)溫度以及關(guān)鍵零部件的狀態(tài)，通過圖像識(shí)別、激光測(cè)距、機(jī)器視覺等技術(shù)，對(duì)列車實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

2)信息傳輸系統(tǒng)依賴于無線通信技術(shù)的發(fā)展，采用光纖、WLAN、5G公網(wǎng)，傳輸?shù)竭\(yùn)維數(shù)據(jù)管理中心。

3)數(shù)據(jù)管理中心通過對(duì)車載數(shù)據(jù)、地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、檢修操作數(shù)據(jù)、資產(chǎn)管理數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)分析平臺(tái)的檢測(cè)結(jié)果可為現(xiàn)場(chǎng)管理提供維修預(yù)測(cè)參考，巡檢人員在工作中可以把分析數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)。

4)故障診斷與健康狀態(tài)評(píng)估系統(tǒng)利用故障診斷技術(shù)對(duì)列車進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、診斷、對(duì)列車狀態(tài)走向進(jìn)行預(yù)測(cè)，典型的故障診斷與預(yù)測(cè)流程包含了數(shù)據(jù)特征提取、數(shù)據(jù)融合、健康狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、保障決策等環(huán)節(jié)。

5)信息管理系統(tǒng)依據(jù)診斷數(shù)據(jù)生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表、診斷結(jié)果，進(jìn)而制定維保方案。

車輛運(yùn)維系統(tǒng)將各子系統(tǒng)，包括牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、弓網(wǎng)系統(tǒng)、輪軌系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等列車子系統(tǒng)聯(lián)系起來。形成集運(yùn)行監(jiān)控、故障預(yù)警、健康評(píng)估、維修指導(dǎo)于一體的智慧運(yùn)維系統(tǒng)。人工智能技術(shù)的大力發(fā)展與大數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)器的邏輯運(yùn)算能力大幅提高，雖然讓設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)，但是巨大的數(shù)據(jù)庫(kù)與判斷條件也需要不斷進(jìn)行測(cè)試與演算，智能維保系統(tǒng)方案還不夠成熟。

2 城市軌道車輛常見的幾種維修模式

隨著各種新興設(shè)備的出現(xiàn)，各種各樣的運(yùn)維模式也相繼出現(xiàn)。目前車輛維修的模式主要分為：計(jì)劃性維修、經(jīng)驗(yàn)修、故障維修、狀態(tài)維修和委外維修。我國(guó)城市軌道交通車輛的維修主要采用計(jì)劃性維修與故障性維修相結(jié)合的檢修模式。

2.1 計(jì)劃性維修

計(jì)劃性維修也稱預(yù)防性維修，主要針對(duì)車輛和部件故障預(yù)防，在故障出現(xiàn)之前采取預(yù)見方案，有計(jì)劃地進(jìn)行預(yù)防性檢查和維修保養(yǎng)，車輛運(yùn)營(yíng)初期主要采用這種維修模式。計(jì)劃性維修是以車輛及設(shè)備廠家維護(hù)手冊(cè)為依據(jù)，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維修，檢修級(jí)別和檢修周期主要以車輛制造商提供的數(shù)據(jù)為依據(jù)，因車輛制造商和車型的不同而不同。 根據(jù)車輛每個(gè)部件的壽命、車輛的運(yùn)行環(huán)境等因素綜合考慮，維修規(guī)程可分為：日檢、雙日檢、列檢、雙(3)月檢、定修、架修、大修等(見表1)。由于每個(gè)城市行車條件不同，計(jì)劃性維修主要依據(jù)車輛走行公里數(shù)進(jìn)行定期維護(hù)維修。

表1 車輛計(jì)劃性維修修程和檢修周期

來源：《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范 GB 50157-2013》。

2.2 經(jīng)驗(yàn)修

經(jīng)驗(yàn)修主要針對(duì)沒有明確維修策略的系統(tǒng)和部件，不能進(jìn)行有規(guī)律的計(jì)劃修策略，此時(shí)需要具有長(zhǎng)期使用經(jīng)驗(yàn)的維修人員，通過經(jīng)驗(yàn)積累，制定維修規(guī)程和工藝。

2.3 故障性維修

故障性維修是按照車輛隨機(jī)發(fā)生的故障執(zhí)行臨時(shí)維修的檢修模式。在運(yùn)營(yíng)過程中出現(xiàn)故障時(shí)，采用對(duì)在線運(yùn)營(yíng)列車以維持運(yùn)營(yíng)為原則進(jìn)行應(yīng)急處理，對(duì)回段列車以出庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)為原則進(jìn)行快速處理。

2.4 狀態(tài)性維修

狀態(tài)性維修是依靠智能化檢測(cè)設(shè)備對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)在線檢測(cè)并預(yù)測(cè)可能發(fā)生的故障。基于智能運(yùn)維技術(shù)，以國(guó)內(nèi)主要城市軌道交通企業(yè)、鐵路行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)，建立設(shè)備系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過采集設(shè)備出場(chǎng)數(shù)據(jù)、運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)、檢修試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算得出評(píng)估結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)各部件的自動(dòng)預(yù)警、自動(dòng)輸出報(bào)表等功能的一種新的設(shè)備維保概念。

狀態(tài)性維修的實(shí)現(xiàn)必須依托先進(jìn)檢測(cè)傳感器的技術(shù)手段，在此基礎(chǔ)上利用互聯(lián)網(wǎng)強(qiáng)大的云計(jì)算將對(duì)應(yīng)設(shè)備采集的信息與廠家資料、國(guó)內(nèi)外行業(yè)規(guī)范、技術(shù)總結(jié)綜合起來，采取大數(shù)據(jù)計(jì)算的方式分析得出設(shè)備最精準(zhǔn)的狀態(tài)評(píng)估結(jié)論。這種維修模式可以有效減少維修人員數(shù)量，降低維修費(fèi)用，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，迅速排除故障，節(jié)省檢修時(shí)間，保障設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)管理水平，最終達(dá)到對(duì)設(shè)備的全壽命周期管理目標(biāo)。

2.5 委外維修

目前，很多地鐵公司主要負(fù)責(zé)列檢和月檢，將計(jì)劃維修中的架修、大修實(shí)行委外管理模式，委托車輛制造廠進(jìn)行維修。大修的主要目的是在車輛整體上恢復(fù)其尺寸和性能。

3 城市軌道交通車輛維修模式存在的問題

目前，地鐵公司維保部門普遍采用計(jì)劃?rùn)z修與故障檢修相結(jié)合的方式對(duì)車輛設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。這種檢修模式在城市軌道交通建設(shè)初期尚能維持，但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大以及人工成本的增長(zhǎng)，乘客對(duì)于服務(wù)水平需求的不斷提高，困難和挑戰(zhàn)越來越大，這樣的檢修模式無法形成可持續(xù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

同時(shí)，隨著軌道線路里程的增加，地鐵所需維修人員數(shù)量逐漸增多，作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，地鐵維修維護(hù)的壓力逐年增加，已經(jīng)無法滿足目前軌道交通系統(tǒng)發(fā)展的需求，城市軌道交通車輛維修模式還存在諸多不足。

3.1 檢修效率低，檢修記錄碎片化

由于車輛配置增加、夜間作業(yè)時(shí)間縮短，檢修效率難以保障檢修質(zhì)量。計(jì)劃?rùn)z修主要通過人工檢查來判斷設(shè)備運(yùn)用狀態(tài)，檢修頻次高、維護(hù)效率低，且通常無法有效量化評(píng)估。其實(shí)際健康程度、檢修技術(shù)與周期不僅缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，還缺少理論支撐和驗(yàn)證環(huán)節(jié)。同時(shí)，維修數(shù)據(jù)離散缺失，導(dǎo)致車輛施工信息記錄碎片化、安全風(fēng)險(xiǎn)上升。

3.2 維修強(qiáng)度大，人工成本高

隨著運(yùn)營(yíng)里程增加，客流量不斷增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)壓力的不斷上升，車輛維修保養(yǎng)的負(fù)荷也逐步增加，設(shè)備故障數(shù)量增多，增加了維修壓力。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)車輛維修平均人車數(shù)量比為0.6，隨著越來越多線路的開通，人員需求必然還會(huì)逐漸增加，人工成本也不斷增長(zhǎng)。

3.3 過修，欠修

由于我國(guó)軌道交通維修模式采用計(jì)劃修與故障修相結(jié)合的方式，相同車輛由于運(yùn)營(yíng)線路不同，運(yùn)營(yíng)環(huán)境不同，產(chǎn)品失效機(jī)理不完全相同，卻采用相同的檢修內(nèi)容和檢修周期，造成部分零部件已經(jīng)到了使用的年限，卻因?yàn)楣ぷ魅藛T的原因沒有如期更換而得不到良好的維護(hù)。故障檢修是在故障發(fā)生后進(jìn)行，通過檢修日志的人工分析排查、定位故障原因的方式，人為經(jīng)驗(yàn)依賴度高，無法保證故障及時(shí)排除，嚴(yán)重影響運(yùn)營(yíng)效率，影響車輛的可用性和乘客的乘坐舒適性，還會(huì)給運(yùn)營(yíng)管理帶來安全隱患。 或者很多零部件在檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)其狀態(tài)良好，并未有任何失效征兆，仍然對(duì)其進(jìn)行更換式維修，造成零部件過度維修，將小故障放大，不僅造成人力、物力的資源浪費(fèi)，還增加了產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用。

3.4 各類預(yù)報(bào)警信息離散、難用、誤報(bào)

預(yù)報(bào)警信息依賴于各檢測(cè)系統(tǒng)、人工報(bào)警、巡檢、綜合監(jiān)控等，由于我國(guó)的相關(guān)技術(shù)還存在一定的限制，這一方式受外界的干擾十分嚴(yán)重，可靠性較低，而且經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)的情況；另外，沒有統(tǒng)一的信息系統(tǒng)收集，造成信息不集中、不準(zhǔn)確，甚至缺失，數(shù)據(jù)不可靠無法應(yīng)用。

4 城市軌道車輛維修優(yōu)化與改進(jìn)措施

4.1 制定科學(xué)的運(yùn)維指標(biāo)體系

城市軌道交通車輛的健康狀況是制定維修策略的主要依據(jù)。目前，車輛設(shè)備維修技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要以零部件使用狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，缺少科學(xué)的設(shè)施設(shè)備狀態(tài)、維修指標(biāo)要求。建立合理的健康狀態(tài)評(píng)估指標(biāo)體系，制定設(shè)備健康預(yù)警閾值，實(shí)現(xiàn)可視化和可量化的評(píng)價(jià)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)運(yùn)行狀態(tài)和控制維修成本的目的。

4.2 優(yōu)化檢修規(guī)程、檢修計(jì)劃和檢修作業(yè)

采用健康狀態(tài)評(píng)估方法對(duì)車輛的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估的結(jié)果制定科學(xué)合理的均衡修檢修規(guī)程，進(jìn)而確定檢修級(jí)別，檢修計(jì)劃，避免車輛過修的情況，減少車輛停庫(kù)時(shí)間，提升車輛的上線率。

4.3 開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化的智能維保工具與數(shù)據(jù)采集裝備

穩(wěn)定的基礎(chǔ)感知技術(shù)和設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)、快速、準(zhǔn)確地采集與檢測(cè)控制的基礎(chǔ)。軌道交通車輛系統(tǒng)復(fù)雜，數(shù)據(jù)采集裝備主要針對(duì)影響車輛穩(wěn)定性的振動(dòng)沖擊、磨損、變形、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)，利用傳感器技術(shù)：圖像采集分析結(jié)構(gòu)的變形、紅外線技術(shù)檢測(cè)設(shè)備的溫度、壓力傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備的振動(dòng)沖擊等。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性是車輛智能維保的關(guān)鍵技術(shù)。

4.4 車輛維保服務(wù)專業(yè)化，加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享

軌道交通規(guī)劃周期長(zhǎng)，車輛設(shè)備更新?lián)Q代快，不同的廠家設(shè)備由于技術(shù)的保護(hù)性，數(shù)據(jù)無法共享是目前存在的問題之一，對(duì)實(shí)現(xiàn)軌道交通線網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享帶來了困難，目前智能維保方案的實(shí)施還僅存在單線。同時(shí)，車輛在整個(gè)軌道交通系統(tǒng)中不是獨(dú)立存在的，建立集通信與信號(hào)、車輛、供電、軌道、機(jī)電設(shè)備等于一體的智能維保系統(tǒng)是目前研究的主要方向。

4.5 以準(zhǔn)確數(shù)據(jù)為條件的建模算法開發(fā)

車輛智能維保系統(tǒng)建立在可靠的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)之上，對(duì)設(shè)備進(jìn)行健康狀態(tài)評(píng)估，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實(shí)性、全面性是健康狀態(tài)評(píng)估準(zhǔn)確性的保障，健康狀態(tài)評(píng)估與故障診斷是以模型算法計(jì)算而來，對(duì)數(shù)學(xué)模型的建立與驗(yàn)證是目前故障診斷和健康狀態(tài)評(píng)估亟待解決的主要問題。

5 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了軌道交通車輛常見的幾種維修模式，包括計(jì)劃性維修、故障性維修、狀態(tài)性維修和委外維修，分析了其各自特點(diǎn)與應(yīng)用場(chǎng)合以及目前維修模式存在的問題；總結(jié)了目前城市軌道車輛智能維保系統(tǒng)組成，建立科學(xué)的設(shè)備健康指標(biāo)體系，進(jìn)一步優(yōu)化車輛檢修模式、檢修規(guī)程，提高車輛上線率；開發(fā)智能維保工具和數(shù)據(jù)采集裝備為智能維保提供基礎(chǔ)支持，同時(shí)加強(qiáng)數(shù)據(jù)的共享，進(jìn)一步開發(fā)故障診斷與健康狀態(tài)評(píng)估算法模型。軌道交通車輛智能維保的發(fā)展對(duì)車輛維護(hù)和管理模式的改進(jìn)和優(yōu)化，對(duì)于提升地鐵系統(tǒng)的效率、降低運(yùn)營(yíng)成本均具有重要意義，城市軌道車輛維保系統(tǒng)的應(yīng)用仍需要進(jìn)一步探索、發(fā)展和完善。