杭州地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

付國平，楊明輝，郭正海

（杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 運(yùn)營分公司，浙江 杭州 310017）

0 引言

截至2021年6月，中國內(nèi)地累計(jì)有48個城市開通城市軌道交通運(yùn)營線路8 258.81 km，城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模和客流規(guī)模均居世界第一［1‐2］。杭州地鐵目前已開通運(yùn)營9 條線路，線網(wǎng)總里程323 km，運(yùn)營車站175座，線網(wǎng)日均客運(yùn)量292萬人次。在建線路7條（延伸4條、新建3 條），共193 km，計(jì)劃2022 年亞運(yùn)會前全部開通，屆時(shí)將形成包含12 條線路、263 座車站，總長516 km的城市軌道交通骨干網(wǎng)絡(luò)。

現(xiàn)行的軌道交通車輛維護(hù)方案來源于國家鐵路的定修方案，即按照年限和里程數(shù)制定維修計(jì)劃進(jìn)行預(yù)防性維修，其檢修過程主要依賴人工作業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在現(xiàn)行的地鐵列車檢修模式下，車輛生命周期內(nèi)的維護(hù)費(fèi)用約占地鐵車輛總投資費(fèi)用的60%～70%。

目前，杭州地鐵列車運(yùn)維模式同樣以人工為主，對目視、手動等檢查方式的修程尚無有效把控手段［3‐4］，列車維修工作量大、時(shí)間窗口少，檢修員工素質(zhì)技能和工作狀態(tài)對列車維護(hù)質(zhì)量存在一定的影響，且列車全生命周期成本居高不下［5‐8］。因此，亟須對列車運(yùn)維質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)、集中調(diào)度進(jìn)行研究，搭建適用于杭州地鐵的智能運(yùn)維平臺，以降低正線故障率，提高檢修效率與列車運(yùn)行安全水平，打造智慧地鐵［9‐10］。

本文闡述了杭州地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)總體方案，對各子系統(tǒng)功能、涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及整體系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹，并基于當(dāng)前系統(tǒng)存在的不足，提出進(jìn)一步深化研究的實(shí)施思路。

1 杭州地鐵車輛智能運(yùn)維體系

車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)具有復(fù)雜度高、設(shè)備分布廣，智能化程度高等特點(diǎn)，一般覆蓋“車載監(jiān)測-軌旁監(jiān)測-健康管理-檢修管理”4 大板塊。結(jié)合杭州地鐵的基礎(chǔ)與現(xiàn)實(shí)需求，杭州地鐵構(gòu)建了“1+4+N體系”作為車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，即1 個智能運(yùn)維平臺、4 個核心子系統(tǒng)和N個執(zhí)行模塊，如圖1所示。其通過大數(shù)據(jù)平臺、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)處理、檢修運(yùn)維等技術(shù)應(yīng)用，創(chuàng)新檢修運(yùn)維服務(wù)新模式，保障列車安全運(yùn)行，提升運(yùn)維服務(wù)效率。

圖1 杭州地鐵車輛智能運(yùn)維體系Fig. 1 Intelligent operation and maintenance system for Hangzhou Metro vehicles

該智能運(yùn)維體系由智能運(yùn)維平臺、車載監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁監(jiān)測系統(tǒng)、運(yùn)維支持系統(tǒng)和智能檢修系統(tǒng)組成，具有以下功能特點(diǎn)：（1）打造了車載監(jiān)測和軌旁監(jiān)測系統(tǒng)，利用故障診斷與預(yù)警、圖像識別等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對車輛狀態(tài)信息的全方位采集和車輛外觀的自動化檢測；（2）通過構(gòu)建統(tǒng)一的列車智能運(yùn)維平臺，實(shí)現(xiàn)對不同類型的監(jiān)測/檢測設(shè)備數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、存儲，并結(jié)合不同業(yè)務(wù)場景的具體需求，在大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺上構(gòu)建數(shù)據(jù)中臺和業(yè)務(wù)中臺，為N個執(zhí)行模塊提供快速、便捷的數(shù)據(jù)服務(wù)支持；（3）以車輛智能運(yùn)維平臺為數(shù)字底座，通過運(yùn)維支持系統(tǒng)和智能檢修系統(tǒng)，打造車輛正線運(yùn)行、設(shè)備狀態(tài)平臺、檢修計(jì)劃管理等面向一線作業(yè)人員的具體功能，實(shí)現(xiàn)了基于車輛檢修業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流的人與系統(tǒng)、系統(tǒng)與系統(tǒng)間的聯(lián)動。

1.1 智能運(yùn)維平臺

智能運(yùn)維平臺為整個運(yùn)維系統(tǒng)的核心和基礎(chǔ)，其以大數(shù)據(jù)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)匯聚、數(shù)據(jù)共享等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多專題數(shù)據(jù)接口的數(shù)據(jù)接入規(guī)范和數(shù)據(jù)存儲調(diào)用規(guī)范，支持海量、高頻、大并發(fā)數(shù)據(jù)流的接收、解析、存儲和查詢。杭州地鐵智能運(yùn)維平臺通過核心交換機(jī)組織連接各個服務(wù)器，形成大數(shù)據(jù)平臺與應(yīng)用服務(wù)器（虛擬化服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫服務(wù)器）數(shù)據(jù)的高速傳輸；采用千兆交換機(jī)作為服務(wù)器日常管理接口，以防火墻實(shí)現(xiàn)內(nèi)外網(wǎng)隔離，結(jié)合軟件防護(hù)措施，滿足信號系統(tǒng)邊界防護(hù)要求及其各專業(yè)的安全要求，其硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 智能運(yùn)維平臺硬件構(gòu)架Fig.2 Hardware architecture of the intelligent operation and maintenance platform

1.2 車載監(jiān)測系統(tǒng)

車載監(jiān)測系統(tǒng)包括弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)、走行部監(jiān)測系統(tǒng)、車門智能監(jiān)測系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)對整車及網(wǎng)絡(luò)、弓網(wǎng)、牽引、制動、走行部、空調(diào)、車門等關(guān)鍵子系統(tǒng)的狀態(tài)感知及診斷預(yù)警，從而實(shí)現(xiàn)對列車運(yùn)行狀態(tài)的全面監(jiān)控，降低正線故障率并指導(dǎo)精準(zhǔn)檢修排故。杭州地鐵目前已安裝車門智能監(jiān)測系統(tǒng)、弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)和走行部監(jiān)測系統(tǒng)。

（1）車門智能監(jiān)測系統(tǒng)

在地鐵車輛運(yùn)營過程中，車門智能監(jiān)測系統(tǒng)采集電機(jī)電流、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角等狀態(tài)參數(shù)信息，分析不同狀態(tài)因素影響下車門表征數(shù)據(jù)指標(biāo)偏差產(chǎn)生機(jī)理并提供消除方法；從大數(shù)據(jù)中提煉車門健康狀態(tài)演變規(guī)律，通過比較不同算法獲得規(guī)律的差異性并不斷優(yōu)化算法，從而實(shí)現(xiàn)地鐵車門故障診斷預(yù)警，項(xiàng)點(diǎn)如表1所示。

表1 車門系統(tǒng)故障預(yù)警項(xiàng)點(diǎn)Tab.1 Door system failure warning items

（2）弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)

弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)由主防護(hù)罩、補(bǔ)光燈及法蘭構(gòu)成，被安裝于Mp 車車頂受電弓平臺，位于受電弓和空調(diào)機(jī)組之間，具有圖像數(shù)據(jù)采集、車地通信及補(bǔ)光等功能。通過弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)，可以監(jiān)測并判斷接觸網(wǎng)導(dǎo)線拉高、接觸網(wǎng)拉出超限、弓網(wǎng)燃弧和弓網(wǎng)超溫等異常狀態(tài)，其監(jiān)測項(xiàng)點(diǎn)見表2。

表2 弓網(wǎng)監(jiān)測項(xiàng)點(diǎn)Tab.2 Pantograph and catenary monitoring items

（3）走行部監(jiān)測系統(tǒng)

走行部監(jiān)測系統(tǒng)在走行部關(guān)鍵部件上安裝復(fù)合傳感器，同時(shí)檢測列車運(yùn)行過程中的沖擊、振動和溫度信息。系統(tǒng)基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)走行部關(guān)鍵部件的在線實(shí)時(shí)診斷，支持早期故障預(yù)警及分級預(yù)警，以準(zhǔn)確指導(dǎo)列車的運(yùn)用和維修。其監(jiān)測項(xiàng)點(diǎn)見表3。

表3 走行部監(jiān)測項(xiàng)點(diǎn)Tab.3 Running gear monitoring items

1.3 軌旁監(jiān)測系統(tǒng)

軌旁監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)列車在線的動態(tài)監(jiān)測功能，主要包括輪對-受電弓在線監(jiān)測、列車檢修機(jī)器人車底監(jiān)測和360°動態(tài)圖像智能監(jiān)測等。其通過各類軌旁、庫內(nèi)檢測系統(tǒng)的功能互補(bǔ)及數(shù)據(jù)融合實(shí)現(xiàn)地鐵車輛車底、車頂、車側(cè)檢修項(xiàng)點(diǎn)的動態(tài)、靜態(tài)及多角度檢測，滿足檢修項(xiàng)點(diǎn)多范圍覆蓋需求，節(jié)省列車日檢的人力成本和時(shí)間成本。

（1）輪對-受電弓監(jiān)測系統(tǒng)

受電弓車頂監(jiān)測部分實(shí)時(shí)對受電弓功能參數(shù)和磨耗情況進(jìn)行監(jiān)控，判斷車頂是否有異物侵入，不間斷地反饋受電弓工作狀態(tài)數(shù)據(jù)。輪對動態(tài)監(jiān)測部分通過3D掃描、探傷技術(shù)，對輪對輪緣高度、厚度、QR值、內(nèi)側(cè)距和車輪直徑等參數(shù)進(jìn)行檢測，將輪對磨耗和損傷情況等信息傳遞給運(yùn)維支持平臺。

（2）列車檢修機(jī)器人

列車檢修機(jī)器人應(yīng)用SLAM（即時(shí)定位與地圖構(gòu)建）技術(shù)、圖像識別技術(shù)及激光測量手段，模擬人工作業(yè)方式對列車轉(zhuǎn)向架、車鉤、各類下掛件等進(jìn)行全覆蓋自動檢測，替代巡檢人員完成車底檢查工作，有效地解決了人工檢修作業(yè)質(zhì)量難以把控、作業(yè)效率難以提升等問題。其作業(yè)現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 列車檢修機(jī)器人作業(yè)現(xiàn)場Fig.3 Worksite of vehicle inspection robot

（3）360°動態(tài)圖像智能監(jiān)測系統(tǒng)

軌旁監(jiān)測系統(tǒng)采用了360°動態(tài)圖像智能監(jiān)測替代人工檢查，通過采集車底、車側(cè)可視部位的高清圖像，應(yīng)用HTM（層次時(shí)間記憶）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模式識別、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全車可視部件異常的自動分析和預(yù)警，有效地解決了人工檢修效率低、勞動強(qiáng)度大和人力成本高等問題。

1.4 運(yùn)維支持系統(tǒng)

運(yùn)維支持系統(tǒng)主要包括車輛健康管理、列車實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢及維護(hù)管理等功能，通過建立列車智慧運(yùn)營系統(tǒng)監(jiān)控界面，直觀展示列車運(yùn)營狀態(tài)、健康狀態(tài)、維修決策及部件更換建議等主要信息，當(dāng)車輛出現(xiàn)故障時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)立即發(fā)送報(bào)警信號至車輛段調(diào)度中心（DCC）大屏幕，使得運(yùn)維人員可全面掌控列車運(yùn)營情況。其具體功能如下：

（1）運(yùn)營管理。系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)視單線路狀態(tài)和單車狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)不同維度的列車在線故障、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)視（如圖4）以及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)展示。

圖4 列車實(shí)時(shí)監(jiān)控界面Fig. 4 Train real‐time monitoring interface

（2）健康管理。系統(tǒng)針對牽引、輔助、弓網(wǎng)、車門、走行部、制動、空調(diào)等子系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷預(yù)警及健康評估，并通過數(shù)據(jù)整合實(shí)現(xiàn)整車健康狀態(tài)監(jiān)測。

（3）維護(hù)管理。實(shí)現(xiàn)列車各系統(tǒng)軟件自動維護(hù)，并對異常狀態(tài)進(jìn)行報(bào)警提示。

（4）數(shù)據(jù)分析。系統(tǒng)支持對故障信息、預(yù)警信息、事件信息、部件壽命、列車狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、篩選及統(tǒng)計(jì)分析，便于技術(shù)人員進(jìn)行報(bào)表編制與數(shù)據(jù)利用。

（5）綜合分析。系統(tǒng)提供線路級的載荷、旅速及能耗分析功能。

（6）規(guī)則引擎。系統(tǒng)提供智能化機(jī)器學(xué)習(xí)手段與圖形化編輯方法，支撐技術(shù)人員快速進(jìn)行診斷、分析規(guī)則的自定義創(chuàng)建，并結(jié)合平臺數(shù)據(jù)執(zhí)行規(guī)則運(yùn)算。

1.5 智能檢修系統(tǒng)

智能檢修系統(tǒng)基于容器微服務(wù)和Activiti7流程引擎，構(gòu)建了以檢修作業(yè)編制、生產(chǎn)調(diào)度管理以及檢修作業(yè)管理為核心的功能框架，主要具備生產(chǎn)調(diào)度管理、檢修作業(yè)管理、履歷管理和資產(chǎn)管理等功能，具體如下：

（1）檢修作業(yè)總覽。系統(tǒng)以餅狀圖、柱狀圖、指標(biāo)卡、橫向柱圖及表格等多元化形式實(shí)時(shí)展示檢修任務(wù)總體進(jìn)展情況。

（2）生產(chǎn)調(diào)度管理。系統(tǒng)提供列車的檢修計(jì)劃管理，包括日檢計(jì)劃、均衡修計(jì)劃、普查計(jì)劃、技改計(jì)劃、洗車及保潔計(jì)劃；結(jié)合檢修計(jì)劃及完成情況，自動生成收發(fā)車計(jì)劃，并根據(jù)股道排定規(guī)則自動預(yù)排股道；結(jié)合車輛故障情況、車輛檢修維護(hù)情況、次日生產(chǎn)計(jì)劃等，自動確定具備上線運(yùn)行的良好列車；根據(jù)檢修工單自動預(yù)填請點(diǎn)申請單，并由班組人員進(jìn)行調(diào)整確認(rèn)。

（3）檢修作業(yè)管理。系統(tǒng)結(jié)合檢修計(jì)劃、收發(fā)車計(jì)劃自動生成檢修工單，并根據(jù)排班情況自動預(yù)分配檢修班組（支持人工調(diào)整）；結(jié)合修程及工藝的要求，根據(jù)任務(wù)單的類型自動選擇對應(yīng)作業(yè)內(nèi)容及時(shí)間節(jié)點(diǎn)要求；支持按車廂、部件、類型、等級等對故障進(jìn)行分類展示，可查詢歷史故障，可按月、季度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)慣性故障，為普查整改提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

（4）履歷管理。將車輛結(jié)構(gòu)按照系統(tǒng)、子系統(tǒng)、模塊、部件、子部件進(jìn)行分級分類，可查看車輛完整層次結(jié)構(gòu)；查看車輛履歷，履歷內(nèi)容包括微機(jī)軟件版本變更記錄、關(guān)鍵部件更換記錄、維修動態(tài)記錄、重大故障及事故處理情況、技術(shù)改造及國產(chǎn)化記載、特別記載等。

（5）資產(chǎn)管理。連接智能物料箱數(shù)據(jù)，并對工器具、消耗品和?；返冗M(jìn)行編碼與分類，實(shí)現(xiàn)車輛檢修現(xiàn)場常用的備件管理，以及全過程的信息流轉(zhuǎn)與管控。

2 智能運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用情況

基于上述“1+4+N”車輛智能運(yùn)維體系建設(shè)思路，杭州地鐵已初步完成車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)，并在車輛正線監(jiān)測、故障預(yù)警及日檢自動化等方面取得了一定成果：

（1）實(shí)現(xiàn)了對全線和單車的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可對正線關(guān)鍵故障進(jìn)行分解，支撐正線應(yīng)急處置。

（2）借助故障預(yù)警與壽命評估技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了車門、走行部、牽引系統(tǒng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的故障預(yù)警以及車輛健康狀態(tài)的評估，并可通過圖形化方式展示具體線路下所有車輛的健康評分。

（3）在車底檢修機(jī)器人應(yīng)用方面，已實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在股道間的自動運(yùn)轉(zhuǎn)，并完成了識別算法的調(diào)試，即將投入正式應(yīng)用。

3 智能運(yùn)維體系深化研究設(shè)想

車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)是推動車輛從“計(jì)劃修”向“狀態(tài)修”轉(zhuǎn)型的重要工具，但當(dāng)前智能運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)與生產(chǎn)流程的結(jié)合相對松散，對檢修相關(guān)數(shù)據(jù)的應(yīng)用仍需進(jìn)一步挖掘。為改善此情況，一方面需要以系統(tǒng)集成為手段，逐步提高日常檢修中的“機(jī)檢比例”，推動日檢自動化；另一方面需要在運(yùn)維實(shí)踐過程中積累應(yīng)用數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)等，利用可靠性分析手段探索修程優(yōu)化策略。

3.1 日檢自動化

以日檢檢修流程和項(xiàng)點(diǎn)為依托，串聯(lián)智能檢修系統(tǒng)、軌旁檢測系統(tǒng)、運(yùn)維支持系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對車輛故障、PHM預(yù)警以及軌旁檢測等功能的有效整合，并通過構(gòu)建車輛自檢模型、優(yōu)化識別算法等手段進(jìn)一步提升日檢作業(yè)的自動化水平。如：（1）基于車輛狀態(tài)信號和故障數(shù)據(jù)建立車內(nèi)功能人工檢測項(xiàng)點(diǎn)的自動化檢測手段，逐步替代人工作業(yè)（如MVB自檢）；（2）通過試驗(yàn)驗(yàn)證及模型優(yōu)化，提高既有軌旁檢測系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確度，替代車外日檢人工作業(yè)；（3）納入地溝內(nèi)作業(yè)的檢修機(jī)器人的檢測數(shù)據(jù)，以提高車底檢測項(xiàng)點(diǎn)覆蓋率，并與360°圖像檢測裝置檢測項(xiàng)目形成有效互補(bǔ)；（4）實(shí)現(xiàn)日檢清單電子化，利用運(yùn)維支持系統(tǒng)將各項(xiàng)檢測信息自動化采集填報(bào)，減少人工作業(yè)量。

3.2 修程修制優(yōu)化

利用運(yùn)維支持系統(tǒng)、智能檢修系統(tǒng)完成車輛運(yùn)維相關(guān)數(shù)據(jù)的采集與整理，并以車輛故障數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)等為基礎(chǔ)，基于PHM 在線診斷技術(shù)與壽命評估技術(shù)，實(shí)現(xiàn)依據(jù)產(chǎn)品狀態(tài)決策定修項(xiàng)點(diǎn)、周期與頻次，依據(jù)壽命預(yù)測決策換件更新的修程優(yōu)化目標(biāo)。如：（1）開展車輛關(guān)鍵部件PHM技術(shù)研究，優(yōu)化并完善關(guān)鍵部件故障診斷、預(yù)警與狀態(tài)評估能力，實(shí)現(xiàn)車輛關(guān)鍵部件部分檢測項(xiàng)點(diǎn)替換，并融入檢修作業(yè)內(nèi)容；（2）以關(guān)鍵部件故障為線索，梳理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)樹及故障樹，并針對各自部件開展失效模式分析（DFEMA），得到系統(tǒng)故障原因、對應(yīng)的部件故障模式，以及部件故障模式對應(yīng)的所有維修工作類型，并建立針對每個故障原因的維修決斷邏輯；（3）依據(jù)檢修數(shù)據(jù)和加速壽命試驗(yàn)結(jié)果確定部件的壽命預(yù)測曲線，根據(jù)壽命預(yù)測曲線及設(shè)備可靠性指標(biāo)確定各種維修類型的間隔，包括保養(yǎng)維修間隔、檢查潛在故障的維修間隔、定期更換和定期維修的時(shí)間間隔。

4 結(jié)語

為了推進(jìn)軌道交通行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，推動地鐵車輛基于狀態(tài)監(jiān)測的預(yù)防性維修技術(shù)的發(fā)展，需要開展車輛專業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)建設(shè)。杭州地鐵智能運(yùn)維系統(tǒng)以“1+4+N體系”為智能運(yùn)維系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)，車載和軌旁監(jiān)測設(shè)備負(fù)責(zé)前端車輛各項(xiàng)數(shù)據(jù)的感知與采集，運(yùn)維支持平臺接收相關(guān)數(shù)據(jù)并對車輛各系統(tǒng)進(jìn)行健康監(jiān)測和實(shí)時(shí)監(jiān)控，智能檢修系統(tǒng)提供檢修人員維修指導(dǎo)方案并加強(qiáng)維修人員和物料的過程管理，提升了地鐵運(yùn)營維護(hù)的質(zhì)量。但受限于通信條件、建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、技術(shù)成熟度等多方面因素，當(dāng)前系統(tǒng)仍然存在故障診斷、預(yù)警覆蓋面不足、技術(shù)與業(yè)務(wù)綁定程度不深等問題，后續(xù)需通過構(gòu)建車輛自檢模型優(yōu)化識別算法、視頻識別等手段進(jìn)一步提升日檢作業(yè)的自動化替代水平，并基于PHM 在線診斷技術(shù)與壽命評估技術(shù)優(yōu)化修程修制。