軌道交通車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)研究

文 / 廣州地鐵集團(tuán)有限公司鮑超 韓振興 廣州鼎漢軌道交通車輛裝備有限公司 王釗

引言

廣州地鐵近年來飛速發(fā)展，線網(wǎng)里程數(shù)成倍增加，截至2020年底已達(dá)553km，最高日客運(yùn)量也在2019年5月突破千萬(wàn)級(jí)別，日均客運(yùn)量近800萬(wàn)人次，加之廣州地區(qū)屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，溫暖多雨，光熱充足，夏長(zhǎng)冬短，客流量的激增、天氣常年濕熱，兩個(gè)因素疊加，地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的壓力與日俱增。

在此背景下，如何發(fā)揮空調(diào)系統(tǒng)的最大能力和可用性，保證車廂乘客的舒適性，是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，同樣，面對(duì)數(shù)量如此多的空調(diào)設(shè)備，如何提升設(shè)備質(zhì)量，提高檢修效率，對(duì)設(shè)備生產(chǎn)商、使用者也是一個(gè)重要的研究課題。

目前常用城市軌道車輛空調(diào)的控制及管理

目前常用城市軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)基本以調(diào)節(jié)空調(diào)溫濕度為主，還沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障預(yù)測(cè)、智能化控制等功能，且在運(yùn)用過程中，存在以下幾類問題。

1.空調(diào)故障季節(jié)性明顯，但無(wú)預(yù)警機(jī)制，故障后造成客室悶熱嚴(yán)重影響車廂乘客服務(wù)，甚至造成故障列車退出服務(wù)，影響行車效率。

2.系統(tǒng)部件多，均采用計(jì)劃修開展日常維修保養(yǎng)，工作量巨大。

3.空調(diào)系統(tǒng)車外環(huán)境感知能力欠缺，除新風(fēng)溫度外未檢測(cè)其他外部運(yùn)用環(huán)境，無(wú)法綜合分析空調(diào)故障原因。

4.客室內(nèi)采集的環(huán)境參數(shù)無(wú)法真實(shí)反映乘客舒適性，不利于科學(xué)改善客室車廂舒適性。

隨著地鐵線網(wǎng)的不斷發(fā)展，運(yùn)營(yíng)壓力倍增，地鐵車輛數(shù)量增多，車輛空調(diào)設(shè)備增多，空調(diào)系統(tǒng)的檢修維護(hù)任務(wù)繁重，系列問題需提前計(jì)劃，防患于未然。目前空調(diào)系統(tǒng)的控制及管理還無(wú)法提前對(duì)設(shè)備不良狀態(tài)進(jìn)行預(yù)報(bào)警，無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控正線運(yùn)營(yíng)列車的空調(diào)狀態(tài)，更無(wú)法對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)的意義

開展《城市軌道交通車輛智慧空調(diào)平臺(tái)研制》，實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能、實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)亞健康狀態(tài)提前預(yù)報(bào)警功能、實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)智能化控制功能。通過智慧空調(diào)平臺(tái)的實(shí)施，全面提升空調(diào)系統(tǒng)的智能化程度，打破空調(diào)系統(tǒng)被動(dòng)維護(hù)局面，提升空調(diào)設(shè)備的性能及檢修效率，并為實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)修做好技術(shù)儲(chǔ)備。

該系統(tǒng)平臺(tái)能夠根據(jù)車輛運(yùn)行條件，自動(dòng)選擇合適的空調(diào)運(yùn)行參數(shù)和運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)舒適性（溫度、濕度、CO2濃度等）智能控制及節(jié)能控制；具有自動(dòng)診斷故障及自動(dòng)采取調(diào)整糾正措施的能力；并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)視、遠(yuǎn)程發(fā)出調(diào)整糾正指令、以及將預(yù)警信息自動(dòng)發(fā)送給維修人員以便提前維護(hù)。從而提高地鐵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性、減少空調(diào)故障數(shù)量、提高運(yùn)營(yíng)維護(hù)水平、提升乘客舒適性、降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、改善地鐵運(yùn)營(yíng)秩序，并為實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)的在線監(jiān)測(cè)和狀態(tài)維修做好技術(shù)儲(chǔ)備，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)工作

為了搭建廣州地鐵城市軌道交通車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)，廣州地鐵集團(tuán)有限公司、廣州鼎漢軌道交通車輛裝備有限公司及華中科技大學(xué)合力對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行開發(fā)。開展了如下的設(shè)計(jì)工作。

1.初步實(shí)現(xiàn)基于傳感器的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和環(huán)境數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)空調(diào)設(shè)備監(jiān)測(cè)和故障診斷的理論方法研究，為智慧空調(diào)和向狀態(tài)修轉(zhuǎn)換奠定基礎(chǔ)。

2.研發(fā)階段，形成故障預(yù)測(cè)和健康管理體系模型，實(shí)現(xiàn)空調(diào)智慧控制和故障精準(zhǔn)定位、預(yù)測(cè)，指導(dǎo)廣州地鐵保養(yǎng)和維修。

3.在試驗(yàn)驗(yàn)證以及示范推廣階段，深化智慧運(yùn)維體系和健康管理標(biāo)準(zhǔn)，與廣州地鐵智能化、信息化系統(tǒng)深度融合，實(shí)現(xiàn)廣州地鐵空調(diào)運(yùn)維全過程智慧化。

特色與創(chuàng)新點(diǎn)

車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)通過物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)的全方位智能控制、智能檢測(cè)和智能診斷，搭建有效的健康檢測(cè)體系和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，保障地鐵運(yùn)輸安全可靠、提效節(jié)能、實(shí)現(xiàn)地鐵空調(diào)運(yùn)維精準(zhǔn)管理，最終為旅客提供舒適的出行體驗(yàn)。該平臺(tái)具有以下研究特色與創(chuàng)新點(diǎn)。

監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，利用人工智能技術(shù)、根據(jù)模型自動(dòng)評(píng)估空調(diào)健康狀態(tài)。

根據(jù)環(huán)境溫度及乘客人數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)車廂內(nèi)溫度，選擇合適的運(yùn)行模式、實(shí)現(xiàn)舒適及節(jié)能控制。

突發(fā)故障，根據(jù)故障參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)故障診斷，提示可以由司機(jī)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)位、以恢復(fù)車輛空調(diào)功能。

利用人工神經(jīng)元分析技術(shù)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，根據(jù)記錄監(jiān)控的空調(diào)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)診斷，提前預(yù)警空調(diào)制冷劑泄漏、過濾網(wǎng)清洗周期等，并自動(dòng)反饋維護(hù)人員。

利用先進(jìn)的通信技術(shù)，由技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)地面干預(yù)操作：狀態(tài)控制、緊急操作及參數(shù)控制。

車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)的成果

車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)的功能驗(yàn)證

廣州地鐵6號(hào)線增購(gòu)車輛進(jìn)行了智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)的裝車及運(yùn)營(yíng)，對(duì)下述功能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1.實(shí)現(xiàn)地鐵空調(diào)系統(tǒng)狀態(tài)及故障數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

2.實(shí)現(xiàn)車廂溫濕度、CO2濃度智能控制。

3.實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)大部件的壽命預(yù)測(cè)。

洛倫茲力和安培力的學(xué)習(xí)是高中階段非常重要的知識(shí)點(diǎn)之一。按照教材選修3-1磁場(chǎng)這一章節(jié)的內(nèi)容，我們知道安培力是通電導(dǎo)線在磁場(chǎng)中所受到的力，而洛倫茲力是自由電荷在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)所受到的力。洛倫茲力是安培力的微觀本質(zhì)的體現(xiàn)，而安培力是洛倫茲力的宏觀表現(xiàn)。因?yàn)楹芏嗳硕贾离娏魇请姾啥ㄏ蜻\(yùn)動(dòng)時(shí)所形成的，就自然而然的認(rèn)為安培力實(shí)際上是形成電流的電荷在磁場(chǎng)中受到的洛倫茲力的總和。這真是這樣的嗎？

4.實(shí)現(xiàn)空調(diào)部件故障預(yù)報(bào)警。

5.濾網(wǎng)、蒸發(fā)器、冷凝器維護(hù)周期智能化預(yù)判。

6.實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制空調(diào)系統(tǒng)部分功能。

車輛智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)的成果

通過設(shè)置在空調(diào)機(jī)組回風(fēng)口和車廂內(nèi)部的溫濕度傳感器和二氧化碳傳感器，空調(diào)控制器實(shí)時(shí)記錄車廂內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度等數(shù)據(jù)，將相關(guān)參數(shù)發(fā)送到智慧空調(diào)平臺(tái)，智慧空調(diào)平臺(tái)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、記錄和提示異常數(shù)據(jù)，以便于乘客投訴車廂環(huán)境舒適性時(shí)，有公正的評(píng)判依據(jù)。

空調(diào)系統(tǒng)每次上電開始自檢時(shí)，壓力傳感器都會(huì)自動(dòng)記錄制冷管路內(nèi)的壓力值。當(dāng)檢測(cè)到的管路壓力值超出預(yù)計(jì)的范圍時(shí)且持續(xù)出現(xiàn)多次時(shí)，結(jié)合空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的低壓壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)算法診斷，智慧空調(diào)平臺(tái)發(fā)出制冷劑泄漏預(yù)警信息，提示出現(xiàn)疑似的泄漏故障供維修人員參考。

空氣過濾網(wǎng)臟堵時(shí)，濾網(wǎng)的阻力明顯加大。智慧空調(diào)平臺(tái)通過項(xiàng)目驗(yàn)證適用的建模方案、應(yīng)用多重參數(shù)來監(jiān)測(cè)過濾網(wǎng)的臟堵，將預(yù)警信息推送相關(guān)售后人員以便對(duì)空調(diào)過濾網(wǎng)進(jìn)行檢查清洗、實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)從定期維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維護(hù)。

智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)通過項(xiàng)目驗(yàn)證適用的蒸發(fā)器臟堵建模方案，將預(yù)警信息推送相關(guān)售后人員以便對(duì)空調(diào)蒸發(fā)器進(jìn)行檢查清洗、實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)從定期維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維護(hù)。

智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)通過項(xiàng)目驗(yàn)證適用的冷凝器臟堵建模方案，將預(yù)警信息推送相關(guān)售后人員以便對(duì)空調(diào)冷凝器進(jìn)行檢查清洗、實(shí)現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)從定期維護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)闋顟B(tài)維護(hù)。

結(jié)論

該智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)建立了車廂內(nèi)空調(diào)參數(shù)的監(jiān)控和故障預(yù)警模型，經(jīng)過裝車試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果證明該項(xiàng)目研制是成功的，能夠整體提高空調(diào)系統(tǒng)的應(yīng)用和服務(wù)水平。

提升乘客舒適性

智慧空調(diào)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)正線運(yùn)營(yíng)列車空調(diào)數(shù)據(jù)的采集，經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析，生成適合乘客舒適性的空調(diào)制冷曲線，地鐵乘客的滿意度有所提高。車廂內(nèi)溫濕度滿足標(biāo)準(zhǔn)EN14750-1的要求。

提高空調(diào)系統(tǒng)安全性、可靠性及降低維護(hù)費(fèi)用

通過本次平臺(tái)的建設(shè)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)營(yíng)過程中空調(diào)系統(tǒng)的狀態(tài)，并將空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、分析和故障檢測(cè)；借助于物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，開展大數(shù)據(jù)分析，具有智能自診斷功能，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，提高故障處置效率，降低正線空調(diào)故障數(shù)量，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)維修由“被動(dòng)維修”轉(zhuǎn)為“主動(dòng)維修”、由“全面巡檢”轉(zhuǎn)為“重點(diǎn)巡檢”；實(shí)現(xiàn)制造、出廠檢驗(yàn)、裝車調(diào)試、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等全生命周期智能化，從而大大提高空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性。

并且通過大數(shù)據(jù)分析，有利于空調(diào)設(shè)備的亞健康判斷，據(jù)此可合理制定空調(diào)系統(tǒng)檢修規(guī)程，從故障處理、檢修模式上均可降低軌道車輛空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。