城市軌道交通數(shù)字化車輛基地研究

楊超

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣州 510010）

1 引言

當(dāng)前我國城市軌道交通正處于高速發(fā)展階段，截至2021年年底，中國內(nèi)地累計有50座城市開通運營軌道交通，運營里程達9 192.62 km[1]。列車車輛是城市軌道交通系統(tǒng)的運動載體與核心，也是最復(fù)雜的設(shè)備之一。運營里程的不斷增長導(dǎo)致列車數(shù)量不斷增加，這就要求車輛運用檢修管理需要更加精細化和高效化，而地鐵車輛基地作為車輛運用檢修的主要場所，有效提高車輛運行可靠性、不斷提升運維效率、控制人員投入、降低運維成本是當(dāng)前地鐵車輛基地迫切需要解決的問題。

目前，國內(nèi)部分城市地鐵公司已經(jīng)開展了車輛智能運維的相關(guān)研究，如上海地鐵已實施了軌道車輛智慧運維系統(tǒng)項目的建設(shè)[2]，北京地鐵已經(jīng)進行了車輛段信息化管控系統(tǒng)項目研究[3]，廣州地鐵依托城市軌道交通系統(tǒng)安全與運維保障國家工程實驗室，研究建立了基于大數(shù)據(jù)云計算的車輛全壽命周期的智能運維系統(tǒng)[4]。

當(dāng)前，我國各大城市在建設(shè)軌道交通并投入運營的車輛運維過程中，建立了關(guān)于車輛維修管理系統(tǒng)、車輛部件監(jiān)控系統(tǒng)等分立系統(tǒng)，但未將車輛的全生命周期運維過程統(tǒng)一集中管理，數(shù)據(jù)標準化程度不高，數(shù)據(jù)質(zhì)量有待提高。部分地鐵開通較早的城市車輛段初步建立了具有數(shù)據(jù)存儲與分析能力的系統(tǒng)設(shè)備，但還未全面開展業(yè)務(wù)應(yīng)用，面向海量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施能力尚未完備，仍在探索業(yè)務(wù)與應(yīng)用結(jié)合的實踐中，缺乏高效的存儲、處理手段，數(shù)據(jù)分析及利用效率低，無法發(fā)掘出隱藏的價值信息。

因此，需要圍繞地鐵車輛運維需求，利用云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等前沿技術(shù)，對車輛段進行數(shù)字化升級改造，促進各系統(tǒng)融合共建、實現(xiàn)數(shù)據(jù)開放共享，促進車輛檢修運維資源的統(tǒng)一分配及列車全生命周期智能化運維管理，在全面感知、實時通信、海量數(shù)據(jù)分析能力不斷提升的前提下，開展地鐵車輛運維數(shù)據(jù)的深度挖掘，為車輛檢修維護提供先進、智能、經(jīng)濟的新型模式。

2 數(shù)字化車輛基地的總體目標

傳統(tǒng)的車輛檢修行業(yè)是典型的勞動密集型行業(yè)，主要依靠維修人員人工檢查車輛，手寫記錄各項信息，根據(jù)經(jīng)驗制訂維修計劃，定期開展檢查。車輛的檢修強度大、效率低、人工成本高，難以適應(yīng)大規(guī)模城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展需求。

數(shù)字化車輛基地即通過對車輛運維相關(guān)數(shù)據(jù)跨平臺、跨系統(tǒng)、跨應(yīng)用地統(tǒng)一進行集中規(guī)范管理，對列車狀態(tài)與列車安全及壽命相關(guān)的系統(tǒng)自動在線監(jiān)測、故障診斷、狀態(tài)綜合分析、趨勢預(yù)測、故障隱患挖掘等工作，為車輛檢修維保提供網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)和應(yīng)急處置支持，最終實現(xiàn)車輛全壽命周期的智能化運維管理。

數(shù)字化車輛基地建設(shè)主要有以下目標。

2.1 提高自動檢測效率，降低人車比

利用自動檢測設(shè)備替代部分人工檢測，節(jié)省人力成本的同時，還可以通過檢測設(shè)備的并行作業(yè)縮短檢測時間，提高檢修效率，降低本線車輛檢修人車比。

2.2 跟蹤管理部件全壽命周期，提高車輛運行的可靠性

跟蹤關(guān)鍵部件的狀態(tài)和性能變化情況，實現(xiàn)對車輛狀態(tài)的實時感知；通過對關(guān)鍵部位的日常檢測，對比跟蹤檢測頂點的變化過程和失效形式，提高車輛運行的可靠性。

2.3 搭建融合的數(shù)據(jù)平臺，促進車輛檢修業(yè)務(wù)的持續(xù)優(yōu)化

通過融合各系統(tǒng)數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)應(yīng)用擴展能力，提供精準的業(yè)務(wù)服務(wù)。通過海量數(shù)據(jù)的采集、處理及應(yīng)用分析，形成持續(xù)的數(shù)據(jù)整合與應(yīng)用能力，以數(shù)字促使車輛檢修業(yè)務(wù)的持續(xù)優(yōu)化。

2.4 綜合管控檢修業(yè)務(wù)，提升安全保障

通過物聯(lián)技術(shù)將作業(yè)過程中的設(shè)備進行邏輯關(guān)聯(lián)，包括軌旁在線檢測設(shè)備、列車清洗機、不落輪鏇床、大型工程車、自動化立體倉庫、五防連鎖設(shè)備等，同時進行人員跟蹤、列車定位跟蹤、異常入侵跟蹤，保障檢修業(yè)務(wù)的順利執(zhí)行，為車輛提供安全保障。

3 數(shù)字化車輛基地的實現(xiàn)

為實現(xiàn)數(shù)字化車輛基地，需要做好車輛運維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的實時采集、分析處理和應(yīng)用?；A(chǔ)數(shù)據(jù)采集涉及列車車載在線檢測系統(tǒng)、車載信號監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁監(jiān)測系統(tǒng)，通過對輸入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析處理，能夠?qū)崿F(xiàn)對車輛及各個子系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控和智能預(yù)測，同時還能制訂更加合理高效的維護計劃，在維護計劃執(zhí)行過程中，需要對維護過程提供支持，合理、優(yōu)化地安排相關(guān)的人力、財力、物質(zhì)資源。數(shù)字化車輛基地總體構(gòu)架如圖1所示。

圖1 數(shù)字化車輛基地總體架構(gòu)

數(shù)字化車輛基地通過多個子系統(tǒng)的實施可以有效提高車輛段的數(shù)字化智能維護，包括車載在線檢測系統(tǒng)、軌旁在線檢測系統(tǒng)、車輛及車輛段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲及分析監(jiān)測平臺、業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)。其中，車載數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)及車輛段數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是實現(xiàn)數(shù)字化車輛基地的前提，可以完成基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的生成、采集和基本處理，數(shù)據(jù)存儲及分析監(jiān)測平臺和業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)是數(shù)字化車輛基地的核心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)聚類分析和應(yīng)用。

3.1 車載在線監(jiān)測系統(tǒng)

車載在線監(jiān)測系統(tǒng)對列車運行的狀態(tài)數(shù)據(jù)與故障數(shù)據(jù)進行實時采集、傳輸，實時獲取列車的信息和數(shù)據(jù)，主要包括軸箱振動溫度監(jiān)測系統(tǒng)、空調(diào)狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、車門監(jiān)測系統(tǒng)、車載蓄電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。數(shù)據(jù)集成采集系統(tǒng)以數(shù)字驅(qū)動為導(dǎo)向，通過對車載設(shè)備的監(jiān)測，跟蹤行車關(guān)鍵部件的狀態(tài)和性能的變化情況，對系統(tǒng)故障進行判斷。

3.2 軌旁在線檢測系統(tǒng)

軌旁在線檢測系統(tǒng)利用圖像、激光、超聲波等檢測手段，通過在車頂、軌旁及車底分別安裝受電弓檢測系統(tǒng)、車體360°圖像檢測系統(tǒng)、輪對尺寸踏面擦傷檢測系統(tǒng)及輪對探傷檢測系統(tǒng)等檢測設(shè)備，對列車車體、受電弓、空調(diào)、走行部進行檢測，采集數(shù)據(jù)進行分析，及時發(fā)現(xiàn)傷損，保障運營安全，提高服務(wù)品質(zhì)。

3.3 輔助設(shè)備及系統(tǒng)

輔助設(shè)備及系統(tǒng)主要為檢修作業(yè)終端，包括庫內(nèi)工位附近的工控機終端，以及配給當(dāng)班檢修工作人員的手持移動終端，用于查收檢修計劃，處理作業(yè)任務(wù)（反饋執(zhí)行情況、記錄作業(yè)消耗），提報故障問題等。

3.4 信號在線監(jiān)測系統(tǒng)

信號在線監(jiān)測系統(tǒng)能實現(xiàn)本地記錄并遠程傳輸信號車載數(shù)據(jù)，如ATP檢測到的列車超速、ATP啟動的緊急制動及空轉(zhuǎn)/打滑情況、車站停車事件（即超程運行、運行不足、站臺扣車、跳停等）、發(fā)車測試結(jié)果、軟件事件、ATP故障等，并能通過信號在線監(jiān)測系統(tǒng)對車載數(shù)據(jù)遠程采集，實現(xiàn)自動下載列車信號數(shù)據(jù)至服務(wù)器的功能，進行日常故障診斷分析、大數(shù)據(jù)分析，包括系統(tǒng)故障預(yù)測、系統(tǒng)健康評估、數(shù)據(jù)可視化顯示等，提高維修人員的故障應(yīng)急處理能力、維修能力和指揮決策能力，減輕維護人員壓力。

3.5 車輛段檢修設(shè)備

車輛段檢修設(shè)備系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵車輛段的設(shè)備管理，系統(tǒng)地把控設(shè)備運行狀態(tài)和監(jiān)控狀態(tài)。系統(tǒng)主要對不落輪鏇床、列車清洗機、固定式架車機、大型工程車、自動化立體倉庫、五防連鎖設(shè)備等重要設(shè)備上傳過來的相關(guān)數(shù)據(jù)及故障信息進行實時傳輸，并能實現(xiàn)對設(shè)備的遠程監(jiān)控和信息傳送。

3.6 數(shù)據(jù)存儲及分析監(jiān)測平臺

數(shù)據(jù)存儲及分析監(jiān)測平臺功能包括數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)展示。各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)協(xié)議、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)規(guī)范需保持統(tǒng)一，實現(xiàn)多供應(yīng)商數(shù)據(jù)的接入、管理和應(yīng)用。

通過數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議將列車設(shè)備及車輛段設(shè)備關(guān)鍵數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)庫，為列車故障診斷、預(yù)警系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)平臺主要作用是建立車輛信息庫，對列車全生命周期狀態(tài)進行監(jiān)測和記錄，實現(xiàn)列車健康管理、車間檢修管理，為運營計劃提供支持。

3.7 業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)

業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)是整個檢修操作的基礎(chǔ)。通過對檢修過程進行支持，滿足各種文檔的要求，提供工單和物料管理。最終使設(shè)備的調(diào)試和保修階段與維護運營階段無縫集成，達到整體性能的最優(yōu)。

結(jié)合數(shù)據(jù)存儲及分析監(jiān)測平臺，業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)可以為車輛段提供全方面服務(wù)調(diào)試和維護應(yīng)用支持，可以用于對日常維修活動的監(jiān)視、計劃、控制和執(zhí)行。以保障維修質(zhì)量為目標，對維修作業(yè)進行過程管控，實現(xiàn)車輛維護過程人、機、料、法、環(huán)的閉環(huán)控制。

業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)以工單的創(chuàng)建、審批、執(zhí)行、關(guān)閉為主線，合理、優(yōu)化地安排相關(guān)的人力、財力、物力，結(jié)合實時數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲及分析監(jiān)測，可以將傳統(tǒng)的計劃檢修轉(zhuǎn)變?yōu)榉e極、主動的預(yù)防性維修。

4 結(jié)語

數(shù)字化車輛基地緊緊圍繞地鐵列車車輛，有效解決系統(tǒng)間信息離散、信息缺失、信息反應(yīng)不及時、自動化水平較低等問題，可以及時發(fā)現(xiàn)車輛運行故障，減少了故障對運營造成的影響，保持了車輛合理、高效的工作狀態(tài)，大大提高了行車的安全性和可靠性。

數(shù)字化車輛基地通過采用大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、綜合檢測等先進技術(shù)，實現(xiàn)了車輛檢修由傳統(tǒng)的計劃修+人工檢測方式逐步轉(zhuǎn)變?yōu)轭A(yù)測性維修+自動檢測方式，提高了車輛運維的合理性和經(jīng)濟性，有效降低了車輛運維的人車比，提升了車輛運維管理水平。