電力機(jī)車(chē)智慧調(diào)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

丁春嶸 DING Chun-rong

（國(guó)能鐵路裝備有限責(zé)任公司，滄州 061113）

0 引言

機(jī)車(chē)檢修調(diào)試環(huán)節(jié)是確認(rèn)檢修機(jī)車(chē)出廠(chǎng)質(zhì)量，保障機(jī)車(chē)日常安全穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)的重要環(huán)節(jié)。檢修機(jī)車(chē)組裝完成后，進(jìn)入調(diào)試車(chē)間進(jìn)行調(diào)試和整備作業(yè)，各項(xiàng)試驗(yàn)正常并經(jīng)檢驗(yàn)合格后滿(mǎn)足出廠(chǎng)交付條件。然而當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)車(chē)整車(chē)調(diào)試行業(yè)普遍存在信息化嚴(yán)重滯后、過(guò)度依賴(lài)人員經(jīng)驗(yàn)、自動(dòng)化測(cè)試缺失、調(diào)試數(shù)據(jù)積累貧乏的現(xiàn)象。

為解決機(jī)車(chē)調(diào)試效率、質(zhì)量要求的日益提升與機(jī)車(chē)調(diào)試工藝原始落后現(xiàn)狀之間的矛盾，機(jī)車(chē)調(diào)試亟待通過(guò)信息化、互聯(lián)化、智能化技術(shù)，升級(jí)現(xiàn)有系統(tǒng)。在生產(chǎn)制造業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)下，充分借鑒先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，把生產(chǎn)調(diào)試與數(shù)字化、信息化、智能化進(jìn)行深度融合發(fā)展，是提高電力機(jī)車(chē)調(diào)試工藝水平、保障生產(chǎn)質(zhì)量、提高調(diào)試效益的關(guān)鍵技術(shù)手段。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通過(guò)信息化、互聯(lián)化、智能化技術(shù)，在數(shù)字化車(chē)間建設(shè)的前提下，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，對(duì)調(diào)試中的人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)六大要素進(jìn)行全面升級(jí)和貫通，提高調(diào)試過(guò)程的可控性和自動(dòng)化率，清楚掌控調(diào)試流程，推動(dòng)電力機(jī)車(chē)調(diào)試方式從傳統(tǒng)向智慧的轉(zhuǎn)變。電力機(jī)車(chē)智慧調(diào)試系統(tǒng)六要素優(yōu)化改造思路如圖1 所示。

圖1 智慧調(diào)試系統(tǒng)六要素

“人”方面：通過(guò)手持平板執(zhí)行終端，在線(xiàn)接入調(diào)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)過(guò)程全數(shù)字化記錄歸檔，提供作業(yè)輔助及培訓(xùn)管理功能；通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)人員行為規(guī)范及作業(yè)安全監(jiān)測(cè)，保障作業(yè)安全，提供作業(yè)質(zhì)量。最終，實(shí)現(xiàn)人在環(huán)管理的目標(biāo)。

“機(jī)”方面：利用無(wú)線(xiàn)物聯(lián)技術(shù)，升級(jí)改造現(xiàn)有檢測(cè)調(diào)試平臺(tái)，同時(shí)增加智能檢測(cè)設(shè)備，利用非接觸測(cè)量技術(shù)，實(shí)現(xiàn)檢修調(diào)試全面數(shù)字化，結(jié)果判斷自動(dòng)化，提高調(diào)試效率和準(zhǔn)確率。

“料”方面：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)試環(huán)節(jié)物料供應(yīng)狀態(tài)監(jiān)控，自動(dòng)分析和記錄物料供應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程，對(duì)物料問(wèn)題及時(shí)預(yù)警，提升調(diào)試環(huán)節(jié)整體效率。

“法”方面：利用自動(dòng)化測(cè)試、機(jī)器學(xué)習(xí)及邊云協(xié)調(diào)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)調(diào)試及判定自動(dòng)化，工單電子化，測(cè)試管理集中化。通過(guò)積累調(diào)試過(guò)程完整數(shù)據(jù)，為調(diào)試數(shù)據(jù)深度挖掘、調(diào)試過(guò)程優(yōu)化等提供數(shù)據(jù)支撐，最大化調(diào)試數(shù)據(jù)資產(chǎn)價(jià)值。

“環(huán)”方面：通過(guò)改造調(diào)試廠(chǎng)房，建立數(shù)字化調(diào)試車(chē)間，并建立集中完善的調(diào)試信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)試人員、調(diào)試設(shè)備、調(diào)試任務(wù)、調(diào)試結(jié)果的在“環(huán)”管理，打破原有數(shù)據(jù)孤島。

“測(cè)”方面：基于邊緣改造及無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試工具在環(huán)管理，測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)反饋，測(cè)試結(jié)果自動(dòng)判斷。降低人員因素對(duì)測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施后，將打破原有數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)試六要素互聯(lián)互通，形成“自發(fā)的”信息流與反饋閉環(huán)：

“法”-＞“人”：由于實(shí)現(xiàn)了調(diào)試數(shù)字化、自動(dòng)化與信息化，降低了調(diào)試技術(shù)難度，調(diào)試數(shù)據(jù)得以積累?；谡{(diào)試數(shù)據(jù)分析，可實(shí)行“預(yù)控式”管理，開(kāi)展基于數(shù)據(jù)挖掘的工藝流程優(yōu)化。通過(guò)對(duì)人員數(shù)據(jù)分析挖掘，實(shí)現(xiàn)人員技能、績(jī)效準(zhǔn)確評(píng)估，制定培訓(xùn)提升方案。

“機(jī)”-＞“環(huán)”：由于升級(jí)邊緣智能，設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)及檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)進(jìn)入管理系統(tǒng)，形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為后續(xù)數(shù)據(jù)挖掘提供支撐。

“環(huán)”-＞“機(jī)”：基于數(shù)據(jù)積累形成的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的健康評(píng)估，自動(dòng)形成設(shè)備維保建議，保障調(diào)試質(zhì)量。

“測(cè)”-＞“人”：由于實(shí)現(xiàn)邊緣智能與即時(shí)互聯(lián)，測(cè)試結(jié)果可實(shí)時(shí)反饋到人，輔助人進(jìn)行直觀(guān)的快速?zèng)Q策。

“測(cè)”-＞“機(jī)”：由于調(diào)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)了泛在互聯(lián)管理，測(cè)試數(shù)據(jù)得以積累。系統(tǒng)可基于積累數(shù)據(jù)分析，挖掘測(cè)試設(shè)備優(yōu)化方案，實(shí)現(xiàn)測(cè)試工藝流程的優(yōu)化，最終形成調(diào)試效率螺旋上升通路。

方案通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)、邊緣計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、數(shù)字孿生、及大數(shù)據(jù)等智能賦能技術(shù)，對(duì)電力機(jī)車(chē)智慧調(diào)試系統(tǒng)六大制造要素進(jìn)行升級(jí)貫通，在各要素之間形成了自發(fā)的信息流與物流反饋，持續(xù)積累數(shù)據(jù)資產(chǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘優(yōu)化，推動(dòng)調(diào)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從“人智”（靠人執(zhí)行決策）到“輔智”（機(jī)器自動(dòng)執(zhí)行/輔助決策）跨越轉(zhuǎn)變。

2 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

根據(jù)電力機(jī)車(chē)調(diào)試工作場(chǎng)景不同，電力機(jī)車(chē)智慧調(diào)試系統(tǒng)可分為調(diào)試后臺(tái)系統(tǒng)和調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖2 所示。

圖2 智慧調(diào)試系統(tǒng)框架

調(diào)試后臺(tái)系統(tǒng)按照工作主要職能可以進(jìn)一步劃分為兩個(gè)子系統(tǒng)：智慧調(diào)試管理系統(tǒng)和智慧調(diào)試分析系統(tǒng)。智慧調(diào)試管理系統(tǒng)主要以企業(yè)大數(shù)據(jù)中心+調(diào)試業(yè)務(wù)平臺(tái)軟件的形態(tài)呈現(xiàn)，對(duì)外可對(duì)接企業(yè)的ERP、MES、LIMS 等既有系統(tǒng)，同時(shí)也是整個(gè)智慧調(diào)試系統(tǒng)主要的人機(jī)交互接口，即管理人員、調(diào)試人員可分別使用計(jì)算機(jī)終端或者手持式移動(dòng)終端與智慧調(diào)試系統(tǒng)進(jìn)行交互，獲取自身關(guān)注的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析結(jié)果，或者記錄上傳調(diào)試生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的海量真實(shí)數(shù)據(jù)。在全量數(shù)據(jù)互通的基礎(chǔ)上結(jié)合智慧調(diào)試分析系統(tǒng)對(duì)各類(lèi)數(shù)據(jù)分析挖掘的結(jié)果，可以達(dá)到電力機(jī)車(chē)調(diào)試工作全周期智慧監(jiān)控的目標(biāo)。智慧分析系統(tǒng)主要以運(yùn)行在獨(dú)立部署服務(wù)器上的算法服務(wù)軟件形式呈現(xiàn)，可以靈活接入/移出調(diào)試后臺(tái)系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)，方便隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行在線(xiàn)升級(jí)維護(hù)。智慧分析系統(tǒng)和智慧管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模塊深度對(duì)接；可以通過(guò)智慧管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口，獲取電力機(jī)車(chē)調(diào)試工作中各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生的生產(chǎn)調(diào)試數(shù)據(jù)。智慧分析系統(tǒng)通過(guò)各類(lèi)數(shù)據(jù)挖掘算法、智能化算法，將對(duì)生產(chǎn)調(diào)試數(shù)據(jù)從不同維度進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)的結(jié)果反饋回流到智慧管理系統(tǒng)中，并可根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行持久化存儲(chǔ)，為生產(chǎn)調(diào)試數(shù)字化、管理監(jiān)控智能化提供支撐。

調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)主要由電力機(jī)車(chē)調(diào)試工作現(xiàn)場(chǎng)需要用到的各類(lèi)智能化、非智能化設(shè)備工裝以及相配套的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)系統(tǒng)組成，包括邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)、調(diào)試服務(wù)器、無(wú)線(xiàn)AP 點(diǎn)、智能化調(diào)試試驗(yàn)臺(tái)、各類(lèi)傳感器數(shù)采裝置、自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)調(diào)試設(shè)備、智能調(diào)試工裝和手持式移動(dòng)作業(yè)終端等。為滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)調(diào)試需求，保證機(jī)車(chē)在線(xiàn)上運(yùn)行時(shí)也有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境來(lái)保障移動(dòng)作業(yè)終端和自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)試裝置等智能化調(diào)試工裝的正常工作，調(diào)試服務(wù)器不僅在車(chē)間內(nèi)部進(jìn)行定點(diǎn)部署，還可以按照便攜式的形式進(jìn)行配置，方便在機(jī)車(chē)上搭建調(diào)試網(wǎng)絡(luò)。便攜式調(diào)試服務(wù)器有在線(xiàn)和離線(xiàn)兩種不同的工作模式，但對(duì)于經(jīng)由便攜式調(diào)試服務(wù)器接入到智慧調(diào)試系統(tǒng)的終端設(shè)備而言幾乎感受不到兩種工作模式的差異，從而實(shí)現(xiàn)各種工況下調(diào)試試驗(yàn)流程的統(tǒng)一。

3 層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智慧調(diào)試系統(tǒng)可按照三層架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分為狀態(tài)感知層、數(shù)據(jù)管理層、應(yīng)用層，如圖3 所示。

圖3 智慧調(diào)試系統(tǒng)功能框架

各層提供功能包括：①狀態(tài)感知層：提供車(chē)體監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)以及車(chē)間安防監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集及上報(bào)。采集車(chē)載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，獲取機(jī)車(chē)通信設(shè)備狀態(tài)信息，根據(jù)協(xié)議解析機(jī)車(chē)設(shè)備相關(guān)信號(hào)信息，為調(diào)試工藝執(zhí)行判斷提供數(shù)據(jù)支撐；②數(shù)據(jù)管理層：提供采集數(shù)據(jù)解析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和分析主題數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，提供數(shù)據(jù)可視化查詢(xún)接口，根據(jù)設(shè)定規(guī)則引擎進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘分析，提供挖掘分析數(shù)據(jù)查詢(xún)接口；提供數(shù)據(jù)治理和數(shù)據(jù)備份功能，為業(yè)務(wù)功能提供基礎(chǔ)元數(shù)據(jù)，并對(duì)接入設(shè)備進(jìn)行質(zhì)量管控，保障數(shù)據(jù)安全；③應(yīng)用層按照功能層級(jí)可分為數(shù)據(jù)分析層和業(yè)務(wù)界面層。各層包括功能如下：數(shù)據(jù)分析層功能：規(guī)程優(yōu)化分析、規(guī)程執(zhí)行分析、調(diào)試條件分析、工藝優(yōu)化分析、計(jì)劃優(yōu)化建議、作業(yè)沖突檢測(cè)、自動(dòng)排程分析、自動(dòng)派單分析、庫(kù)存分析、知識(shí)推送、工單異常分析、故障診斷引擎、車(chē)輛狀態(tài)評(píng)估、檢查項(xiàng)點(diǎn)評(píng)估、調(diào)試項(xiàng)點(diǎn)分析、機(jī)車(chē)質(zhì)量分析、調(diào)試行為分析、人員績(jī)效分析、技能等級(jí)分析、安全生產(chǎn)分析、基礎(chǔ)指標(biāo)分析、不見(jiàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)等等。

業(yè)務(wù)界面層提供功能如下：設(shè)備管理：支持功能包括工藝設(shè)備管理、巡檢測(cè)量管理、消防設(shè)備管理功能；監(jiān)督管理：支持功能包括技術(shù)管理、安全管理、質(zhì)量管理功能；故障管理：支持功能包括故障查詢(xún)、故障過(guò)濾、故障推送、歷史故障管理功能；質(zhì)量管理：支持功能包括機(jī)車(chē)質(zhì)量評(píng)估、電子調(diào)試履歷、自動(dòng)報(bào)告生成功能；故障報(bào)警：支持功能包括故障診斷、故障預(yù)警功能；段場(chǎng)作業(yè)輔助管理：支持功能包括車(chē)輛調(diào)度管理、工作計(jì)劃、值班排班、職工管理、績(jī)效管理、培訓(xùn)管理、生產(chǎn)月報(bào)、備品備件管理功能；調(diào)試計(jì)劃自動(dòng)排程：支持功能包括機(jī)車(chē)規(guī)程管理、機(jī)車(chē)小時(shí)計(jì)劃功能；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)：支持功能包括多車(chē)/車(chē)庫(kù)監(jiān)測(cè)、單車(chē)監(jiān)測(cè)、子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、集成展示、數(shù)字地圖功能；調(diào)試作業(yè)：支持功能包括移動(dòng)作業(yè)、流程管理、工藝管理、調(diào)試數(shù)據(jù)管理功能；決策支持：支持功能包括報(bào)表統(tǒng)計(jì)、故障分析、指標(biāo)分析、自助分析功能；專(zhuān)家知識(shí)：支持功能包括智能推送、智能檢索、應(yīng)急支持、文檔管理功能。

4 整套系統(tǒng)歸納

整套系統(tǒng)可以歸納分為三大板塊和十六大子系統(tǒng)。三大板塊分為智慧管理、智慧檢測(cè)、智慧分析，智慧管理系統(tǒng)包括調(diào)試過(guò)程管理、調(diào)試工藝管理、調(diào)試資產(chǎn)管理、調(diào)試人力管理、全量數(shù)據(jù)管理、車(chē)間監(jiān)控管理以及配套硬件，智慧檢測(cè)設(shè)備包括物聯(lián)檢測(cè)設(shè)備集群、車(chē)輛綜合診斷系統(tǒng)、視覺(jué)檢測(cè)測(cè)量系統(tǒng)以及AGV 巡檢檢測(cè)系統(tǒng)，智慧分析系統(tǒng)包括設(shè)備數(shù)字孿生、調(diào)試質(zhì)量評(píng)價(jià)、過(guò)程挖掘提升、資產(chǎn)應(yīng)用優(yōu)化、人力應(yīng)用優(yōu)化、作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，具體如圖4 所示。

圖4 智慧調(diào)試系統(tǒng)功能框架

5 總結(jié)

目前此套系統(tǒng)已成功應(yīng)用在公司生產(chǎn)的電力機(jī)車(chē)調(diào)試流程中，比傳統(tǒng)機(jī)車(chē)調(diào)試在錯(cuò)誤率上有很大降低，人工生產(chǎn)效率有進(jìn)一步的提升，為公司未來(lái)在數(shù)字化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展又向前邁進(jìn)一步。