基于FAST法的智能軌道維護(hù)裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究

摘要：針對(duì)軌道維護(hù)現(xiàn)狀及主要痛點(diǎn)，應(yīng)用FAST法對(duì)軌道維護(hù)裝備進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。首先，對(duì)軌道維護(hù)現(xiàn)狀與典型任務(wù)場(chǎng)景進(jìn)行分析，并借助軌道維護(hù)“人—機(jī)—環(huán)境”系統(tǒng)模型得出相關(guān)設(shè)計(jì)需求。其次，建立智能軌道維護(hù)裝備的黑箱模型和FAST功能樹(shù)，并分析得到相關(guān)設(shè)計(jì)因素。最后，通過(guò)設(shè)計(jì)要素矩陣獲取最優(yōu)解，并形成新的產(chǎn)品概念。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了智能軌道維護(hù)裝備與云端監(jiān)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)踐，為軌道維護(hù)相關(guān)裝備的設(shè)計(jì)提供參考和拓展思路。運(yùn)用FAST法能夠清晰地確定產(chǎn)品的功能系統(tǒng)及其功能主次關(guān)系，通過(guò)智能軌道維護(hù)裝備設(shè)計(jì)，驗(yàn)證了FAST法在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的科學(xué)性與有效性。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)；智能裝備；FAST；黑箱模型；軌道維護(hù)

中圖分類號(hào)：TB472文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2025）12-0056-05

引言

軌道交通是我國(guó)龐大交通體系中的重要一環(huán)，是支撐城市運(yùn)轉(zhuǎn)的交通命脈[1]。鐵軌作為軌道交通的承載體，常年暴露在外，經(jīng)受著不同氣候的挑戰(zhàn)，易出現(xiàn)生銹、傷損等狀況。因此，對(duì)軌道進(jìn)行定期檢測(cè)與維護(hù)是保障軌道交通正常運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。宗斌等[2]針對(duì)中低速磁浮交通提出了線路智能化養(yǎng)護(hù)技術(shù)及裝備，以提高養(yǎng)護(hù)作業(yè)效率；付文龍等[3]設(shè)計(jì)的新型軌道檢測(cè)小車，解決了軌道檢測(cè)時(shí)車架與軌道縱向難以保持垂直的問(wèn)題；徐浩等[4]設(shè)計(jì)了應(yīng)用在軌檢車上的激光檢測(cè)平臺(tái)，保證了軌道激光檢測(cè)精度；PatilDipak等[5]采用標(biāo)稱應(yīng)力和熱點(diǎn)應(yīng)力方法來(lái)徹底調(diào)查和計(jì)算疲勞損傷，從而對(duì)軌道維護(hù)設(shè)備中的焊接疲勞進(jìn)行全面分析；劉大玲等[6]建立了無(wú)砟軌道狀態(tài)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)軌道系統(tǒng)預(yù)防性維護(hù)。上述研究表明了軌道維護(hù)的現(xiàn)實(shí)意義與創(chuàng)新潛力。然而，這些研究的核心創(chuàng)新點(diǎn)大多集中在新技術(shù)引入和設(shè)備可靠性提升等層面，軌道維護(hù)相關(guān)設(shè)備的操作依然需要人力參與，并未實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人化、智能化。而且，人工介入軌道維護(hù)易受天氣、地形等因素的干擾，維護(hù)效率與效果均不太理想。YangFei[7]等綜合討論了不同國(guó)家的軌道維護(hù)設(shè)備發(fā)展歷史、技術(shù)特點(diǎn)，指出軌道維護(hù)設(shè)備應(yīng)朝著模塊化、智能化、無(wú)人化方向發(fā)展。綜上所述，針對(duì)軌道維護(hù)提出智能化、無(wú)人化的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案具有一定的前瞻性與潛在應(yīng)用價(jià)值。

FAST作為具備強(qiáng)大功能求解能力的方法，能夠?qū)?fù)雜的用戶需求和抽象的設(shè)計(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體的功能需求，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的科學(xué)拓展與優(yōu)化。FAST能夠有效避免概念設(shè)計(jì)過(guò)程中的無(wú)序性，最大限度地探索了多種解決方案，明確設(shè)計(jì)目標(biāo)，并顯著提高設(shè)計(jì)效率[8]。針對(duì)軌道維護(hù)現(xiàn)狀，為了設(shè)計(jì)出定位清晰、功能明確的智能軌道維護(hù)裝備，本文引入FAST法，并基于FAST功能樹(shù)建立智能軌道維護(hù)裝備的功能系統(tǒng)模型，分析其功能的主從關(guān)系。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)整合各功能模塊，對(duì)智能軌道維護(hù)終端與云端平臺(tái)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)，以期推動(dòng)軌道維護(hù)的無(wú)人化、智能化升級(jí)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

一、FAST法概述與設(shè)計(jì)流程構(gòu)建

功能分析技術(shù)法（FunctionAnalysisSystemTechnique，F(xiàn)AST）由拜塞威于1965年在美國(guó)價(jià)值工程師協(xié)會(huì)年會(huì)上提出，其重點(diǎn)在于構(gòu)建功能系統(tǒng)分析圖，強(qiáng)調(diào)對(duì)功能的系統(tǒng)性分析與研究，并明確功能的主次關(guān)系[9]。FAST法采用自上而下的線性邏輯，強(qiáng)調(diào)功能的分解與擴(kuò)展。FAST法也因其強(qiáng)大的縱向功能求解能力，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品（概念）設(shè)計(jì)領(lǐng)域。吳曉莉等應(yīng)用FAST法設(shè)計(jì)了一款功能組合式自行車[10]對(duì)可控滑沙板進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)。宋云將FAST方法與仿生設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)理念相結(jié)合，[11]。

產(chǎn)品的功能是其滿足用戶需求的具體表現(xiàn)。為了有效滿足用戶的需求與期望，設(shè)計(jì)師通常采用“輸入—處理—輸出”的思維框架（即黑箱模型）來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)模型，將用戶的實(shí)際需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品中的具體功能，并明確其主要功能及各級(jí)子功能，形成產(chǎn)品功能樹(shù)[12]，最終形成產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，F(xiàn)AST方法的核心操作流程如下：通過(guò)系統(tǒng)化的功能分析，以產(chǎn)品需求為起點(diǎn)，對(duì)功能進(jìn)行定義、分析和理解，進(jìn)而識(shí)別關(guān)鍵功能及其相互關(guān)系，并依據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)功能進(jìn)行排序，檢驗(yàn)各功能之間的依賴性[13]從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，如圖1所示。

FAST功能樹(shù)以“怎么做—為什么”的邏輯方式來(lái)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)各功能之間的關(guān)系，將總功能以逐層分解的方式劃分為各個(gè)單一子功能。應(yīng)用到本研究的具體設(shè)計(jì)流程如下：首先，通過(guò)桌面調(diào)研與文獻(xiàn)研究，確定設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)點(diǎn)；其次，利用“人—機(jī)—環(huán)境”模型深度挖掘設(shè)計(jì)需求，并通過(guò)黑箱模型將軌道維護(hù)的具體需求映射為相應(yīng)的產(chǎn)品功能；隨后，依托FAST功能樹(shù)模型，構(gòu)建軌道維護(hù)裝備的功能系統(tǒng)，并深入剖析其總功能與子功能之間的關(guān)聯(lián)性；在此基礎(chǔ)上逐步拆解問(wèn)題，構(gòu)建設(shè)計(jì)要素矩陣，最終形成智能軌道維護(hù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案，如圖2所示。

二、軌道維護(hù)現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)需求分析

（一）軌道維護(hù)現(xiàn)狀

我國(guó)雖然在軌道維護(hù)、通信等方面的發(fā)展已取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但仍然存在檢測(cè)設(shè)備自動(dòng)化與智能化水平低、檢測(cè)成本高等問(wèn)題[7]。現(xiàn)階段軌道維護(hù)作業(yè)通常由技術(shù)人員操作相關(guān)維護(hù)設(shè)備完成，雖然軌道維護(hù)器械已在技術(shù)上進(jìn)行了革新，但目前軌道維護(hù)器械實(shí)際上仍是人力功能的直接延伸，具有工業(yè)場(chǎng)景中人工作業(yè)存在的共性問(wèn)題，例如因操作失誤而引發(fā)事故、工作效率低下等。且深度依賴人工定期巡檢的方式會(huì)存在檢測(cè)盲區(qū)、安全預(yù)警不及時(shí)以及隱患排查不足等問(wèn)題。從維護(hù)場(chǎng)景來(lái)看，軌道線路復(fù)雜且多位于戶外，甚至在人跡罕至的地區(qū)，這使得鐵軌故障和軌道異常等突發(fā)情況難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除，增加了維護(hù)的挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)。從維護(hù)成本角度來(lái)看，人工巡檢和定期維護(hù)會(huì)在一定程度上降低工作效率，導(dǎo)致資源浪費(fèi)和運(yùn)維成本增加，人工操作維護(hù)設(shè)備時(shí)容易出現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備故障等問(wèn)題，影響正常維護(hù)計(jì)劃，進(jìn)而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。此外，由于軌道維護(hù)的工作種類繁多，且軌道存在的問(wèn)題不同所需工具也存在差異，導(dǎo)致不同維護(hù)工作之間較為獨(dú)立和分散，整體性不足，使得軌道日常維護(hù)、緊急情況預(yù)警、智能決策下達(dá)和應(yīng)急預(yù)案處理之間的系統(tǒng)性較差。綜上所述，以傳統(tǒng)人工參與為主的軌道維護(hù)受實(shí)際場(chǎng)景、人為因素等影響，具有一定的局限性。

（二）軌道維護(hù)的典型任務(wù)場(chǎng)景

據(jù)文獻(xiàn)研究，現(xiàn)階段軌道維護(hù)典型任務(wù)場(chǎng)景主要包括軌道積雪、軌道生銹和軌道傷損[14-15]。

1.軌道積雪。降雪和冰凍現(xiàn)象常對(duì)高速列車的運(yùn)行造成顯著干擾，尤其在鐵路道岔區(qū)域表現(xiàn)得尤為突出。道岔作為改變列車行駛軌跡的關(guān)鍵部件，其正常運(yùn)行依賴于岔尖與軌道的緊密貼合。然而，積雪和積冰的介入會(huì)阻礙道岔的正常移動(dòng)，導(dǎo)致列車無(wú)法正常轉(zhuǎn)向[16]，從而引發(fā)停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，影響行車安全。

2.軌道生銹。鐵軌常年暴露在外，會(huì)與空氣中的氧氣、水分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成鐵軌生銹。軌道生銹會(huì)減弱軌道結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，增加列車運(yùn)行噪音，影響列車行駛平穩(wěn)性，加速軌道磨損和老化等。

3.軌道傷損。鐵軌在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，易造成裂紋、折斷等不同程度的損傷，進(jìn)而影響列車運(yùn)行安全。

（三）軌道維護(hù)的需求分析

通過(guò)歸納軌道維護(hù)現(xiàn)狀和典型任務(wù)場(chǎng)景，并結(jié)合對(duì)軌道維護(hù)痛點(diǎn)的分析，能夠深入挖掘和總結(jié)出軌道維護(hù)的設(shè)計(jì)需求。例如：軌道維護(hù)的智能化、無(wú)人化；軌道除雪功能；軌道除銹功能；軌道探傷功能；軌道狀態(tài)檢測(cè)；應(yīng)急處理等。然而，軌道維護(hù)是一個(gè)具有高度復(fù)雜性和隨機(jī)性的系統(tǒng)。軌道維護(hù)裝備作為這一系統(tǒng)的重要組成部分，在分析其設(shè)計(jì)需求時(shí)，還需將其置入“人－機(jī)－環(huán)境”系統(tǒng)中，綜合考慮系統(tǒng)中各組成元素及其相互關(guān)系，進(jìn)而完善軌道維護(hù)的設(shè)計(jì)需求，如圖3所示。

對(duì)軌道維護(hù)裝備來(lái)說(shuō)，在“人－機(jī)－環(huán)境”系統(tǒng)中扮演著“機(jī)”的角色，要求其不僅擁有軌道日常維護(hù)所必需的相關(guān)功能，還需要依靠相關(guān)的傳感器技術(shù)對(duì)外界信息進(jìn)行智能感知，再結(jié)合智能算法對(duì)感知搜集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能處理，最后通過(guò)智能決策指導(dǎo)相關(guān)功能運(yùn)行。在“人”的維度，智能軌道維護(hù)裝備的無(wú)人化并非徹底拋棄人在軌道維護(hù)中的角色或作用，而是將人安排在軌道智能裝備系統(tǒng)后臺(tái)，監(jiān)控和適度干預(yù)智能裝備的運(yùn)行，將“定期巡檢”“日常維護(hù)”此類重復(fù)性較高的任務(wù)交給機(jī)器去執(zhí)行。此外，與機(jī)器相比，人在處理突發(fā)應(yīng)急情況時(shí)往往更有優(yōu)勢(shì)[17]。在遇到應(yīng)急狀況時(shí)，依然需要人為干預(yù)處理，以人機(jī)協(xié)同的方式來(lái)處理突發(fā)事件。此外，在整個(gè)軌道維護(hù)系統(tǒng)中需要考慮遠(yuǎn)程監(jiān)控、信息界面與人機(jī)協(xié)同操作界面等設(shè)計(jì)要素。在環(huán)境維度，需要重點(diǎn)關(guān)注環(huán)境友好性、極端天氣運(yùn)行的可靠性以及對(duì)外部環(huán)境感知的適應(yīng)性等。

在“人－機(jī)”層面主要涉及人與智能維護(hù)裝備之間狀態(tài)、操作等信息的交互，確保信息交互的效果與效率；在“機(jī)－環(huán)境”層面涉及智能維護(hù)裝備通過(guò)傳感器對(duì)鐵軌各項(xiàng)狀態(tài)指標(biāo)的檢測(cè)以及對(duì)鐵路網(wǎng)路線的契合與識(shí)別；在“人－環(huán)境”層面，重點(diǎn)考慮工作人員操作后臺(tái)的環(huán)境以及面對(duì)應(yīng)急突發(fā)情況時(shí)人機(jī)協(xié)同工作的環(huán)境，確保相關(guān)操作環(huán)境對(duì)人而言是安全舒適的。通過(guò)構(gòu)建軌道維護(hù)“人—機(jī)—環(huán)境”模型，不僅能夠從多維度歸納出軌道維護(hù)裝備的設(shè)計(jì)需求，還能夠以系統(tǒng)思維視角提升設(shè)計(jì)目標(biāo)的系統(tǒng)性與合理性。

三、建立軌道維護(hù)裝備功能系統(tǒng)

（一）建立黑箱模型

通過(guò)上述分析，設(shè)計(jì)目標(biāo)方向與相關(guān)需求已有了初步的確定，而面對(duì)大量且復(fù)雜的需求，還需要對(duì)其歸類和劃分，以便合理區(qū)分設(shè)計(jì)目標(biāo)的功能主次關(guān)系，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)需求向產(chǎn)品功能的轉(zhuǎn)化，確保在后續(xù)的設(shè)計(jì)過(guò)程中有的放矢。

從產(chǎn)品的角度來(lái)看，功能體現(xiàn)了能量、物質(zhì)、信息或其他物理屬性的轉(zhuǎn)化過(guò)程，本質(zhì)上是輸入與輸出之間關(guān)系的具體表現(xiàn)[18]。而黑箱模型的核心即“輸入—運(yùn)行—輸出”，能夠清晰地呈現(xiàn)上述過(guò)程。利用該模型，設(shè)計(jì)者可聚焦產(chǎn)品核心功能，同時(shí)更深入地理解設(shè)計(jì)目標(biāo)的技術(shù)特性[19]黑箱模型，以涵蓋物質(zhì)、能量和信息的輸入與輸出，用于描述軌道維。因此，本文采用抽象化方法構(gòu)建軌道維護(hù)裝備的護(hù)裝備的功能體系，如圖4所示。

通過(guò)黑箱模型，軌道維護(hù)的具體需求被轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)將物質(zhì)、能量和信息等輸入要素轉(zhuǎn)化為預(yù)期的功能輸出結(jié)果。在能量流方面，軌道維護(hù)裝備在進(jìn)行軌道維護(hù)任務(wù)過(guò)程中，只有電能、動(dòng)力系統(tǒng)以及維護(hù)系統(tǒng)相互配合才能確保維護(hù)過(guò)程順利進(jìn)行。在能量流層面，軌道維護(hù)裝備在執(zhí)行維護(hù)任務(wù)時(shí)，需依賴電能、動(dòng)力系統(tǒng)與維護(hù)系統(tǒng)的協(xié)同作用，確保維護(hù)過(guò)程的高效運(yùn)行。在物質(zhì)流方面，主要涉及軌道、軌道積雪、鐵銹以及外界環(huán)境等。在信息流方面，依據(jù)設(shè)計(jì)輸出因素，設(shè)計(jì)需重點(diǎn)關(guān)注功能整合、可調(diào)節(jié)性、人機(jī)工程與信息可視化等方面的需求。

（二）構(gòu)建FAST功能樹(shù)

通過(guò)對(duì)黑箱模型輸出設(shè)計(jì)因素的深入分析與整合，功能需求、安全需求以及易用性被確定為軌道維護(hù)裝備設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵要素?；贔AST功能樹(shù)構(gòu)建軌道維護(hù)裝備的功能系統(tǒng)，進(jìn)而深入探討設(shè)計(jì)目標(biāo)中各子功能與基本功能之間的關(guān)系，并從局部到整體展開(kāi)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，促進(jìn)全新產(chǎn)品概念的形成，如圖5所示。

軌道維護(hù)作為目標(biāo)產(chǎn)品的主要功能，被置于功能樹(shù)的第1行第1列，人機(jī)工程方面因素作為產(chǎn)品的次要功能，置于功能樹(shù)的第1行第2列，易用性作為綜合考慮因素置于第1行第3列，作為設(shè)計(jì)補(bǔ)充。

通過(guò)對(duì)第1行中各項(xiàng)功能進(jìn)行分解，并結(jié)合上文提煉的設(shè)計(jì)需求可以得出軌道除銹、軌道除雪、軌道探傷是智能軌道維護(hù)裝備的核心功能，也是軌道維護(hù)裝備設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。此外，除了軌道日常維護(hù)功能模塊，針對(duì)重大雪災(zāi)、泥石流等對(duì)軌道影響較大、嚴(yán)重影響列車正常運(yùn)行的突發(fā)情況時(shí)的應(yīng)急處理也是軌道維護(hù)裝備的重要子功能。日常維護(hù)模式的實(shí)現(xiàn)形式由智能維護(hù)裝備自主完成；應(yīng)急處理模式則需要人為介入，以人機(jī)協(xié)同的方式執(zhí)行相關(guān)任務(wù)。在安全需求方面，分解出在應(yīng)急處理模式下的人機(jī)協(xié)同操作、人機(jī)操作界面、裝備尺寸等影響使用者操作安全的子功能。在產(chǎn)品易用性方面，分解出信息可視化、操作簡(jiǎn)易、智能化等綜合因素作為子功能。

（三）建立設(shè)計(jì)要素矩陣

根據(jù)軌道維護(hù)FAST功能樹(shù)中各功能與子功能的關(guān)系，從功能需求、安全需求和產(chǎn)品易用性3個(gè)方面入手，結(jié)合頭腦風(fēng)暴與整合創(chuàng)新等方法進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)。針對(duì)特定功能，可以通過(guò)多樣化的技術(shù)手段或選擇不同的結(jié)構(gòu)與材料來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)，從而從多種可行方案中篩選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)組合。因此，本文為各主要功能構(gòu)建設(shè)計(jì)要素矩陣，以便更高效地評(píng)估和選擇最佳設(shè)計(jì)方案，如表1所示。

根據(jù)表1列出的軌道維護(hù)裝備各功能模塊的可能原理解，理論上可得出的原理方案總數(shù)為N=3×3×3×2×3×3=486個(gè)。對(duì)上述原理方案進(jìn)行綜合分析，并結(jié)合智能設(shè)備的功能整合、智能化、易用性、可行性、使用環(huán)境、環(huán)保性及可靠性等設(shè)計(jì)要求，對(duì)表1中的理論方案進(jìn)行對(duì)比與篩選，最終確定智能軌道維護(hù)裝備的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案為A3、B1、C1、D2、E1和F3。

四、軌道維護(hù)系統(tǒng)與裝備設(shè)計(jì)

（一）智能軌道維護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)軌道維護(hù)的智能化升級(jí)，并確保以智能裝備為核心的軌道維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，本文對(duì)軌道維護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：植入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能算法，借助“端—邊—云”協(xié)同架構(gòu)的底層邏輯提出一套智能軌道維護(hù)系統(tǒng)解決方案。以達(dá)到日常軌道維護(hù)自主化、云端數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)化等目的。智能軌道維護(hù)系統(tǒng)總體架構(gòu)主要分為終端設(shè)備、工業(yè)邊緣引擎、軌道云端平臺(tái)三大部分。終端設(shè)備部分主要包含智能傳感器、高清攝像頭、系統(tǒng)功能模塊等，以支持功能的正常運(yùn)行、信息的日常搜集等。工業(yè)邊緣引擎部分包含智能邊緣節(jié)點(diǎn)的軟硬件部分，其中軟件部分包含鐵路大腦綜合平臺(tái)、探測(cè)系統(tǒng)、智能監(jiān)管平臺(tái)等，硬件部分包含LinkSite、DTS等。軌道云端平臺(tái)部分包含決策智慧中心、綜合集控中心、智能巡檢中心，通過(guò)構(gòu)建信息集成平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)平臺(tái)的管理與數(shù)據(jù)的分析。智能軌道維護(hù)系統(tǒng)的基本運(yùn)作邏輯如下：在云端，通過(guò)云端平臺(tái)進(jìn)行鐵路網(wǎng)實(shí)時(shí)路況的預(yù)測(cè)和分析，并接入現(xiàn)有鐵路網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)支配列車與維護(hù)裝備的調(diào)度，利用高精度定位協(xié)助軌道維護(hù)作業(yè)，以及在不同時(shí)段下對(duì)維護(hù)任務(wù)的分配。在軌道端，涉及無(wú)人機(jī)路況監(jiān)測(cè)、信號(hào)基站等軌道基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在裝備端，包含智能維護(hù)裝備對(duì)路況數(shù)據(jù)的采集、自主導(dǎo)航、設(shè)備監(jiān)控以及本體的高精度定位等。云端通過(guò)與軌道路網(wǎng)連接并結(jié)合鐵路實(shí)際情況為智能維護(hù)裝備提供決策，同時(shí)裝備端將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成軌道維護(hù)數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行反饋，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行的閉環(huán)，如圖6所示。

（二）裝備功能模塊布局

根據(jù)上述分析，智能軌道維護(hù)裝備最終采用模塊化設(shè)計(jì)方式。模塊化設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能集成和部件標(biāo)準(zhǔn)化，不僅節(jié)約成本，還增強(qiáng)了產(chǎn)品的通用性與靈活性。智能軌道維護(hù)裝備在裝備母體的基礎(chǔ)上，可拆分為8個(gè)功能模塊：犁型除雪模塊、軌道除雪模塊、軌道探傷模塊、軌道除銹模塊、能源模塊、人工操控室、隧道除冰模塊、無(wú)人機(jī)模塊。不同模塊擁有不同功能，分別執(zhí)行不同任務(wù)。

犁型除雪模塊可裝配于母體前端，用于清除軌道上較厚的雪堆；軌道除雪、探傷、除銹模塊裝配于母體底部，直接與軌道接觸，在維護(hù)裝備行進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行軌道日常維護(hù)工作，并且不同模塊之間能夠進(jìn)行同級(jí)替換，實(shí)現(xiàn)除雪、除銹、探傷功能模式的轉(zhuǎn)換；能源模塊裝配于母體尾部，為維護(hù)裝備終端供能；人工操控室位于母體前部，為必要時(shí)的人工介入、人機(jī)協(xié)同工作提供充足的操作空間；隧道除冰模塊裝配于母體頂端的尾部，用于清除隧道壁積存的冰錐；無(wú)人機(jī)模塊可裝配于母體頂端的前部，通過(guò)沿軌道定速巡航來(lái)監(jiān)測(cè)鐵路網(wǎng)的實(shí)時(shí)情況。此外，不同模塊亦可通過(guò)在母體上的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)功能拓展。這種模塊化的設(shè)計(jì)使得不同功能模塊可共用同一母體，僅需替換特定部位的模塊就能滿足不同的軌道維護(hù)功能需求，從而降低整體設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，如圖7所示。

（三）智能維護(hù)裝備方案設(shè)計(jì)

由于我國(guó)軌距為統(tǒng)一固定值，故智能軌道維護(hù)裝備在設(shè)計(jì)時(shí)采用直接在軌道上行駛的方式，這極大提升了維護(hù)裝備的通用性。而且維護(hù)裝備不同的功能模塊通過(guò)機(jī)電一體化接口與母體相連，能夠?qū)崿F(xiàn)不同的軌道維護(hù)模塊之間進(jìn)行直接替換，確保同一裝備主體靈活適應(yīng)不同的軌道維護(hù)任務(wù)，且方便后期對(duì)裝備的維護(hù)，如圖8、9所示。冬季的隧道低溫且潮濕，易產(chǎn)生大量冰錐，故在裝備頂部裝配了帶有除冰錐的可折疊機(jī)械臂，用于隧道除冰，保障隧道內(nèi)的列車行車安全。智能軌道維護(hù)裝備擁有自主沿鐵路線路運(yùn)行的能力，頂端的雷達(dá)鏡頭組模塊能夠?qū)ρb備前方環(huán)境與路況信息實(shí)時(shí)采集，保證自身行車安全，而對(duì)于中遠(yuǎn)端鐵軌線路基本情況的探測(cè)則由無(wú)人機(jī)來(lái)完成，通過(guò)“本體+無(wú)人機(jī)”的探測(cè)模式能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)路線情況與相關(guān)數(shù)據(jù)的及時(shí)、全面獲取，為智能裝備的自主智能決策提供參考，并實(shí)現(xiàn)與云端數(shù)據(jù)平臺(tái)的互聯(lián)互通。另外，在鐵路維護(hù)過(guò)程中難免會(huì)遇到山體滑坡泥石流、雪崩等重大且難以預(yù)測(cè)的突發(fā)情況，所以在維護(hù)裝備的前擋風(fēng)玻璃內(nèi)側(cè)預(yù)留了應(yīng)急駕駛艙位，為工作人員進(jìn)入駕駛艙開(kāi)展人機(jī)協(xié)同處理應(yīng)急狀況提供了一定保障，實(shí)現(xiàn)軌道維護(hù)裝備“可自動(dòng)、可協(xié)同”的雙重工作模式。同時(shí)，前端的可拆卸犁形除雪模塊為處理積攢在軌道上的大型泥石流堆、雪堆等提供了有力的手段。人工介入設(shè)備開(kāi)展人機(jī)協(xié)同工作的適時(shí)界面以HUD投影的方式在擋風(fēng)玻璃處呈現(xiàn)，為工作人員駕駛與操作維護(hù)裝備提供了開(kāi)闊的視野，也有助于提升裝備自身的易用性與人機(jī)界面的可視性，進(jìn)一步優(yōu)化了人機(jī)交互體驗(yàn)，如圖10所示。

（四）核心功能模塊設(shè)計(jì)

軌道探傷、軌道除雪、軌道除銹是智能軌道維護(hù)裝備的三大核心功能，是智能維護(hù)裝備自主進(jìn)行日常軌道維護(hù)的基礎(chǔ)。本文對(duì)三大核心功能模塊進(jìn)行了技術(shù)映射與內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)，如圖11所示。

其中軌道探傷功能映射為超聲波探傷結(jié)構(gòu)，超聲波檢測(cè)技術(shù)是種非常有效和主流的檢測(cè)方式，該方式不僅檢測(cè)效率高，并且監(jiān)測(cè)結(jié)果具有極高的精準(zhǔn)性；軌道除雪功能映射為恒溫發(fā)熱結(jié)構(gòu)與熱蒸汽融雪結(jié)構(gòu)，熱蒸汽能夠有效融化鐵軌上的冰雪且對(duì)環(huán)境無(wú)污染，恒溫發(fā)熱結(jié)構(gòu)能夠使冰雪融水及時(shí)蒸發(fā)以防止再次冷凝；軌道除銹功能映射為除銹磨輪與吸塵結(jié)構(gòu)，通過(guò)可調(diào)節(jié)除銹磨輪對(duì)鐵軌踏面進(jìn)行自適應(yīng)打磨，吸塵系統(tǒng)能夠收集打磨后的鐵銹，在一定程度上避免了鐵銹對(duì)環(huán)境的污染。三大核心功能模塊共用相同的結(jié)構(gòu)外殼，能夠在母體上完全整裝替換，亦可通過(guò)不同模塊的混合搭配，實(shí)現(xiàn)“一機(jī)多用”，大大提升了軌道維護(hù)的效率。

（五）智能云端監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

智能云端是軌道維護(hù)系統(tǒng)的決策與分析中心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的匯總、存儲(chǔ)和深度分析。云端智能利用高級(jí)數(shù)據(jù)處理技術(shù)如大數(shù)據(jù)分析與人工智能，通過(guò)云端預(yù)測(cè)天氣變化等方式，為軌道維護(hù)提供了智能策略指導(dǎo)。軌道維護(hù)云端監(jiān)測(cè)平臺(tái)主要包括首頁(yè)面、應(yīng)急處理、維護(hù)任務(wù)管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等多個(gè)二級(jí)頁(yè)面設(shè)計(jì)，如圖12所示。

根據(jù)上述架構(gòu)，本文對(duì)智能云端監(jiān)測(cè)平臺(tái)界面進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，如圖13所示。平臺(tái)首頁(yè)面主要包括日期天氣、軌道情況監(jiān)測(cè)、作業(yè)狀態(tài)監(jiān)控、設(shè)備信息等功能信息模塊。用戶通過(guò)該頁(yè)面可直觀獲取維護(hù)裝備的實(shí)時(shí)位置與工作狀態(tài)簡(jiǎn)易信息，方便工作人員對(duì)維護(hù)裝備的調(diào)度與管理。此外，維護(hù)裝備和鐵路網(wǎng)攝像頭獲取到的實(shí)時(shí)視頻畫(huà)面、維護(hù)裝備上智能傳感器監(jiān)測(cè)到的軌道傷損與溫度等數(shù)據(jù)通過(guò)可視化的方式呈現(xiàn)在大屏上，為用戶了解鐵路基本情況提供便利。天氣與歷史預(yù)警則為軌道維護(hù)系統(tǒng)的智能決策提供一定的參考。應(yīng)急處理頁(yè)面是系統(tǒng)針對(duì)突發(fā)緊急情況的及時(shí)響應(yīng)。在遇到緊急情況時(shí)，主頁(yè)面會(huì)變?yōu)樾涯康募t色調(diào)，確保用戶能夠迅速關(guān)注。通過(guò)將發(fā)生緊急情況的區(qū)域在地圖中高亮顯示，并提供可能誘因，能夠極大提升維護(hù)人員制訂應(yīng)急策略與采取相關(guān)措施的效率。維護(hù)任務(wù)管理頁(yè)面展示了智能裝備在開(kāi)展日常維護(hù)工作時(shí)的相關(guān)信息。通過(guò)清晰直觀的里程數(shù)據(jù)和完成任務(wù)量百分比，用戶能夠直接了解當(dāng)前維護(hù)裝備的任務(wù)進(jìn)度。此外，將負(fù)責(zé)相關(guān)維護(hù)任務(wù)的人員信息進(jìn)行展示，通過(guò)“任務(wù)責(zé)任到人”的管理方式，有利于提升鐵路維護(hù)的運(yùn)營(yíng)與管理效率。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析頁(yè)面主要是對(duì)軌道維護(hù)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納匯總，其中包括信息調(diào)用、在執(zhí)任務(wù)、任務(wù)時(shí)段、歷史任務(wù)等內(nèi)容板塊。通過(guò)對(duì)任務(wù)信息整理并上傳至云端，用戶可隨時(shí)調(diào)用和查看任務(wù)數(shù)據(jù)，并可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對(duì)維護(hù)策略進(jìn)行靈活調(diào)整，再結(jié)合云計(jì)算、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化迭代，使其更加智能與完善。

結(jié)論

本文通過(guò)分析軌道維護(hù)的現(xiàn)狀與典型任務(wù)場(chǎng)景，識(shí)別歸納出軌道維護(hù)中的痛點(diǎn)和設(shè)計(jì)需求。借助黑箱模型，明確了軌道維護(hù)裝備的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，并利用FAST功能樹(shù)分析了各功能之間的相互關(guān)系，接著構(gòu)建了設(shè)計(jì)要素矩陣，并通過(guò)探討各功能的可能原理解，得出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，從而有效指導(dǎo)了智能軌道維護(hù)裝備的設(shè)計(jì)實(shí)踐，為軌道維護(hù)裝備提供新的設(shè)計(jì)切入點(diǎn)，推動(dòng)軌道維護(hù)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。FAST法能夠有效挖掘軌道維護(hù)裝備概念設(shè)計(jì)中的功能需求，為功能界定及各子功能之間的相互關(guān)系提供了理論支持。通過(guò)智能軌道維護(hù)裝備設(shè)計(jì)實(shí)踐，也驗(yàn)證了FAST法在概念產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程中的科學(xué)性與實(shí)用性。后續(xù)研究將在維護(hù)系統(tǒng)的全面性、裝備功能的智能性以及人機(jī)協(xié)同體驗(yàn)等方面進(jìn)一步深入優(yōu)化，并利用功能樣機(jī)、可用性測(cè)試等手段驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性。

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