軌道交通車輛檢修業(yè)務(wù)的信息化管理分析

陳元龍，賀婷婷，李 凱

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島 266000）

1 軌道交通車輛信息化檢修業(yè)務(wù)的研究背景

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平的不斷提升，城市軌道交通也取得了突出的進(jìn)步，并且在城市化建設(shè)過(guò)程中發(fā)揮出越來(lái)越關(guān)鍵的作用?，F(xiàn)階段，我國(guó)城市軌道交通已經(jīng)進(jìn)入到了黃金發(fā)展時(shí)期，截止當(dāng)前，我國(guó)開(kāi)通并使用城市軌道交通的城市已經(jīng)達(dá)到了43個(gè)，交通線路共計(jì)244條，而運(yùn)行的總長(zhǎng)度則達(dá)到了7969.7km。在整個(gè)城市軌道交通系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，車輛是其中最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)，同時(shí)也是最核心的組成部分，因此在進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)的時(shí)候往往也需要消耗較多成本。與此同時(shí)，在正常運(yùn)行的過(guò)程中，如果軌道車輛出現(xiàn)故障喝酒會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行受阻，不僅影響了人民群眾的正常出行，也會(huì)對(duì)整個(gè)城市的發(fā)展造成不利影響。就當(dāng)前的發(fā)展情況來(lái)看，現(xiàn)階段的軌道車輛檢修計(jì)劃更多是以計(jì)劃性檢修為主，整體檢修過(guò)程存在一部分無(wú)意義環(huán)節(jié)，進(jìn)而造成了人力、物力方面的浪費(fèi)。因此為進(jìn)一步推動(dòng)城市軌道交通的安全、穩(wěn)定、低成本運(yùn)行，加強(qiáng)信息化、智能化檢修的研究已經(jīng)迫在眉睫?，F(xiàn)階段，部分城軌企業(yè)已經(jīng)就檢修工作的智能化發(fā)展展開(kāi)研究，其中包括城市軌道車輛智慧運(yùn)維系統(tǒng)以及信息化管控系統(tǒng)的建設(shè)等。雖然相關(guān)系統(tǒng)的研究在一定程度上提升了其發(fā)展水平，但主要針對(duì)的方面仍然比較單一。針對(duì)這樣的問(wèn)題，城市軌道交通系統(tǒng)應(yīng)充分針對(duì)車輛全壽命周期建立相應(yīng)的智能維修系統(tǒng)，從而為城市軌道車輛的穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。在以往的車輛檢修過(guò)程中，更多是通過(guò)人工檢修的方法進(jìn)行，進(jìn)而以“看、聽(tīng)、聞、摸、測(cè)”等形式完成檢修工作，在發(fā)現(xiàn)故障之后再實(shí)施修理。然而，人工檢修的方法存在明顯的弊端，同時(shí)也無(wú)法滿足當(dāng)前城市軌道交通發(fā)展的總體需求，其中主要包括以下幾方面：第一，人工檢查的時(shí)候不同檢察人員所遵循的檢查標(biāo)準(zhǔn)也存在差異，因此對(duì)于“外觀良好”、“無(wú)傾斜”等中文表述其具體的上報(bào)情況也不相同，進(jìn)而很容易出現(xiàn)過(guò)度上報(bào)或不報(bào)的問(wèn)題；第二，在編制檢查記錄的時(shí)候往往較為繁瑣，同時(shí)開(kāi)展質(zhì)量追溯也面臨著較大的困難；第三，檢查人員在進(jìn)行檢修的時(shí)候需要根據(jù)型號(hào)、故障的不同選擇相應(yīng)的更換部件與維修方法，整體的檢修過(guò)程比較復(fù)雜，進(jìn)而也對(duì)檢修人員的專業(yè)素質(zhì)提出了更高的要求。在這樣的情況下，智能檢修系統(tǒng)的建立具備著更加突出的必要性，進(jìn)而通過(guò)先進(jìn)設(shè)備與大數(shù)據(jù)技術(shù)的引入來(lái)構(gòu)建全新的車輛維修體系，保證可以針對(duì)人員、設(shè)備、故障等多環(huán)節(jié)實(shí)施規(guī)范化管理，質(zhì)量追溯的難度也大大降低。這樣的情況下，檢修人員的工作質(zhì)量與工作效率均可以得到顯著提升，同時(shí)其技術(shù)門檻也可以適當(dāng)降低一些。除此以外，智能檢修系統(tǒng)的落實(shí)還可以進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)數(shù)據(jù)資料的深度分析，并實(shí)現(xiàn)事前、事中、事后完善的檢修模式，最終實(shí)現(xiàn)提升檢修質(zhì)量、降低檢修成本的目的。

2 軌道交通車輛檢修業(yè)務(wù)信息化管理的現(xiàn)狀分析

目前很多城市的地鐵檢修業(yè)務(wù)已經(jīng)具備了智能運(yùn)維體系，各城市著手建立適合自身的檢修模式。智能化檢修業(yè)務(wù)管理模式通過(guò)在軌道車輛的車門、制動(dòng)以及牽引系統(tǒng)上安裝傳感器設(shè)備，對(duì)車輛運(yùn)行在線檢測(cè)和預(yù)警。但由于很多軌道檢修管理模式較為保守，仍然以人力檢修為主，造成物力、財(cái)力以及人力的巨大浪費(fèi)。在車輛上還存在很多無(wú)法及時(shí)監(jiān)控到的設(shè)備，在檢修計(jì)劃中并未及時(shí)維護(hù)，威脅車輛運(yùn)營(yíng)安全性。根據(jù)目前車輛設(shè)備的特征，可以將檢修業(yè)務(wù)信息化管理系統(tǒng)劃分為智能生產(chǎn)管理、智能檢修管理以及專家診斷三個(gè)系統(tǒng)，借助于大數(shù)據(jù)分析從車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)中找出歷史數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。車輛智能檢修系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛外觀、運(yùn)行狀態(tài)以及車側(cè)的觀測(cè)，智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了智能化設(shè)定運(yùn)營(yíng)計(jì)劃，對(duì)設(shè)備自動(dòng)定位，分析工單沖突。

智能專家診斷系統(tǒng)充分利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)手段進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)車輛健康狀態(tài)展開(kāi)評(píng)估，充分利用人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)以及模糊邏輯等算法和技術(shù)，評(píng)估診斷軌道車輛的健康狀態(tài)，并給出維修決策，從而能夠保證車輛高質(zhì)量運(yùn)營(yíng)，并形成預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。本文以檢修業(yè)務(wù)為核心，重點(diǎn)研究了智能檢修系統(tǒng)和專家診斷的建設(shè)。

圖1 智能檢修管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在車輛運(yùn)行過(guò)程中，邏輯控制單元等裝置積極配合，自動(dòng)采集車輛狀態(tài)，對(duì)車輛全程監(jiān)控判斷車輛運(yùn)行狀態(tài)。進(jìn)入車輛段后根據(jù)車號(hào)識(shí)別情況對(duì)車輛進(jìn)行精準(zhǔn)定位。在車輛入庫(kù)后，智能化系統(tǒng)則立即展開(kāi)對(duì)車輛外觀、結(jié)構(gòu)部件以及磨損情況的檢查[1]。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)以及專家診斷系統(tǒng)能夠早期診斷，并發(fā)出警報(bào)信息。智能診斷系統(tǒng)能夠判斷核心組件運(yùn)行狀態(tài)。軌道檢測(cè)系統(tǒng)和車載監(jiān)控系統(tǒng)等子系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中采集車輛數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一運(yùn)行至智能運(yùn)維平臺(tái)，形成檢修計(jì)劃。將檢修計(jì)劃作為工作導(dǎo)向，將人力檢修工作和智能檢修系統(tǒng)聯(lián)合起來(lái)，共同完成檢修業(yè)務(wù)，提高檢修效率和質(zhì)量，保證地鐵運(yùn)行安全。

3 軌道交通車輛智能檢修系統(tǒng)

軌道車輛智能檢修系統(tǒng)主要利用傳感器設(shè)備、紅外線、激光射線以及圖像識(shí)別等技術(shù)，實(shí)時(shí)捕捉車輛信息，及時(shí)差別車輛的異常狀態(tài)，節(jié)約人力成本，提高車輛檢修效率。智能檢修系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)檢修信息系統(tǒng)模塊之間互相獨(dú)立的問(wèn)題，能夠保證各個(gè)檢修模塊之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母叨然ネㄐ?，提高檢修數(shù)據(jù)的利用價(jià)值。

3.1 檢修機(jī)器人

智能檢修系統(tǒng)中利用檢修機(jī)器人完成檢修業(yè)務(wù)，智能機(jī)器人使用視覺(jué)技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)以及多種先進(jìn)算法，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下采集車體圖像，經(jīng)過(guò)對(duì)圖像處理能夠掌握車輛異常狀態(tài)，減輕檢修人員工作量，能夠讓檢修業(yè)務(wù)效率得到提高。對(duì)車底的檢修使用線掃相機(jī)以及面陣相機(jī)，線掃相機(jī)可以對(duì)車底影像進(jìn)行觀察，面陣相機(jī)用于定位車底設(shè)備。以下圖為例，輪軸編碼器的使用可以保障車底影像的穩(wěn)定性，達(dá)到高清拍攝，能夠觀察設(shè)備異常狀態(tài)，對(duì)設(shè)備異常運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而能夠?qū)收宵c(diǎn)快速識(shí)別，快速確認(rèn)故障的位置以及故障的等級(jí)，讓檢修人員能夠快速針對(duì)性檢修。檢修機(jī)器人充分發(fā)揮出檢修報(bào)警和快速診斷的作用，提高檢修業(yè)務(wù)準(zhǔn)確率。

圖2 車底檢修機(jī)器人

3.2 走行部檢測(cè)

在軌道車輛入庫(kù)時(shí)使用走行部檢測(cè)自動(dòng)捕捉走行部和閘片狀態(tài)，不需要停車檢修，能夠?qū)ψ咝胁繝顟B(tài)自動(dòng)監(jiān)控。充分利用庫(kù)內(nèi)軌檢測(cè)設(shè)備采集影響，獲取走行部高清影像。數(shù)字圖像技術(shù)能夠檢測(cè)走行部以及閘片部位的異常情況，對(duì)關(guān)鍵零件變形和缺失問(wèn)題進(jìn)行監(jiān)控。走行部檢測(cè)系統(tǒng)利用圖像處理智能技術(shù)，可以滿足在車速不均勻以及振動(dòng)的狀況下，采集影像，并進(jìn)行分析處理。

3.3 其他檢測(cè)系統(tǒng)

利用軌道地鐵車輛360°檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛關(guān)鍵部位影像資料進(jìn)行監(jiān)視，檢測(cè)范圍包含螺母、螺栓丟失和松動(dòng)，觀察管線是否脫落，是否有異物侵入，主要對(duì)關(guān)鍵部件是否脫落進(jìn)行觀察，并在異常情況下啟動(dòng)報(bào)警裝置[2]。激光檢測(cè)設(shè)備能夠?qū)囕喬っ鏈y(cè)量，檢測(cè)車輪直徑以及對(duì)內(nèi)測(cè)距，通過(guò)數(shù)據(jù)的傳輸能夠分析踏面磨耗和輪軌接觸關(guān)系，保障車輛運(yùn)行過(guò)程中的安全性。同時(shí)能夠指導(dǎo)修理決策，提高檢修工作的針對(duì)性。

3.4 手持檢修終端

檢修人員擁有手持移動(dòng)終端，可以充分利用手持終端快速完成檢修工作相關(guān)內(nèi)容，如掃描二維碼快速錄入檢修工單，并查看相關(guān)部件的數(shù)據(jù)。手持終端可以提升檢修工作速度，并實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化檢修，讓故障上報(bào)形式更加豐富。同時(shí)能夠?qū)⒐收犀F(xiàn)場(chǎng)的情況通過(guò)終端上傳至管理系統(tǒng)，和遠(yuǎn)程管理人員隨時(shí)溝通，派送部件等，節(jié)約檢修工作時(shí)間，讓檢修工作得到完整記錄。

4 專家診斷智能系統(tǒng)

專家診斷系統(tǒng)通過(guò)對(duì)軌道交通車載狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，捕捉實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)。一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常會(huì)發(fā)出警報(bào)，從而預(yù)處理狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行專家診斷，作出最合理的決策。

4.1 采集車載數(shù)據(jù)

軌道車輛主要通過(guò)傳感器、車輛總線網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，主要對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、車門以及蓄電池等關(guān)鍵部位，采集各系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)[3]。如今可利用5G技術(shù)進(jìn)行車地?zé)o線傳輸，捕捉車輛運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)。

4.2 數(shù)據(jù)分析判斷

經(jīng)過(guò)對(duì)車載狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，對(duì)比歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)照專家系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)閾值和變化趨勢(shì)，能夠分析出車輛異常狀態(tài)。如車輛軸箱軸承設(shè)備在一個(gè)區(qū)間內(nèi)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，最大振動(dòng)閾值為725Hz，在某個(gè)路段振動(dòng)頻繁，數(shù)據(jù)區(qū)間為455～520Hz，并未超過(guò)正常閾值。但該路段數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)差異較大，因此需要進(jìn)行標(biāo)記，并發(fā)出警報(bào)信息，由檢修人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查。

4.3 異常狀態(tài)分0析

智能診斷系統(tǒng)是根據(jù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)和變量指標(biāo)評(píng)估車輛運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)指標(biāo)是診斷故障的主要參照。采集狀態(tài)數(shù)據(jù)后，對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的所有歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取該區(qū)段最大數(shù)據(jù)和最小數(shù)據(jù)，計(jì)算平均數(shù)等參數(shù)。將該區(qū)段正常數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，利用深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)，及時(shí)檢測(cè)出異常數(shù)據(jù)，確定車輛為異常狀態(tài)。數(shù)據(jù)被分為測(cè)試數(shù)據(jù)集和訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，如表1所示，可以用算法驗(yàn)證數(shù)據(jù)是否在正常范圍內(nèi)?；趯?duì)故障數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，可以特征擴(kuò)充數(shù)據(jù)，每個(gè)時(shí)間窗的數(shù)據(jù)特征作為數(shù)據(jù)標(biāo)記，選擇樣本數(shù)據(jù)。對(duì)數(shù)據(jù)均衡處理、降維處理以及歸一化處理，將數(shù)據(jù)按照比例分為測(cè)試集和訓(xùn)練集。最后使用機(jī)器學(xué)習(xí)算法學(xué)習(xí)訓(xùn)練集。并使用前段時(shí)間窗數(shù)據(jù)作為測(cè)試，驗(yàn)證數(shù)據(jù)異常的可信度，發(fā)出故障警報(bào)。

表1 異常數(shù)據(jù)比例統(tǒng)計(jì)

5 軌道交通車輛智能檢修的未來(lái)發(fā)展

軌道車輛在城市交通發(fā)展過(guò)程中發(fā)揮了十分關(guān)鍵的作用，隨著信息技術(shù)水平的提升，智能檢修技術(shù)的應(yīng)用范圍愈發(fā)廣泛，而其未來(lái)發(fā)展方向主要集中于以下幾個(gè)方面：首先，城市軌道交通車輛整體的檢修形式應(yīng)不斷趨于均衡，同時(shí)可以以檢修時(shí)間、特點(diǎn)、類型為基礎(chǔ)落實(shí)不同的檢修依據(jù)，保證可以針對(duì)其檢修工作實(shí)施更加統(tǒng)一的管理模式，從而獲得更加完善的檢修與運(yùn)維效果；其次，軌道車輛的檢修工作應(yīng)逐步從計(jì)劃性檢修向狀態(tài)化檢修轉(zhuǎn)變，同時(shí)將物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等先進(jìn)技術(shù)引入到城市軌道交通車輛檢修工作當(dāng)中。例如，可以通過(guò)傳感器來(lái)獲得車輛各個(gè)部件的實(shí)時(shí)情況，同時(shí)還可以針對(duì)車輛上的各個(gè)裝置進(jìn)行線上檢測(cè)，確?？梢酝ㄟ^(guò)檢測(cè)結(jié)果來(lái)制定出有針對(duì)性的檢修計(jì)劃，進(jìn)而有效實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的故障預(yù)警功能。

與此同時(shí)，還可以結(jié)合實(shí)際情況按照時(shí)間段完成檢修計(jì)劃的劃分，轉(zhuǎn)變以往檢修過(guò)程中固定的模式，從而最大限度地降低檢修工作中的資源浪費(fèi)問(wèn)題；最后，可以在城市軌道交通車輛檢修中進(jìn)一步引入大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)為智能化檢修的發(fā)展引入更多的先進(jìn)資源，并將車輛運(yùn)行情況以及生命周期等數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程診斷，從而為軌道交通檢修工作的智能化發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，軌道交通車輛檢修業(yè)務(wù)已經(jīng)逐漸完善信息化管理，積極開(kāi)發(fā)智能檢修系統(tǒng)，并投入應(yīng)用，大幅提高檢修工作質(zhì)量。智能檢修系統(tǒng)通過(guò)利用檢修機(jī)器人、走行部檢測(cè)、其他檢測(cè)系統(tǒng)、手持檢修終端，提高檢修工作自動(dòng)化水平。同時(shí)專家診斷智能系統(tǒng)經(jīng)過(guò)采集車載數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)分析判斷、異常狀態(tài)分析，能夠?qū)囕v運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并初步診斷故障種類，作出正確決策。