城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)的分析

周黎明、束長健、蔣陵郡

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

0 引言

城市軌道交通自150 多年前建立以來，逐步產(chǎn)生了以人車為中心、規(guī)劃為核心的傳統(tǒng)維護模式。雖然我國城市軌道交通車輛的運行維護工作在不斷發(fā)展和完善，但目前，許多城市軌道交通車輛的運行維護檢測仍采用傳統(tǒng)的人工運行維護檢測方法(見圖1)，導致運營維護檢測效率低下、準確性不足，嚴重阻礙了我國城市軌道交通的發(fā)展。為此，必須加強智能運維檢測技術的應用，利用智能技術實時監(jiān)控車輛運行狀態(tài)，實現(xiàn)維修信息與故障分析的同步，最終有效提高車輛運維效率，降低運營和維護檢測的人工成本，這也是當今時代對城市軌道交通車輛運營和維護檢測的新要求。

圖1 傳統(tǒng)檢測方式

1 智能運維的總體方案

根據(jù)目前地鐵車輛生產(chǎn)運維的發(fā)展趨勢，并基于各大數(shù)據(jù)中心采集的車輛設計數(shù)據(jù)、車輛運行實時數(shù)據(jù)、車輛故障數(shù)據(jù)和車輛履歷數(shù)據(jù)，城市地鐵車輛智能運維系統(tǒng)整體上按照階段具體可分為智能設計生產(chǎn)系統(tǒng)、智能車輛檢測系統(tǒng)、智能車輛維修系統(tǒng)和智能專家診斷系統(tǒng)等。智能設計生產(chǎn)系統(tǒng)主要是針對地鐵車輛的設計、生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進行相關處理，可獲得車輛用于運營前的關鍵數(shù)據(jù)。智能車輛檢測系統(tǒng)通過車載傳感器或者軌旁系統(tǒng)獲得車輛的運行狀況數(shù)據(jù)，例如可對地鐵車輛中的空調(diào)、車門等系統(tǒng)以及車輛輪對的底部、側(cè)面、外觀和狀態(tài)進行智能檢測。智能車輛維修系統(tǒng)用于車輛維修的智能化管理，包括日常修架、大修等，智能組織針對維修任務的日常行動計劃，并提供維修電子手冊等。智能專家診斷系統(tǒng)作為城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)的關鍵系統(tǒng)，采用大數(shù)據(jù)、人工智能、模糊邏輯等推理算法對車輛行駛狀況進行監(jiān)測預測，對車輛健康狀況進行評估，再結(jié)合車輛段或者停車場的維修資源，做出適當?shù)木S修決策，實現(xiàn)對主要設備和零部件的預測維修，保證車輛的安全高效運行。

2 城市軌道交通車輛智能維護現(xiàn)狀

智能化運維檢測可以說是城市軌道交通車輛運維檢測的必然選擇，提高運維檢測的效率和質(zhì)量具有重要意義。近年來，中國各大城市的地鐵公司都在探索性地開展車輛運維智能檢測的應用，積極研究本地智能運維模式。然而，目前我國大部分地鐵公司都將車輛的安全使用作為基本目標，大多數(shù)維修制度都比較保守，普遍存在過度維修現(xiàn)象，造成額外的人力、財力等資源的浪費。目前，雖然城市軌道交通車輛的運營和維護受到了一定的重視，并取得了一定的成效，但基本仍以檢測為主，這使得用于檢測地鐵車輛和維護的智能技術沒有得到廣泛應用，嚴重阻礙了智能運維技術的進一步發(fā)展。

3 智能車輛檢測系統(tǒng)的組成

智能車輛檢測系統(tǒng)主要用于對車輛各部件或者子系統(tǒng)進行檢測，采集相關的數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段智能檢測技術已經(jīng)取得長足發(fā)展，軌旁檢測設備可以在地鐵車輛的車頂、底部、側(cè)邊等多方位實現(xiàn)對地鐵車輛多種部件的探查，車載設備更是可以實時獲取車輛運行狀況信息等數(shù)據(jù)，例如車載PHM 設備可以實現(xiàn)對車輛數(shù)據(jù)的實時預處理或者實時分析。建立城市軌道交通智能車輛檢測系統(tǒng)是必然趨勢，該系統(tǒng)主要基于與車輛相關的海量數(shù)據(jù)的采集、存儲以及一定的分析、展示技術，實現(xiàn)綜合化的智能檢測服務平臺。再依托5G 等通信技術以及大型數(shù)據(jù)中心高算力的支持，可實時監(jiān)控車輛關鍵部件的狀態(tài)，通過機理規(guī)則等計算手段實現(xiàn)對車輛故障的實時捕捉，并實施故障告警和分級報警。智能車輛檢測系統(tǒng)由多個子系統(tǒng)組成，根據(jù)實施位置或者區(qū)域的不同，系統(tǒng)可分為車載檢測子系統(tǒng)、軌旁檢測子系統(tǒng)和庫內(nèi)檢測子系統(tǒng)三類。

3.1 車載檢測子系統(tǒng)

車載檢測子系統(tǒng)主要依靠車載PHM 設備來實現(xiàn)，車載PHM 設備（見圖2）是實現(xiàn)車輛各部件或者子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、集中存儲的車載設備，用以提高地鐵車輛數(shù)據(jù)質(zhì)量及智能監(jiān)控水平，并降低傳統(tǒng)網(wǎng)絡下傳輸問題給車輛健康管理系統(tǒng)帶來的不利影響。車載PHM 設備支持通過以太網(wǎng)等網(wǎng)絡接口采集車輛各系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等車輛健康管理所必需的數(shù)據(jù)?？膳c地面系統(tǒng)進行實時和非實時的數(shù)據(jù)交互，支持通過無線局域網(wǎng)等方式實現(xiàn)車載PHM 設備采集的所有原始數(shù)據(jù)實時或到庫后傳輸?shù)降孛嬷悄軐＜以\斷系統(tǒng)服務器。車載PHM 設備支持存儲采集到的所有原始數(shù)據(jù)。當出現(xiàn)硬件故障、列車車輛重啟等緊急情況時，能確保存儲的數(shù)據(jù)不會丟失，車載PHM 設備自身出現(xiàn)故障時也不會影響地鐵車輛的正常運行。

圖2 車 載PHM 設備

3.2 軌旁檢測子系統(tǒng)

在軌道交通中，保證車輛狀態(tài)的動態(tài)控制是至關重要的，除了在車輛自身部署各種傳感器獲取列車車輛運行參數(shù)外，還可通過軌旁檢測設備實現(xiàn)對地鐵車輛的實時檢測。

一是輪對尺寸檢測及輪對踏面圖像監(jiān)測系統(tǒng)，按現(xiàn)場布局分為現(xiàn)場基本檢測單元、軌邊控制處理單元、控制室三部分?，F(xiàn)場基本檢測單元包括輪對外形尺寸檢測模塊和車輪擦傷檢測、輪對踏面缺陷動態(tài)圖像監(jiān)測模塊。圖像采集處理后，可獲取到車輪相關參數(shù)，包括表面磨損、輪輞厚度、輪輞高度、垂直磨損、車軸內(nèi)軸、車輪直徑等。軌邊控制處理單元包括現(xiàn)場控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實現(xiàn)現(xiàn)場基本檢測單元的供電、控制、數(shù)據(jù)和圖像的采集、分析、存儲，同時與遠程控制室進行通信?？刂剖矣煽刂婆_、數(shù)據(jù)綜合分析及管理軟件、數(shù)據(jù)及信號傳輸系統(tǒng)和外圍設備等構(gòu)成，在控制室可實現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設置，實時監(jiān)控設備的運行狀態(tài)和檢測過程，查看、統(tǒng)計、分析和打印檢測數(shù)據(jù)。

二是受電弓在線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)受電弓碳滑板的非接觸式動態(tài)檢測，包括受電弓碳滑條磨耗、受電弓碳滑條缺口、中心線偏移及羊角下垂的檢測和報警，還具有車頂狀態(tài)觀測功能。受電弓在線檢測系統(tǒng)以可靠、先進的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集前端，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺和用戶使用界面，具備檢測結(jié)果的查詢和統(tǒng)計、受電弓故障報警及網(wǎng)絡共享管理的功能，并具有遠距離傳輸、數(shù)據(jù)庫及支持網(wǎng)絡瀏覽的功能，可以通過局域網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信、共享和報警。受電弓在線檢測系統(tǒng)不影響相關專業(yè)在隧道內(nèi)的日常作業(yè)（如隧道清洗車、軌道打磨車的日常作業(yè)）。

三是紅外軸溫檢測系統(tǒng)，能夠?qū)崟r檢測軌道交通車輛的熱軸故障，通過綜合分析軸溫信息，對熱軸故障進行跟蹤探測。并且通過讀取車輛的車號信息等確定軸位，紅外軸溫檢測系統(tǒng)能自動識別列車車輛運行方向，自動檢測列車車輛運行速度，系統(tǒng)根據(jù)車號信息跟蹤車輛軸承溫度，自動計輛、計軸，自動補償校正設備增益和靈敏度，以適應氣候和車速變化的影響（環(huán)溫-45～70C，地表溫度＞70C）。紅外軸溫檢測系統(tǒng)還可用于地鐵車輛在運行狀態(tài)下檢測軸箱溫度，預防事故，確保軌道交通車輛的安全運行。

3.3 庫內(nèi)檢測子系統(tǒng)

庫內(nèi)檢測子系統(tǒng)主要針對已經(jīng)停駐在停車場或者車輛段內(nèi)的地鐵車輛進行檢測，如在車輛入庫后利用車軸相控陣探傷設備進行車軸的探查，探傷設備采用相位光柵超聲波探傷法對不同類型的車輪軸線、軸頸、軸向殼體等進行檢測，能有效滿足地鐵各種線路的維修要求。在進行車軸相控陣探傷時，需要在軸端安裝陣列相位探測器，根據(jù)車軸參數(shù)確定掃描角度。還可利用智能故障檢測設備對車輛進行檢測，在車輛上電的情況下設備以有線的方式接入車輛網(wǎng)絡以和車載的各種設備進行交互，完成各種檢測操作，識別出車輛故障信息。運維人員在車輛返回后，須作好車輛維修的相關準備工作，特別包括從調(diào)度系統(tǒng)獲得車輛編號、庫房位置等，獲得車輛故障信息，以支撐智能車輛維修系統(tǒng)的應用。

在庫內(nèi)操作時，運維人員除了使用庫內(nèi)檢測子系統(tǒng)實現(xiàn)部分智能檢測外，還可通過智能車輛維修系統(tǒng)的信息終端接收任務，實時反饋工作進度、故障報告，將車輛維修的工單處理完成后，運維人員確定關閉車輛操作，最終完成車輛故障的閉環(huán)處理。庫內(nèi)檢測子系統(tǒng)還可配備檢測機器人，檢測機器人主要用于地鐵車輛的車底智能檢測，能對地鐵車輛檢修股道內(nèi)側(cè)的車底設備配件（包含轉(zhuǎn)向架、各類箱體、空壓機、電氣和氣動管路等部件）實現(xiàn)自動圖像采集與故障初步分析，并能實現(xiàn)故障的上報、查詢、定位、統(tǒng)計和信息的可追溯。庫內(nèi)檢測子系統(tǒng)還可利用光學成像和智能機器人技術完成車身全景的自動拍攝和檢測，可有效替代傳統(tǒng)的車身人工檢測方法，對保證檢測人員的安全和提高檢測效率都具有重要意義。

4 智能專家診斷系統(tǒng)

通過智能檢測系統(tǒng)的支持，部署于地面的智能專家診斷系統(tǒng)與智能檢測系統(tǒng)的車載檢測子系統(tǒng)、軌旁檢測子系統(tǒng)以及庫內(nèi)檢測子系統(tǒng)進行對接，通過實時采集到的地鐵車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)控車輛運行狀態(tài)，對其異常狀態(tài)進行自動預警。具體來說，智能專家診斷系統(tǒng)處理車輛狀態(tài)信息，建立針對性的數(shù)據(jù)分析模型，通過科學合理的數(shù)據(jù)建模，依靠機器學習算法對車輛關鍵部位進行故障的預測，分析出關聯(lián)故障。例如車輛檢測設備可通過車上各類傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、多功能車輛總線（MVB）或者以太網(wǎng)等綜合手段實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集，通過車載網(wǎng)絡匯總給車載PHM設備，車載PHM 設備再通過無線傳輸（例如利用5G的高帶寬低時延）將獲取的車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)實時推送至地面。智能專家診斷系統(tǒng)再基于這些數(shù)據(jù)結(jié)合機器學習算法（如擬合）實時分析評測車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的趨勢，并集合系統(tǒng)或部件的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過專家系統(tǒng)進行深層次的分析對比，完成結(jié)果數(shù)據(jù)的進一步修正，以提供更準確的結(jié)果數(shù)據(jù)作為車輛智能化運營維修的參考。智能專家診斷系統(tǒng)支持多種應用場景（見圖3），包括故障的關聯(lián)分析、診斷、預測，以及針對具體車輛的健康評估，通過計算打分的方式展示車輛的整體健康狀況，支持對關鍵信號值進行趨勢分析。

圖3 智能專家診斷系統(tǒng)應用場景

5 結(jié)語

隨著信息時代的到來，一切都在向智能化發(fā)展，這為用戶提供了極大的便利。在城市軌道交通車輛運營維護檢測中，智能技術的應用可以說是一次歷史性的創(chuàng)新，不僅有助于減少人工運營維護檢測的工作量，對于提高運行檢測和維護的效率也非常重要，從人工檢測到智能檢測的過渡已經(jīng)真正完成。因此，城市軌道交通管理部門必須加強對城市軌道交通車輛運行維護智能檢測的開發(fā)研究，通過各種智能檢測系統(tǒng)及時排查車輛隱患，有效防止事故隱患的發(fā)展，充分保障城市軌道交通車輛的安全運行。