摘要：隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，安全高效網(wǎng)絡(luò)化的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)需求日益增長(zhǎng)。針對(duì)城市軌道交通車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，搭建智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)，介紹智能檢修的具體方法、智能生產(chǎn)管理的執(zhí)行方式、車輛數(shù)據(jù)分析的發(fā)展方向，以期為城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)的發(fā)展提供參考與借鑒。

文章來源：青島地鐵集團(tuán)有限公司

文章標(biāo)簽：【城市軌道交通】【智慧軌道交通】【智能運(yùn)維】【軌道交通機(jī)房綜合監(jiān)控】【能源管理系統(tǒng)】【故障預(yù)測(cè)】【設(shè)備設(shè)施管理】

隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，安全高效網(wǎng)絡(luò)化的城市軌道交通運(yùn)營(yíng)需求日益增長(zhǎng)。針對(duì)城市軌道交通車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)需求，搭建智能運(yùn)維系統(tǒng)架構(gòu)，介紹智能檢修的具體方法、智能生產(chǎn)管理的執(zhí)行方式、車輛數(shù)據(jù)分析的發(fā)展方向，以期為城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)的發(fā)展提供參考與借鑒。

0、引言

城市軌道交通對(duì)城市發(fā)展起著重要的帶動(dòng)作用，而城市發(fā)展對(duì)城市軌道交通安全可靠、高效集約、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的發(fā)展也提出了越來越高的要求。如何在保障城市軌道交通系統(tǒng)安全可靠運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)上最大限度地降低維修成本，在滿足可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求的同時(shí)，提升城市軌道交通設(shè)備智能化管理水平，成為軌道交通行業(yè)廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。

智能運(yùn)維系統(tǒng)是建立在設(shè)備基礎(chǔ)上的、以狀態(tài)修模式為主要發(fā)展目標(biāo)的智能化、數(shù)字化系統(tǒng)，其依托大數(shù)據(jù)中心，結(jié)合設(shè)備履歷數(shù)據(jù)，并借助實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備，采集和分析城市軌道交通車輛的運(yùn)行和檢修數(shù)據(jù)，判斷設(shè)備故障趨勢(shì)，診斷設(shè)備的運(yùn)用健康狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和分級(jí)報(bào)警，指導(dǎo)關(guān)鍵設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維修作業(yè)的智能化管理。

1、現(xiàn)狀分析

目前，上海地鐵、北京地鐵、廣州地鐵等地鐵公司已經(jīng)開始對(duì)車輛智能運(yùn)維體系進(jìn)行探索性應(yīng)用，國(guó)內(nèi)各大城市軌道交通企業(yè)均積極著手研究適用于自身的智能檢修模式。智能檢修解決方案一般通過在車輛制動(dòng)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)中安裝傳感器的方式，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)與預(yù)警。然而，其外設(shè)布局點(diǎn)有限，導(dǎo)致檢修人員不能有效監(jiān)測(cè)車輛運(yùn)行狀態(tài)。國(guó)內(nèi)大部分軌道交通企業(yè)以設(shè)備安全運(yùn)營(yíng)為基本目標(biāo)，檢修制度較為保守，過度維修現(xiàn)象較為普遍，造成人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)。

與此同時(shí)，由于無法及時(shí)監(jiān)測(cè)部分設(shè)備的狀態(tài)，因此在計(jì)劃性修程中未能及時(shí)對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，從而導(dǎo)致故障部件無法更換、車輛帶故障上線運(yùn)營(yíng)等嚴(yán)重問題，形成安全隱患。國(guó)內(nèi)城市軌道交通企業(yè)在探索智能化維保策略的過程中已取得一些成果（如優(yōu)化修程、拉長(zhǎng)計(jì)劃性維修的時(shí)間間隔），但大多數(shù)公司仍以試點(diǎn)測(cè)試為主，尚未形成批量化的實(shí)際應(yīng)用案例。

2、智能運(yùn)維總體方案

根據(jù)目前車輛維保的生產(chǎn)組織模式和車輛設(shè)備狀態(tài)的運(yùn)營(yíng)趨勢(shì)，可將城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)分為車廠智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)、車輛智能檢修系統(tǒng)和車輛智能專家診斷系統(tǒng)，整體依托于從大數(shù)據(jù)中心導(dǎo)出的車輛履歷信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，如圖 1 所示。

車輛智能檢修系統(tǒng)可對(duì)城市軌道交通車輛的車底、車側(cè)、車體外觀以及輪對(duì)狀態(tài)進(jìn)行智能檢測(cè)；車廠智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)用于智能管理車輛狀態(tài)，智能排布運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)定位以及對(duì)施工工單進(jìn)行智能沖突檢測(cè)；車輛智能專家診斷系統(tǒng)運(yùn)用大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)手段及模糊邏輯等推理算法，對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)，評(píng)估車輛健康狀態(tài)，并結(jié)合維修基地的維修資源情況，給出合適的維修決策，以實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備和部件的預(yù)測(cè)性維修，保證車輛高質(zhì)量的運(yùn)營(yíng)。

3、車輛智能檢測(cè)系統(tǒng)

車輛智能檢修系統(tǒng)通過傳感、激光、圖像識(shí)別、紅外線等狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)獲取車輛走行部以及車體的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息，通過模式識(shí)別、特征匹配、深度學(xué)習(xí)等數(shù)字圖像處理技術(shù)有效識(shí)別車輛異常狀態(tài)，以提高檢修效率，節(jié)省人力成本。

3.1 智能檢修機(jī)器人

智能檢修機(jī)器人利用機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)及多種控制技術(shù)和先進(jìn)算法，在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)情況下采集車底、車側(cè)高清圖像，并通過圖像處理技術(shù)判斷車輛異常，可降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境，提高檢修效率。

車底定位模塊分為面陣相機(jī)和線掃相機(jī) 2 部分，面陣相機(jī)用于定位車底設(shè)備，線掃相機(jī)用于采集車底設(shè)備圖像。此外，還應(yīng)用輪軸編碼器確保采集的車底圖像穩(wěn)定、不發(fā)生抖動(dòng)。以圖 2 為 例，通過使用相機(jī)對(duì)車底設(shè)備進(jìn)行高清拍攝，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備異常形態(tài)、設(shè)備異常變化的智能監(jiān)測(cè)，從而快速識(shí)別故障點(diǎn)，確定故障位置及故障等級(jí)，給出故障判斷，引導(dǎo)人員使用與設(shè)備相對(duì)應(yīng)的檢修標(biāo)準(zhǔn)、工器具進(jìn)行維修，最終實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷和準(zhǔn)確報(bào)警，提高檢修效率。

智能檢修機(jī)器人的核心技術(shù)在于面陣相機(jī)的設(shè)備圖像故障定位、線掃相機(jī)的圖像處理算法測(cè)試以及機(jī)械臂控制。

3.2 走行部智能檢測(cè)

走行部檢測(cè)系統(tǒng)安裝在城市軌道交通車輛入庫(kù)線上，以不停車檢測(cè)的方式，自動(dòng)完成對(duì)走行部及閘片的高清圖像獲取，自動(dòng)監(jiān)控走行部異常狀態(tài)。其安裝效果如圖 3 所示。通過利用庫(kù)內(nèi)軌旁檢測(cè)設(shè)備對(duì)車側(cè)部分進(jìn)行圖像采集，能夠獲取車輛走行部側(cè)面的清晰過車圖像，再通過數(shù)字圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)走行部及閘片的異物檢測(cè)以及對(duì)關(guān)鍵部件缺失、變形等的異常監(jiān)視。

走行部智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心技術(shù)為：在過車速度不均勻引起圖像縱向畸變和車體上下振動(dòng)引起橫向畸變情況下的圖像采集以及分析處理算法。

3.3 其他規(guī)劃布局

車輛 360°視覺檢測(cè)能夠?qū)﹃P(guān)鍵部件的常規(guī)測(cè)距和可視部位的圖像進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)視，檢測(cè)范圍包括螺栓、螺母的松動(dòng)及丟失，各類管線脫落，異物侵入，受流器、牽引裝置、牽引電動(dòng)機(jī)、齒輪箱等關(guān)鍵部件的脫落、丟失、變形等。如發(fā)現(xiàn)異常，能及時(shí)發(fā)出自動(dòng)報(bào)警提示。

輪對(duì)數(shù)字激光檢測(cè)可以快速、準(zhǔn)確、高效地測(cè)量車輪踏面輪廓、車輪直徑和輪對(duì)內(nèi)側(cè)距，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪踏面磨耗和輪軌接觸關(guān)系的分析，從而對(duì)車輛穩(wěn)定性進(jìn)行安全預(yù)警，同時(shí)為輪對(duì)鏇修決策提供指導(dǎo)，提升列車運(yùn)行的安全性，并延長(zhǎng)車輪的使用壽命。此 2 項(xiàng)應(yīng)用使車輛軌旁檢測(cè)功能得到完善，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛走行部和車體的智能化檢修，減少維修人力配置，節(jié)約檢修成本，避免過度維修。

4、車廠智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)

車廠智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)以保障檢修作業(yè)安全、提高生產(chǎn)組織效率、降低維保成本為目標(biāo)，對(duì)車輛基地進(jìn)行信息化、智能化管理。車廠智能生產(chǎn)管理系統(tǒng)的主要功能包括：車輛狀態(tài)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃的自動(dòng)排布管理、關(guān)鍵設(shè)備的定位防護(hù)管理、施工作業(yè)的智能管理以及智能維修終端的遠(yuǎn)程協(xié)同管理。通過模塊間的互通聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)廠段重要生產(chǎn)組織過程的智能化。

4.1 車輛狀態(tài)管理

當(dāng)車輛進(jìn)入廠段，該系統(tǒng)會(huì)利用定位設(shè)備自動(dòng)對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，自動(dòng)定位車輛停放股道，并顯示車輛的狀態(tài)信息（如股道編號(hào)、帶電狀態(tài)、修程狀態(tài)、車輛故障信息）以及維修工單狀態(tài)等，便于檢修人員實(shí)時(shí)查詢目標(biāo)車輛狀態(tài)信息；并通過邏輯條件計(jì)算，對(duì)股道狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)異常檢測(cè)，并檢驗(yàn)作業(yè)條件是否沖突，從而實(shí)現(xiàn)智能化安全管理。

4.2 運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃管理

系統(tǒng)根據(jù)車輛檢修計(jì)劃、故障情況、運(yùn)行里程、施工情況、扣修情況以及當(dāng)前股道位置等信息，建立智能排布模型；模型依據(jù)各影響因素的不同加權(quán)值，自動(dòng)排布車輛運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃；檢修調(diào)度員須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃進(jìn)行調(diào)整和確認(rèn)。若需要收回或發(fā)出車輛，檢修調(diào)度員會(huì)調(diào)整目標(biāo)車輛優(yōu)先級(jí)；在車輛替換上線或回庫(kù)后，模型會(huì)根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)智能更新運(yùn)營(yíng)日計(jì)劃。

4.3 定位管理

當(dāng)車輛進(jìn)入車廠后，系統(tǒng)基站通過超寬帶定位技術(shù)與車載定位設(shè)備進(jìn)行通信，確定車輛準(zhǔn)確位置，并在車廠控制中心（DCC）監(jiān)控屏幕中進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；鐵鞋等車廠內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備通過附著在其表面的定位設(shè)備與車廠內(nèi)基站進(jìn)行通信，系統(tǒng)可借此標(biāo)定其準(zhǔn)確擺放位置；施工作業(yè)人員通過安全帽或者胸牌等定位設(shè)備與基站進(jìn)行通信，DCC 監(jiān)控屏幕可實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示其在車廠內(nèi)的位置；針對(duì)車廠內(nèi)高壓帶電的重要施工區(qū)域，劃定電子圍欄，防止未授權(quán)人員進(jìn)入，一旦有人闖入則發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，從而消除帶電股道區(qū)域內(nèi)的人員、設(shè)備安全隱患。 

4.4 施工作業(yè)管理

系統(tǒng)可以自動(dòng)生成當(dāng)日檢修計(jì)劃工單，檢修調(diào)度員可將其一鍵派發(fā)。當(dāng)值班長(zhǎng)通過移動(dòng)終端遠(yuǎn)程查看檢修任務(wù)，并根據(jù)系統(tǒng)提示一鍵派發(fā)給相關(guān)作業(yè)人員。系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)值檢修人員的專業(yè)資格及個(gè)人履歷智能分配相關(guān)作業(yè)，優(yōu)先安排熟練度高的人員進(jìn)行檢修，從而在保證檢修質(zhì)量的同時(shí)，兼顧工作量的平衡性和合理性。工單關(guān)閉后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成車輛電子維修履歷，為后續(xù)全壽命周期研究的推進(jìn)做好準(zhǔn)備。

4.5 智能移動(dòng)終端應(yīng)用

工作人員可以通過手持終端填寫請(qǐng)銷點(diǎn)申請(qǐng)、斷送電申請(qǐng)、借用申請(qǐng)等檢修工單，從而提高登車作業(yè)審批、請(qǐng)銷點(diǎn)、物品借用等檢修流程的效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)檢修作業(yè)的全過程把控。掃描二維碼即可填寫對(duì)應(yīng)設(shè)備的檢修任務(wù)單，真正實(shí)現(xiàn)無紙化生產(chǎn)運(yùn)作。此外，還支持拍照、視頻、音頻等多種故障上報(bào)形式，可以智能推薦歷史故障解決方案供故障上報(bào)人和處理人參考，并能支持車輛狀態(tài)、生產(chǎn)信息和檢修資料的實(shí)時(shí)查詢等功能。

5、智能專家診斷系統(tǒng)

地面智能專家診斷系統(tǒng)通過車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)車輛的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)車輛運(yùn)行的異常狀態(tài)進(jìn)行智能報(bào)警，并對(duì)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行預(yù)處理，搭建數(shù)據(jù)分析模型，通過科學(xué)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛關(guān)鍵部件的故障預(yù)測(cè)及健康管理。

5.1 車載數(shù)據(jù)采集

車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備通過傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、多功能車輛總線（MVB）網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)采集途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)車門系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)和蓄電池等關(guān)鍵系統(tǒng)、部件的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)通過 5G 等車地?zé)o線傳輸方式，實(shí)時(shí)獲取車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，如圖 5 所示。

5.2 數(shù)據(jù)趨勢(shì)判斷

利用車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集的車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，并根據(jù)系統(tǒng)或部件的歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對(duì)于專家系統(tǒng)給定閾值內(nèi)的數(shù)據(jù)抖動(dòng)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析和比對(duì)。圖 6 顯示了車輛走行部軸箱軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)設(shè)備在某運(yùn)行區(qū)間所記錄的 2 軸右軌振動(dòng)數(shù)據(jù)。在圖中 K25+292～K25+400 區(qū) 間，最大振動(dòng)有效值為 7.58g，波磨路段的振動(dòng)頻率為400～450 Hz，未超出系統(tǒng)給定的正常狀態(tài)閾值，但相較于該軸的歷史數(shù)據(jù)記錄，本次振動(dòng)幅度特別大，因此系統(tǒng)記錄下數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，提示檢修人員檢查該部位走行部狀態(tài)。

5.3 異常狀態(tài)檢測(cè)

車輛智能專家診斷系統(tǒng)會(huì)提取影響車輛運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)和過程變量，作為故障判定的主要參照，在采集所有的狀態(tài)數(shù)據(jù)后，對(duì)車輛或系統(tǒng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)時(shí)間窗內(nèi)的所有模擬量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，提取區(qū)段最大值、最小值、平均值和平均差等不同參數(shù)作為區(qū)間特征值進(jìn)行數(shù)據(jù)重組。然后，將同一車架的同一類車輛或設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)作為學(xué)習(xí)樣本，采用無監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)。整個(gè)數(shù)據(jù)集按照適當(dāng)?shù)谋壤指顬橛?xùn)練數(shù)據(jù)集和測(cè)試數(shù)據(jù)集，用相應(yīng)的算法進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，如表 1 所示。

5.4 故障預(yù)測(cè)方法

基于故障數(shù)據(jù)點(diǎn)的有監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)方法，首先，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征擴(kuò)充操作，每一段時(shí)間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)全部作為時(shí)間窗結(jié)束點(diǎn)的特征來考慮，進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)記，選擇樣本數(shù)據(jù)；然后執(zhí)行數(shù)據(jù)降維、歸一化、均衡處理等預(yù)處理流程，再將數(shù)據(jù)集按相應(yīng)的比例分割為訓(xùn)練集和測(cè)試集；最后采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)訓(xùn)練集進(jìn)行學(xué)習(xí)，并用故障前一段時(shí)間窗的數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證訓(xùn)練集和測(cè)試集的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)異常點(diǎn)的故障預(yù)警模型驗(yàn)證，當(dāng)檢測(cè)出連續(xù)出現(xiàn)的異常點(diǎn)時(shí)，可進(jìn)行故障預(yù)警。

6、總結(jié)

城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)是信息化時(shí)代城市軌道交通車輛實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修的重要手段，該系統(tǒng)可以顯著降低維修保障費(fèi)用，大幅提高維修保障效率及設(shè)備的可靠性。本文基于當(dāng)前智能運(yùn)維產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，探討和研究智能運(yùn)維系統(tǒng)的未來發(fā)展和規(guī)劃方向，以期實(shí)現(xiàn)對(duì)城市軌道交通車輛關(guān)鍵部件的全覆蓋狀態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)獲取，縮短設(shè)備全壽命周期管理中的維修時(shí)間，有效減少了車輛上線運(yùn)營(yíng)期間的故障風(fēng)險(xiǎn)，提高運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，保障運(yùn)營(yíng)安全。

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