高鵬遠(yuǎn)，劉媛媛

[摘? ? 要]城市軌道交通建設(shè)是解決我國大城市交通擁堵問題的重要舉措之一，利用先進(jìn)的列車運行控制、實施傳感、信息傳輸?shù)燃夹g(shù)可以實現(xiàn)列車的全自動運行，對于保障列車運行安全、提高列車運行效率、提高運行過程自動化程度具有顯著意義。目前，國內(nèi)外多個國家和地區(qū)均對城市軌道交通的全自動運營進(jìn)行了探索研究，缺少統(tǒng)一的自動化運營標(biāo)準(zhǔn)，與之對應(yīng)的缺少相關(guān)軌道交通智能運維管理模式相關(guān)的信息化建設(shè)尚不完善，部分運營的信息化數(shù)據(jù)無法采集，無法為關(guān)鍵部件的更新?lián)Q代提供數(shù)據(jù)支撐。開展軌道交通領(lǐng)域的智能運維可以減少檢修過程中耗費的大量人力、物力，能夠?qū)崟r采集過程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)過程數(shù)據(jù)的全程共享以及實時可視。通過故障診斷、故障預(yù)測等技術(shù)的應(yīng)用可以提高軌道交通行業(yè)的運維效率，可以及時排查安全問題。

[關(guān)鍵詞]分光智能運維;智能決策;軌道交通

[中圖分類號]U239.5 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–0–03

Technical Application of Intelligent Operation and

Maintenance System for Urban Rail Transit

Gao Peng-yuan，Liu Yuan-yuan

[Abstract]The construction of urban rail transit is one of the important measures to solve the problem of traffic congestion in my country's big cities. The use of advanced train operation control， implementation of sensing， information transmission and other technologies can realize the fully automatic operation of trains， which is important for ensuring the safety and improvement of train operation. The train operation efficiency and the improvement of the automation degree of the operation process are of significant significance. At present， many countries and regions at home and abroad have explored and studied the fully automated operation of urban rail transit. There is a lack of unified automated operation standards. Correspondingly， there is a lack of related information construction related to rail transit intelligent operation and maintenance management mode. Perfect， informatization data of some operations cannot be collected， unable to provide data support for the upgrading of key components. Carrying out intelligent operation and maintenance in the field of rail transit can reduce the large amount of manpower and material resources consumed in the overhaul process， and can collect process data in real time， realize the whole process data sharing and real-time visualization. Through the application of technologies such as fault diagnosis and fault prediction， the operation and maintenance efficiency of the rail transit industry can be improved， and safety problems can be checked in time.

[Keywords]intelligent operation and maintenance; intelligent decision-making; rail transit

1 研究背景

近年來，我國各大城市交通壓力持續(xù)增加，根據(jù)國內(nèi)外城市的實踐經(jīng)驗來看，優(yōu)先發(fā)展公共交通是解決交通壓力的最優(yōu)方案。在各類公共交通出行方式中，由于城市軌道具有其他方式所不具備的高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)時、環(huán)保等優(yōu)點使得其成為大中型城市首選的公共交通發(fā)展方向，為城市的可持續(xù)發(fā)展提供著重要的作用。近年來，我國城市軌道交通建設(shè)取得了令人矚目的成績，運營里程、運營速度不斷創(chuàng)下新高，但也需要看到目前仍處于成績與問題并存，機(jī)遇與挑戰(zhàn)同在的發(fā)展階段，線網(wǎng)規(guī)劃具有前瞻性和科學(xué)性、城市內(nèi)外交通的順暢性和便捷性，乘客服務(wù)的智慧化和高品質(zhì)、運營組織的多元化和智能化、技術(shù)裝備的自主化和品牌知名度、信息資源男的共享度和利用率等方面與國際先進(jìn)水平相比仍存在一定的差距。在上述背景下，通過目前應(yīng)用較多的共性技術(shù)如云計算、大數(shù)據(jù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)以及機(jī)器強(qiáng)化學(xué)習(xí)等技術(shù)使得軌道交通的運行管理向著智慧化、智能化的方向發(fā)展。

2 城市軌道交通全自動運行系統(tǒng)概述

目前而言城市軌道交通的全自動運行可以分為兩大部分，一個是指列車運行的全自動化，列車運行全自動化主要是指列車自動出站、自動停車、自動關(guān)閉車門等運行過程中的自動化。另一部分是指車站設(shè)備的全自動化，通過車站設(shè)備自動化實現(xiàn)相關(guān)車輛運行狀態(tài)監(jiān)測自動化、乘客服務(wù)自動化等。

2.1 全自動運營模式下運營方式研究

目前國內(nèi)的自動運行線路多為GOA4級自動運營，與之對應(yīng)的需要配備綜合自動運維系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備車輛狀態(tài)實時監(jiān)控、車輛故障自動診斷等功能，對運行過程中關(guān)鍵部件的運行狀態(tài)做到實時檢測實時預(yù)警。便于運營人員對于車輛及關(guān)鍵設(shè)備信息的實時掌握。目前，全自動運行系統(tǒng)的開通運行模式需要根據(jù)線路條件、設(shè)備系統(tǒng)綜合能力、人員基礎(chǔ)素質(zhì)等多方面確定。

2.2 全自動運行模式下運營場景設(shè)計

運營場景指在列車自動運行系統(tǒng)在運營過程中可能出現(xiàn)的各種場景，通過對場景進(jìn)行描述，可以實現(xiàn)全自動運營系統(tǒng)中各裝備與各崗位功能設(shè)置的依據(jù)以及系統(tǒng)之間聯(lián)結(jié)。

在正常模式場景時，列車根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)時間及動作自動執(zhí)行工作運行命令，在部分場景中需要由多職能隊員完成檢查后方可執(zhí)行下一命令。在故障模式場景下，針對不同情境，可執(zhí)行遠(yuǎn)程命令嘗試修復(fù)故障，當(dāng)故障較為嚴(yán)重或涉及列車運行安全問題時需由多職能隊員前往現(xiàn)場進(jìn)行處理，盡早恢復(fù)列車線路的正常運行。在列車處于應(yīng)急模式場景時，根據(jù)應(yīng)急預(yù)案，調(diào)度員應(yīng)下達(dá)緊急命令，對乘客進(jìn)行疏散引導(dǎo)，及時對出現(xiàn)的問題進(jìn)行搶修，將損失降低到最低。

2.3 控制中心場景設(shè)計

控制中心在正常模式下，只有運營準(zhǔn)備場景，運營準(zhǔn)備場景分為確認(rèn)并下發(fā)運行圖場景和施工確認(rèn)注銷場景。在故障模式下根據(jù)故障不同采用降速、降級、更換手動駕駛等方式在盡量減少對列車運行的情況下實現(xiàn)故障排除。當(dāng)出現(xiàn)控制中心停電或失火時，會將控制權(quán)限下放，全線多職能隊員登車進(jìn)行人工駕駛，利用無線手持對講機(jī)進(jìn)行通信。

2.4 車站場景設(shè)計

車站在正常模式下，根據(jù)需要對車站設(shè)備進(jìn)行自檢，如未通過設(shè)備自檢進(jìn)行報警提示，乘客在正常情況下可根據(jù)提示自助辦理票務(wù)服務(wù)，當(dāng)出現(xiàn)問題時可由人工指引員根據(jù)原因進(jìn)行處理。車站在故障模式下，車站工作人員首先根據(jù)故障情況進(jìn)行處理。在車站出現(xiàn)應(yīng)急模式時需要判斷是否影響正線運行，根據(jù)故障嚴(yán)重程度選擇過站運營、全線停運、旅客疏散等措施。

2.5 列車自動運營模式總結(jié)

本章介紹了全自動運行模式下各類場景，對各類場景下的正常模式、故障模式以及應(yīng)急模式的各類處理措施進(jìn)行了梳理，對全自動模式下自動運營所需要面對的全部問題進(jìn)行了說明。

3 軌道交通智能運維技術(shù)研究及應(yīng)用

發(fā)展智能化運維軌道交通是建設(shè)智慧化城市的具體實踐工作。對軌道交通運維進(jìn)行智能化建設(shè)可以進(jìn)一步地加強(qiáng)軌道交通的安全性和功能性，能夠保證我國盡早落實交通強(qiáng)國的戰(zhàn)略。不僅如此，城軌的運維成本對于其盈利與否至關(guān)重要。以新加坡SMRT地鐵為例，其兩年連續(xù)的巨額虧損案例為行業(yè)帶來前車之鑒。根據(jù)新加坡地鐵的官方數(shù)據(jù)，由于其維修和人力成本的大幅提高，人力成本和維修成本占據(jù)了地鐵車資71 %的收入，導(dǎo)致2019財政年巨虧1.5億新加坡元，與上個財政年的8 600萬新加坡元相比虧損激增80 %。與之相應(yīng)的應(yīng)用無人駕駛地鐵技術(shù)、智能運維技術(shù)可以大大縮減人力成本和維修運營成本。

3.1 軌道交通運營維護(hù)的現(xiàn)狀

影響列車安全的因素較多，其中關(guān)鍵設(shè)備的運行安全則會直接影響整列列車的運行安全，對于關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行運行維護(hù)主要是通過計劃修以及故障修結(jié)合。在維護(hù)過程中以計劃修為主，該種檢修方式占據(jù)了需要耗費較多人力、物力。另外，由于地鐵大多采用白天運行夜間檢修的模式，檢修人員長期的晝夜顛倒嚴(yán)重影響了檢修人員的身體健康。

目前，各車輛段針對關(guān)鍵設(shè)備均安裝了大量的狀態(tài)監(jiān)測設(shè)備，能夠獲取設(shè)備在運行過程中的運行狀態(tài)信息，但目前對狀態(tài)信息的利用程度不高，無法做到數(shù)據(jù)信息的融合利用。

3.2 全自動模式下運營維修影響分析

在全自動運營模式下，為保證地鐵運行的安全性對設(shè)備的可靠性提出了更高的要求，同時全自動運營模式能夠為智能運維提供良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有助于將維修體系由從計劃修到狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。

目前，現(xiàn)有的維修體系主要通過對設(shè)備日志、傳感器記錄等進(jìn)行分析，根據(jù)結(jié)果對檢修工藝進(jìn)行優(yōu)化，節(jié)約維修資源。但由于多源數(shù)據(jù)格式不同的原因，使得存在大量的信息孤島，不利于信息整合，更不便于為系統(tǒng)在狀態(tài)趨勢等方面提供有效決策，維修隊伍只能依靠經(jīng)驗、碰運氣等方法開展設(shè)備檢查維護(hù)和故障排查。

3.3 全自動運行模式下智能運維發(fā)展趨勢

隨著5G通信技術(shù)、云計算、大數(shù)據(jù)存儲及處理技術(shù)以及人工智能技術(shù)的發(fā)展、成熟以及我國在軌道列車車輛、信號、通信等關(guān)鍵核心部件的生產(chǎn)上基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化，為軌道列車的智能化運維提供了良好的支撐。

全自動模式下，車輛檢修智能運維可以通過各類傳感器采集到相應(yīng)的溫度、振動以及圖像等信息，根據(jù)相關(guān)信息來對其進(jìn)行無監(jiān)督的強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)。利用圖像識別技術(shù)，根據(jù)學(xué)習(xí)算法對車輛異常狀態(tài)識別，可大幅提高檢修效率，降低檢修成本。

在檢修過程中，應(yīng)用相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、機(jī)器視覺、機(jī)械臂控制技術(shù)等在動態(tài)和靜態(tài)情況下采集車底或車側(cè)的圖像，根據(jù)獲取到的圖像對車輛異常情況進(jìn)行判斷。降低人工勞動強(qiáng)度，提高檢修效率以及檢修可靠性。

目前，車底設(shè)備智能檢修主要通過線陣相機(jī)與定位相機(jī)結(jié)合的方式，通過定位相機(jī)拍攝車底圖片，定位車底設(shè)備，利用線陣相機(jī)采集相關(guān)設(shè)備圖片，在采集過程中利用防抖技術(shù)，避免采集到的圖像信號發(fā)生抖動等問題。通過對采集到的高清圖像與正常工作圖像以及故障工作圖像的對比，對設(shè)備進(jìn)行故障監(jiān)測，與傳統(tǒng)檢修相比可以快速識別故障位置以及故障原因。

對于列車走形部件，如齒輪箱主軸而言，對其進(jìn)行狀態(tài)檢測多通過在車上安裝相關(guān)溫振傳感器的方式進(jìn)行監(jiān)測，將相應(yīng)的傳感器通過螺紋安裝到軸承座和齒輪箱外殼等固定位置，通過對溫度、振動數(shù)據(jù)的分析能夠自動判定目前相關(guān)走形部零件狀態(tài)。該過程主要是通過走行部獲取關(guān)鍵運行數(shù)據(jù)，對傳感器獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理去除數(shù)據(jù)中的干擾數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行傅里葉變換，在不影響判斷準(zhǔn)確性的情況下對數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，通過頻譜進(jìn)行分析判斷故障類型、故障部位以及損傷程度。為了保障檢測準(zhǔn)確性，還可采用與圖像識別相結(jié)合的方式對走向部以及閘片的高清圖像進(jìn)行獲取，自動監(jiān)控異常狀態(tài)。對關(guān)鍵部件的缺失、變形等進(jìn)行監(jiān)測。

以上海地鐵為例，其系統(tǒng)的運維管理隨著設(shè)備數(shù)字化技術(shù)逐步發(fā)展并建立。目前上海地鐵已經(jīng)進(jìn)入了智能運維相關(guān)技術(shù)的擴(kuò)展階段，通過多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合推動智能運維相關(guān)技術(shù)的系統(tǒng)性建設(shè)。

在對智能運維系統(tǒng)的建設(shè)過程中，上海地鐵積累了寶貴的建設(shè)經(jīng)驗，在系統(tǒng)搭建時應(yīng)關(guān)注以下3個方面的建設(shè)：

（1）上層設(shè)計與底層設(shè)計結(jié)合，采用部件級的試點開始，自上而下建設(shè)運維管控平臺，最后做上層設(shè)計將各個平臺關(guān)聯(lián)起來，完善相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

（2）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，智能運維其核心驅(qū)動要素是數(shù)據(jù)，由于各個設(shè)備廠商不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一以及接口標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一是非常困難的工作，需要各個設(shè)備公司進(jìn)行合作，將數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一，便于運維數(shù)據(jù)的儲存與應(yīng)用。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能運維系統(tǒng)中，其數(shù)據(jù)保障以及數(shù)據(jù)庫是建設(shè)核心所在，建設(shè)智能運維數(shù)據(jù)的專用網(wǎng)絡(luò)可大幅提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约皞鬏斔俣取Ｍㄟ^對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的整合，可以布置共享數(shù)據(jù)庫與專業(yè)數(shù)據(jù)庫兩種形式，既可以統(tǒng)一布置也可進(jìn)行分布式布置。

4 結(jié)術(shù)語

目前，全球軌道交通行業(yè)僅有較少線路可以實現(xiàn)真正意義上的無人駕駛，相關(guān)的智能運維技術(shù)研究則相對較多，但各個國家和地區(qū)的運營規(guī)則相差較大，缺少統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)自身情況探索適合自身的運營規(guī)則以及配套技術(shù)。本文主要對城市軌道交通全自動運營時的列車運營場景、運營組織規(guī)則、以及智能運維技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

參考文獻(xiàn)

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