城軌列車智能運維技術體系框架研究

鐘銓

摘 要：為明確城市軌道交通（以下簡稱“城軌”）列車智能運維的工作開展內容與方式，在介紹城軌智能運維背景基礎上，提出城軌列車智能運維系統定義和技術體系框架，闡述該框架的技術特征。基于此，介紹廣佛城軌列車智能運維建設規劃和建設內容，分析建設后的預期價值，以期為城軌列車智能運維管理提供借鑒。

關鍵詞：城軌列車;智能運維;技術體系

中圖分類號：U284.48

來自安全與成本的壓力致使城軌列車設備狀態跟蹤、評估、性能預測及運維管理面臨更多的挑戰。各地鐵公司、大專院校、科研機構紛紛開展了許多針對城軌列車部分子系統、部件的狀態監測及故障報警裝置的研究與開發活動，如文獻[1]結合威布爾比例故障率模型（WPHM）繪制出走行部滾動軸承的運行可靠度和失效特征;文獻[2]建立了受電弓/接觸網垂向耦合動力學模型;文獻[3]采用線性矩陣不等式（LMI）和分散式控制的理論方法，建立了列車制動系統控制模型;文獻 [4]針對城軌列車運行多目標的特點，以能耗、準時性、精確停車以及舒適度為指標建立城軌列車運行多目標模型。以上研究都是通過列車局部異常展開的工作，對于面向城軌列車運行的復雜環境，其運維能力的設計與部署亟待系統性、智能化提升。

本文在對城軌列車智能運維技術的發展現狀進行分析基礎上，對列車智能運維技術體系框架進行研究，提出城軌列車智能運維系統定義和技術體系框架，為明確城軌列車智能運維建設的下一階段研究做出努力和探討。

1 城軌列車智能運維背景

（1）為保障列車的可靠性，確保運營安全，傳統的方式是絕對保障，造成維護開支巨大。傳統方式還可能存在過度修、修不足、高冗余等不足，導致維修人員和資源配置冗余，備用設備資源閑置，致使成本居高不下。城軌設備對安全性要求高，設備成本、相應的設備備品備件成本也較高;運營公司既要借助委外維護完成現階段的維護任務，又要培訓儲備維護人員，導致人力成本居高不下。據統計，各地城軌維保費用平均占到日常運營總成本的20%，人力成本占到日常運營總成本的50%。

（2）在自主創新基礎上，圍繞數字化、智能化、網絡化，大力應用新技術革命成果，并與城軌交通深度融合。一手抓智能化，強力推進云計算、大數據、物聯網、人工智能、5G、衛星通信、區塊鏈等新興信息技術和城軌交通業務深度融合，推動城軌交通數字技術應用，推進城軌信息化，發展智能系統，建設智慧城軌;一手抓自主化，創新創優，增強自主技術創新能力，持續不斷研發新技術、新產品，并增強自主品牌創優能力，不斷研發新產品、新品牌。通過持續不斷的智能化和自主化建設，完成城軌交通由高速發展向高質量發展轉變，強力助推交通強國建設。

（3）檢測、感知、虛擬/增強現實（VR/AR）、信號分析、物聯網、大數據分析、圖像處理、無線通信、人工智能等技術的不斷發展與成熟，為全面覆蓋機械、電氣系統，開展列車部件狀態感知、故障預警報警、狀態評估及預測、維保決策及維修支撐等工作提供了有效手段，為城軌列車智能運維系統的研發創造了技術實現條件。

2 城軌列車智能運維技術體系框架

城軌列車智能運維技術體系面向城軌列車運行的復雜環境，運用物聯網、數字孿生、大數據、云計算、人工智能等技術，實現列車及設備的互聯互通，并將基于場景的車載數據、軌旁檢測數據、檢修業務數據有效耦合，對城軌列車狀態特征和運行機理進行深度挖掘，形成一套具有列車狀態感知與跟蹤、故障診斷預警、剩余壽命預測、運維智能決策、作業自動化等能力的智慧系統，保障列車安全可靠、提效節能，實現列車運維精準管理。

2.1 體系框架

列車智能運維技術體系采用3-5-3體系框架，具體為：3個業務范圍，5項業務作業管理，3類業務技術支撐，如圖1所示。

2.1.1 業務范圍

（1）列車在途運行。滿足安全、舒適、便捷客運服務要求的列車組織管理，包括列車調度、運行控制、故障處理、應急智慧等業務活動。

（2）列車場段維護。保持列車服役能力的日常維護管理，包括列車日常檢測、故障維修、普查整治、列車技改等業務活動。

（3）列車基地檢修。恢復列車服役能力的維修維護管理，包括列車檢測、列車分解、列車維修、列車調試、列車移交等業務活動。

2.1.2 作業管理

（1）計劃。根據業務需求，實現外部環境與內部條件的分析，編制在未來一定時期內要達到的業務目標以及方案途徑。

（2）調配。根據業務方案，組織所需的人、機、料、法等資源。

（3）進度。對業務活動的進展情況進行把控。

（4）質量。對業務活動實現過程的標準和業務活動目標的達成度進行管控。

（5）安全。在列車運維過程中，減少對人、物所造成的威脅或損失。

2.1.3 技術支撐

（1）信息化。通過計算機實現業務管理，完成業務各環節的無紙化橫向貫通。

（2）自動化。實現業務鏈與底層設備的互聯互通，及作業過程的自動化執行與管控。

（3）智能化。智能化技術的融入，實現安全的自動導向和基于效益驅動的業務自適應調整和執行。

2.2 技術特征

（1）系統性業務覆蓋。對列車運維業務進行全面系統性覆蓋，該框架滿足列車部件最小可維護單元的全服役周期的狀態跟蹤與管理;滿足列車在途運行、場段調度檢修、大架修業務的全覆蓋。

（2）模塊化配置。該框架為三維立體結構，具備模塊化配置的特點，從業務維度滿足列車在途、場段、架修基地的運用場景，從作業管理維度滿足計劃、資源調配、進度、質量、安全的流程貫通，從技術支撐維度滿足信息化、自動化、智能化的不斷提升。

（3）階段部署與持續優化改進。隨著數據的積累，滿足智能化水平的不斷提升;隨著新技術的使用，滿足模塊化部署與能力提升;隨著服務線路范圍的擴大，滿足框架和基礎模塊的直接遷移應用。

（4）綜合判斷與評估。從安全、成本、效率綜合評估每一個業務單元。

3 廣佛城軌列車智能運維實踐

3.1 發展規劃

廣佛城軌列車智能運維發展規劃分為5個階段完成，第1階段主要完成狀態感知和運維數據化，全面系統地獲得列車運維狀態數據，包括列車基礎數據、運用數據、運行數據、環境數據、狀態數據、檢修數據等;第 2階段主要完成平臺化建設，建立接口平臺、網絡平臺、數據平臺和業務運用平臺;第3階段主要實現列車運維監控、故障診斷分析;第4階段主要通過數據的積累和機理的分析，實現列車健康評估、壽命預測、故障預測和風險評估;第5階段主要完成列車運維的決策和資源的優化利用，如圖2所示。

3.2 建設內容

廣佛城軌列車智能運維系統建設內容包括3個層次：1個列車智能運維系統解決方案，5個核心子系統，N 個關鍵子設備，如圖3所示。

3.2.1 列車在途狀態智能監測系統

針對列車在途狀態監測設備相互獨立、車地傳輸困難、數據管理不規范、輔助故障應急處理效率低、狀態跟蹤與隱患挖掘效率低下等問題，建立列車在途狀態智能監測系統，實現車載數據采集融合、預處理、數據解析、集中記錄、車地傳輸、地面管理等功能，如圖4所示，具體功能如下。

（1）列車運行狀態跟蹤展示。車載智能監測綜合管理系統通過大屏展示被監測列車車號、列車位置、運行方向、運行速度、里程數、耗能情況、升降弓、開關門、牽引/制動等。

（2）列車乘客運載服務狀態跟蹤展示。車載智能檢測綜合管理系統通過大屏展示被監測列車客室溫度、擁擠程度、乘客分布、CO2濃度、平穩性、手機信號強度、乘客異常等。

（3）列車運行環境狀態跟蹤展示。車載智能檢測綜合管理系統通過大屏展示被監測線路軌道質量、接觸網質量、彎道、坡度、車載、道岔群、網群等。

（4）列車部件健康狀態跟蹤。車載智能檢測綜合管理系統通過大屏展示被監測列車部件健康狀態、部件是否故障預警報警、當前列車故障是否排查等。

3.2.2 列車軌旁智能檢測系統

針對軌旁多系統獨立部署所導致的模塊重復、多系統操作、數據管理不統一、部署維護不協同、無法直接應用于檢修業務等問題，采用軌旁設備統一設計安裝、設備互聯互通、統一操控等方式，對部件狀態進行采集、傳輸、處理，如圖5所示，具體功能如下。

（1）及時掌握列車經過軌旁的過車情況、檢測內容項、檢測故障項等信息。

（2）及時提示相關人員對預警報警內容進行查看，并通過調用子系統分析頁面，了解故障詳情。

（3）收集所有的在線故障問題，與檢修業務系統進行關聯，推送至檢修關聯系統進行復查。

（4）對軌旁檢測設備及子模塊進行監測，包括采集設備本身、軌旁服務器、網絡等相關數據。

（5）提供統計分析功能，對軌旁檢測的故障按不同維度進行統計，對檢測準確率進行統計。

3.2.3 列車健康管理分析系統

針對列車故障分析手段單一且效率低、故障定位困難、部件利用率低、檢修人員投入巨大、工作環境惡劣、技改支撐不足的問題，研發了一套城軌列車健康管理專家系統，實現了列車全壽命周期履歷管理、故障專項分析、故障耦合分析、狀態預測、RAMS（可靠性、可用性、可維修性、安全性）分析、耗能分析與節能優化等功能。其功能如下。

（1）支持故障快速、準確診斷。為各子系統提供多維度信息，有利于故障干擾的排查;提供專業化的分析工具，快速識別引發故障現象的原因，如圖6所示。

（2）支持普查整治優化。根據數據的耦合分析，確定部件狀態以及影響部件狀態的原因，繪制狀態變化譜圖，優化掌控普查整治的時間。

（3）支持日常檢測優化。從自動化設備獲取數據，與日常檢測修程修制進行映射，確定設備代替人工的可行性，從RAMS角度分析評估部件故障的失效概率、影響程度和劣化趨勢，調整檢測方式和人工檢測時間間隔，如圖7所示。

（4）支持技改。統計故障發生的概率和失效形式，優化改進短板項點;從可維護性角度出發，增加輔助標識或強化非自動檢測項，提升部件可靠性和可維護性;從軌道、隧道、接觸網、供電等方向，實現協同整改。

3.2.4 列車運維業務系統

針對車場運作信息孤立、場段運作管理自動化率低、沖突檢測手段原始等核心問題，實現車場調度和檢修計劃自動編制，收發車、調車、遠程請銷點、底層設備信息自動接入，信息自動更新，沖突檢測預警報警等功能。其功能如下。

（1）實現車場信息綜合展示，輔助調度、檢修決策;顯示列車位置、狀態、檢修進度、質量及計劃變更等內容。

（2）實現車場運作的有序和智能。自動編排檢修計劃、資源配置計劃，持續跟蹤車場調度檢修進度和質量，出現異常或變更時，自適應調整計劃，并進行計劃執行的演練。

（3）實現管理信息與生產信息無縫對接。對生產信息精細化、精準采集與管理，將生產信息自動收集整理后支撐管理決策。

3.2.5 列車運維智能監控系統

針對列車服役周期關鍵狀態信息無法及時掌握，影響乘客運載服務、行車安全、作業安全、車場調度、生產計劃調整等問題，列車運維智能監控系統采用基于場景的列車運維全生命周期軌跡跟蹤、風險自動識別與管控技術，完成列車運維過程和關鍵指標的智能監控。

3.3 預期價值體現

列車智能運維建設需要投入大量的精力和資源，廣佛城軌從系統性、長遠規劃的角度出發，建設列車智能運維系統，預期從安全、經濟、協同的角度產生價值，如表1所示。

4 結束語

本文對城軌列車智能運維技術體系框架進行了研究，主要成果如下。

（1）給出了城軌列車智能運維系統定義，提出了基于場景的價值數據挖掘，具備貫通狀態感知、分析、決策、執行的智慧系統特性。

（2）提出了城軌列車智能運維3-5-3技術體系框架，實現了列車運維業務的系統性覆蓋，滿足建設內容的模塊化配置和分步實施。

（3）以廣佛

城軌列車智能運維系統建設為例，

證明城軌列車智能運維技術體系框架符合更安全、更經濟、更協同的價值目標。

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收稿日期 2020-06-15

責任編輯 朱開明