全自動運行軌道交通列車狀態監控與調度管理系統的研究

楊碩 陳艷鑫

摘要：基于全自動運行軌道交通系統的理念，為全面掌握列車的運行狀態和科學維護，研究開發全自動運行車輛調度管理系統，為線路的可靠運營提供保障。系統以列車為原點出發，通過軟件硬件相結合的方法，實現對列車的遠程監測、故障報警、遠程控制和運維決策等功能。本文從系統的構建到以期實現的功能，全面闡述了全自動運行車輛調度管理系統的研究內容，并對本系統的發展方向進行了展望。

關鍵詞：全自動運行;軌道交通;狀態監測;車輛調度;運維支持

1? 概述

隨著軌道交通的智能化發展和列車運行控制系統的自動化水平不斷提高，城市軌道交通系統正向全自動運行（FAO）快速演進。巴黎、新加坡、洛桑等城市多條線路已采用全自動運行系統，預計2025年全球將有2300km全自動運行線路。目前我國也有線路開通了全自動運行，如北京燕房線、上海10號線，更有蘇州、南京、成都等多座城市的地鐵線路正在建或計劃采用全自動運行系統。無人駕駛的情況下，運營中的列車與地面OCC的信息交互及處理，是保障運營安全的重要環節，所以在設置行車調度的同時，增設車輛調度，對在線運營的列車狀態進行實時監控。本文提出方案，構建全自動運行車輛調度管理系統（以下簡稱“本系統”），為控制中心對在線列車的狀態監測、運行故障的診斷、遠程控制及運維決策等方面提供手段，同時與信號、通信、PIS、CCTV等系統可靠配合、聯動，以期在全自動運行的大背景下，提高列車運行的安全性與可靠性。

2? 系統構成

構建本系統基于數據采集硬件、數據處理服務器集群及數據傳輸通道、系統聯動幾個關鍵模塊為出發點。

2.1 數據采集硬件

2.1.1 車載設備信息采集

車載設備的信息采集對象除常規的列車自身各子系統如牽引系統、輔助系統、制動系統、空調系統、車門系統、受電弓系統等系統的控制單元數據外，還包含了車載輔助監測設備的數據，如目前較為熱門的主/被動障礙物探測設備、脫軌檢測設備、車載受電弓動態監測設備、弓網檢測設備等等。

2.1.2 軌旁設備信息采集

這里所說的軌旁設備，主要是指安裝于車輛段、停車場及正線上的位于軌旁用來監測列車的設備。這些設備是在“外面的”角度監測列車的狀態，在列車運行通過時，基于機器視覺、振動分析、位移分析、圖像分析、紅外測溫、激光等傳感技術監測列車的物理特性是否存在問題，對車輛的表面損傷、姿態、溫度等信息進行采集并將狀態、報警等信息發送給服務器集群。

2.2 數據處理服務器集群

采集到的數據發送至控制中心的服務器集群，服務器是大數據存儲、分析、處理的平臺，實現車載數據、軌旁數據的整合，具備數據加載、數據整合、查詢訪問、數據分析等功能，并提供完全并行的處理架構、實時數據處理性能、動態數據訪問能力、完善的混合負載管理能力、穩定可靠高可用的保護能力，高效支撐智能查詢、智能報表等大數據分析查詢應用。

2.3 數據傳輸通道

2.3.1 車載設備信息的傳輸

車載數據通過列車既有的車地無線通道傳輸，目前主流的車地無線通道傳輸有WLAN和LTE傳輸，基于安全性的考慮，非監控視頻類的數據通過信號系統的LTE傳輸，監控視頻類數據通過PIS系統的WLAN傳輸，在控制中心分別由信號系統和PIS系統的服務器匯集至本系統服務器集群。

2.3.2 軌旁設備信息的傳輸

軌旁數據通過專用通信OTN專網傳輸，在控制中心由通信系統服務器將數據發送至本系統服務器集群。

2.4 系統聯動

本系統不是獨立存在的，與信號系統、通信系統、PIS系統、CCTV系統存在密切的聯動，如對列車故障的處置、遠程控制等要與信號系統的行車指令相結合，如列車觸發緊急對講、煙火報警、旋動緊急手柄等動作時與PIS、CCTV系統配合推送相應位置攝像頭圖像至工作站，等等。

3? 系統功能

基于以上構架，本系統可開發實現多種功能，下設車輛調系統、車輛運維系統、車輛監測系統，簡圖如圖1。

3.1 車輛調系統

車輛調定位于實時運營支持，在車輛運營時保障車輛安全平穩運行。

3.1.1 實時監控

車輛調前端顯示界面調取實時數據庫內的數據進行顯示，并會注明信息監測的來源。以列車為中心顯示，便于操作人員全面地感知車輛的運行狀態參數，可顯示所有在線運營車輛的基本運營信息（列車號、車次號、速度、網壓、主風壓力、蓄電池電壓、速度、站距等）、旁路開關狀態、車載和車輛軌旁監測故障清單等。

3.1.2 故障診斷

系統將車載故障數據和軌旁監測數據進行融合，按故障性質或者所屬子系統進行分類，提供多種方式排列查看，如項目號，故障發生時間，故障名稱，故障編號，所屬子系統、采集渠道等。對于嚴重故障，以醒目顏色的形式進行標注提醒。對于當前發生的故障信息，系統建立故障的邏輯模型，實時診斷故障是由什么條件產生的，故障的邏輯診斷是怎樣的，故障發生后，系統明確給出故障發現的原因，并給出運營與維修建議。

3.1.3 遠程控制

系統可通過設置在控制中心的控制終端對列車進行部分功能的遠程控制，例如：空調溫度遠程設定、受電弓遠程升/降、照明遠程開關、牽引系統故障遠程復位、輔助系統故障遠程復位、斷路器遠程復位、遠程強制自檢通過等。

3.1.4 視頻聯動

當車輛發生故障、煙火報警或有乘客觸發緊急對講、旋動緊急手柄時，車輛調系統通過與PIS和CCTV系統的聯動控制，將相關區域的視頻畫面推送至顯示終端，幫助操作人員遠程準確的處理故障。

3.2 運維系統

運維系統是車輛健康評估、故障提前預測與檢修管理，保障車輛即將發生的故障提前感知并進行診斷維修，有以下幾個功能。

3.2.1 健康評分

基于車輛設計思想，根據采集到的數據，建立列車健康指數評估體系，進而依據該體系，按各系統分權重綜合建立大數據分析探索模型，對車輛健康狀態進行客觀準確評估，根據不同程度的得分給出列車相應的運營建議。

3.2.2 故障預警

系統具有車輛預警功能，系統采用自學習與故障機理分析融合的算法，根據大量歷史車載數據的積累，綜合給出故障預警的算法模型，實現對車輛故障的準確預警，也可根據當前實時的車載數據預測列車在未來時間內的故障發生機率。

3.2.3 統計分析

運維系統統計各重要的關鍵指標，比如故障、能耗、里程等。可以按照不同時間段、不同部件等多維度進行統計。對各類數據項進行組合對比，為用戶提供自主分析的功能，達到輔助決策、支撐運營管理的目的。

3.2.4 檢修管理

系統可按計劃或故障觸發等方式自動生成檢修和故障工作單，可以對列車檢修后的狀態進行評估，并具備根據列車最新狀態給出調整維護周期及工藝的建議和意見功能。同時能對作業人員、地點、檢修策略、檢修方案等要素進行管理。支持按照部位、類別、故障等不同的類型實現故障代碼體系的層次化維護，自動根據故障類別推薦相關的原因代碼與處理意見。

3.2.5 運維決策

通過列車大數據積累，系統可以更準確的判斷列車的健康狀態，與檢修規程結合，提供列車的狀態修和預防修等運維決策。

3.3 車輛監測系統

車輛監測系統定位于監測列車狀態的輔助系統，負責上述軌旁設備信息的采集及初步分析處理，在列車運行通過軌旁監測設備時，以列車為單位自動采集走形部、車頂、車側、車底、受電弓的異物、缺損、姿態等狀態信息，并能根據異常按車號、部位、時間進行分析報警，將監測及初步分析結果上傳到控制中心的服務器集群。

3.3.1 輪對故障動態監測系統

輪對故障動態檢測系統安裝在車輛段/停車場入庫線上，由車輪外形幾何尺寸檢測子系統、車輪擦傷（與鋼軌接觸區域）檢測子系統、車輪踏面缺陷動態圖像監測、輪軌振動監測等子系統組成，實現能夠檢測車輪外形幾何尺寸、踏面擦傷、車輪踏面表面部缺陷、輪緣厚度、輪緣高度、車輪直徑、車輪不圓度、輪對內測距等功能。

3.3.2 全車360°動態圖像監測系統

列車全車360°動態圖像監測系統安裝在車輛段/停車場入庫線上，采用圖像分析的手段，實現對走行部、車側、車頂、受電弓及其他關鍵部件工作狀態進行全面監測，包括但不限于螺栓螺母的松動及丟失，各類管線脫落，車頂異物侵入，車地懸掛設備、牽引電機、齒輪箱等關鍵部件脫落、丟失、變形等，對異常情況進行自動報警。

3.3.3 受電弓在線監測系統

受電弓在線監測系統安裝于線路運營正線上，利用多個高速、高分辨率的相機以及高精度傳感器，采用激光定位技術，精確采集受電弓和絕緣子等主要部件的圖像，通過圖像識別及結構光技術，對受電弓的常見故障（碳滑板磨耗、偏磨、掉塊等）、異常的部件（如絕緣子的外觀，滑板裂紋、異物、平行度、偏轉角度等）、受電弓結構變化、受電弓姿態進行自動識別并報警。

3.3.4 走行部紅外溫度監測系統

列車在運行中，滾動軸承、齒輪箱、電機等關鍵部件均會產生溫升，溫度超限會極大影響行車安全，如果不能在線及時監測到異常的高溫就會出現滾子脫落、斷軸等直接危及行車安全的事故。針對此種情況，我們采用紅外技術動態采集在線列車的軸承部位、齒輪箱部位、電機部位溫度，列車溫度異常時發出報警信息，能夠以紅外熱圖方式顯示溫度信息，實現對在線列車溫度的安全監控。

4? 展望

本系統的將車載、軌旁數據融合至同一平臺，采用大數據的理念進行分析處理、智能決策，尤其是針對采用全自動運行系統的線路，系統提供了列車在線運行的全方位狀態監控及計劃性運維，符合當前智能化的大趨勢，當然技術的完善逐步優化的，在現有設計的基礎上，仍需在以下幾個方面深入研究。

4.1 系統的可靠性

全自動運行系統中的列車行駛在線路上，一切常規的監視和操控均在遠程進行，無疑本系統成為了列車的“眼睛”，系統的可靠性是安全運行的重要基礎，如何提升系統的可靠性，除增加系統的冗余性外，還需要繼續深入的分析完善各項功能，在方案落地后根據試驗、運營的實際情況探索優化。

4.2 數據的積累

本系統部分功能的實現，如運維決策功能是需要通過長期的數據積累，可以更準確的判斷列車的健康狀態，再將列車健康狀態與檢修進行關聯性匹配，并給出調整維護周期及工藝的建議，所以數據的積累和系統學習是持續的。

4.3 系統的聯動配合

軌道交通線路項目中，列車與信號、通信、綜合監控系統是緊密互動的，全自動運行系統尤甚。相關專業在可視化的終端處又會設置行調、車輛調、乘客調、環調等作業角色，所以各專業間的職能界面和功能聯動是需要根據實際運營方案及時調整優化的，這里說的優化某種意義上也可以理解為簡化，使系統操作簡單、高效是智能化的有力支撐。

4.4 線網化

隨著線網的建設，如何做到數據統一協調，服務于網間的多條線路，做到互聯互通也是本系統接下來的深入研究方向。同時整個線網的數據又能反哺系統，使系統更為有效地學習與自我完善，更精準的服務線網。

5? 結論

全自動運行系統是未來軌道交通的一個重要發展方向，在既有技術經驗的基礎上，本文論述的全自動運行車輛調度管理系統是可行的，為列車安全的自動行駛和智能運維提供了有力支撐，當然，對系統的可靠性、實用性、多維化、智能化是我們持續關注并探索的目標。后期通過實際運營的驗證、總結經驗，并進一步優化系統彈性和智能化水平的原理、方法和技術后，相信可以為軌道交通事業科學的可持續發展做出貢獻。

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