基于軌道交通車輛系統(tǒng)的智能化運(yùn)維設(shè)計(jì)的初步討論

王楠

摘要：隨著互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息技術(shù)在城市軌道交通建設(shè)的不斷應(yīng)用，自動(dòng)化、信息化、數(shù)字化、智能化將成為地鐵車輛運(yùn)維的重要發(fā)展方向。文章分析了目前地鐵車輛運(yùn)維現(xiàn)狀及發(fā)展，指出以實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維需要解決的問(wèn)題，并結(jié)合既有模式，對(duì)其系統(tǒng)組成的概念、過(guò)程及存在的問(wèn)題進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛;智能運(yùn)維系統(tǒng)

前言：

隨著我國(guó)軌道交通行業(yè)迅速發(fā)展，在軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施方面的投入也在不斷加大，同時(shí)對(duì)城市軌道交通的安全性、可靠性，網(wǎng)絡(luò)化、智能化的要求也越來(lái)越高。伴隨著國(guó)家“十三五”先進(jìn)軌道交通戰(zhàn)略的推進(jìn)，軌道交通運(yùn)維智能化與健康管理被標(biāo)定為行業(yè)發(fā)展新方向。如何在保證城市軌道交通安全性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化，最大限度的節(jié)省人力、物力，節(jié)省設(shè)備資源成為了城市交通行業(yè)亟待解決的問(wèn)題。

1. 地鐵車輛智能化運(yùn)維發(fā)展現(xiàn)狀

軌道交通行業(yè)車輛系統(tǒng)由牽引、制動(dòng)、輔助、列車網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)子系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)接口通過(guò)MVB總線實(shí)現(xiàn)，并由列車控制單元（VCU單元）集中對(duì)外進(jìn)行接口管理，各系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口關(guān)系如圖1所示。

這種系統(tǒng)接口架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)車輛子系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享，狀態(tài)數(shù)據(jù)互通，列車控制單元（VCU）能夠通過(guò)與各子系統(tǒng)間的接口數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)功能控制和故障診斷的重要作用。目前MVB總線在車輛自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)上發(fā)揮著重要的作用。

隨著智能化技術(shù)的日漸發(fā)展，城市軌道交通的智能化運(yùn)維發(fā)展趨勢(shì)已然形成，智能化運(yùn)維也成為地鐵車輛系統(tǒng)技術(shù)更新的內(nèi)驅(qū)動(dòng)力。智能化運(yùn)維是結(jié)合運(yùn)維技術(shù)、車輛設(shè)備技術(shù)及數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、車輛狀態(tài)診斷及故障定位，輸出維修建議、并與檢修作業(yè)聯(lián)動(dòng)管理的系統(tǒng)。它不僅可以改善車輛檢修依靠人員以往經(jīng)驗(yàn)的現(xiàn)象，還可以不斷積累運(yùn)維數(shù)據(jù)、開(kāi)發(fā)智能專家系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維決策、達(dá)到故障預(yù)測(cè)與健康管理的功能。

2. 地鐵車輛智能化運(yùn)維系統(tǒng)組成

智能化運(yùn)維平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、應(yīng)用層。平臺(tái)通過(guò)車地通信傳輸接收車輛TCMS或其他子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)或離線數(shù)據(jù)，依托數(shù)據(jù)中心，采用大數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，經(jīng)過(guò)一系列綜合診斷分析，以各種報(bào)表圖形或信息推送的形式向用戶展示分析結(jié)果。并建立專家知識(shí)庫(kù)，針對(duì)診斷出的車輛故障將給出專家建議處理措施。因此，智能化運(yùn)維的實(shí)現(xiàn)需要解決數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)整合和數(shù)據(jù)呈現(xiàn)四個(gè)問(wèn)題。

2.1數(shù)據(jù)采集

采集數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)智能化運(yùn)維的首要工作，它的本質(zhì)是“以運(yùn)營(yíng)各級(jí)調(diào)度的角度向設(shè)備獲得數(shù)據(jù)”。運(yùn)營(yíng)調(diào)度包含行車調(diào)度、車場(chǎng)調(diào)度、電調(diào)、環(huán)調(diào)和檢修調(diào)度等，主要面向地鐵運(yùn)行、設(shè)備管理、調(diào)度管理、維修管理和狀態(tài)管理工作。

為滿足各級(jí)運(yùn)營(yíng)調(diào)度的數(shù)據(jù)需求，智能化運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)用軌旁和車載監(jiān)測(cè)設(shè)備采集各系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)，它們通過(guò)豐富的傳感技術(shù)獲取圖像、聲音、電信號(hào)、磁信號(hào)、脈沖、震動(dòng)等各種不同形式的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)調(diào)度的數(shù)據(jù)需求。這些數(shù)據(jù)以不同格式、不同通訊協(xié)議接入運(yùn)維支持平臺(tái)。

運(yùn)營(yíng)調(diào)度對(duì)車輛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)需求主要有以下兩類：

一是實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，地鐵車輛各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量表征，在既有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，含MCU控制單元的系統(tǒng)能夠通過(guò)采集電壓、電流等電信號(hào)表征電路狀態(tài)，例如牽引系統(tǒng)可通過(guò)采集電壓電流信號(hào)定量表征逆變器運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)的啟動(dòng)狀態(tài)、牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速和力矩值、接觸器狀態(tài)等，但對(duì)于不含MCU控制單元的系統(tǒng)則無(wú)法做到實(shí)時(shí)獲取定量狀態(tài)，如轉(zhuǎn)向架狀態(tài)、弓網(wǎng)狀態(tài)、異物檢測(cè)結(jié)果等，針對(duì)這樣的系統(tǒng)，可以借助既有具備控制單元的系統(tǒng)采樣傳感器進(jìn)行檢測(cè)，或者單獨(dú)將這些新需求根據(jù)功能集成起來(lái)，單獨(dú)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，如走行部檢測(cè)系統(tǒng)、司機(jī)眼系統(tǒng)等新系統(tǒng)。有人駕駛線路中，列車各系統(tǒng)狀態(tài)由司機(jī)全面掌握，運(yùn)營(yíng)調(diào)度只能通過(guò)與司機(jī)溝通才可獲得列車牽引制動(dòng)能力。在智能化運(yùn)維和全自動(dòng)運(yùn)行項(xiàng)目中，列車的實(shí)時(shí)狀態(tài)只能由運(yùn)營(yíng)調(diào)度中心掌握，這兩種模式的差異不僅僅是數(shù)據(jù)呈現(xiàn)對(duì)象的改變，更是數(shù)據(jù)采集量和數(shù)據(jù)種類成倍增加的變化。在有人駕駛模式下，當(dāng)列車出現(xiàn)抖動(dòng)、異響、間隙檢查、人員疏散和異物檢查等情況時(shí)應(yīng)由司機(jī)判斷和處置，但在無(wú)人駕駛模式下，這些情況的判斷非常困難，為盡可能地替代司機(jī)，列車需要增加更多的傳感器和技術(shù)來(lái)獲取車輛數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)智能化控制。

二是診斷數(shù)據(jù)，子系統(tǒng)通過(guò)采樣獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后，應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)原理對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯判斷，形成故障診斷信息，從使用者（運(yùn)營(yíng)調(diào)度）的視角出發(fā)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是“無(wú)意義”的，因?yàn)槭褂谜咝枰浅Ｇ宄到y(tǒng)原理，才能明白基礎(chǔ)數(shù)據(jù)代表的真實(shí)意義，以受電弓受流網(wǎng)壓為例，牽引系統(tǒng)通過(guò)電壓傳感器實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)壓值，這種網(wǎng)壓值對(duì)于使用者來(lái)說(shuō)就是無(wú)意義的，診斷工作就是賦予數(shù)據(jù)意義，從而對(duì)使用者形成指導(dǎo)意見(jiàn)，例如通過(guò)設(shè)定正常網(wǎng)壓范圍，設(shè)計(jì)網(wǎng)壓超限的邏輯，最終為運(yùn)營(yíng)組織提供決策依據(jù)。各子系統(tǒng)處理基礎(chǔ)數(shù)據(jù)形成診斷數(shù)據(jù)的另一個(gè)目的還在于為系統(tǒng)保護(hù)提供數(shù)據(jù)，子系統(tǒng)診斷出故障信息或異常信息后，根據(jù)系統(tǒng)原理評(píng)估故障嚴(yán)重性和影響，進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。

子系統(tǒng)采樣獲取基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)診斷賦予數(shù)據(jù)意義后，會(huì)上傳至管理系統(tǒng)進(jìn)行更綜合的診斷工作。以車輛系統(tǒng)為例，牽引、輔助、空調(diào)等系統(tǒng)作為采集基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的子系統(tǒng)，可直接與底層設(shè)備（牽引電機(jī)、逆變器、空調(diào)壓縮機(jī)等）交互， TCMS系統(tǒng)是管理系統(tǒng)，將各子系統(tǒng)發(fā)送的接口數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整車狀態(tài)的診斷。從某種意義上說(shuō)，管理系統(tǒng)是更高級(jí)、更綜合的子系統(tǒng)，并且可分為整車級(jí)、線路級(jí)和線網(wǎng)級(jí)等類型。

2.2數(shù)據(jù)傳輸

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被采集后，需要通過(guò)各種組網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其中，MVB總線具備數(shù)據(jù)傳輸功能，但面對(duì)更加豐富多樣、來(lái)源更加復(fù)雜的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，MVB協(xié)議已不能滿足其傳輸任務(wù)，因此，車輛將需要更多的傳輸通道和協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)傳輸工作應(yīng)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型，從運(yùn)營(yíng)調(diào)度的需求出發(fā)，車輛系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可分兩類，一是文本數(shù)據(jù)，二是多媒體數(shù)據(jù)。文本數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)量小，信息純度高，系統(tǒng)對(duì)文本數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性具有較高的要求，列車的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)和診斷數(shù)據(jù)多以文本數(shù)據(jù)形式。多媒體數(shù)據(jù)包括視頻、圖片、聲音和振動(dòng)等，數(shù)據(jù)量大，信息純度低，輔助檢測(cè)系統(tǒng)多采用這類數(shù)據(jù)。車輛系統(tǒng)主要通過(guò)信號(hào)LTE通道和車載通信WLAN通道兩種通道傳輸數(shù)據(jù)，前者主要作為行車相關(guān)數(shù)據(jù)的傳輸通道，數(shù)據(jù)帶寬較小，數(shù)據(jù)安全性和可靠性較高，后者作為視頻、圖像數(shù)據(jù)的傳輸通道，數(shù)據(jù)帶寬較大，可靠性和安全性較低。

2.3數(shù)據(jù)整合

在智能化運(yùn)維模式下，車輛專業(yè)需要打通系統(tǒng)間數(shù)據(jù)開(kāi)放通道，理想情況下的運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)能夠共享子系統(tǒng)和各級(jí)管理系統(tǒng)內(nèi)部的所有數(shù)據(jù)。

一般情況下，子系統(tǒng)獲取的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)并非全部可靠，在既有模式下，TCMS系統(tǒng)下各級(jí)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可靠性較高，能夠使用數(shù)據(jù)來(lái)表征該系統(tǒng)狀態(tài)，其他管理系統(tǒng)也能夠可靠地使用子系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行信息診斷。但在智能化運(yùn)維模式下，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)更加多樣化，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)不具備較高的可靠性。以圖像信號(hào)為例，車載設(shè)備通過(guò)攝像頭獲取弓網(wǎng)關(guān)系、客室客流狀態(tài)、軌道異常、障礙物和門間異物等數(shù)據(jù)，通過(guò)圖像識(shí)別算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，盡管智能化程度較高，但服務(wù)于安全相關(guān)地鐵車輛運(yùn)行，可靠性仍然不夠，因此整合系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，需要考慮數(shù)據(jù)的可靠性問(wèn)題，若基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不足夠可靠，根據(jù)整合數(shù)據(jù)做出的診斷信息可靠性也不會(huì)太高。為避免診斷信息給運(yùn)營(yíng)調(diào)度帶來(lái)信息誤導(dǎo)，診斷工作必須充分結(jié)合數(shù)據(jù)可靠性進(jìn)行，若信息診斷依據(jù)的數(shù)據(jù)可靠性非常高，則診斷信息可以是“某系統(tǒng)發(fā)生了某事件”，若信息診斷依據(jù)的數(shù)據(jù)可靠性較低，則診斷信息可以是“某系統(tǒng)很有可能發(fā)生了某事件”，也許這種信息不是運(yùn)營(yíng)調(diào)度最需要的，但這僅僅只是一種對(duì)于不完全可靠數(shù)據(jù)的使用策略，除此之外還有很多其他的策略，例如對(duì)于可靠性僅有50%的數(shù)據(jù)，可通過(guò)兩種獨(dú)立系統(tǒng)分別采集診斷，通過(guò)投票的方式提高數(shù)據(jù)可靠度。

智能化運(yùn)維模式的可用性極大程度上依賴于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性，所以各系統(tǒng)需要為數(shù)據(jù)的有效性負(fù)責(zé)，不斷提高采集數(shù)據(jù)的可靠度和準(zhǔn)確度是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的技術(shù)目標(biāo)，可以有效避免由于提供“錯(cuò)誤信息”帶來(lái)的決策誤導(dǎo)。

2.4數(shù)據(jù)呈現(xiàn)

如何將系統(tǒng)內(nèi)的診斷信息呈現(xiàn)給運(yùn)營(yíng)調(diào)度是智能化運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最后環(huán)節(jié)，基于運(yùn)營(yíng)調(diào)度面向線路級(jí)甚至線網(wǎng)級(jí)的運(yùn)營(yíng)情況，數(shù)據(jù)量是非常龐大的。智能化運(yùn)維系統(tǒng)和運(yùn)營(yíng)調(diào)度之間的人機(jī)界面需結(jié)合運(yùn)營(yíng)調(diào)度的行車組織規(guī)定和崗位職責(zé)進(jìn)行設(shè)計(jì)，一是使用豐富的圖元呈現(xiàn)列車各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，降低人機(jī)信息傳遞的難度和時(shí)間成本，二是對(duì)系統(tǒng)功能做合理切分和分離，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)契合運(yùn)營(yíng)調(diào)度思維結(jié)構(gòu)，降低運(yùn)營(yíng)調(diào)度操作的時(shí)間成本。

3. 結(jié)束語(yǔ)

本文基于對(duì)城市軌道交通車輛的智能運(yùn)維的現(xiàn)狀的分析及行業(yè)發(fā)展的需求，提出構(gòu)建地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題，為智能化運(yùn)維系統(tǒng)的發(fā)展提供了建設(shè)性意見(jiàn)?！督煌ㄟ\(yùn)輸信息化“十三五”發(fā)展規(guī)劃》指出：推進(jìn)交通運(yùn)輸“互聯(lián)網(wǎng)+”，要求充分利用信息技術(shù)改造傳統(tǒng)交通運(yùn)輸業(yè)，在這種態(tài)勢(shì)下，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)集成平臺(tái)等新技術(shù)快速發(fā)展，對(duì)既有車輛系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型形成倒逼事態(tài)，地鐵車輛是行車運(yùn)營(yíng)組織的重要組成部分，智能化運(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也推動(dòng)著軌道交通車輛發(fā)展的信息化進(jìn)程。

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