基于全要素、全過(guò)程數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)

郭建偉 司軍民 趙夢(mèng)露 張里洋

(1.太原市軌道交通發(fā)展有限公司，030032，太原；2.中車(chē)永濟(jì)電機(jī)有限公司，044500，永濟(jì)∥第一作者，高級(jí)工程師)

我國(guó)城市軌道交通在快速發(fā)展過(guò)程中也面臨諸多痛點(diǎn)問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)需求：據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，2020年由于故障原因共發(fā)生5 min及以上延誤事件1 023次，列車(chē)退出正線故障共計(jì)7 405次[1]；由于不同線路、不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間互聯(lián)互通性差，導(dǎo)致線網(wǎng)運(yùn)力和運(yùn)量匹配度低，系統(tǒng)運(yùn)行協(xié)同與設(shè)備設(shè)施維護(hù)難度較大；檢修作業(yè)的效率低、成本高，難以滿足更加可靠、經(jīng)濟(jì)和智能的運(yùn)維需求；車(chē)輛運(yùn)營(yíng)負(fù)荷急劇增加、運(yùn)行成本高，亟需實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以提升運(yùn)能運(yùn)力。運(yùn)維中缺少線網(wǎng)級(jí)的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，缺少全生產(chǎn)要素?cái)?shù)字化覆蓋的智能化日常維保和維修作業(yè)平臺(tái)。

解決上述痛點(diǎn)問(wèn)題和現(xiàn)實(shí)需求的關(guān)鍵之一是加強(qiáng)車(chē)輛運(yùn)維管理。本文介紹的基于全要素、全過(guò)程數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)車(chē)輛運(yùn)維高效管理的技術(shù)手段之一。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

圍繞國(guó)家戰(zhàn)略、聚焦行業(yè)需求，依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)手段，突破城市軌道交通車(chē)輛多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合集成技術(shù)、車(chē)輛健康診斷技術(shù)，構(gòu)建基于全過(guò)程、全要素?cái)?shù)據(jù)融合應(yīng)用的城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)，打造集車(chē)輛、軌旁、場(chǎng)段、檢修和總控等多功能于一體的智能運(yùn)維平臺(tái)，推動(dòng)構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化城市軌道交通運(yùn)維服務(wù)新模式。該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.2 功能定位

該系統(tǒng)基于新一代信息技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、特征提取、狀態(tài)評(píng)估、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、維修模式優(yōu)化和維修決策等智能化應(yīng)用功能，構(gòu)建集合車(chē)輛、軌旁等與行車(chē)安全密切相關(guān)的多專(zhuān)業(yè)智能運(yùn)維系統(tǒng)，達(dá)到多專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、數(shù)據(jù)綜合監(jiān)視、故障聯(lián)動(dòng)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及數(shù)據(jù)綜合展示的目的。進(jìn)而實(shí)現(xiàn)降低維修保障費(fèi)用，降低設(shè)備運(yùn)行期間因故障引起的風(fēng)險(xiǎn)，縮短設(shè)備全生命周期維修時(shí)間，提高設(shè)備可用性，保障運(yùn)營(yíng)安全。

1.3 業(yè)務(wù)場(chǎng)景

該系統(tǒng)整體覆蓋城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維的全過(guò)程和業(yè)務(wù)場(chǎng)景。依托車(chē)地?zé)o線傳輸、云平臺(tái)、大數(shù)據(jù)挖掘和智能檢修設(shè)備，圍繞“智慧列車(chē)、智慧監(jiān)測(cè)、智慧檢修”構(gòu)建車(chē)輛健康管理、軌旁智能檢測(cè)、車(chē)輛檢修管理、智能場(chǎng)段管理和智能總控中心五大系統(tǒng)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，結(jié)合運(yùn)行監(jiān)控與故障預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)健康管理。同時(shí)，將故障診斷報(bào)警、故障趨勢(shì)預(yù)測(cè)信息與部件全壽命狀態(tài)維修管理數(shù)據(jù)、場(chǎng)段的車(chē)輛運(yùn)用調(diào)度數(shù)據(jù)貫通聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)檢修運(yùn)維服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)品運(yùn)行狀態(tài)精準(zhǔn)協(xié)同，提升智能化服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)效率。最終所有信息和數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚至智能總控中心進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、調(diào)度和管理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)智能運(yùn)維場(chǎng)景的數(shù)據(jù)閉環(huán)。該系統(tǒng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)業(yè)務(wù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

2 技術(shù)架構(gòu)

傳統(tǒng)信息集成平臺(tái)能夠滿足日常業(yè)務(wù)的處理要求，但伴隨全過(guò)程、全要素車(chē)載、軌旁等設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，傳統(tǒng)信息集成平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)交換能力、數(shù)據(jù)展現(xiàn)能力以及數(shù)據(jù)互動(dòng)能力都已無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代的要求[2]。城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)升級(jí)與數(shù)據(jù)融通應(yīng)用的關(guān)鍵在于打破各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)間的壁壘。

本文提出的基于全過(guò)程、全要素的城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)，基于實(shí)際運(yùn)維業(yè)務(wù)場(chǎng)景的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化需求，其總體設(shè)計(jì)思路為：①基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、軌旁等設(shè)備的物聯(lián)接入，使設(shè)備具有自動(dòng)感知能力；②采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)四層體系架構(gòu)[3]，選取先進(jìn)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)作為整體數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐數(shù)據(jù)資源的泛在連接、彈性供給和高效配置；③基于微服務(wù)架構(gòu)，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，形成基于統(tǒng)一平臺(tái)的差異化數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)；④通過(guò)服務(wù)門(mén)戶與大屏指揮終端總攬全局，實(shí)現(xiàn)跨專(zhuān)業(yè)的聯(lián)動(dòng)指令。對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采集、存儲(chǔ)、計(jì)算和應(yīng)用四個(gè)階段，將整個(gè)平臺(tái)劃分為感知傳輸層、數(shù)據(jù)平臺(tái)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和服務(wù)門(mén)戶層。該系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)維系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1)感知傳輸層：是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)及輸入，重點(diǎn)包括各專(zhuān)業(yè)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)接入以及運(yùn)營(yíng)線路沿線的氣象信息接入。在各專(zhuān)業(yè)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)接入方面，重點(diǎn)將車(chē)輛、車(chē)站設(shè)備、軌旁、供電、信號(hào)等當(dāng)前狀態(tài)信息數(shù)據(jù)通過(guò)車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)收集并分類(lèi)匯總至線路級(jí)中轉(zhuǎn)服務(wù)，結(jié)合一車(chē)一協(xié)議歸集至線網(wǎng)級(jí)的統(tǒng)一管控平臺(tái)，進(jìn)行監(jiān)控分析。在運(yùn)營(yíng)線路沿線的氣象信息接入方面，重點(diǎn)定位數(shù)據(jù)獲取范圍，對(duì)接氣象系統(tǒng)或線路系統(tǒng)，提供Webservice數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)沙等數(shù)據(jù)自動(dòng)接入；對(duì)于如氣象或地質(zhì)災(zāi)害等信息，定位數(shù)據(jù)獲取項(xiàng)點(diǎn)，基于網(wǎng)絡(luò)爬蟲(chóng)技術(shù)抓取，補(bǔ)充系統(tǒng)對(duì)接數(shù)據(jù)的不足。基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化接口服務(wù)，能夠與各合作廠家的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與交互。

2)數(shù)據(jù)平臺(tái)層：同時(shí)將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新技術(shù)與車(chē)輛運(yùn)維服務(wù)相融合，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、邊云協(xié)同，構(gòu)建更精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)采集體系，建設(shè)包括存儲(chǔ)、集成、訪問(wèn)、分析和管理等功能的平臺(tái)應(yīng)用。

3)業(yè)務(wù)應(yīng)用層：在業(yè)務(wù)應(yīng)用層，結(jié)合場(chǎng)景，以工業(yè)APP的形式為業(yè)務(wù)提供支撐；最終在上層面向不同角色形成車(chē)輛運(yùn)維服務(wù)新模式。

4)服務(wù)門(mén)戶層：這是數(shù)字化建設(shè)的最終目的。通過(guò)引入可視化技術(shù)，將數(shù)據(jù)融合分析應(yīng)用的結(jié)果形象地展示給用戶，方便用戶理解和接受，引導(dǎo)用戶逐步進(jìn)行分析，輔助用戶進(jìn)行運(yùn)營(yíng)決策。

3 功能應(yīng)用

結(jié)合業(yè)務(wù)場(chǎng)景，整體解決方案的核心圍繞車(chē)輛健康管理、軌旁智能檢測(cè)、車(chē)輛檢修管理、智能場(chǎng)段管理和智能總控中心五個(gè)方面進(jìn)行落地。

3.1 車(chē)輛健康管理

重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件以及車(chē)輛的健康評(píng)估與管理功能，通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合，分層分級(jí)構(gòu)建線路監(jiān)控和線網(wǎng)管控系統(tǒng)。主要包括線網(wǎng)管控、線路監(jiān)控、列車(chē)監(jiān)控和系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)列車(chē)正線故障、歷史故障、模型結(jié)果、列車(chē)載重和運(yùn)行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)構(gòu)建合理的健康評(píng)估指標(biāo)和人工智能分析模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵部件以及車(chē)輛的健康評(píng)估與管理功能。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、整合，分層分級(jí)構(gòu)建線路監(jiān)控和線網(wǎng)管控系統(tǒng)，展示單條線路或全網(wǎng)線路的列車(chē)狀態(tài)、列車(chē)位置、配屬統(tǒng)計(jì)和當(dāng)日投運(yùn)等信息。在列車(chē)監(jiān)控方面，基于整車(chē)級(jí)車(chē)載智能運(yùn)維主機(jī)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的走行部、牽引/輔助系統(tǒng)、制動(dòng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)和蓄電池等關(guān)鍵子系統(tǒng)在線故障檢測(cè)和狀態(tài)評(píng)估。通過(guò)5G/4G或庫(kù)內(nèi)Wi-Fi，實(shí)現(xiàn)云端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)建立、狀態(tài)資料查詢和特征對(duì)比等擴(kuò)展功能，滿足數(shù)據(jù)共享需求。

3.2 軌旁智能檢測(cè)

重點(diǎn)是將車(chē)輛物理外觀類(lèi)故障等“直觀”故障現(xiàn)象，通過(guò)視頻圖像分析處理方式進(jìn)行檢測(cè)和標(biāo)記，提高巡檢效率和識(shí)別報(bào)警的準(zhǔn)確率;通過(guò)在車(chē)輛段、正線和軌旁合理配置安裝基于紅外線、激光和線陣相機(jī)等傳感技術(shù)的檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的受電弓檢測(cè)、輪對(duì)檢測(cè)(磨耗件尺寸)、360°圖像檢測(cè)(外表故障)和走行部溫度檢測(cè)等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)車(chē)輛故障、缺陷及問(wèn)題。同時(shí)可同步向相應(yīng)的軌旁設(shè)備提供車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的相互聯(lián)動(dòng)，以便運(yùn)維方及時(shí)采取故障處置措施。軌旁智能檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 軌旁智能檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.3 車(chē)輛檢修管理

重點(diǎn)是綜合智能運(yùn)維模式下的多專(zhuān)業(yè)融合與協(xié)同，通過(guò)故障管理與檢修管理的精準(zhǔn)匹配，快速發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，準(zhǔn)確判別故障原因，及時(shí)采取處置措施。基于標(biāo)準(zhǔn)化修程工藝、有限計(jì)劃排產(chǎn)、智能裝備、物料預(yù)測(cè)與推送和自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，搭建基于“人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)”全生產(chǎn)要素?cái)?shù)字化覆蓋的智能化車(chē)輛日常維保和維修作業(yè)系統(tǒng)。將車(chē)輛健康管理與全生命周期數(shù)據(jù)應(yīng)用有效貫通，將供應(yīng)鏈服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)精準(zhǔn)協(xié)同。當(dāng)車(chē)輛發(fā)生故障或者預(yù)測(cè)到即將發(fā)生故障時(shí)觸發(fā)工單、操作規(guī)程和物料等業(yè)務(wù)流程，確保備品備件、制造和物流等各環(huán)節(jié)有效協(xié)同響應(yīng)。在提升作業(yè)效率與設(shè)備可靠性的同時(shí)降低運(yùn)維成本，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維場(chǎng)景的智能化閉環(huán)。車(chē)輛檢修管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 車(chē)輛檢修管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.4 智能場(chǎng)段管理

重點(diǎn)是基于數(shù)字孿生等技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)可控、軌跡可循和狀態(tài)可查。主要包括安全聯(lián)鎖、自動(dòng)排車(chē)、設(shè)備維保和安全防護(hù)。通過(guò)場(chǎng)段數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)運(yùn)轉(zhuǎn)可控、軌跡可循、狀態(tài)可查和信息可見(jiàn)；通過(guò)情景交融、數(shù)據(jù)共享助力精準(zhǔn)決策。

1)安全聯(lián)鎖：通過(guò)遠(yuǎn)程集中邏輯控制各子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隔離開(kāi)關(guān)分合操作、接觸網(wǎng)驗(yàn)電接地操作和平臺(tái)門(mén)開(kāi)關(guān)操作之間的緊密聯(lián)鎖關(guān)系。

2)列車(chē)運(yùn)用管理：綜合考慮車(chē)輛里程梯度、檢修狀態(tài)、回段需求和檢修計(jì)劃等多方面因素，自動(dòng)完成收發(fā)車(chē)計(jì)劃安排，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。

3)設(shè)備維保：實(shí)現(xiàn)列車(chē)關(guān)鍵設(shè)備的選型、購(gòu)置、安裝、操作使用、維護(hù)修理和處置等集成管理。

4)安全防護(hù)：安全區(qū)域固定，設(shè)置報(bào)警檢測(cè)設(shè)備，用于檢測(cè)入侵報(bào)警和異常作業(yè)等。

3.5 智能總控中心

重點(diǎn)是借助綜合運(yùn)維調(diào)度指揮中心等實(shí)現(xiàn)信息共享和高效指揮，確保線路正常運(yùn)營(yíng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的扁平化管理與資源優(yōu)化配置。在共享數(shù)據(jù)平臺(tái)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善全過(guò)程、全要素?cái)?shù)據(jù)的收集、分析、監(jiān)控，以及統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度。通過(guò)多專(zhuān)業(yè)協(xié)同聯(lián)動(dòng)控制以及線路智能綜合調(diào)度應(yīng)用，建立城市軌道交通車(chē)輛智能運(yùn)輸組織輔助決策系統(tǒng)。智能總控中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 智能總控中心系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4 應(yīng)用價(jià)值

1)提升車(chē)輛的安全性、可靠性和可用性。經(jīng)綜合評(píng)估與應(yīng)用驗(yàn)證，基于大數(shù)據(jù)與智能算法的車(chē)輛健康管理系統(tǒng)能夠極大提高關(guān)鍵部件的故障診斷和故障預(yù)測(cè)能力。實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛運(yùn)用狀態(tài)的精準(zhǔn)掌控、在線車(chē)輛的交互式應(yīng)急處置以及列車(chē)全生命周期狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估。

2)提升檢修效率，降低運(yùn)維成本。根據(jù)狀態(tài)維修數(shù)據(jù)對(duì)檢修計(jì)劃、檢修執(zhí)行、檢修履歷、人員和物資進(jìn)行綜合管理。當(dāng)修程范圍覆蓋60%以上的人工目檢作業(yè)，同時(shí)減少30%以上的人工檢查工時(shí)，可提高列車(chē)運(yùn)營(yíng)質(zhì)量，降低備品備件庫(kù)存數(shù)量，減少維修成本。

3)助力運(yùn)維模式轉(zhuǎn)型升級(jí)。依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛、軌旁和檢修服務(wù)等數(shù)據(jù)信息融合，助推車(chē)輛運(yùn)維模式、運(yùn)維手段、運(yùn)維技術(shù)和運(yùn)維管理的全面提升。

4)推動(dòng)數(shù)據(jù)深度融合應(yīng)用。打破傳統(tǒng)煙囪式的系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)，基于云邊協(xié)同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)新模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)彈性擴(kuò)展和資源動(dòng)態(tài)平衡；基于云化和微服務(wù)模式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離，突破性能瓶頸，建立全面的能力開(kāi)放體系，支撐產(chǎn)業(yè)生態(tài)化發(fā)展。

5 結(jié)語(yǔ)

智能運(yùn)維是建立在智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的新興的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，是助力城市軌道交通發(fā)展，實(shí)現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全運(yùn)行的有力保障體系[4]。盡管業(yè)界對(duì)于智能運(yùn)維的價(jià)值已形成普遍共識(shí)，但其落地應(yīng)用還處于起步階段，未來(lái)還有很長(zhǎng)的路要走。在這個(gè)進(jìn)程當(dāng)中，需要城市軌道交通運(yùn)營(yíng)公司、主機(jī)設(shè)備廠家和系統(tǒng)供應(yīng)商，以及數(shù)據(jù)和平臺(tái)供應(yīng)商共同努力和攜手并進(jìn)，共建智能運(yùn)維生態(tài)圈，共享城市軌道交通運(yùn)維的“藍(lán)海”市場(chǎng)，推動(dòng)“智慧地鐵”建設(shè)目標(biāo)的全面實(shí)現(xiàn)。