基于“一車+一平臺(tái)” 綜合運(yùn)用模式的城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維系統(tǒng)*

尹文澤 李明航** 徐 棟 王文斌

(1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2.北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)管理有限公司, 100068, 北京∥第一作者, 研究實(shí)習(xí)員)

城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱“城軌”)線網(wǎng)規(guī)模逐步擴(kuò)大,基礎(chǔ)設(shè)施服役年限逐漸累積,直接導(dǎo)致設(shè)備故障及設(shè)施老化引起的運(yùn)營(yíng)故障日益增多,嚴(yán)重影響了城軌的安全性和平穩(wěn)性,也對(duì)城軌高品質(zhì)發(fā)展提出了更大的挑戰(zhàn)。切實(shí)提升動(dòng)態(tài)綜合檢測(cè)的智能化水平,建設(shè)檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)全覆蓋、檢測(cè)流程自動(dòng)化、狀態(tài)感知高效化、運(yùn)維管理智能化的城軌智能運(yùn)維系統(tǒng),推進(jìn)城軌運(yùn)維模式轉(zhuǎn)變,是實(shí)現(xiàn)城軌智慧運(yùn)維的關(guān)鍵一步。

文獻(xiàn)[1]以智能巡檢和漏纜監(jiān)測(cè)為例分析了智能運(yùn)維系統(tǒng)的可行性;文獻(xiàn)[2]提出基于“專業(yè)融合+智能運(yùn)維”的合作維保模式,對(duì)實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)維有一定借鑒指導(dǎo)意義;文獻(xiàn)[3]從重要性、建設(shè)要求及保障措施3個(gè)方面分析了智能運(yùn)維平臺(tái)建設(shè)的要求。綜上,現(xiàn)有研究大多為理論研究,且提出的智能運(yùn)維系統(tǒng)仍以單系統(tǒng)、單專業(yè)為主,因此,有必要對(duì)智能運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)綜合評(píng)估。

1 基于“一車+一平臺(tái)”綜合運(yùn)用模式的城軌基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維系統(tǒng)的提出

立足城軌特點(diǎn),結(jié)合中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)發(fā)布的文件[4-5],本文提出基于“一車+一平臺(tái)”綜合運(yùn)用模式的城軌基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維系統(tǒng)(見(jiàn)圖1)。

注:KVM為鍵盤鼠標(biāo)顯示器。

該系統(tǒng)運(yùn)用自動(dòng)化、信息化、綠色化、集成化的檢測(cè)設(shè)備,對(duì)城軌設(shè)施設(shè)備動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行快速精準(zhǔn)感知、快捷高效分析、綜合智能評(píng)估。以集成化檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)智能感知,通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的高價(jià)值利用,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)設(shè)備與地面智能運(yùn)維平臺(tái)互聯(lián)互通,最終打造智慧城軌運(yùn)維系統(tǒng)。

2 集成多種智能感知系統(tǒng)的載體車輛

“一車”是指集成多種智能感知系統(tǒng)的載體車輛。城軌基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)早期以人工靜態(tài)檢測(cè)為主,目前逐步向動(dòng)態(tài)檢測(cè)發(fā)展。城軌基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展歷程見(jiàn)圖2。針對(duì)動(dòng)態(tài)檢測(cè)裝備,早期基本采用單專業(yè)工程檢測(cè)車。隨著檢測(cè)技術(shù)的提升以及智慧城軌建設(shè)的不斷推進(jìn),為了有效提高基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)效率及質(zhì)量,提升運(yùn)維水平,打造了包括電驅(qū)綜合檢測(cè)平臺(tái)、車載綜合檢測(cè)系統(tǒng)及城軌綜合檢測(cè)車等在內(nèi)的多專業(yè)感知設(shè)備載體系統(tǒng),可覆蓋輪軌、弓網(wǎng)、隧道、通信、信號(hào)等10余種專業(yè),實(shí)現(xiàn)提高運(yùn)維質(zhì)量、降低運(yùn)維成本等目標(biāo)[6]。不同檢測(cè)系統(tǒng)的搭載形式均有其優(yōu)劣勢(shì),但在綠色化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)下,車載綜合檢測(cè)系統(tǒng)及城軌綜合檢測(cè)車有望呈現(xiàn)更好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。一般推薦采用車載綜合檢測(cè)系統(tǒng)+城軌綜合檢測(cè)車的檢測(cè)裝備配置方案。部分檢測(cè)頻次較高、需要跟蹤監(jiān)測(cè)的巡檢系統(tǒng)使用運(yùn)營(yíng)列車作為載體,解決車輛運(yùn)行品質(zhì)監(jiān)測(cè)問(wèn)題,減少占用天窗次數(shù);其余并不需要跟蹤監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以使用城軌綜合檢測(cè)車作為載體,實(shí)現(xiàn)全斷面檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析,并依托海量檢測(cè)數(shù)據(jù)識(shí)別系統(tǒng)病害,從而開(kāi)展綜合評(píng)估。

圖2 城軌基礎(chǔ)設(shè)施動(dòng)態(tài)檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展歷程

城軌綜合檢測(cè)車將常規(guī)的軌道檢測(cè)車、弓網(wǎng)檢測(cè)車等的功能集成于與運(yùn)營(yíng)列車相同制式的車輛上,可開(kāi)展新線路的綜合調(diào)試工作,以及運(yùn)營(yíng)線路的日常檢測(cè)工作[7]。目前,國(guó)外尚無(wú)關(guān)于城軌綜合檢測(cè)車的研究及應(yīng)用案例。近年來(lái),隨著城軌運(yùn)營(yíng)線路數(shù)量與里程的增加,以及運(yùn)維觀念的轉(zhuǎn)變,綜合檢測(cè)車技術(shù)正在被越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)單位接受。我國(guó)已建成的城軌綜合檢測(cè)車包括中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司牽頭研發(fā)的3節(jié)編組B型綜合檢測(cè)車,以及深圳市地鐵集團(tuán)有限公司牽頭研發(fā)的2節(jié)編組B型綜合檢測(cè)車。由于城市軌道交通相對(duì)于高速鐵路運(yùn)行速度較低,因此城軌綜合檢測(cè)車可實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與巡檢技術(shù)的融合。

2021年12月,中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司牽頭研發(fā)的國(guó)內(nèi)首列3節(jié)編組B型城軌綜合檢測(cè)車在北京地鐵19號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“19號(hào)線”)上首次開(kāi)展上線測(cè)試,實(shí)現(xiàn)了工程示范應(yīng)用。截至目前,以每月1次的頻率在19號(hào)線開(kāi)展了10余次周期性檢測(cè)服務(wù),發(fā)現(xiàn)了諸如軌道幾何異常、扣件缺失、軌面擦傷、弓網(wǎng)受流性能異常、接觸網(wǎng)安裝缺陷、隧道襯砌表面裂紋及隧道滲漏水等諸多問(wèn)題,輔助運(yùn)營(yíng)公司解決了許多實(shí)際問(wèn)題。雖然既有城軌綜合檢測(cè)車在19號(hào)線的示范應(yīng)用取得了良好效果,但其在基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)感知方面仍存在檢測(cè)能力不足、檢測(cè)手段不豐富、檢測(cè)維度不完善的缺陷,且并未實(shí)現(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)的集中管控和綜合利用。建設(shè)新一代城軌綜合檢測(cè)車,改善現(xiàn)有技術(shù)短板和弱項(xiàng),全面提高檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合利用效率,實(shí)現(xiàn)線路全斷面關(guān)鍵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)的主動(dòng)感知,推動(dòng)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型,支撐智慧運(yùn)維。

新一代城軌綜合檢測(cè)車具備以下功能:

1) 少人值守下的數(shù)據(jù)采集。智能運(yùn)維系統(tǒng)的基礎(chǔ)是對(duì)城軌基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備各類數(shù)據(jù)指標(biāo)的準(zhǔn)確感知。檢測(cè)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)一體化集中管控,支持全過(guò)程自動(dòng)檢測(cè),單人可操作多個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集,節(jié)省了人工成本。數(shù)據(jù)采集流程見(jiàn)圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程

2) 狀態(tài)監(jiān)控。各專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)具備故障自診斷功能,檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件可將部分故障判定指標(biāo)實(shí)時(shí)上傳至車載輔助系統(tǒng),車載輔助系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)控各專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況,一旦發(fā)現(xiàn)異常指標(biāo)可進(jìn)行故障報(bào)警。

3) 數(shù)據(jù)傳輸。城軌綜合檢測(cè)車采集到的各種基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)5G(第5代移動(dòng)通信技術(shù))或其他專用網(wǎng)絡(luò),或通過(guò)儲(chǔ)存媒介如硬盤等,傳輸?shù)降孛娴幕A(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái),以便進(jìn)行后續(xù)處理。數(shù)據(jù)傳輸示意圖見(jiàn)圖4。

a) 通過(guò)儲(chǔ)存媒介傳輸

4) 安全防護(hù)。新一代城軌綜合檢測(cè)車配備了車載信號(hào)系統(tǒng),該系統(tǒng)可提供列車運(yùn)行間隔控制及超速防護(hù),即根據(jù)線路狀態(tài)、道岔位置等條件,確保與追蹤車輛前后的安全列車間隔距離,防止綜合檢測(cè)車超速和撞車。對(duì)城軌綜合檢測(cè)車開(kāi)展與列車相同運(yùn)行工況的等速檢測(cè),最終可實(shí)現(xiàn)其自主安全運(yùn)行。

3 基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)

“一平臺(tái)”是指基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)[8]。為充分發(fā)揮檢測(cè)設(shè)備載體的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及數(shù)據(jù)匯集能力,破除數(shù)據(jù)孤島,打通專業(yè)壁壘,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)閉環(huán),可建設(shè)軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái),從而解決數(shù)據(jù)匯集、統(tǒng)一、標(biāo)準(zhǔn)化及計(jì)算處理等問(wèn)題,并且利用數(shù)據(jù)分析結(jié)果為業(yè)務(wù)專家、工程師、管理人員提供決策依據(jù)。

3.1 平臺(tái)架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)總體架構(gòu)分為5層,該平臺(tái)通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,利用數(shù)據(jù)感知手段對(duì)不同來(lái)源數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集,通過(guò)技術(shù)支撐實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合應(yīng)用[9]。基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)總體架構(gòu)如圖5所示。其中:基礎(chǔ)層主要進(jìn)行專業(yè)基礎(chǔ)信息管理,包括基礎(chǔ)設(shè)施臺(tái)賬、線路設(shè)計(jì)要素、檢修數(shù)據(jù)、問(wèn)題數(shù)據(jù)及人財(cái)物等數(shù)據(jù),對(duì)不同來(lái)源、分散異構(gòu)的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚合,實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源管理;感知層以綜合檢測(cè)為主,配合人工檢測(cè)及在線監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施物理屬性及健康狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)感知;支撐層為平臺(tái)提供系統(tǒng)運(yùn)維環(huán)境、多類型數(shù)據(jù)接口、分布式存儲(chǔ)、智能化分析等技術(shù)支撐;應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析利用,實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用系統(tǒng)跨數(shù)據(jù)庫(kù)、跨系統(tǒng)平臺(tái)的無(wú)縫接入和集成;決策層實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)智能化業(yè)務(wù)決策與執(zhí)行。

注:GIS為地理信息系統(tǒng);BIM為建筑信息模型。

3.2 平臺(tái)功能

基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)功能架構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖6 基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)功能架構(gòu)示意圖

1) 數(shù)據(jù)管理。基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)針對(duì)各檢測(cè)系統(tǒng)采樣頻率不同的問(wèn)題,基于數(shù)值分析方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顆粒度的統(tǒng)一,整合軌道、接觸網(wǎng)、弓網(wǎng)、隧道、巡檢等檢測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)一枕一檔的線路基礎(chǔ)設(shè)施里程精確定位與精細(xì)化管理方法,達(dá)到各專業(yè)檢修數(shù)據(jù)的時(shí)空同步,保證對(duì)比、趨勢(shì)等分析的數(shù)據(jù)可靠性與真實(shí)性。基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)通過(guò)對(duì)每次檢測(cè)數(shù)據(jù)的智能化分析,形成專業(yè)化數(shù)據(jù)分類分級(jí)系統(tǒng)架構(gòu)、數(shù)據(jù)資產(chǎn)目錄、主數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及元數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理標(biāo)準(zhǔn)化成果;該平臺(tái)可構(gòu)建城軌線路、土建運(yùn)維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng),形成數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)質(zhì)量驗(yàn)核規(guī)則、數(shù)據(jù)編碼規(guī)則、數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)規(guī)則及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)規(guī)范等數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化成果。

2) 數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。通過(guò)對(duì)不同定位技術(shù)進(jìn)行聯(lián)合使用,實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)高精度時(shí)空統(tǒng)一,同時(shí)將各類型數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)打通,以生成自動(dòng)化、多維度、綜合性分析評(píng)價(jià)與報(bào)告;根據(jù)基礎(chǔ)臺(tái)賬信息分析基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)發(fā)展規(guī)律以及預(yù)測(cè)發(fā)展趨勢(shì),圍繞線路與土建專業(yè)的檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)、統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析及對(duì)比分析,以及線路與車輛、線路與土建、線路與供電、線路與通號(hào)等多專業(yè)數(shù)據(jù)融合與關(guān)聯(lián)分析;通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘、分析預(yù)測(cè)等方法,對(duì)軌道結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)備故障診斷、狀態(tài)預(yù)測(cè),為設(shè)備壽命和健康管理、安全監(jiān)控提供數(shù)據(jù)支持。

3) 運(yùn)維管理。運(yùn)維管理功能是基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)最為重要的功能,旨在實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施維修管理由經(jīng)驗(yàn)支撐向數(shù)據(jù)支撐轉(zhuǎn)變,維修模式由故障修、計(jì)劃修向狀態(tài)修、預(yù)測(cè)修轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施狀態(tài)及發(fā)展規(guī)律預(yù)測(cè),以及對(duì)異常情況的預(yù)警,形成城市軌道交通線網(wǎng)集約維護(hù)新模式。基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)可智能化制定檢查計(jì)劃,結(jié)合運(yùn)營(yíng)公司檢修作業(yè)安排與基礎(chǔ)設(shè)施現(xiàn)狀制定適應(yīng)于線路運(yùn)營(yíng)的綜合性指標(biāo)評(píng)價(jià)體系,合理調(diào)度具備相應(yīng)資質(zhì)能力的檢修人員,指導(dǎo)作業(yè)流程,降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn),提高作業(yè)質(zhì)量,在保障安全的基礎(chǔ)上減少過(guò)檢、過(guò)修;基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維工作中要重點(diǎn)監(jiān)控運(yùn)維工作人員的安全行為,保障線路準(zhǔn)確出清,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警,通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理手段與管理模型的轉(zhuǎn)變。

4) 數(shù)據(jù)可視化展示。通過(guò)基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)展示各專業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理結(jié)果,如線路基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)動(dòng)靜態(tài)幾何檢測(cè)總覽頁(yè)面、檢測(cè)數(shù)據(jù)波形圖、分類統(tǒng)計(jì)、對(duì)比分析、趨勢(shì)分析及檢測(cè)報(bào)告等,形成線路、土建基礎(chǔ)設(shè)施空間關(guān)聯(lián)耦合模型,結(jié)合GIS、BIM等可視化技術(shù),通過(guò)GIS整體展示全線網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的位置與狀態(tài),實(shí)現(xiàn)同里程處基礎(chǔ)設(shè)施與病害的關(guān)聯(lián)展示。通過(guò)BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下的基礎(chǔ)設(shè)施與病害問(wèn)題的精細(xì)化展示。基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化效果截圖見(jiàn)圖7。

圖7 基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)數(shù)據(jù)可視化效果截圖

4 結(jié)語(yǔ)

“一車+一平臺(tái)”城軌基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維系統(tǒng)由集成多種感知系統(tǒng)的載體車輛和基礎(chǔ)設(shè)施智能運(yùn)維平臺(tái)構(gòu)成,融合了智能感知、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù),推進(jìn)建設(shè)檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)全覆蓋、檢測(cè)流程自動(dòng)化、狀態(tài)感知高效化、運(yùn)維管理智能化的城軌智能運(yùn)維系統(tǒng),旨在實(shí)現(xiàn)維修模式由故障修、計(jì)劃修向狀態(tài)修、預(yù)測(cè)修轉(zhuǎn)變,為智慧城軌建設(shè)提供思路。