軌道交通車輛車門系統(tǒng)智能運(yùn)維技術(shù)方案研究

秦征，周庭東

（1.杭州市地鐵集團(tuán)，浙江 杭州 310000；2.南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210000）

隨著都市化的加速推進(jìn)，軌道交通已逐漸成為城市出行的主要交通方式，其安全、高效與可靠性受到了廣泛關(guān)注。其中，軌道交通車輛的車門系統(tǒng)不僅是乘客進(jìn)出的重要通道，更關(guān)乎每位乘客的安全與出行體驗(yàn)。近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，如物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等，它們?yōu)檐囬T系統(tǒng)的智能化運(yùn)維提供了新的可能性。然而，要將這些先進(jìn)技術(shù)融合到車門系統(tǒng)中，既能應(yīng)對現(xiàn)存挑戰(zhàn)，又能滿足未來的需求，仍是一個亟待探索的課題。本研究旨在深入探討這一問題，提供切實(shí)可行的技術(shù)方案。

1 軌道交通車輛車門系統(tǒng)的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 車輛車門系統(tǒng)簡介

軌道交通車輛車門系統(tǒng)，通常被視為軌道交通的“第一關(guān)卡”，它在確保乘客安全進(jìn)出車廂中扮演了核心的角色。從技術(shù)層面看，這一系統(tǒng)是一個綜合性的結(jié)構(gòu)，涉及機(jī)械、電氣、控制及傳感等多個領(lǐng)域的交互作用。在早期的軌道交通設(shè)計中，車門主要是手動或半自動操作，但隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代的軌道交通車輛車門已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全自動化操作，不僅能夠自動感應(yīng)乘客進(jìn)出，而且可以與車輛的其他系統(tǒng)進(jìn)行智能聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和高效運(yùn)行。此外，為了適應(yīng)各種氣候條件和操作需求，現(xiàn)代車門系統(tǒng)還配備了防夾、防水、隔音等多種功能，極大地提高了乘客的出行體驗(yàn)和安全性。

1.2 當(dāng)前存在的問題和挑戰(zhàn)

盡管軌道交通車輛車門系統(tǒng)在技術(shù)和功能上都有所突破，但在實(shí)際操作中仍然存在許多問題和挑戰(zhàn)。首先，由于車門的頻繁使用，其零部件，特別是關(guān)鍵部件如電機(jī)、傳感器等，容易出現(xiàn)磨損和故障。尤其在高峰時段，車門的開閉頻次增加，導(dǎo)致系統(tǒng)疲勞，從而增加故障率。其次，隨著乘客對出行體驗(yàn)要求的提高，車門的運(yùn)行速度、噪音控制、乘客交互等方面的要求也相應(yīng)提高，這無疑增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和維護(hù)難度。再者，雖然現(xiàn)代車門系統(tǒng)具有防夾功能，但仍然有乘客因?yàn)榉N種原因被車門夾傷的情況發(fā)生，這也給運(yùn)營方帶來了巨大的安全和法律壓力。最后，與日俱增的運(yùn)營成本也是軌道交通運(yùn)營商所關(guān)心的問題，如何在保證安全和服務(wù)質(zhì)量的前提下，降低車門系統(tǒng)的運(yùn)維成本，也成了一個亟待解決的問題。

2 軌道交通車輛車門系統(tǒng)智慧運(yùn)維方案的技術(shù)框架

軌道交通車輛車門系統(tǒng)智慧運(yùn)維方案的總體架構(gòu)分為4 個層次：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層（如圖1 所示）。

圖1 車門系統(tǒng)智能化運(yùn)維方案的總體架構(gòu)

2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層

在智慧運(yùn)維的核心是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層。這一層次主要涉及車門系統(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù)的收集、存儲和管理。這些數(shù)據(jù)包括但不限于車門的開閉次數(shù)、操作速度、部件溫度、電流電壓等運(yùn)行數(shù)據(jù)。除了實(shí)時數(shù)據(jù)，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層還負(fù)責(zé)存儲歷史數(shù)據(jù)，以便為未來的分析和決策提供參考。為了保證數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，此層采用了高效的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并采取了一系列數(shù)據(jù)校驗(yàn)和清洗技術(shù)，確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量。此外，為了滿足高速、大數(shù)據(jù)量的存取需求，數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)也持續(xù)優(yōu)化，以支撐智慧運(yùn)維的高效運(yùn)行。

2.2 感知層

感知層是智慧運(yùn)維中與硬件設(shè)備緊密結(jié)合的部分，它通過各種傳感器、檢測器、智能門控器及監(jiān)視設(shè)備，實(shí)時感知車門系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和外部環(huán)境變化。

智能門控器作為這一層的核心組件，為車門系統(tǒng)賦予了更高的智能化水平。該控制器具備自主識別、自我調(diào)節(jié)及快速響應(yīng)的特點(diǎn)。例如，當(dāng)乘客忘記手提物品在門間時，智能門控器可以通過其內(nèi)部的傳感器識別這一行為并立即使車門重新打開，從而避免了夾傷的風(fēng)險。同樣，控制器可以自動識別車門開閉的速度是否超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，如果出現(xiàn)異常，它將自動進(jìn)行調(diào)節(jié)，確保車門的平穩(wěn)運(yùn)行。

除此之外，智能門控器還具有高度的互聯(lián)性，它可以與車內(nèi)的其他系統(tǒng)進(jìn)行無縫對接，例如，與空調(diào)系統(tǒng)聯(lián)動，確保在車門開啟時，空調(diào)系統(tǒng)自動減少風(fēng)速，以減少能量損失。通過紅外傳感器可以檢測車廂內(nèi)外乘客的流動狀態(tài)，振動傳感器可以用來檢測車門開閉時的微小異常。這些設(shè)備不僅能實(shí)時監(jiān)控，還能預(yù)警，一旦發(fā)現(xiàn)異常，立即向上一級報告，為運(yùn)維決策提供及時的數(shù)據(jù)支撐。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層扮演著橋梁的角色，為感知層與應(yīng)用層之間的數(shù)據(jù)交流提供了穩(wěn)定的通信通道。在這一層，我們主要關(guān)注兩種通信形式：車內(nèi)通信和車地通信。

車內(nèi)通信主要采用了以太網(wǎng)技術(shù)，確保車輛內(nèi)部各設(shè)備，如傳感器、智能門控器等，之間的信息交流是高速且穩(wěn)定的。以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)用允許大量數(shù)據(jù)在車內(nèi)迅速流通，滿足了實(shí)時數(shù)據(jù)處理和反饋的要求，為車輛系統(tǒng)的智能化運(yùn)作提供了有力保障。

車地通信，則通過特定的車地通信網(wǎng)關(guān)進(jìn)行。這個網(wǎng)關(guān)不僅確保了數(shù)據(jù)從車上安全、準(zhǔn)確地傳輸?shù)降孛婵刂浦行模疫€具備高度的適應(yīng)性，可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境自動調(diào)整傳輸速度或路由，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)某掷m(xù)性與完整性。此外，考慮到車地通信的特殊需求，如移動性和距離變化，該通信網(wǎng)關(guān)采用了先進(jìn)的傳輸技術(shù)和協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了長距離、高移動性下的穩(wěn)定傳輸。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是智慧運(yùn)維的決策中心，融合了多種先進(jìn)的應(yīng)用系統(tǒng)，為車門運(yùn)維工作提供了智能化、自動化的支持。

（1）遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。它允許運(yùn)維人員在任何地點(diǎn)、任何時間，都能實(shí)時獲取車門系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，如開閉狀態(tài)、部件溫度等。通過圖形化界面，工程師可以清晰地看到每項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)時表現(xiàn)，快速定位任何潛在問題。

（2）故障診斷專家系統(tǒng)進(jìn)一步加強(qiáng)了應(yīng)用層的智能化功能。當(dāng)系統(tǒng)檢測到異常時，它可以自動進(jìn)行故障定位，并給出可能的原因及解決方案。該系統(tǒng)結(jié)合大量的歷史數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，能夠高效、準(zhǔn)確地為運(yùn)維團(tuán)隊(duì)提供決策支持。

（3）故障預(yù)測專家系統(tǒng)是應(yīng)用層的又一重要組成部分。它不僅關(guān)注當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，更著眼于未來的發(fā)展趨勢。基于大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)算法，該系統(tǒng)可以預(yù)測出車門系統(tǒng)在未來某一時段的可能故障，使運(yùn)維團(tuán)隊(duì)能夠提前進(jìn)行預(yù)防和準(zhǔn)備。

3 車門系統(tǒng)智能運(yùn)維系統(tǒng)的技術(shù)方案

3.1 基于IoT 的車門健康監(jiān)測

在軌道交通車輛車門系統(tǒng)的智能運(yùn)維中，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)為車門健康監(jiān)測提供了前所未有的可能性。IoT 允許我們將車門的每個部分，無論其大小，都接入一個統(tǒng)一的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)中。傳統(tǒng)的車門健康監(jiān)測可能依賴定期的手動檢查和維護(hù)，但現(xiàn)在，通過嵌入式傳感器、微控制器和其他設(shè)備，我們可以實(shí)時追蹤每個部件的性能。例如，通過安裝在門軸上的旋轉(zhuǎn)傳感器，我們可以精確地測量并分析門的開閉速度和頻率。同時，使用環(huán)境傳感器（如溫濕度傳感器）可以幫助我們理解車門在各種氣候條件下的表現(xiàn)。所有這些數(shù)據(jù)通過高速的Zigbee 或LoRaWAN 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時傳輸?shù)街行臄?shù)據(jù)庫，使用先進(jìn)的邊緣計算技術(shù)進(jìn)行初步分析。在這樣的框架下，預(yù)防性維護(hù)和即時響應(yīng)變得更加容易和經(jīng)濟(jì)高效。

3.2 利用AI 進(jìn)行故障預(yù)測

故障預(yù)測是確保軌道交通車門系統(tǒng)高效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而AI 技術(shù)在這一領(lǐng)域中的應(yīng)用為其注入了新的活力。深度學(xué)習(xí)，尤其是循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）和長短時記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM），在序列數(shù)據(jù)分析和預(yù)測方面已經(jīng)顯示出了巨大的潛力。在車門健康監(jiān)測的應(yīng)用中，這些模型可以訓(xùn)練用于識別車門運(yùn)行數(shù)據(jù)中的微妙模式，從而預(yù)測可能的故障。例如，通過分析過去幾周或幾月的數(shù)據(jù)，LSTM 模型可能會識別出導(dǎo)致開閉機(jī)制故障的特定的使用模式。這種前瞻性的分析使得維護(hù)團(tuán)隊(duì)可以在故障發(fā)生前采取措施，大大降低了停機(jī)時間和維護(hù)成本。隨著更多數(shù)據(jù)的積累，這些AI 模型的準(zhǔn)確性和可靠性也會持續(xù)提高，為未來的軌道交通運(yùn)維提供更強(qiáng)大的工具。

3.3 自動化維護(hù)決策支持系統(tǒng)

自動化維護(hù)決策支持系統(tǒng)在車門的智能運(yùn)維中扮演了關(guān)鍵的角色。借助決策樹、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)以及復(fù)雜事件處理（CEP）技術(shù)，此系統(tǒng)為運(yùn)維團(tuán)隊(duì)提供具體、實(shí)時的決策建議。例如，當(dāng)一扇車門連續(xù)三次開閉速度低于標(biāo)準(zhǔn)值時，基于決策樹的算法可能會判定該門需要立即檢修。同時，貝葉斯網(wǎng)絡(luò)允許系統(tǒng)根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和新輸入的信息，進(jìn)行概率推斷，預(yù)測出各種維修策略的成功率，從而為維護(hù)團(tuán)隊(duì)提供優(yōu)化建議。

而復(fù)雜事件處理技術(shù)進(jìn)一步加強(qiáng)了系統(tǒng)的響應(yīng)能力，它可以處理大量實(shí)時數(shù)據(jù)流，實(shí)時檢測、過濾和分析事件模式，如車門在高溫和高濕度下連續(xù)出現(xiàn)的異常行為。結(jié)合先前的IoT 監(jiān)測和AI 預(yù)測，CEP 確保及時、準(zhǔn)確地響應(yīng)任何可能影響車門性能的事件。

4 智能化車門系統(tǒng)的主要功能

4.1 遠(yuǎn)程在線監(jiān)測

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的日益成熟，遠(yuǎn)程在線監(jiān)測已成為現(xiàn)代軌道交通車輛車門系統(tǒng)的標(biāo)配功能。這項(xiàng)技術(shù)允許運(yùn)營和維護(hù)團(tuán)隊(duì)在任何地點(diǎn)、任何時間對車門的實(shí)時狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。借助無線傳感器和高速通信網(wǎng)絡(luò)，各類重要參數(shù)——例如門的開閉速度、振動頻率、溫度和濕度，都可以在實(shí)時基礎(chǔ)上被采集和傳輸。此功能不僅減少了現(xiàn)場巡查的必要性，還為團(tuán)隊(duì)提供了即時的數(shù)據(jù)反饋，從而使得他們能夠在問題初現(xiàn)時迅速作出反應(yīng)。想象一個場景：在車門的某一部件即將發(fā)生故障前，維護(hù)團(tuán)隊(duì)就已通過遠(yuǎn)程在線監(jiān)測得知了這一情況，從而提前進(jìn)行維修，有效避免了事故的發(fā)生。

4.2 故障專家診斷

車門系統(tǒng)的故障專家診斷功能可以視為車輛健康管理的智慧大腦。它不僅依賴大量的歷史和實(shí)時數(shù)據(jù)，更結(jié)合了多年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)和專家知識。通過先進(jìn)的模式識別算法和知識圖譜技術(shù)，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地分析出故障的原因，指出可能的故障點(diǎn)，并為維護(hù)團(tuán)隊(duì)提供具體的維修建議和策略。例如，當(dāng)系統(tǒng)檢測到車門的開閉速度異常時，它可以追溯到可能的幾個故障原因，如驅(qū)動電機(jī)故障、軸承磨損等，并給出相應(yīng)的維護(hù)措施。這種智能化的故障診斷，大大降低了錯誤判斷的風(fēng)險，提高了維護(hù)的效率和質(zhì)量。

4.3 故障專家預(yù)測

故障預(yù)測是軌道交通車門系統(tǒng)中一個尤為關(guān)鍵的功能，它將數(shù)據(jù)分析與先進(jìn)的AI 技術(shù)結(jié)合起來，致力于在故障真正發(fā)生前就能提前識別潛在的問題。借助深度學(xué)習(xí)模型，如長短時記憶網(wǎng)絡(luò)（LSTM）和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN），系統(tǒng)可以分析長時間序列的傳感器數(shù)據(jù)，從中捕捉到可能預(yù)示故障發(fā)生的微妙變化。例如，通過連續(xù)分析門的開閉動作或某驅(qū)動部件的振動頻率，系統(tǒng)可能會在故障早期就識別到不尋常的模式，進(jìn)而觸發(fā)預(yù)警機(jī)制。這樣的預(yù)測方法確保了車輛車門系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，顯著減少了意外故障帶來的運(yùn)營中斷。

4.4 車門智能維保

智能維保不僅是對車門系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查和修復(fù)，更是一個全面、系統(tǒng)的維護(hù)策略，它結(jié)合了各種傳感器數(shù)據(jù)、AI 故障預(yù)測和專家診斷的建議。首先，基于車門的使用歷史、環(huán)境條件和實(shí)際工作負(fù)載，系統(tǒng)會自動生成維護(hù)計劃，確保關(guān)鍵組件得到及時的關(guān)注和維護(hù)。其次，智能維保也包括實(shí)時的維護(hù)建議。比如，在某次故障預(yù)測后，系統(tǒng)會推薦維護(hù)團(tuán)隊(duì)采取特定的維修措施或替換特定部件，同時提供相應(yīng)的維修教程和注意事項(xiàng)。此外，系統(tǒng)還會根據(jù)實(shí)際維護(hù)結(jié)果持續(xù)學(xué)習(xí)和優(yōu)化，確保每次維護(hù)都達(dá)到最佳效果。

5 結(jié)語

隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，軌道交通車輛車門的智能化管理已經(jīng)成為行業(yè)趨勢。本研究提供了一個全面、實(shí)用的技術(shù)框架，旨在提高車門系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和降低維護(hù)成本。物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)為車門系統(tǒng)的高效運(yùn)維帶來了革命性的變革，它們使得預(yù)測性維護(hù)成為可能，大大減少了突發(fā)故障的風(fēng)險。未來，隨著這些技術(shù)的不斷完善，我們有理由期待一個更加安全、高效的軌道交通運(yùn)營環(huán)境。