吳華麗，江亞男，陳俊棟

（中鐵成都科學(xué)技術(shù)研究院有限公司）

1 引言

由于安全、穩(wěn)定、快速、準(zhǔn)時(shí)、方便、容量大等特征，可以滿足城郊區(qū)域內(nèi)市民大規(guī)模集中出行的需求，城市軌道交通已在客流組織和公共交通中占有主導(dǎo)地位，近年來也得以迅速發(fā)展，主要承擔(dān)城區(qū)出行需求，服務(wù)于城區(qū)居民日常生活出行。特別是隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G、人工智能等技術(shù)的引入，推動(dòng)了城市軌道交通運(yùn)維和新技術(shù)的融合，加速傳統(tǒng)城軌運(yùn)維領(lǐng)域的智能化轉(zhuǎn)型[1-3]。

2 城市軌道交通鋼軌智慧運(yùn)維現(xiàn)狀分析

我國軌道交通建設(shè)起步較晚，從修建我國首條地鐵北京地鐵1號(hào)線開始，城市軌道交通經(jīng)歷了探索發(fā)展階段、調(diào)整發(fā)展階段和加速發(fā)展階段，截止2020年底，我國已有44個(gè)城市開通城市軌道交通運(yùn)營服務(wù)，累計(jì)運(yùn)營里程7715km。2021年作為“十四五”的開局之年，特別是“新基建”“交通強(qiáng)國”國家發(fā)展戰(zhàn)略的提出，城市軌道交通發(fā)展將迎來新的增長點(diǎn)，提高運(yùn)營質(zhì)量的需求逐漸顯現(xiàn)，運(yùn)維市場也蘊(yùn)藏著巨大的潛力和發(fā)展機(jī)遇。

城市軌道交通和干線鐵路同屬軌道交通，但在軸重、速度、結(jié)構(gòu)、構(gòu)筑物等方面存在著較大的差異，以至城市軌道交通和干線鐵路在養(yǎng)護(hù)維修標(biāo)準(zhǔn)和要求上有所不同?，F(xiàn)階段，城市軌道交通線路設(shè)備養(yǎng)護(hù)仍然是按照規(guī)定的時(shí)間和計(jì)劃開展日常護(hù)理和計(jì)劃維修，不考慮線路設(shè)備的狀態(tài)，這類維修模式雖然使得企業(yè)維修管理變得穩(wěn)定，但安排的維修周期不合理會(huì)導(dǎo)致欠修和過度維修現(xiàn)象的存在，增加維修成本。綜上所述，城市軌道交通線路的養(yǎng)護(hù)模式可借鑒干線鐵路狀態(tài)的維修理念，但要考慮兩者在狀態(tài)評(píng)定指標(biāo)上的差異不完全照搬。

全球范圍內(nèi)，最早開通城市軌道交通的國家有英、德、法、日，已經(jīng)擁有比較完善的養(yǎng)護(hù)維修規(guī)范，維修模式也已進(jìn)入計(jì)劃性和狀態(tài)維修的結(jié)合階段，在以養(yǎng)促修方面對(duì)線路設(shè)備狀態(tài)有深入的了解。我國從第一條地鐵開始在線路設(shè)備運(yùn)營養(yǎng)護(hù)維修方面也積累了不少經(jīng)驗(yàn)，后期開通的各城市軌道交通在線路維修方面相繼參考沿用了北京地鐵線路設(shè)備的養(yǎng)護(hù)維修模式[4-5]。

3 PHM技術(shù)在城市軌道交通鋼軌運(yùn)維方面的應(yīng)用

PHM作為一種新型的維修和管理模式，通過狀態(tài)感知和狀態(tài)評(píng)估預(yù)測設(shè)備的工作狀態(tài)、可靠性和故障，結(jié)合維修制度、使用環(huán)境信息、管理模式及業(yè)務(wù)流程合理規(guī)劃維修活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全過程健康管控[6-7]。其理念起源于航空航天領(lǐng)域，隨著我國軌道交通領(lǐng)域的快速發(fā)展，也逐漸引入到軌道線路運(yùn)維領(lǐng)域，基于PHM的智能運(yùn)維體系涵蓋狀態(tài)感知、狀態(tài)評(píng)估、壽命預(yù)測、運(yùn)維決策、智能修制和修后評(píng)估，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括感知技術(shù)、評(píng)估模型、預(yù)測模型、修程修制、維修技術(shù)、評(píng)估技術(shù)等。

軌道交通是一個(gè)多專業(yè)、綜合性、高復(fù)雜性的系統(tǒng)工程，信息化建設(shè)已全面覆蓋軌道交通的各領(lǐng)域，經(jīng)過幾十年的創(chuàng)新研發(fā)，我國鋼軌系統(tǒng)檢測技術(shù)已形成滿足高速鐵路、既有鐵路、城市軌道等領(lǐng)域所需的鋼軌系統(tǒng)檢測系統(tǒng)和分析處理系統(tǒng)，對(duì)鋼軌系統(tǒng)日常運(yùn)營和運(yùn)維管理發(fā)揮重要作用，現(xiàn)階段鋼軌檢測向著更高速、更智能、更高效、更便攜等方向發(fā)展[8]。上海鐵路局與中車唐山機(jī)車車輛有限公司聯(lián)合開展了動(dòng)車組故障預(yù)測與健康管理的研究工作，探尋故障與外部因素的關(guān)系，從而制定不同的檢修優(yōu)化策略，指導(dǎo)維修[9]。深圳地鐵基于“智慧列車、智慧監(jiān)測、智慧檢修”實(shí)現(xiàn)車輛智慧運(yùn)維，利用故障預(yù)測模型與維修規(guī)程的實(shí)際結(jié)合優(yōu)化檢修管理[10]。阿爾斯通推出智能管理系統(tǒng)Health Hub，實(shí)現(xiàn)車輛和基礎(chǔ)設(shè)施的智能管理，通過實(shí)時(shí)評(píng)估關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，預(yù)測風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)化運(yùn)維方式[11]。天澤智云開發(fā)的建模分析平臺(tái)GenPro、智能軌交應(yīng)用模型服務(wù)環(huán)境CyberShpere及大數(shù)據(jù)可視化等體系用以支撐PHM系統(tǒng)，為運(yùn)維關(guān)鍵設(shè)備提供狀態(tài)監(jiān)測、PHM、故障診斷等服務(wù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)策略的轉(zhuǎn)型。

總體而言，目前國內(nèi)關(guān)于PHM技術(shù)的研究大多數(shù)還停留在跟隨的階段，缺乏成體系的自創(chuàng)性工作，主要表現(xiàn)在智能檢/監(jiān)測技術(shù)的成熟度和應(yīng)用推廣程度仍有一定局限，運(yùn)維管理模式仍以計(jì)劃修和故障修為主，缺少頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)一的管理平臺(tái)，不同線路或系統(tǒng)的運(yùn)維綜合管理信息化程度差異大，缺乏統(tǒng)一的運(yùn)維管理體系標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。

4 基于PHM的城市軌道交通鋼軌智慧運(yùn)維體系框架設(shè)計(jì)

智慧化運(yùn)維是利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算、移動(dòng)通信和大數(shù)據(jù)等技術(shù)對(duì)采集的海量信息進(jìn)行處理分析，并監(jiān)控、預(yù)測、評(píng)估、管理設(shè)備的健康狀況，在設(shè)備發(fā)生故障前結(jié)合各種信息資源盡早開展監(jiān)測和有效預(yù)測，有效降低運(yùn)維中安全事故的發(fā)生率，提高管理效率，降低運(yùn)營成本，實(shí)現(xiàn)效益最大化。

以鋼軌為研究對(duì)象研究基于PHM的鋼軌系統(tǒng)運(yùn)維健康管理平臺(tái)，平臺(tái)框架如圖1所示，平臺(tái)核心功能模塊包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、診斷預(yù)測、健康評(píng)價(jià)、決策優(yōu)化和實(shí)施方案制定5部分，外部接入信息包括感知系統(tǒng)檢/監(jiān)測數(shù)據(jù)，服役條件信息，制度與檢修履歷信息，該平臺(tái)將為用戶輸出監(jiān)管報(bào)告、各類專業(yè)報(bào)告等，以指導(dǎo)日常運(yùn)維管理工作。

圖1 基于PHM的鋼軌系統(tǒng)運(yùn)維健康管理平臺(tái)框架

1）感知系統(tǒng)

以城市軌道交通鋼軌為研究對(duì)象，結(jié)合城市軌道交通線路修程修制和技術(shù)研究現(xiàn)狀，提出如圖2所示的運(yùn)維過程感知網(wǎng)絡(luò)框架，感知系統(tǒng)以機(jī)械和設(shè)備為主、人工為輔，逐步提升其信息化與智能化水平。鋼軌作為獨(dú)立部件，存在內(nèi)外部傷損、表面磨耗和斷軌等故障隱患，同時(shí)作為軌道系統(tǒng)的組成部件之一，其對(duì)系統(tǒng)的平順性也存在一定的貢獻(xiàn)，因此，鋼軌的狀態(tài)感知包含部件狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)兩部分。

圖2 感知網(wǎng)絡(luò)框架

在部件感知模塊，根據(jù)故障類別，確定如下的感知設(shè)備和檢測周期：

①針對(duì)鋼軌外觀及表面的擦傷、銹蝕、平直度偏差等傷損，采用人工巡檢+巡檢機(jī)器人進(jìn)行每日檢查；

②針對(duì)鋼軌內(nèi)部裂紋、連接焊縫等傷損，采用綜合探傷車進(jìn)行月檢，采用小型的專業(yè)探傷小車進(jìn)行季度檢，針對(duì)鋼軌表面的垂直、側(cè)向磨耗等傷損，采用軌檢車進(jìn)行月檢，采用小型的專業(yè)磨耗檢測小車進(jìn)行季度檢；

③針對(duì)鋼軌斷軌傷損，該故障對(duì)安全影響較大，需采用斷軌監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行重點(diǎn)部位的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

在系統(tǒng)感知模塊中根據(jù)故障類別確定如下的感知設(shè)備和檢測周期：

①針對(duì)動(dòng)態(tài)不平順，采用軌檢車、探傷車進(jìn)行局部幾何超限和缺陷情況檢測，采用軌檢車進(jìn)行軌道系統(tǒng)的軌距、左右軌向、左右高低、超高、水平、三角坑、曲率、鋼軌頂磨和側(cè)磨等幾何狀態(tài)檢測，動(dòng)態(tài)不平順檢測周期為月檢；

②針對(duì)靜態(tài)不平順，采用高精度的手持式、手推式、自動(dòng)駕駛式軌檢小車進(jìn)行幾何參數(shù)檢測，檢測周期為季檢，針對(duì)綜合不平順，采用軌檢車、正常行駛車輛進(jìn)行添乘檢測，檢測周期為月檢，部分重點(diǎn)關(guān)注線路可通過正常行駛車輛進(jìn)行日檢。

2）多源數(shù)據(jù)融合

管理平臺(tái)融合了感知系統(tǒng)檢/監(jiān)測數(shù)據(jù)，服役條件信息，制度與檢修履歷信息等多源信息，數(shù)據(jù)包括圖片、影像、報(bào)表、文本、幾何模型、地理信息等多種形式，時(shí)間上涵蓋了生產(chǎn)、建設(shè)、運(yùn)維、報(bào)廢全生命流程；深入開展面向鋼軌系統(tǒng)全生命周期海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的抓取、清洗、壓縮等預(yù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以盡量小的存儲(chǔ)資源最大限度保存數(shù)據(jù)特征信息，降低后期數(shù)據(jù)分析與運(yùn)用難度。以運(yùn)維管理平臺(tái)應(yīng)用功能為導(dǎo)向，梳理運(yùn)維過程數(shù)據(jù)資源與邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)分布式中心數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，保障數(shù)據(jù)的可用性、可讀性、一致性和擴(kuò)展性。深入研究軌道線路抽象數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)和交互共享技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)價(jià)值的快速提煉與呈現(xiàn)，提升輔助決策功能的時(shí)效性與易用性。

3）智能運(yùn)維與決策分析

基于車/線耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、輪軌接觸疲勞可靠性分析、摩擦磨損分析等機(jī)理模型深入開展軌道線路部件故障產(chǎn)生機(jī)理、演變過程及其對(duì)系統(tǒng)的影響危害與映射關(guān)系研究。以部件狀態(tài)檢/監(jiān)測數(shù)據(jù)、歷史狀態(tài)數(shù)據(jù)、維修履歷、外部環(huán)境因素等海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，深入開展基于狀態(tài)數(shù)據(jù)的軌道線路結(jié)構(gòu)部件故障辨識(shí)方法研究。根據(jù)軌道線路各結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，研究通過淺層易檢/監(jiān)測結(jié)構(gòu)狀態(tài)反饋深埋/隱蔽結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)的映射關(guān)系模型。以線上車輛運(yùn)營安全、軌道線路結(jié)構(gòu)本質(zhì)安全兩個(gè)方面為系統(tǒng)安全性評(píng)估依據(jù)，以部件故障影響危害與失效傳遞關(guān)系模型為系統(tǒng)安全性權(quán)重劃分依據(jù)，構(gòu)建軌道線路系統(tǒng)安全性評(píng)估模型，指導(dǎo)線路的運(yùn)維管理。以運(yùn)維安全性和經(jīng)濟(jì)性為優(yōu)化目標(biāo)，結(jié)合物資、人員、作業(yè)條件等約束，開展軌道線路部件維修策略研究，輔助運(yùn)維部門的維修。

5 結(jié)語

本文以鋼軌為對(duì)象實(shí)例，基于PHM技術(shù)理念探索智能化的運(yùn)維管理體系，提出實(shí)現(xiàn)城市軌道交通鋼軌智能運(yùn)維管理方向的智慧系統(tǒng)框架和主要研究點(diǎn)，該系統(tǒng)集設(shè)備狀態(tài)感知、診斷預(yù)測、健康評(píng)估、決策支持于一體，可極大地提高鋼軌實(shí)時(shí)安全預(yù)防和主動(dòng)維修能力，降低運(yùn)維管理成本，對(duì)進(jìn)一步提高鋼軌運(yùn)維效率具有重要意義。