周黎明、束長(zhǎng)健、蔣陵郡

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031）

0 引言

城市軌道交通自150 多年前建立以來，逐步產(chǎn)生了以人車為中心、規(guī)劃為核心的傳統(tǒng)維護(hù)模式。雖然我國(guó)城市軌道交通車輛的運(yùn)行維護(hù)工作在不斷發(fā)展和完善，但目前，許多城市軌道交通車輛的運(yùn)行維護(hù)檢測(cè)仍采用傳統(tǒng)的人工運(yùn)行維護(hù)檢測(cè)方法(見圖1)，導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)維護(hù)檢測(cè)效率低下、準(zhǔn)確性不足，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)城市軌道交通的發(fā)展。為此，必須加強(qiáng)智能運(yùn)維檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，利用智能技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)維修信息與故障分析的同步，最終有效提高車輛運(yùn)維效率，降低運(yùn)營(yíng)和維護(hù)檢測(cè)的人工成本，這也是當(dāng)今時(shí)代對(duì)城市軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)和維護(hù)檢測(cè)的新要求。

圖1 傳統(tǒng)檢測(cè)方式

1 智能運(yùn)維的總體方案

根據(jù)目前地鐵車輛生產(chǎn)運(yùn)維的發(fā)展趨勢(shì)，并基于各大數(shù)據(jù)中心采集的車輛設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、車輛運(yùn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、車輛故障數(shù)據(jù)和車輛履歷數(shù)據(jù)，城市地鐵車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)整體上按照階段具體可分為智能設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)、智能車輛檢測(cè)系統(tǒng)、智能車輛維修系統(tǒng)和智能專家診斷系統(tǒng)等。智能設(shè)計(jì)生產(chǎn)系統(tǒng)主要是針對(duì)地鐵車輛的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，可獲得車輛用于運(yùn)營(yíng)前的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。智能車輛檢測(cè)系統(tǒng)通過車載傳感器或者軌旁系統(tǒng)獲得車輛的運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)，例如可對(duì)地鐵車輛中的空調(diào)、車門等系統(tǒng)以及車輛輪對(duì)的底部、側(cè)面、外觀和狀態(tài)進(jìn)行智能檢測(cè)。智能車輛維修系統(tǒng)用于車輛維修的智能化管理，包括日常修架、大修等，智能組織針對(duì)維修任務(wù)的日常行動(dòng)計(jì)劃，并提供維修電子手冊(cè)等。智能專家診斷系統(tǒng)作為城市軌道交通車輛智能運(yùn)維系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，采用大數(shù)據(jù)、人工智能、模糊邏輯等推理算法對(duì)車輛行駛狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，對(duì)車輛健康狀況進(jìn)行評(píng)估，再結(jié)合車輛段或者停車場(chǎng)的維修資源，做出適當(dāng)?shù)木S修決策，實(shí)現(xiàn)對(duì)主要設(shè)備和零部件的預(yù)測(cè)維修，保證車輛的安全高效運(yùn)行。

2 城市軌道交通車輛智能維護(hù)現(xiàn)狀

智能化運(yùn)維檢測(cè)可以說是城市軌道交通車輛運(yùn)維檢測(cè)的必然選擇，提高運(yùn)維檢測(cè)的效率和質(zhì)量具有重要意義。近年來，中國(guó)各大城市的地鐵公司都在探索性地開展車輛運(yùn)維智能檢測(cè)的應(yīng)用，積極研究本地智能運(yùn)維模式。然而，目前我國(guó)大部分地鐵公司都將車輛的安全使用作為基本目標(biāo)，大多數(shù)維修制度都比較保守，普遍存在過度維修現(xiàn)象，造成額外的人力、財(cái)力等資源的浪費(fèi)。目前，雖然城市軌道交通車輛的運(yùn)營(yíng)和維護(hù)受到了一定的重視，并取得了一定的成效，但基本仍以檢測(cè)為主，這使得用于檢測(cè)地鐵車輛和維護(hù)的智能技術(shù)沒有得到廣泛應(yīng)用，嚴(yán)重阻礙了智能運(yùn)維技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

3 智能車輛檢測(cè)系統(tǒng)的組成

智能車輛檢測(cè)系統(tǒng)主要用于對(duì)車輛各部件或者子系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)，采集相關(guān)的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)階段智能檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得長(zhǎng)足發(fā)展，軌旁檢測(cè)設(shè)備可以在地鐵車輛的車頂、底部、側(cè)邊等多方位實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛多種部件的探查，車載設(shè)備更是可以實(shí)時(shí)獲取車輛運(yùn)行狀況信息等數(shù)據(jù)，例如車載PHM 設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)預(yù)處理或者實(shí)時(shí)分析。建立城市軌道交通智能車輛檢測(cè)系統(tǒng)是必然趨勢(shì)，該系統(tǒng)主要基于與車輛相關(guān)的海量數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)以及一定的分析、展示技術(shù)，實(shí)現(xiàn)綜合化的智能檢測(cè)服務(wù)平臺(tái)。再依托5G 等通信技術(shù)以及大型數(shù)據(jù)中心高算力的支持，可實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛關(guān)鍵部件的狀態(tài)，通過機(jī)理規(guī)則等計(jì)算手段實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛故障的實(shí)時(shí)捕捉，并實(shí)施故障告警和分級(jí)報(bào)警。智能車輛檢測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，根據(jù)實(shí)施位置或者區(qū)域的不同，系統(tǒng)可分為車載檢測(cè)子系統(tǒng)、軌旁檢測(cè)子系統(tǒng)和庫(kù)內(nèi)檢測(cè)子系統(tǒng)三類。

3.1 車載檢測(cè)子系統(tǒng)

車載檢測(cè)子系統(tǒng)主要依靠車載PHM 設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，車載PHM 設(shè)備（見圖2）是實(shí)現(xiàn)車輛各部件或者子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、集中存儲(chǔ)的車載設(shè)備，用以提高地鐵車輛數(shù)據(jù)質(zhì)量及智能監(jiān)控水平，并降低傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下傳輸問題給車輛健康管理系統(tǒng)帶來的不利影響。車載PHM 設(shè)備支持通過以太網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)接口采集車輛各系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)等車輛健康管理所必需的數(shù)據(jù)?？膳c地面系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交互，支持通過無(wú)線局域網(wǎng)等方式實(shí)現(xiàn)車載PHM 設(shè)備采集的所有原始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或到庫(kù)后傳輸?shù)降孛嬷悄軐＜以\斷系統(tǒng)服務(wù)器。車載PHM 設(shè)備支持存儲(chǔ)采集到的所有原始數(shù)據(jù)。當(dāng)出現(xiàn)硬件故障、列車車輛重啟等緊急情況時(shí)，能確保存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，車載PHM 設(shè)備自身出現(xiàn)故障時(shí)也不會(huì)影響地鐵車輛的正常運(yùn)行。

圖2 車 載PHM 設(shè)備

3.2 軌旁檢測(cè)子系統(tǒng)

在軌道交通中，保證車輛狀態(tài)的動(dòng)態(tài)控制是至關(guān)重要的，除了在車輛自身部署各種傳感器獲取列車車輛運(yùn)行參數(shù)外，還可通過軌旁檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

一是輪對(duì)尺寸檢測(cè)及輪對(duì)踏面圖像監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，按現(xiàn)場(chǎng)布局分為現(xiàn)場(chǎng)基本檢測(cè)單元、軌邊控制處理單元、控制室三部分。現(xiàn)場(chǎng)基本檢測(cè)單元包括輪對(duì)外形尺寸檢測(cè)模塊和車輪擦傷檢測(cè)、輪對(duì)踏面缺陷動(dòng)態(tài)圖像監(jiān)測(cè)模塊。圖像采集處理后，可獲取到車輪相關(guān)參數(shù)，包括表面磨損、輪輞厚度、輪輞高度、垂直磨損、車軸內(nèi)軸、車輪直徑等。軌邊控制處理單元包括現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)基本檢測(cè)單元的供電、控制、數(shù)據(jù)和圖像的采集、分析、存儲(chǔ)，同時(shí)與遠(yuǎn)程控制室進(jìn)行通信?？刂剖矣煽刂婆_(tái)、數(shù)據(jù)綜合分析及管理軟件、數(shù)據(jù)及信號(hào)傳輸系統(tǒng)和外圍設(shè)備等構(gòu)成，在控制室可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和檢測(cè)過程，查看、統(tǒng)計(jì)、分析和打印檢測(cè)數(shù)據(jù)。

二是受電弓在線檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)受電弓碳滑板的非接觸式動(dòng)態(tài)檢測(cè)，包括受電弓碳滑條磨耗、受電弓碳滑條缺口、中心線偏移及羊角下垂的檢測(cè)和報(bào)警，還具有車頂狀態(tài)觀測(cè)功能。受電弓在線檢測(cè)系統(tǒng)以可靠、先進(jìn)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集前端，提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)和用戶使用界面，具備檢測(cè)結(jié)果的查詢和統(tǒng)計(jì)、受電弓故障報(bào)警及網(wǎng)絡(luò)共享管理的功能，并具有遠(yuǎn)距離傳輸、數(shù)據(jù)庫(kù)及支持網(wǎng)絡(luò)瀏覽的功能，可以通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信、共享和報(bào)警。受電弓在線檢測(cè)系統(tǒng)不影響相關(guān)專業(yè)在隧道內(nèi)的日常作業(yè)（如隧道清洗車、軌道打磨車的日常作業(yè)）。

三是紅外軸溫檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)軌道交通車輛的熱軸故障，通過綜合分析軸溫信息，對(duì)熱軸故障進(jìn)行跟蹤探測(cè)。并且通過讀取車輛的車號(hào)信息等確定軸位，紅外軸溫檢測(cè)系統(tǒng)能自動(dòng)識(shí)別列車車輛運(yùn)行方向，自動(dòng)檢測(cè)列車車輛運(yùn)行速度，系統(tǒng)根據(jù)車號(hào)信息跟蹤車輛軸承溫度，自動(dòng)計(jì)輛、計(jì)軸，自動(dòng)補(bǔ)償校正設(shè)備增益和靈敏度，以適應(yīng)氣候和車速變化的影響（環(huán)溫-45～70C，地表溫度＞70C）。紅外軸溫檢測(cè)系統(tǒng)還可用于地鐵車輛在運(yùn)行狀態(tài)下檢測(cè)軸箱溫度，預(yù)防事故，確保軌道交通車輛的安全運(yùn)行。

3.3 庫(kù)內(nèi)檢測(cè)子系統(tǒng)

庫(kù)內(nèi)檢測(cè)子系統(tǒng)主要針對(duì)已經(jīng)停駐在停車場(chǎng)或者車輛段內(nèi)的地鐵車輛進(jìn)行檢測(cè)，如在車輛入庫(kù)后利用車軸相控陣探傷設(shè)備進(jìn)行車軸的探查，探傷設(shè)備采用相位光柵超聲波探傷法對(duì)不同類型的車輪軸線、軸頸、軸向殼體等進(jìn)行檢測(cè)，能有效滿足地鐵各種線路的維修要求。在進(jìn)行車軸相控陣探傷時(shí)，需要在軸端安裝陣列相位探測(cè)器，根據(jù)車軸參數(shù)確定掃描角度。還可利用智能故障檢測(cè)設(shè)備對(duì)車輛進(jìn)行檢測(cè)，在車輛上電的情況下設(shè)備以有線的方式接入車輛網(wǎng)絡(luò)以和車載的各種設(shè)備進(jìn)行交互，完成各種檢測(cè)操作，識(shí)別出車輛故障信息。運(yùn)維人員在車輛返回后，須作好車輛維修的相關(guān)準(zhǔn)備工作，特別包括從調(diào)度系統(tǒng)獲得車輛編號(hào)、庫(kù)房位置等，獲得車輛故障信息，以支撐智能車輛維修系統(tǒng)的應(yīng)用。

在庫(kù)內(nèi)操作時(shí)，運(yùn)維人員除了使用庫(kù)內(nèi)檢測(cè)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)部分智能檢測(cè)外，還可通過智能車輛維修系統(tǒng)的信息終端接收任務(wù)，實(shí)時(shí)反饋工作進(jìn)度、故障報(bào)告，將車輛維修的工單處理完成后，運(yùn)維人員確定關(guān)閉車輛操作，最終完成車輛故障的閉環(huán)處理。庫(kù)內(nèi)檢測(cè)子系統(tǒng)還可配備檢測(cè)機(jī)器人，檢測(cè)機(jī)器人主要用于地鐵車輛的車底智能檢測(cè)，能對(duì)地鐵車輛檢修股道內(nèi)側(cè)的車底設(shè)備配件（包含轉(zhuǎn)向架、各類箱體、空壓機(jī)、電氣和氣動(dòng)管路等部件）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)圖像采集與故障初步分析，并能實(shí)現(xiàn)故障的上報(bào)、查詢、定位、統(tǒng)計(jì)和信息的可追溯。庫(kù)內(nèi)檢測(cè)子系統(tǒng)還可利用光學(xué)成像和智能機(jī)器人技術(shù)完成車身全景的自動(dòng)拍攝和檢測(cè)，可有效替代傳統(tǒng)的車身人工檢測(cè)方法，對(duì)保證檢測(cè)人員的安全和提高檢測(cè)效率都具有重要意義。

4 智能專家診斷系統(tǒng)

通過智能檢測(cè)系統(tǒng)的支持，部署于地面的智能專家診斷系統(tǒng)與智能檢測(cè)系統(tǒng)的車載檢測(cè)子系統(tǒng)、軌旁檢測(cè)子系統(tǒng)以及庫(kù)內(nèi)檢測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，通過實(shí)時(shí)采集到的地鐵車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)其異常狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)預(yù)警。具體來說，智能專家診斷系統(tǒng)處理車輛狀態(tài)信息，建立針對(duì)性的數(shù)據(jù)分析模型，通過科學(xué)合理的數(shù)據(jù)建模，依靠機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)車輛關(guān)鍵部位進(jìn)行故障的預(yù)測(cè)，分析出關(guān)聯(lián)故障。例如車輛檢測(cè)設(shè)備可通過車上各類傳感器、數(shù)據(jù)采集終端、多功能車輛總線（MVB）或者以太網(wǎng)等綜合手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，通過車載網(wǎng)絡(luò)匯總給車載PHM設(shè)備，車載PHM 設(shè)備再通過無(wú)線傳輸（例如利用5G的高帶寬低時(shí)延）將獲取的車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)推送至地面。智能專家診斷系統(tǒng)再基于這些數(shù)據(jù)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法（如擬合）實(shí)時(shí)分析評(píng)測(cè)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)的趨勢(shì)，并集合系統(tǒng)或部件的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過專家系統(tǒng)進(jìn)行深層次的分析對(duì)比，完成結(jié)果數(shù)據(jù)的進(jìn)一步修正，以提供更準(zhǔn)確的結(jié)果數(shù)據(jù)作為車輛智能化運(yùn)營(yíng)維修的參考。智能專家診斷系統(tǒng)支持多種應(yīng)用場(chǎng)景（見圖3），包括故障的關(guān)聯(lián)分析、診斷、預(yù)測(cè)，以及針對(duì)具體車輛的健康評(píng)估，通過計(jì)算打分的方式展示車輛的整體健康狀況，支持對(duì)關(guān)鍵信號(hào)值進(jìn)行趨勢(shì)分析。

圖3 智能專家診斷系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景

5 結(jié)語(yǔ)

隨著信息時(shí)代的到來，一切都在向智能化發(fā)展，這為用戶提供了極大的便利。在城市軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)檢測(cè)中，智能技術(shù)的應(yīng)用可以說是一次歷史性的創(chuàng)新，不僅有助于減少人工運(yùn)營(yíng)維護(hù)檢測(cè)的工作量，對(duì)于提高運(yùn)行檢測(cè)和維護(hù)的效率也非常重要，從人工檢測(cè)到智能檢測(cè)的過渡已經(jīng)真正完成。因此，城市軌道交通管理部門必須加強(qiáng)對(duì)城市軌道交通車輛運(yùn)行維護(hù)智能檢測(cè)的開發(fā)研究，通過各種智能檢測(cè)系統(tǒng)及時(shí)排查車輛隱患，有效防止事故隱患的發(fā)展，充分保障城市軌道交通車輛的安全運(yùn)行。