周 喆

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 上海動(dòng)車段，上海 201812）

0 引言

近年來我國高速鐵路持續(xù)高速發(fā)展，運(yùn)營里程和動(dòng)車組配屬數(shù)量不斷增長，伴隨而來的是動(dòng)車組運(yùn)用檢修長期面臨提升效率、降低成本方面的挑戰(zhàn)和壓力[1]。隨著基于機(jī)器視覺的圖像識(shí)別技術(shù)迅速發(fā)展，工業(yè)部門在產(chǎn)品或部件外觀缺陷檢測領(lǐng)域應(yīng)用該技術(shù)的智能化設(shè)備已成為主流和常態(tài)，而近年來動(dòng)車組運(yùn)用檢修領(lǐng)域也已引入了機(jī)器人系統(tǒng)輔助實(shí)施動(dòng)車組一級(jí)檢修作業(yè)，從傳統(tǒng)的“人檢人修”模式逐步向“機(jī)檢人修”模式轉(zhuǎn)變[2-4]。

目前針對(duì)動(dòng)車組外觀故障檢測已有相關(guān)檢測機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案，通過比對(duì)識(shí)別、三維特征分析等圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組外觀缺陷檢測，并利用人機(jī)交替作業(yè)模式提供安全保障[5-7]。城市軌道交通領(lǐng)域已在車輛作業(yè)、線路巡檢環(huán)節(jié)進(jìn)行了機(jī)器人應(yīng)用實(shí)驗(yàn)和探討，隨著機(jī)器人性能逐步提升，相關(guān)技術(shù)在地鐵檢修也將呈現(xiàn)發(fā)展普及趨勢[8-9]。當(dāng)前外觀缺陷檢測機(jī)器人主要依托以深度學(xué)習(xí)為核心的圖像識(shí)別技術(shù)，深度學(xué)習(xí)作為機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域的一種新興方法，以其強(qiáng)大的自動(dòng)特征提取能力已經(jīng)在圖像、語音識(shí)別等領(lǐng)域取得了一定成果[10-11]。趙永強(qiáng)等[12]針對(duì)當(dāng)前基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測面臨的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)，從提高小目標(biāo)檢測精度、多類別物體檢測等方面對(duì)深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行綜述，對(duì)模型如何更適應(yīng)特定場景的檢測需求等問題進(jìn)行分析和展望。李新春等[13]提出一種基于領(lǐng)域特征點(diǎn)提取和匹配的點(diǎn)云配準(zhǔn)方法，從數(shù)據(jù)集和配準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)表明其可有效提高三維成像重建時(shí)的配準(zhǔn)精度。張萍香[14]和林杰輝[15]就凈現(xiàn)值法的不足和存在問題進(jìn)行了研究并提出對(duì)策建議，指出凈現(xiàn)值法在企業(yè)投資決策評(píng)價(jià)中具有比較優(yōu)勢。但以上研究尚未完整地呈現(xiàn)出某種動(dòng)車組檢修機(jī)器人系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例和相關(guān)數(shù)據(jù)，并結(jié)合具體應(yīng)用場景對(duì)其綜合效益進(jìn)行分析研究。

上海動(dòng)車段2017年開始組織開展動(dòng)車組檢修機(jī)器人系統(tǒng)(以下簡稱“檢修機(jī)器人”)研究，2019年完成驗(yàn)證評(píng)審并正式投入使用，2020年在虹橋動(dòng)車所實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大部署和規(guī)模化應(yīng)用，是全鐵路行業(yè)動(dòng)車組維修領(lǐng)域首家引入檢修機(jī)器人的單位，也是首家實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組機(jī)器人檢修常態(tài)化、規(guī)?；瘧?yīng)用的單位。結(jié)合上海動(dòng)車段檢修機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)際，對(duì)基于人機(jī)協(xié)同的動(dòng)車組一級(jí)檢修作業(yè)模式、分工及流程等進(jìn)行具體研究，通過長期跟蹤數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證機(jī)器人的故障檢測能力，并對(duì)其帶來的生產(chǎn)效率提升和經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行全面評(píng)估。動(dòng)車組機(jī)器人檢修規(guī)?；瘧?yīng)用的不斷優(yōu)化完善，對(duì)加快動(dòng)車段智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型、持續(xù)深化動(dòng)車組運(yùn)用檢修提質(zhì)增效具有重要意義。

1 檢修機(jī)器人概述

1.1 主要構(gòu)成

檢修機(jī)器人由入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置、庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)、信息管理平臺(tái)3部分構(gòu)成。

（1）入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置。入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置布設(shè)在動(dòng)車所入所咽喉處，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組車頂、車側(cè)及裙板相關(guān)部件的檢測。該檢測系統(tǒng)由車號(hào)智能識(shí)別、車體故障動(dòng)態(tài)檢測、受電弓及車頂狀態(tài)檢測、踏面狀態(tài)檢測、圖像采集控制和中心服務(wù)器等模塊組成。其中車號(hào)智能識(shí)別設(shè)備、車體故障動(dòng)態(tài)檢測設(shè)備、受電弓及車頂狀態(tài)檢測設(shè)備、踏面狀態(tài)檢測設(shè)備安裝在檢測棚內(nèi)，圖像采集控制裝置和中心服務(wù)器等安裝在機(jī)房內(nèi)。

（2）庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)。庫內(nèi)檢測機(jī)器人布設(shè)在檢修庫地溝內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組底板、轉(zhuǎn)向架等底部部件的檢測。其由檢測機(jī)器人、圖像識(shí)別服務(wù)器、手持移動(dòng)終端、列位檢測4 大模塊組成。其中視覺檢測機(jī)器人由充電裝置、檢測軌道車、無線傳輸裝置、車載供電及電池組裝置、安全防撞裝置、高精度定位裝置、底板掃描檢測裝置、轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件檢測裝置組成。中心服務(wù)器主要由存儲(chǔ)服務(wù)器、圖像自動(dòng)識(shí)別服務(wù)器組成。

（3）信息管理平臺(tái)。信息管理平臺(tái)是動(dòng)車組智能檢修系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心組成部分，其通過動(dòng)車所既有網(wǎng)絡(luò)及布設(shè)的無線接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置、庫內(nèi)檢測機(jī)器人相關(guān)檢測及外部信息系統(tǒng)信息的融合和分析，在設(shè)施和系統(tǒng)間按照檢修技術(shù)作業(yè)的組織規(guī)律建立關(guān)系并實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，為使用者提供統(tǒng)一的集成作業(yè)界面，形成一體化、信息化的監(jiān)控作業(yè)平臺(tái)。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)及原理

入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置采用三維圖像采集和處理技術(shù)對(duì)動(dòng)車組車頂、車側(cè)及裙板相關(guān)部件進(jìn)行檢測；庫內(nèi)檢修機(jī)器人主要采用精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制、工業(yè)機(jī)器人等技術(shù)，使用6 自由度機(jī)械臂和雙目三維圖像測量模組對(duì)動(dòng)車組底板、轉(zhuǎn)向架等車底部件進(jìn)行檢測；信息管理平臺(tái)將入庫動(dòng)態(tài)監(jiān)測裝置和庫內(nèi)檢修機(jī)器人的檢測結(jié)果進(jìn)行輸入，通過圖像識(shí)別技術(shù)進(jìn)行分析，生成故障預(yù)警信息輸出，反饋至檢修人員對(duì)預(yù)警故障進(jìn)行復(fù)核和確認(rèn)。

檢修機(jī)器人運(yùn)用基于機(jī)器視覺的圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組外觀故障的目標(biāo)檢測，融合了比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型、深度學(xué)習(xí)模型[8]和點(diǎn)云配準(zhǔn)模型[9]等主流圖像識(shí)別算法模型。圖像比對(duì)模型針對(duì)部件歷史圖像的差異性進(jìn)行判斷，深度學(xué)習(xí)模型通過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練將異常目標(biāo)完成特征提取和聚類并實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測，而對(duì)于特定關(guān)鍵部件則可構(gòu)建三維點(diǎn)云模型與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行配準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)異常檢測。

2 人機(jī)協(xié)同生產(chǎn)組織方式

深入研究引入檢修機(jī)器人后的動(dòng)車組一級(jí)檢修模式，即人機(jī)協(xié)同生產(chǎn)組織方式，包括檢修周期、作業(yè)模式、計(jì)劃安排、檢修流程以及人機(jī)協(xié)同分工等關(guān)鍵要素。這種協(xié)同方式對(duì)于確保動(dòng)車組一級(jí)檢修的質(zhì)量、效率和安全性至關(guān)重要。

2.1 檢修周期及作業(yè)模式

動(dòng)車組一級(jí)檢修以走行公里周期為主、時(shí)間周期為輔(先到為準(zhǔn))的計(jì)劃預(yù)防修，時(shí)速300～350 km運(yùn)營動(dòng)車組一級(jí)檢修里程周期不大于7 000+700 km或48 h。檢修機(jī)器人在動(dòng)車所投用后，在股道及車組條件具備的情況下，動(dòng)車組一級(jí)檢修實(shí)行“人機(jī)交替”模式安排作業(yè)[7]，即一次傳統(tǒng)人工模式的一級(jí)檢修，一次采用檢修機(jī)器人作業(yè)的一級(jí)檢修，互相交替安排。采用檢修機(jī)器人作業(yè)的一級(jí)檢修由于有電試驗(yàn)、車內(nèi)檢查等部分內(nèi)容仍需要人工完成，且檢修機(jī)器人操作監(jiān)控以及檢測故障的復(fù)核處置也需要人工介入，因此需要進(jìn)行密切配合的人機(jī)協(xié)作，以按標(biāo)完成整個(gè)動(dòng)車組一級(jí)檢修項(xiàng)目。

2.2 計(jì)劃安排及檢修流程

動(dòng)車組機(jī)器人檢修依托入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置、庫內(nèi)檢測系統(tǒng)系統(tǒng)等設(shè)備，按照規(guī)定的流程、時(shí)間、程序、線路、標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)施人機(jī)交替一級(jí)檢修作業(yè)。計(jì)劃實(shí)施動(dòng)車組一級(jí)檢修機(jī)檢作業(yè)的動(dòng)車組，入動(dòng)車所必須安排途經(jīng)入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置(限速8～12 km/h)，并停放在檢修庫中裝有庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)的股道。動(dòng)車組機(jī)器人檢修作業(yè)采用“有電—無電”作業(yè)模式，按照分工流程完成一級(jí)檢修機(jī)檢作業(yè)平均時(shí)間為110 min/組，重聯(lián)或長編時(shí)采用同步作業(yè)方式。動(dòng)車組機(jī)器人檢修作業(yè)計(jì)劃納入動(dòng)車所日檢修計(jì)劃管理，通過動(dòng)車組運(yùn)用維修管理信息系統(tǒng)實(shí)施任務(wù)派工，各作業(yè)單位應(yīng)按照給定的時(shí)間、內(nèi)容實(shí)施作業(yè)。編制日檢修計(jì)劃時(shí)，嚴(yán)禁連續(xù)2 次安排同一列動(dòng)車組進(jìn)行一級(jí)檢修機(jī)檢作業(yè)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障超過20 min仍未修復(fù)或機(jī)檢作業(yè)超過30 min后系統(tǒng)發(fā)生故障，該列動(dòng)車組則立即采取一級(jí)檢修人檢作業(yè)。計(jì)劃安排機(jī)檢的動(dòng)車組未途經(jīng)入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置入庫或入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置無法正常工作時(shí)，則立即取消機(jī)檢作業(yè)，采用人工一級(jí)檢修方式進(jìn)行作業(yè)。

2.3 人機(jī)協(xié)同分工

采用檢修機(jī)器人作業(yè)的動(dòng)車組一級(jí)檢修，由檢修機(jī)器人、機(jī)檢作業(yè)組、乘務(wù)組、地勤作業(yè)組、臨修作業(yè)組、外協(xié)作業(yè)組等分工負(fù)責(zé)，協(xié)同實(shí)施動(dòng)車組一級(jí)檢修作業(yè)內(nèi)容，具體如下。

（1）檢修機(jī)器人負(fù)責(zé)利用入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置和庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)備對(duì)運(yùn)用動(dòng)車組車頂、車下、車體兩側(cè)等部分部位實(shí)施快速例行檢查。

（2）每臺(tái)庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)配備2 名檢修人員組成機(jī)檢作業(yè)組，負(fù)責(zé)庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)的操作，司機(jī)室的快速例行檢查、試驗(yàn)，系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)故障復(fù)核確認(rèn)等內(nèi)容。

（3）乘務(wù)組、地勤作業(yè)組等部門分工參照既有人工模式的動(dòng)車組一級(jí)檢修相關(guān)規(guī)定及要求執(zhí)行。乘務(wù)組負(fù)責(zé)根據(jù)“庫乘協(xié)作”原則進(jìn)行車內(nèi)上部設(shè)施的檢查，地勤作業(yè)組負(fù)責(zé)股道供斷電操作，臨修作業(yè)組負(fù)責(zé)檢測故障的處置，外協(xié)作業(yè)組負(fù)責(zé)散熱系統(tǒng)清潔、車頂絕緣子清潔、車內(nèi)保潔內(nèi)容。

3 故障檢測能力驗(yàn)證

3.1 檢測覆蓋范圍評(píng)估

在機(jī)器人系統(tǒng)正式投用前，開展機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)用能力驗(yàn)證測試，對(duì)照一級(jí)檢修作業(yè)指導(dǎo)書核實(shí)機(jī)器人系統(tǒng)檢測項(xiàng)點(diǎn)覆蓋情況，并通過設(shè)置實(shí)車故障形式對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行故障識(shí)別測試。CR400BF平臺(tái)動(dòng)車組一級(jí)檢修項(xiàng)點(diǎn)共598 項(xiàng)，機(jī)器人系統(tǒng)可檢測識(shí)別其中416 項(xiàng)，覆蓋率69.6%，其中庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)可檢測識(shí)別237 項(xiàng)，入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置可檢測識(shí)別179項(xiàng)；CRH38平臺(tái)動(dòng)車組檢修項(xiàng)點(diǎn)共689 項(xiàng)，機(jī)器人系統(tǒng)可檢測識(shí)別其中458 項(xiàng)，覆蓋率66.5%，其中庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)可檢測識(shí)別260 項(xiàng)，入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置可檢測識(shí)別198 項(xiàng)。同時(shí)，針對(duì)76 項(xiàng)一級(jí)檢修中常見的故障類型的識(shí)別準(zhǔn)確率測試顯示，機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)其中44 種故障類型實(shí)現(xiàn)了100%的檢測準(zhǔn)確率，主要集中在裙底板螺栓丟失、蓋板未閉合、掃石器破損、接地線移位、閘片異常以及各類防護(hù)板破損等常見故障。

3.2 故障識(shí)別能力跟蹤

對(duì)檢修機(jī)器人投用后至今的運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤統(tǒng)計(jì)，檢修機(jī)器人故障檢測關(guān)鍵指標(biāo)跟蹤統(tǒng)計(jì)如表1 所示。每標(biāo)準(zhǔn)組動(dòng)車組一級(jí)檢修作業(yè)檢修機(jī)器人平均預(yù)報(bào)故障7.7 件，其中經(jīng)復(fù)核確認(rèn)為真實(shí)故障3.12件，誤報(bào)故障4.64件，故障檢測準(zhǔn)確率達(dá)40.2%，識(shí)別率達(dá)100%。按子系統(tǒng)區(qū)分，庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)每標(biāo)準(zhǔn)組動(dòng)車組一級(jí)檢修平均預(yù)報(bào)故障5.8件，其中經(jīng)復(fù)核確認(rèn)為真實(shí)故障3件，誤報(bào)故障2.8件，故障檢測準(zhǔn)確率達(dá)40.7%，識(shí)別率達(dá)100%；入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置每標(biāo)準(zhǔn)組動(dòng)車組一級(jí)檢修平均預(yù)報(bào)故障1.96件，其中經(jīng)復(fù)核確認(rèn)為真實(shí)故障0.12件，誤報(bào)故障1.84 件，故障檢測準(zhǔn)確率達(dá)8.6%，識(shí)別率達(dá)100%。入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置的故障識(shí)別準(zhǔn)確率相對(duì)較低，主要是受部分被檢動(dòng)車組通過入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置時(shí)速度較快，以及入庫動(dòng)態(tài)檢測裝置所處的室外光線、雨水干擾等多重因素影響所致。

表1 檢修機(jī)器人故障檢測關(guān)鍵指標(biāo)跟蹤統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of key indicators for robot fault detection in maintenance

對(duì)檢修機(jī)器人報(bào)警故障進(jìn)行進(jìn)一步梳理統(tǒng)計(jì)，將正確報(bào)警和誤報(bào)警分別按故障類型呈現(xiàn)分布，檢修機(jī)器人正確報(bào)警類型分布如圖1 所示，機(jī)器人誤報(bào)警類型分布如圖2 所示，可以看出正確報(bào)警和誤報(bào)警均以限度(測量)類和部件外觀狀態(tài)異常為主，其余小部分由部件位移、部件滲油、輪對(duì)踏面缺陷等類型組成。按故障類型比較機(jī)器人系統(tǒng)檢測準(zhǔn)確率時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)機(jī)器人系統(tǒng)對(duì)異物類、部件位移及丟失類故障類型具有較好的識(shí)別能力，而對(duì)輪對(duì)踏面缺陷類故障的識(shí)別能力相對(duì)偏弱。

圖1 機(jī)器人正確報(bào)警類型分布Fig.1 Distribution of correct alarm types by robots

圖2 機(jī)器人誤報(bào)警類型分布Fig.2 Distribution of false alarm types by robots

3.3 機(jī)器人與人工檢修發(fā)現(xiàn)故障對(duì)比

機(jī)器人投用初期，為驗(yàn)證使用效果并保障動(dòng)車組安全，對(duì)機(jī)器人檢修的動(dòng)車組實(shí)施“人機(jī)共檢”措施，即機(jī)器人檢修的動(dòng)車組仍會(huì)同時(shí)重復(fù)安排一遍人工技檢，以收集數(shù)據(jù)進(jìn)行交叉比對(duì)分析。根據(jù)動(dòng)車所“人機(jī)共檢”階段的故障情況統(tǒng)計(jì)，檢修機(jī)器人組均發(fā)現(xiàn)故障3.5件，組均漏報(bào)故障0.8件；人工技檢組均發(fā)現(xiàn)故障3.8 件，組均漏報(bào)故障0.5 件。按作業(yè)項(xiàng)點(diǎn)將機(jī)器人檢修、人工技檢發(fā)現(xiàn)故障進(jìn)行交叉對(duì)比分析，機(jī)器人檢修與人工技檢故障識(shí)別對(duì)比如圖3 所示。檢修機(jī)器人發(fā)現(xiàn)故障已較高比例覆蓋了人工技檢發(fā)現(xiàn)故障，而采用“人機(jī)共檢”或“人機(jī)交替”模式則可消除部分漏檢風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互補(bǔ)。

圖3 機(jī)器人檢修與人工技檢故障識(shí)別對(duì)比Fig.3 Comparison between robot maintenance and manual technical inspection

4 應(yīng)用效益綜合分析

4.1 作業(yè)效率評(píng)估

得益于機(jī)器人全自動(dòng)檢測的速度優(yōu)勢，機(jī)器人檢修將一級(jí)修作業(yè)時(shí)間由120 min 降低到110 min，作業(yè)效率提高了8%。通過系統(tǒng)優(yōu)化、硬件升級(jí)、數(shù)據(jù)積累，預(yù)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)還能進(jìn)一步提高檢測速度，作業(yè)效率還有持續(xù)提高的空間。

目前上海動(dòng)車段一級(jí)檢修人檢作業(yè)采用“無電—有電”模式，平均作業(yè)總時(shí)長為130 min。而一級(jí)檢修機(jī)檢作業(yè)采用“有電—無電”的整體流程，充分利用庫內(nèi)檢測機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)時(shí)間，同步進(jìn)行車內(nèi)有電作業(yè)，優(yōu)化當(dāng)前庫內(nèi)生產(chǎn)組織，減少車組待檢時(shí)間，最大程度地提高檢修股道的使用效率。機(jī)器人一級(jí)檢修作業(yè)時(shí)長相較人檢縮短8%，使得在同等時(shí)間內(nèi)動(dòng)車所能夠檢修更多數(shù)量的動(dòng)車組，有效提高動(dòng)車組一級(jí)檢修供給能力。

4.2 人力減員測算

采用機(jī)器人系統(tǒng)具備顯著的人力成本效益，最直接的體現(xiàn)就是檢修人員投入減少。根據(jù)機(jī)器人一級(jí)檢修作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，每標(biāo)準(zhǔn)組配備2 名檢修人員組成機(jī)檢作業(yè)組。原有傳統(tǒng)一級(jí)檢修辦法，每標(biāo)準(zhǔn)組配備4 名檢修人員組成作業(yè)組。按照安裝庫內(nèi)檢測機(jī)器人的股道(每股道2臺(tái))飽和檢修能力每日白班6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組、夜班6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組測算，每條股道采用機(jī)器人系統(tǒng)檢修后虹橋動(dòng)車所可減少檢修人員投入共10人。

具體測算方法如下。根據(jù)現(xiàn)有一級(jí)檢修辦法，每組人工一級(jí)修由4 人共同完成，每人每班完成總量為4 組車，即折算每標(biāo)準(zhǔn)組一級(jí)修需投入1 人。根據(jù)現(xiàn)有機(jī)器人一級(jí)修作業(yè)流程，每組機(jī)器人檢修由2 人完成，每人每班完成總量為4 組車，即折算每標(biāo)準(zhǔn)組一級(jí)修需投入0.5人。實(shí)行人機(jī)交替檢后，按照安裝檢修機(jī)器人的股道(每股道2 臺(tái)機(jī)器人)每日白班4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組、夜班6 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組工作量安排測算。則白班共檢修4 組標(biāo)準(zhǔn)組，可減少2 人，白班按照做5休2計(jì)算，需要備班人員為2×(2/5)=0.8人，即白班可減少2+0.8=2.8 人。夜班共檢修6 組標(biāo)準(zhǔn)組/班，可減少3 人/班，夜班為兩班制，則可減少3×2=6 人，夜班按照每4 班后輪休1 班計(jì)算，備班人員為6×(1/4)=1.5人，即夜班可減少6+1.5=7.5人。則一條股道總體可減少2.8+7.5=10.3 人，核算為10人/股道，即對(duì)于動(dòng)車運(yùn)用所而言，1條庫內(nèi)股道在部署檢修機(jī)器人系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)飽和生產(chǎn)的狀態(tài)下，可節(jié)約配置10名檢修人員或定員。

4.3 項(xiàng)目投資效益分析

檢修機(jī)器人系統(tǒng)初始投資和年度使用費(fèi)由設(shè)備采購、維保支出、大修改造等組成，列為該項(xiàng)目投資及運(yùn)營成本。而檢修效率提升對(duì)最終收益的影響不具備直接相關(guān)性，在投資效益分析中不予考慮，則本項(xiàng)目的收益部分主要來源于項(xiàng)目投用所減員節(jié)省的勞動(dòng)力成本支出。另外為簡化分析過程，本項(xiàng)目投資分析中暫不考慮未來人力成本上漲和通脹因素。

本項(xiàng)目涉及的檢修機(jī)器人系統(tǒng)整體設(shè)備采購價(jià)格2 891萬元(含稅13%)，按不含稅價(jià)格列固定資產(chǎn)原值，維保支出按原值3%預(yù)估為80萬元/年，大修費(fèi)用按原值30%預(yù)估為791萬元/次。根據(jù)中國國家鐵路集團(tuán)有限公司固定資產(chǎn)管理辦法有關(guān)規(guī)定，本項(xiàng)目按15 年期進(jìn)行折舊，在第5 年、第10 年各進(jìn)行1 次大修，期末按殘值率5%進(jìn)行收回。本項(xiàng)目機(jī)器人系統(tǒng)部署規(guī)模為3條庫內(nèi)檢修股道及1條入庫咽喉線，根據(jù)之前的減員測算，共可減少作業(yè)人員30名，按上海動(dòng)車段2021 年稅前人均成本計(jì)算，本項(xiàng)目投用并正常運(yùn)營后每年產(chǎn)生收益750萬元。

（1）投資收益率。該項(xiàng)目實(shí)施后每年息稅前利潤有一定差別，故按年平均息稅前利潤計(jì)算，其投資收益率ROI計(jì)算公式為

式中：EBIT為息稅前利潤，萬元；TI為投資總額，萬元。

（2）投資回收期。凈現(xiàn)金流由負(fù)轉(zhuǎn)正所用的時(shí)間即為投資回收期，根據(jù)現(xiàn)金流量圖，累計(jì)凈現(xiàn)金流量于第6年開始轉(zhuǎn)為正值，則投資回收期Pt= 5 +年。

（3）凈現(xiàn)值。按項(xiàng)目投資可接受的最低收益水平原則，綜合當(dāng)前宏觀市場利率水平，本項(xiàng)目的基準(zhǔn)折現(xiàn)率i0設(shè)定為5%。按現(xiàn)金流量圖計(jì)算本項(xiàng)目凈現(xiàn)值NPV計(jì)算公式為

式中：CI為現(xiàn)金流入量，萬元；CO為現(xiàn)金流出量，萬元；(P F，i0，t)為現(xiàn)值轉(zhuǎn)換因子表達(dá)式，其中F為終值，萬元；P為現(xiàn)值，萬元；i0為折現(xiàn)率，%；t為年數(shù)或期數(shù)。

（4）凈現(xiàn)值指數(shù)。凈現(xiàn)值指數(shù)為凈現(xiàn)值與初始全部投資現(xiàn)值的比值，本項(xiàng)目初始投資現(xiàn)值Kp為2 891 萬元，則本項(xiàng)目的凈現(xiàn)值指數(shù)NPVI計(jì)算公式為

（5）內(nèi)部收益率。內(nèi)部收益率為使該項(xiàng)目凈現(xiàn)值等于0 時(shí)的折現(xiàn)率，將凈現(xiàn)值表示為折現(xiàn)率的函數(shù)，即凈現(xiàn)值函數(shù)，當(dāng)該函數(shù)等于0 時(shí)求出的折現(xiàn)率即為項(xiàng)目內(nèi)部收益率，其計(jì)算公式為

式中：(P/F，IRR，t)為現(xiàn)值轉(zhuǎn)換因子表達(dá)式；IRR為內(nèi)部收益率，%。

利用線性插值法求出項(xiàng)目內(nèi)部收益率IRR=18.85%。

綜上，本項(xiàng)目靜態(tài)分析條件下投資收益率ROI達(dá)19.7%，投資回收期5.4 年，回報(bào)率和投資收回速度十分可觀。動(dòng)態(tài)分析條件下，凈現(xiàn)值NPV達(dá)3 097.68萬元，凈現(xiàn)值指數(shù)NPVI為1.07＞0，證明該項(xiàng)目從投資角度未來可以產(chǎn)生正向現(xiàn)金流，且其盈利水平已超過初始投資金額，引入檢修機(jī)器人系統(tǒng)可帶來長期顯著的經(jīng)濟(jì)效益。另外項(xiàng)目內(nèi)部收益率IRR達(dá)到18.85%，遠(yuǎn)超市場基準(zhǔn)收益率，同樣證明本項(xiàng)目具有較高的收益率水平及抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

5 結(jié)束語

針對(duì)檢修機(jī)器人在上海動(dòng)車段的應(yīng)用情況進(jìn)行追蹤研究，通過長期跟蹤數(shù)據(jù)對(duì)其故障檢測能力進(jìn)行了驗(yàn)證分析，并測算評(píng)估了檢修機(jī)器人帶來的生產(chǎn)效益和項(xiàng)目投資收益。相關(guān)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果表明動(dòng)車組檢修機(jī)器人系統(tǒng)可有效識(shí)別動(dòng)車組各類外觀故障和缺陷，可部分替代傳統(tǒng)人工作業(yè)，并通過人機(jī)交替模式實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)行安全保障，同時(shí)減少檢修人員投入，另外檢修機(jī)器人項(xiàng)目投資具有回收周期短、凈現(xiàn)值和內(nèi)部收益率高等特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。未來動(dòng)車組檢修機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)基于深度學(xué)習(xí)等AI 框架繼續(xù)優(yōu)化故障目標(biāo)檢測算法，減少各類干擾因素造成的誤報(bào)故障數(shù)量，提升檢測響應(yīng)速度，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組檢修提質(zhì)增效。