軌道交通車輛智能化生產與運維系統(tǒng)的發(fā)展與探索

張健 張鈺薇 韓振

摘? 要：隨著新一代科技革命和產業(yè)變革的興起，各個國家都制定了符合時代發(fā)展方向與目標的戰(zhàn)略方案。現如今，鐵路行業(yè)發(fā)展迅速，我國的高鐵動車組列車在其中起到了至關重要的作用。其裝備生產不僅應當注重高性能、高效率，還應注重高安全、低能耗的發(fā)展模式。城市軌道交通車輛的現代化智能化制造與運維體系的構建，將改變其生產方式，能夠有效提升我國的智能制造技術。

關鍵詞：智能制造;軌道交通;高鐵動車組;發(fā)展戰(zhàn)略

中圖分類號：U279? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）27-0078-03

Abstract： With the rise of a new generation of scientific and technological revolution and industrial reform， various countries have formulated strategic plans in line with the development direction and objectives of the times. Nowadays， with the rapid development of the railway industry， the high-speed rail EMU trains in China have played a vital role. Its equipment production should pay attention not only to high performance and efficiency， but also to the development mode of high safety and low energy consumption. The construction of modern intelligent manufacturing and operation and maintenance system of urban rail transit vehicles will change its production mode and can effectively improve the intelligent manufacturing technology of our country.

Keywords： intelligent manufacturing; rail transit; high-speed rail EMU; development strategy

1 概述

隨著時代的快速發(fā)展，不斷朝著智能化的方向邁進。中國特色社會主義進入新時代，這是我國發(fā)展的新的歷史方位。我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發(fā)展階段，需要加快建設強國，加快先進制造業(yè)的發(fā)展，推進互聯(lián)網、大數據、人工智能等和實體經濟的深度融合。智能制造是中國制造轉型升級的重要方向。此外，國內外各國都逐步制定了一系列智能制造戰(zhàn)略，未來制造業(yè)的重要發(fā)展趨勢在于智能制造。一個國家的工業(yè)現代化發(fā)展方向及技術水平，將由城市軌道交通系統(tǒng)的整體情況而影響，這也決定了城市綜合軌道交通智能化體系的構建。我國對軌道交通的投入也不斷加大，由于城市軌道交通具有速度快、運量大、耗能小、占地小等特點，成為解決交通運輸中客流量大、交通擁堵、速度慢等問題的有效手段，這也是我國軌道車輛產業(yè)的重要發(fā)展方向與機遇。

近年來，我國的鐵路行業(yè)持續(xù)迅速發(fā)展，對高端裝備制造等產業(yè)的發(fā)展具有較為明顯的帶動作用。為了保障城市軌道交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性與可靠性，不僅要實現軌道車輛的智能制造，也要保證其智能運維，提升系統(tǒng)效率。

2017年，中車青島四方車輛研究所有限公司[1]研制的首臺高鐵軌道車輛智能檢修系統(tǒng)亮相南京2017世界智能制造大會;首次實現了自動化、智能化檢測，提高了列車的故障識別與檢測效率。2017年，史紅衛(wèi)等人[2]提出了通過智能儀器與智能檢測技術實現車間狀態(tài)智能感知與工藝流程控制的方法，并探討了智能儀器與智能檢測技術在智能制造系統(tǒng)中新的應用模式，同時結合實際項目進行了數字化生產線改造與建設的創(chuàng)新實踐，提出了滿足智能制造要求的智能儀器與檢測技術的發(fā)展方向;通過項目實踐應用，該模式可有效促進智能制造系統(tǒng)中數據采集、智能感知的實現，能夠提供有效的數據資源。2018年，張建聳等人[3]以重卡生產線智能裝配項目為例，介紹了智能制造在重卡生產過程中的實踐，并在總裝一現場分部探索“卡車公司智能制造系統(tǒng)”的開發(fā)和實施，推動“卡車制造”向“卡車智造”的轉變。2019年，Xu WX等人[4]針對智能制造車間（IMW）物流動態(tài)調度問題，提出了一種基于請求調度響應模式的自動導引車（AGV）智能物流調度模型和響應方法，并將其與網絡集成;通過實驗證明了其在動態(tài)同時調度問題上的優(yōu)越性和有效性。

本文在城市軌道交通系統(tǒng)構建的基礎上，以動車組智能裝配與制造為研究對象，探索了智能制造在城市軌道交通系統(tǒng)中的重要作用，以及系統(tǒng)的運維及優(yōu)化，推動城市軌道交通的智能化發(fā)展。軌道交通車輛智能制造及運維系統(tǒng)借助了大數據、人工智能等先進技術手段，基于歷史數據、實時數據以及環(huán)境條件，不僅完成車輛的自動化生產，還對系統(tǒng)進行狀態(tài)與故障檢測，保證了系統(tǒng)的正常運行與作用。

2 城市軌道交通的智能化現狀及存在問題

《智能制造發(fā)展規(guī)劃（2016-2020年）》作為指導“十三五”時期全國智能制造發(fā)展的綱領性文件，明確了“十三五”期間我國智能制造發(fā)展的指導思想、目標和重點任務。這是我國的城市軌道交通的智能化發(fā)展所應緊緊圍繞的指導思想與戰(zhàn)略目標，必須嚴格遵守與執(zhí)行。要結合實際發(fā)展情況，不斷強化技術能力與技術體系、生產標準以及網絡構建系統(tǒng)，實現我國軌道交通車輛制造的智能化目標。

現如今，可以明確地了解到，我國軌道交通制造業(yè)生產水平技術存在較大的差別。我國的軌道交通車輛產業(yè)經歷了三個主要階段，包括興起、停滯和快速發(fā)揮。1949年以前，鐵路交通運輸車輛大多依賴進口。在新中國成立之后，我國的軌道交通車輛制造業(yè)開始興起，歷經仿制、自主設計、自主研發(fā)、引進消化吸收等階段，實現了和諧號高鐵動車組列車的投入使用以及六次鐵路運輸大提速。此外，我國的城市軌道運輸業(yè)、高鐵動車組生產也在智能制造發(fā)展方面呈現出了逐步上升的趨勢。這些進步，提升了我國鐵路運輸的能力，推進了鐵路交通的現代化智能化發(fā)展進程。城市軌道交通的智能化發(fā)展方向首先是從傳統(tǒng)型轉向精細型，再由精細型轉向精益型，并向著數字化智能化方向逐漸過渡，我國的生產能力和工藝技術都已經達到了世界領先水平。

相較于智能化系統(tǒng)在其他領域的成熟應用，在成熟軌道交通車輛方面，其智能生產與運維系統(tǒng)的應用還存在諸多欠缺，需要進一步優(yōu)化改善和提升。其存在的問題包括以下幾個方面。

第一，基礎技術研發(fā)能力不強。表現在關鍵材料、工藝依賴他人，基礎工藝技術與能力不夠，平臺自動識別與主動控制靈敏度與準確度不足。由于軌道交通車輛在裝配復雜作業(yè)現場存在其獨有特征與設計，需要采用特定的裝配過程，對車輛組件信息實現準確且快速的自動識別。數據采集時，實時監(jiān)測種類不全;生產制造中存在故障漏報或虛報問題;在系統(tǒng)運維中，車輛存在過修或欠修的問題。

第二， 共性技術研發(fā)能力欠缺。表現在仿真平臺作用不到位上，缺乏統(tǒng)一的產品協(xié)同研發(fā)和仿真驗證，平臺包括車輛機械系統(tǒng)仿真平臺，噪聲分析與診斷，車身耐受度研究平臺，牽引、制動、信號與功率集成仿真平臺等。此外，需要培訓網絡測試平臺，建立通信網絡和無線通信網絡，開展無損檢測技術研究，形成相關技術標準，實現研發(fā)、測試環(huán)節(jié)。

第三，關鍵技術開發(fā)能力不足。關于列車生命周期，其在自主安全防護方面的研究仍然不夠。復雜環(huán)境下的軌道交通系統(tǒng)的故障分析與預判、安全控制與保障系統(tǒng)技術研究不足，城市軌道交通系統(tǒng)的智能化安防保障和運維一體化技術亟待構建和優(yōu)化完善。此外，產品智能感知系統(tǒng)的相關研究不夠深入，軌道交通能源利用模式綠色化程度不夠，完備的列車控制的互聯(lián)互通系統(tǒng)沒有實現。

第四，實際產品平臺建設不夠到位。目前還沒有完成相關體系的平臺化設計，該平臺具有標準化、模塊化、全流程管理的特點，能夠對產品進行全周期的信息數據采集與分析、測試、共享，可實現同設計、生產、服務相銜接的一體化鏈條，促進城市軌道交通系統(tǒng)的現代化智能化發(fā)展。

由于政策的無序競爭和重復建設、產業(yè)配套能力不足、產品質量種類不足、產品生產運維智能化平臺建設不足、研發(fā)能力不足等問題，我國城市軌道交通車輛產業(yè)存在戰(zhàn)略升級的瓶頸，這是迫待解決的問題。

3 智能制造與運維的系統(tǒng)構架與發(fā)展思路探索

我國的城市軌道車輛系統(tǒng)架構應當圍繞“推動原始創(chuàng)新、引領綠色智能、創(chuàng)新發(fā)展模式、拓展國際空間”的發(fā)展思路，以建設先進的研發(fā)體系為目標，基于智能制造、網絡信息化等現代化技術，結合自身實際情況，全面推進模式轉變。針對城市軌道交通車輛智能制造與運維系統(tǒng)現狀和不足，本文研究的系統(tǒng)構架包括了一些新的功能，即車輛相關組配件的實時在線智能監(jiān)控、數據信息的傳輸、采集與分析、智能檢測故障、車輛及關鍵組件壽命預測以及各類輔助安全、管理等功能，實現系統(tǒng)的自我學習、自我修正。

通過在生產線中添加多種復合傳感器，如溫度、濕度、壓力、振動、加速度等傳感器，實時監(jiān)測裝配過程。系統(tǒng)的網絡架構包括車輛的自動識別、設備自動控制、加工數據采集與分析、仿真、管理、車輛狀態(tài)檢測等部分構成，并與網絡互聯(lián)互通。從而實現車輛識別自動化、設備控制智能化、質量控制實時化、過程管理透明化、制造過程少人化、故障檢測運維自主化、在線學習自主化。

4 城市軌道車輛智能化系統(tǒng)的應用展望

為了深入了解與探索軌道交通車輛的發(fā)展方向與應用前景，不斷向現代化智能化的最終目標靠攏，根據軌道交通車輛的發(fā)展方向的幾個類型，可分別對其特征進行分析與定義。

傳統(tǒng)型系統(tǒng)在生產制造過程中，具有獨立運行的數據作業(yè)設備及其運作單元，并且已經實現了電子技術數據功能以及自動化網絡管理與基本的財務、辦公。精細型系統(tǒng)在生產制造過程中，初步實現設備的互聯(lián)網互通，具有一定的網絡數據信息體系與構架;能夠實現三維技術及其數學建模，具有相關軟件服務、維護網絡平臺系統(tǒng);并且在生產流程方面，可實現流暢的銜接與貫通。精益型系統(tǒng)在生產制造的過程中，已經具備了較為完善的網絡數據信息同設備的互聯(lián)網互通體系;可流暢實現三維技術、完成具有生命周期的虛擬仿真的任務;構建了設備與網絡信息實時互通平臺;其各方面的業(yè)務流程管理也較為完善。數字化系統(tǒng)在生產制造過程中，其設備的網絡數字信息可實現全方位的應用，生產流程中采集數據實時可控，可及時收集數據，工業(yè)網絡平臺功能較為完備;虛擬化生命周期生產制造達到數字化生產階段，可實現落地;生產制造管理流程以及各方面實現可視化、安全監(jiān)控。而智能化系統(tǒng)在生產制造過程中，其設備具有完善的自我感知、自我分析、自我學習與決策等功能的智能集成運用;在技術上具有大數據的采集、整理與分析、智能感知與計算、處理能力;其云端網絡可與工業(yè)網絡流暢銜接運行，協(xié)調控制管理系統(tǒng)平臺具有自控管理、學習調節(jié)、多鏈條交叉管理等現代化智能化能力。

城市軌道車輛智能化系統(tǒng)的未來發(fā)展與應用趨勢主要表現在以下幾個方面，包括企業(yè)重組聯(lián)盟兼并加快、產業(yè)鏈配置日益全球化、技術“歸核化”趨勢明顯和組配件銷售、售后服務比重增大。企業(yè)重組聯(lián)盟兼并的目的在于降低風險與成本，結盟的形式不僅促進技術創(chuàng)新，而且提高了生產能力以及生產效率。產業(yè)鏈配置全球化的意義在于應對復雜多變的市場環(huán)境，不同地區(qū)需要不同的配置。而技術“歸核化”，即技術在智能制造中占據核心地位，集中自身優(yōu)勢專注于核心技術的開發(fā)，提高了生產制造的靈活性。組配件的銷售及其售后服務是整個產業(yè)鏈的下游部分，但這種增值活動同樣至關重要，面對競爭激烈的市場環(huán)境，服務業(yè)的重要性的提升是未來發(fā)展的趨勢。

5 結束語

我國城市軌道交通車輛的智能化制造與運維系統(tǒng)不斷發(fā)展更迭，改革與創(chuàng)新刻不容緩。制定并建立良好的軌道交通車輛智能化體系的設計規(guī)劃和標準，要提高制造效率、降低能耗、提升產品質量、完善整個制造技術體系，才能更好地、可持續(xù)地推動其現代化智能化發(fā)展實體落地。首先，需要制定智能制造發(fā)展計劃;其次，執(zhí)行智能制造計劃，并在執(zhí)行過程中不斷優(yōu)化調整;最后，要采用科學、合理、現代的方法模式與結構，不斷深化智能制造發(fā)展方向與目標。

參考文獻：

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