軌道交通行業數智化轉型應用淺析

徐勇烈

0 引言

新基建時代的熱點將由傳統方式向數智化轉型，軌道交通的數智化是大勢所趨。新的應用潮流將產生新的建設、管理、維護模式。

軌道交通“數智化”依托人工智能、云計算、大數據、現代電力電子技術、自動化設備等，實現傳統業務的進化與升級，以數據為基礎，以機器為抓手，提供快捷服務，重塑業務價值等，完成傳統業務的轉型。其不僅僅是對傳統的業務、系統、技術、動態化計算、移動化技術的簡單疊加，而且是需要更進一步地融合各種業務場景的服務化、信息化、智慧化應用[1～5]。軌道交通數智化依托核心技術，以數據、場景為驅動，基于業務，面向服務，打造一站式、可擴展的數智化平臺。基于場景演化的“數智化+全行業”解決方案，可簡化施工項目的構建、實施和管理工作，縮短項目工期，大幅節約項目成本，聚焦于數智化業務的設計與開發，實現產業數智化賦能[6～12]。

1 軌道交通數智化依托技術

1.1 人工智能

新基建時代“互聯網+”的概念已在各行業得到了應用，數智化得到了越來越廣泛的重視。人工智能的層次有弱、強與超人工智能3 種，軌道交通行業目前處在弱人工智能階段，作用于特定的場景，涉及的領域包括自動化裝備、視覺辨別、智能語音等。人工智能作為一個賦能載體正在有力地推動產業的換代升級[13～18]。

人工智能在工程中的應用以信息要素為基礎，貫穿于項目的全過程。目前，人工智能可應用在進度管理、人員管理、成本管理、安全管理、機械設備管理等方面，且針對人員、設備、材料和現場等要素展開，其對工程施工質量起到關鍵作用[19，20]。行業對人工智能的認知逐漸從“提升效益”“協助管理”上升為對社會建設與生態環境的保護。

1.2 云計算技術

目前，數字化工程建設實施中廣泛應用的分析方法大多使用單臺計算機進行本地化分析，然而隨著工程越來越復雜、動態監測數據越來越豐富，單臺計算機本地化分析方法可能難以滿足實時分析的要求[21～23]。伴隨云計算和數據分析技術的發展，基于云計算的模型分析方法開始在數字化施工中逐步得到應用實踐。

云計算是一種基于互聯網的計算方式，將共享的軟硬件資源和信息按需提供給客戶端設備，用戶按需求彈性地向云計算提供商購買資源和空間進行計算、存儲及分析服務[24]。云計算主要通過部署在云端的服務器和用戶使用的客戶端實現，其中云端服務器負責數據的集成、存儲、分析等，客戶端負責應用不同載體進行信息采集、模型展現。云端服務器通過分布式文件系統存儲各類文檔，采用分布式數據庫存儲結構化數據。

1.3 大數據技術

大數據是指無法在一定時空范圍內用常規軟件工具進行捕捉、管理和處理，需要采用結構化獲取、系統化處理的海量、高增長率和多樣化的數據集合，并能幫助企業取得一定積極效力的信息。在技術層面上，云計算與大數據緊密相關，大數據需要使用分布式的架構進行分析，單一處理器無法勝任。為了完成對規模龐大的數據的發掘，還需依靠仿真技術、云技術、分布式處理與數據技術。

目前，大數據的信息將被作為提升產業能力的重要力量，其新型處理方式為決策方賦予了強有力的支持。未來，隨著大數據技術各種能力的不斷提升，與云計算進行深度整合后，對行業的信息安全工程、數智化產業、數字經濟的實現具有不可替代的作用。

1.4 現代電力電子技術

現代電力電子技術在軌道交通行業已獲得廣泛應用。電力電子設備極大地提高了牽引供電系統、車載安全系統的穩定性及乘客的便利性。隨著其性能、容量的不斷增強，封裝的升級，簡化了傳動系統，有利于牽引電力傳動系統的升級。圖1 給出了一種采用電力電子裝置架構的牽引供電系統。

圖1 電力電子裝置架構的牽引供電系統

1.5 自動化裝備

在制造業、建筑業、軍工業、軌道交通業等領域，自動化技術有著大量的應用。通過使用自動化技術，可以使勞動者從體力勞動中解放出來，并減輕腦力活動和存在一定危險性的工作，提高了生產安全系數，大大提升了生產效率，為人們對事物的認識和轉化提供了幫助。將自動化系統中的一類大型化的裝備稱作自動化裝置，是裝置在無人干預的情況下依靠設置的指令與程序自主完成操作或控制的狀態。因此，自動化裝備是制造業、建筑業、農業、國防等實現現代化的重要條件。

2 數智化生態系統架構

軌道交通數智化生態系統架構區別于服務架構，軌道交通數智化生態系統更專注于松耦合性、動態擴容、軟硬件融合性。圍繞軌道交通數智化合作場景業務能力構建“2+3+N”生態系統架構，通過輕量級協議通信，打造軌道交通數智化全產業鏈生態。圖2 所示為數智化生態系統架構。

圖2 “2+3+N”數智化生態系統架構

軌道交通數智化“2+3+N”生態系統架構內容包括：外圈層面的屏幕生態與自動化設備生態；內圈層面的人工智能、云端生態、應用端APP 生態；在此“2+3”基礎上實現的“N”，即各種場景化應用解決方案。該系統有利于解決軌道交通數智化合作服務體系中的諸多問題，在全產業鏈的服務產品研發過程中提升效率。

3 應用與實踐

3.1 數智化綜合能源系統

綜合能源系統是指利用一定區域內物理信息技術和新型管理模式，整合煤炭、石油、天然氣、電能、熱能等多種能源，實現統籌規劃、優化各種異構能源子系統之間的運行、協同管理、交互響應與互補[25～35]。運用先進的電力電子技術（信息技術和智能管理技術、分布式能源采集技術、分布式能源存儲技術），可結合分布式能源（光伏/風電/儲能）達到多能源優勢互補的效果，實現統一能源管理與調度，提高供電質量和安全可靠性[36～40]。圖3 所示為主要鐵路沿線清潔能源分布。

圖3 鐵路沿線清潔能源

清潔能源可被沿線路上的所有列車使用，有效減少牽引變電所的數量或在同等數量的牽引變電所情況下，可增加行駛的列車數量，采用貫通式-柔性牽引供電技術（如圖4 所示），可構成新能源協同供電系統，具備新能源的接入和消納，改善牽引供電電源結構，符合國家雙碳目標和綠色發展需求，同時具有削峰填谷的作用。

圖4 貫通式-柔性牽引供電技術

傳統軌道交通牽引供電系統采用不可控二極管整流方式供電，二極管整流機組成為交流中壓環網和直流接觸網之間能量雙向自由流通的重大阻礙，且對交流側功率因數、直流側電壓無法進行調節和控制。

柔性直流供電技術通過采用大功率、高性能的電力電子器件構成的可控式電力設備，實現對供輸電系統的電壓、電流、相角、功率等參數進行靈活調節，將原來基本不可控的供電網絡變得可控，提高供電線路的輸送能力，減小故障影響，大大提升電力供電系統的靈活性和穩定性。圖5 為柔性直流牽引系統原理圖。

圖5 柔性直流牽引系統

3.2 數智化施工

基于數智化的施工方式，通過軟硬件的技術共享，可動態收集和存儲工程施工全過程中的數據。在云計算的模式下進行施工進度實時管理與分析、質量安全問題在線處理、物資管理、工程資料管理；在應用APP 端（手機端、智慧屏端、網頁端、PC端）進行人、機、料、法、環等施工關鍵要素的處理；在機械層面，借助云平臺可以逐步實現高度自動化的施工。數智化施工相比于傳統施工，可對不同需求的場景進行兼容，實現功能服務器與不同數據模型的自由匹配。圖6 所示為基于數智化模型的施工架構。

圖6 基于數智化模型的施工架構

3.3 數智化裝備

（1）輔助運維機器人。輔助運維機器人（圖7）可通過有線或無線的方式進行控制，具有可實現協同工作的雙機械臂及末端執行器，結合云共享平臺實現自動巡檢、煙感/紅外探測、守衛、遠程巡視/巡檢處置，具有有線與無線2 種控制模式，均可以獨立控制機器人，具有人體隨動控制臺、手持控制器2 種控制方式。

圖7 輔助運維機器人進行變電所操作

（2）自動化預裝配技術。腕臂、吊弦自動化生產線改變了以往“人挑肩扛”式的粗放型腕臂、吊弦預配方式，提高了接觸網腕臂和吊弦預配的精準性、可靠性、安全性，避免了傳統預配方式下接觸網發生“松、脫、斷、裂、卡、磨”等問題，對接觸網上部的工藝質量提升顯著。

（3）動態檢測車。動態檢測車（圖8）用于限界檢測、冷滑試驗、熱滑試驗、弓網關系測試、輪軌關系測試、無線通信場強測試等檢測任務；運用多項機器視覺技術、基于神經網絡的深度學習技術，在接觸網/軌幾何參數檢測、時空定位檢測等方面作了較為前沿的技術探索。

圖8 動態檢測車

（4）智能化水沖洗車。具有全斷面沖洗功能的隧道智能化水沖洗車（圖9），具有沖洗壓力、角度調節功能，在隧道沖洗過程中可實現隧道壁部分低壓沖洗、道床部分高壓沖洗，并可單獨控制各噴嘴朝向及開閉，實現沖洗過程中避讓重要設備；可有效清理小型垃圾、塵土、隧道壁附著物，每次可裝水50 t，沖洗5 km。

圖9 智能化水沖洗車

4 結語

軌道交通的數智化已經成為行業重要的發展方向，依托數智化技術必將對施工行業帶來重要的變革。數智化對軌道交通行業產品研發與施工效率提升是驚人的，通過構建數智化生態服務平臺，圍繞各種應用化場景需求，深度融合人工智能、大數據、現代電力電子技術、云計算技術、自動化機械裝備等先進技術，將推動軌道交通行業設計、施工、制造、優化與維護全生命周期的創新發展。