基于全要素、全過程數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)

郭建偉 司軍民 趙夢露 張里洋

(1.太原市軌道交通發(fā)展有限公司，030032，太原；2.中車永濟(jì)電機有限公司，044500，永濟(jì)∥第一作者，高級工程師)

我國城市軌道交通在快速發(fā)展過程中也面臨諸多痛點問題和現(xiàn)實需求：據(jù)不完全統(tǒng)計，2020年由于故障原因共發(fā)生5 min及以上延誤事件1 023次，列車退出正線故障共計7 405次[1]；由于不同線路、不同業(yè)務(wù)系統(tǒng)間互聯(lián)互通性差，導(dǎo)致線網(wǎng)運力和運量匹配度低，系統(tǒng)運行協(xié)同與設(shè)備設(shè)施維護(hù)難度較大；檢修作業(yè)的效率低、成本高，難以滿足更加可靠、經(jīng)濟(jì)和智能的運維需求；車輛運營負(fù)荷急劇增加、運行成本高，亟需實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，以提升運能運力。運維中缺少線網(wǎng)級的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，缺少全生產(chǎn)要素數(shù)字化覆蓋的智能化日常維保和維修作業(yè)平臺。

解決上述痛點問題和現(xiàn)實需求的關(guān)鍵之一是加強車輛運維管理。本文介紹的基于全要素、全過程數(shù)據(jù)融合的城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)是實現(xiàn)車輛運維高效管理的技術(shù)手段之一。

1 總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

圍繞國家戰(zhàn)略、聚焦行業(yè)需求，依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)手段，突破城市軌道交通車輛多元異構(gòu)數(shù)據(jù)融合集成技術(shù)、車輛健康診斷技術(shù)，構(gòu)建基于全過程、全要素數(shù)據(jù)融合應(yīng)用的城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)，打造集車輛、軌旁、場段、檢修和總控等多功能于一體的智能運維平臺，推動構(gòu)建數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化城市軌道交通運維服務(wù)新模式。該系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)整體設(shè)計

1.2 功能定位

該系統(tǒng)基于新一代信息技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)車輛專業(yè)設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、特征提取、狀態(tài)評估、故障診斷、故障預(yù)測、維修模式優(yōu)化和維修決策等智能化應(yīng)用功能，構(gòu)建集合車輛、軌旁等與行車安全密切相關(guān)的多專業(yè)智能運維系統(tǒng)，達(dá)到多專業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)一采集、數(shù)據(jù)綜合監(jiān)視、故障聯(lián)動分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及數(shù)據(jù)綜合展示的目的。進(jìn)而實現(xiàn)降低維修保障費用，降低設(shè)備運行期間因故障引起的風(fēng)險，縮短設(shè)備全生命周期維修時間，提高設(shè)備可用性，保障運營安全。

1.3 業(yè)務(wù)場景

該系統(tǒng)整體覆蓋城市軌道交通車輛智能運維的全過程和業(yè)務(wù)場景。依托車地?zé)o線傳輸、云平臺、大數(shù)據(jù)挖掘和智能檢修設(shè)備，圍繞“智慧列車、智慧監(jiān)測、智慧檢修”構(gòu)建車輛健康管理、軌旁智能檢測、車輛檢修管理、智能場段管理和智能總控中心五大系統(tǒng)應(yīng)用，實現(xiàn)車輛實時運行狀態(tài)監(jiān)測，結(jié)合運行監(jiān)控與故障預(yù)測實現(xiàn)健康管理。同時，將故障診斷報警、故障趨勢預(yù)測信息與部件全壽命狀態(tài)維修管理數(shù)據(jù)、場段的車輛運用調(diào)度數(shù)據(jù)貫通聯(lián)動，實現(xiàn)檢修運維服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與產(chǎn)品運行狀態(tài)精準(zhǔn)協(xié)同，提升智能化服務(wù)質(zhì)量和服務(wù)效率。最終所有信息和數(shù)據(jù)統(tǒng)一匯聚至智能總控中心進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控、調(diào)度和管理，實現(xiàn)整個智能運維場景的數(shù)據(jù)閉環(huán)。該系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景設(shè)計如圖2所示。

圖2 城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景設(shè)計

2 技術(shù)架構(gòu)

傳統(tǒng)信息集成平臺能夠滿足日常業(yè)務(wù)的處理要求，但伴隨全過程、全要素車載、軌旁等設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)以及管理數(shù)據(jù)的指數(shù)級增長，傳統(tǒng)信息集成平臺的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力、數(shù)據(jù)存儲能力、數(shù)據(jù)處理能力、數(shù)據(jù)交換能力、數(shù)據(jù)展現(xiàn)能力以及數(shù)據(jù)互動能力都已無法滿足大數(shù)據(jù)時代的要求[2]。城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)升級與數(shù)據(jù)融通應(yīng)用的關(guān)鍵在于打破各專業(yè)系統(tǒng)間的壁壘。

本文提出的基于全過程、全要素的城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)，基于實際運維業(yè)務(wù)場景的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化需求，其總體設(shè)計思路為：①基于先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)車輛、軌旁等設(shè)備的物聯(lián)接入，使設(shè)備具有自動感知能力；②采用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺四層體系架構(gòu)[3]，選取先進(jìn)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用技術(shù)作為整體數(shù)據(jù)管理的基礎(chǔ)，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐數(shù)據(jù)資源的泛在連接、彈性供給和高效配置；③基于微服務(wù)架構(gòu)，結(jié)合實際應(yīng)用場景，形成基于統(tǒng)一平臺的差異化數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)；④通過服務(wù)門戶與大屏指揮終端總攬全局，實現(xiàn)跨專業(yè)的聯(lián)動指令。對應(yīng)數(shù)據(jù)處理過程中采集、存儲、計算和應(yīng)用四個階段，將整個平臺劃分為感知傳輸層、數(shù)據(jù)平臺層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層和服務(wù)門戶層。該系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 城市軌道交通車輛智能運維系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)設(shè)計

1)感知傳輸層：是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)及輸入，重點包括各專業(yè)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)接入以及運營線路沿線的氣象信息接入。在各專業(yè)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)接入方面，重點將車輛、車站設(shè)備、軌旁、供電、信號等當(dāng)前狀態(tài)信息數(shù)據(jù)通過車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)收集并分類匯總至線路級中轉(zhuǎn)服務(wù)，結(jié)合一車一協(xié)議歸集至線網(wǎng)級的統(tǒng)一管控平臺，進(jìn)行監(jiān)控分析。在運營線路沿線的氣象信息接入方面，重點定位數(shù)據(jù)獲取范圍，對接氣象系統(tǒng)或線路系統(tǒng)，提供Webservice數(shù)據(jù)接口，實現(xiàn)環(huán)境溫度、濕度和風(fēng)沙等數(shù)據(jù)自動接入；對于如氣象或地質(zhì)災(zāi)害等信息，定位數(shù)據(jù)獲取項點，基于網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)抓取，補充系統(tǒng)對接數(shù)據(jù)的不足。基于統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化接口服務(wù)，能夠與各合作廠家的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)共享與交互。

2)數(shù)據(jù)平臺層：同時將大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和人工智能等新技術(shù)與車輛運維服務(wù)相融合，通過數(shù)據(jù)驅(qū)動、邊云協(xié)同，構(gòu)建更精準(zhǔn)、實時、高效的數(shù)據(jù)采集體系，建設(shè)包括存儲、集成、訪問、分析和管理等功能的平臺應(yīng)用。

3)業(yè)務(wù)應(yīng)用層：在業(yè)務(wù)應(yīng)用層，結(jié)合場景，以工業(yè)APP的形式為業(yè)務(wù)提供支撐；最終在上層面向不同角色形成車輛運維服務(wù)新模式。

4)服務(wù)門戶層：這是數(shù)字化建設(shè)的最終目的。通過引入可視化技術(shù)，將數(shù)據(jù)融合分析應(yīng)用的結(jié)果形象地展示給用戶，方便用戶理解和接受，引導(dǎo)用戶逐步進(jìn)行分析，輔助用戶進(jìn)行運營決策。

3 功能應(yīng)用

結(jié)合業(yè)務(wù)場景，整體解決方案的核心圍繞車輛健康管理、軌旁智能檢測、車輛檢修管理、智能場段管理和智能總控中心五個方面進(jìn)行落地。

3.1 車輛健康管理

重點實現(xiàn)系統(tǒng)關(guān)鍵部件以及車輛的健康評估與管理功能，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)整合，分層分級構(gòu)建線路監(jiān)控和線網(wǎng)管控系統(tǒng)。主要包括線網(wǎng)管控、線路監(jiān)控、列車監(jiān)控和系統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)列車正線故障、歷史故障、模型結(jié)果、列車載重和運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)構(gòu)建合理的健康評估指標(biāo)和人工智能分析模型，實現(xiàn)對關(guān)鍵部件以及車輛的健康評估與管理功能。同時通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、整合，分層分級構(gòu)建線路監(jiān)控和線網(wǎng)管控系統(tǒng)，展示單條線路或全網(wǎng)線路的列車狀態(tài)、列車位置、配屬統(tǒng)計和當(dāng)日投運等信息。在列車監(jiān)控方面，基于整車級車載智能運維主機，實現(xiàn)車輛的走行部、牽引/輔助系統(tǒng)、制動、車門系統(tǒng)和蓄電池等關(guān)鍵子系統(tǒng)在線故障檢測和狀態(tài)評估。通過5G/4G或庫內(nèi)Wi-Fi，實現(xiàn)云端的監(jiān)測數(shù)據(jù)庫建立、狀態(tài)資料查詢和特征對比等擴(kuò)展功能，滿足數(shù)據(jù)共享需求。

3.2 軌旁智能檢測

重點是將車輛物理外觀類故障等“直觀”故障現(xiàn)象，通過視頻圖像分析處理方式進(jìn)行檢測和標(biāo)記，提高巡檢效率和識別報警的準(zhǔn)確率;通過在車輛段、正線和軌旁合理配置安裝基于紅外線、激光和線陣相機等傳感技術(shù)的檢測裝置，實現(xiàn)對車輛的受電弓檢測、輪對檢測(磨耗件尺寸)、360°圖像檢測(外表故障)和走行部溫度檢測等，及時發(fā)現(xiàn)車輛故障、缺陷及問題。同時可同步向相應(yīng)的軌旁設(shè)備提供車輛運行狀態(tài)信息，實現(xiàn)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)的相互聯(lián)動，以便運維方及時采取故障處置措施。軌旁智能檢測系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 軌旁智能檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.3 車輛檢修管理

重點是綜合智能運維模式下的多專業(yè)融合與協(xié)同，通過故障管理與檢修管理的精準(zhǔn)匹配，快速發(fā)現(xiàn)故障點，準(zhǔn)確判別故障原因，及時采取處置措施。基于標(biāo)準(zhǔn)化修程工藝、有限計劃排產(chǎn)、智能裝備、物料預(yù)測與推送和自動檢測設(shè)備，搭建基于“人、機、料、法、環(huán)、測”全生產(chǎn)要素數(shù)字化覆蓋的智能化車輛日常維保和維修作業(yè)系統(tǒng)。將車輛健康管理與全生命周期數(shù)據(jù)應(yīng)用有效貫通，將供應(yīng)鏈服務(wù)網(wǎng)絡(luò)與車輛運行狀態(tài)精準(zhǔn)協(xié)同。當(dāng)車輛發(fā)生故障或者預(yù)測到即將發(fā)生故障時觸發(fā)工單、操作規(guī)程和物料等業(yè)務(wù)流程，確保備品備件、制造和物流等各環(huán)節(jié)有效協(xié)同響應(yīng)。在提升作業(yè)效率與設(shè)備可靠性的同時降低運維成本，實現(xiàn)運維場景的智能化閉環(huán)。車輛檢修管理系統(tǒng)設(shè)計如圖5所示。

圖5 車輛檢修管理系統(tǒng)設(shè)計

3.4 智能場段管理

重點是基于數(shù)字孿生等技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)運轉(zhuǎn)可控、軌跡可循和狀態(tài)可查。主要包括安全聯(lián)鎖、自動排車、設(shè)備維保和安全防護(hù)。通過場段數(shù)字孿生技術(shù)實現(xiàn)運轉(zhuǎn)可控、軌跡可循、狀態(tài)可查和信息可見；通過情景交融、數(shù)據(jù)共享助力精準(zhǔn)決策。

1)安全聯(lián)鎖：通過遠(yuǎn)程集中邏輯控制各子系統(tǒng)，實現(xiàn)隔離開關(guān)分合操作、接觸網(wǎng)驗電接地操作和平臺門開關(guān)操作之間的緊密聯(lián)鎖關(guān)系。

2)列車運用管理：綜合考慮車輛里程梯度、檢修狀態(tài)、回段需求和檢修計劃等多方面因素，自動完成收發(fā)車計劃安排，實現(xiàn)數(shù)字化管理。

3)設(shè)備維保：實現(xiàn)列車關(guān)鍵設(shè)備的選型、購置、安裝、操作使用、維護(hù)修理和處置等集成管理。

4)安全防護(hù)：安全區(qū)域固定，設(shè)置報警檢測設(shè)備，用于檢測入侵報警和異常作業(yè)等。

3.5 智能總控中心

重點是借助綜合運維調(diào)度指揮中心等實現(xiàn)信息共享和高效指揮，確保線路正常運營，同時實現(xiàn)業(yè)務(wù)的扁平化管理與資源優(yōu)化配置。在共享數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善全過程、全要素數(shù)據(jù)的收集、分析、監(jiān)控，以及統(tǒng)一管理和統(tǒng)一調(diào)度。通過多專業(yè)協(xié)同聯(lián)動控制以及線路智能綜合調(diào)度應(yīng)用，建立城市軌道交通車輛智能運輸組織輔助決策系統(tǒng)。智能總控中心系統(tǒng)設(shè)計如圖6所示。

圖6 智能總控中心系統(tǒng)設(shè)計

4 應(yīng)用價值

1)提升車輛的安全性、可靠性和可用性。經(jīng)綜合評估與應(yīng)用驗證，基于大數(shù)據(jù)與智能算法的車輛健康管理系統(tǒng)能夠極大提高關(guān)鍵部件的故障診斷和故障預(yù)測能力。實現(xiàn)對車輛運用狀態(tài)的精準(zhǔn)掌控、在線車輛的交互式應(yīng)急處置以及列車全生命周期狀態(tài)監(jiān)測與評估。

2)提升檢修效率，降低運維成本。根據(jù)狀態(tài)維修數(shù)據(jù)對檢修計劃、檢修執(zhí)行、檢修履歷、人員和物資進(jìn)行綜合管理。當(dāng)修程范圍覆蓋60%以上的人工目檢作業(yè)，同時減少30%以上的人工檢查工時，可提高列車運營質(zhì)量，降低備品備件庫存數(shù)量，減少維修成本。

3)助力運維模式轉(zhuǎn)型升級。依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等新技術(shù)手段，實現(xiàn)車輛、軌旁和檢修服務(wù)等數(shù)據(jù)信息融合，助推車輛運維模式、運維手段、運維技術(shù)和運維管理的全面提升。

4)推動數(shù)據(jù)深度融合應(yīng)用。打破傳統(tǒng)煙囪式的系統(tǒng)建設(shè)架構(gòu)，基于云邊協(xié)同的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺新模式，實現(xiàn)系統(tǒng)架構(gòu)彈性擴(kuò)展和資源動態(tài)平衡；基于云化和微服務(wù)模式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與應(yīng)用分離，突破性能瓶頸，建立全面的能力開放體系，支撐產(chǎn)業(yè)生態(tài)化發(fā)展。

5 結(jié)語

智能運維是建立在智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的新興的技術(shù)發(fā)展趨勢，是助力城市軌道交通發(fā)展，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全運行的有力保障體系[4]。盡管業(yè)界對于智能運維的價值已形成普遍共識，但其落地應(yīng)用還處于起步階段，未來還有很長的路要走。在這個進(jìn)程當(dāng)中，需要城市軌道交通運營公司、主機設(shè)備廠家和系統(tǒng)供應(yīng)商，以及數(shù)據(jù)和平臺供應(yīng)商共同努力和攜手并進(jìn)，共建智能運維生態(tài)圈，共享城市軌道交通運維的“藍(lán)海”市場，推動“智慧地鐵”建設(shè)目標(biāo)的全面實現(xiàn)。