城市軌道交通智能綜合檢測列車檢測系統集成方案*

戴源廷 馬志鵬 徐 棟 周 瀟

(1. 中國鐵道科學研究院集團有限公司城市軌道交通中心, 100081, 北京;2. 中國鐵道科學研究院, 100081, 北京; 3. 北京市軌道交通運營管理有限公司, 100068, 北京; 4. 重慶市軌道交通(集團)有限公司, 401120, 重慶∥第一作者, 副研究員)

隨著城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)線網規模的逐漸擴大,基礎設施服役年限的逐漸累積,應用綜合檢測技術實現關鍵基礎設施健康狀態的高效感知,成為城軌基礎設施運維的迫切需求[1]。

既有城軌綜合檢測列車存在集成化程度不足、智能化水平不高的缺陷,無法實現多專業數據的同步、精準采集,難以滿足城軌智能化,建設運營綠色化的發展需求[2]。為突破既有綜合檢測列車的技術瓶頸,需要研發新一代城軌智能綜合檢測列車。目前,深圳市地鐵集團有限公司牽頭研發出2節編組B型綜合檢測列車,中國鐵道科學研究院牽頭研發出3節編組B型綜合檢測列車。

本文從需求、效益、功能替代性等3個維度出發,利用改進結構的層次分析方法,提出了城軌智能綜合檢測列車各檢測系統的配置方案決策模型;以實際線路為工程背景,分析城軌智能綜合檢測列車的集成配置條件,根據搭載檢測系統的不同提出兩種切實可行的配置方案,為城軌智能綜合檢測列車的集成研發方案提供參考。

1 城軌智能綜合檢測列車各檢測系統配置方案決策模型

1.1 檢測系統簡介

城軌智能綜合檢測列車各檢測系統需求數量如表1[3]。

表1 城軌智能綜合檢測列車各專業檢測系統配置

為實現基礎設施全斷面狀態數據的主動感知,定位同步系統與車載綜合管控系統作為智能綜合檢測列車的必備檢測系統,不作為決策模型的主要分析對象,其余各檢測系統編號依次為1～11。

1.2 需求維度分析

城軌智能綜合檢測列車作為動態綜合檢測設備,受到城軌行業的廣泛關注。通過對北京、重慶、廣州等城市軌道交通運營公司的調研,截至2023年2月,各檢測系統的需求統計結果見圖1。

圖1 智能綜合檢測列車各檢測系統需求數量統計

隨著城軌智能綜合檢測列車的進一步推廣,僅依據當前調研情況得到的系統需求具有短期性與隨機性。為更全面反映市場對各檢測系統的需求,本文基于上述統計情況,利用層次分析法結合專家評分對各檢測系統的需求權重進行分析[4-5]。

1.2.1 層次結構的建立

為了將各檢測系統進行統一比較分析,本文改進了傳統層次分析法的層次結構,刪除功能層,建立如下的目標層與指標層結構:① 目標層A(檢測系統的總體需求);② 指標層B1—B11(通信檢測系統,…,隧道襯砌狀態巡檢系統)。

1.2.2 判別矩陣的構造

判別矩陣N中的各個元素均不為0,以左對角線互為倒數分布,元素的大小反映了在其下角標的兩個元素中,前者相對于后者的重要性大小。判別矩陣結構、標度及含義詳見文獻[6]。

1.2.3 權重向量的計算

和積法和方根法是常用的計算權重的方法。本文選用方根法進行計算[7]。

對判別矩陣N中各元素aij按行求積:

(1)

對Di求1/q次冪,得到:

(2)

對ai做量綱一化處理,得到權重系數wi:

(3)

對各行做量綱一化處理后,W=[w1w2…wi…wq]T就是所求各因素的權重向量。

判別矩陣N的最大特征根λmax為:

(4)

式中:

βi——NW中的元素。

1.2.4 一致性檢驗

判別矩陣的一致性指標IC與平均隨機一致性指標IR的比值RC可作為一致性檢驗的評價標準。當RC≤0.1時,表示判別矩陣的一致性通過檢驗。本文采用層次分析法通用的IC、RC、IR的計算公式,詳見文獻[7]。

1.2.5 權重計算結果

在上文基礎上,結合9位專家評分,得到目標層A下各指標之間的綜合標度值,進一步計算得到各檢測系統的權重向量及最大特征值,并進行一致性檢驗。目標層A下各因素的權重見表2。

由表2可知,通過改進層次結構得到的權重,符合一致性檢驗標準。

1.2.6 量化結果

在城軌智能綜合檢測列車各檢測系統配置方案決策模型的需求維度中,根據權重量化為各檢測系統評分,確定各檢測系統的需求優先級。以最高權重值作為評分基準,以此確定需求權重因子σ1(36.205 6),經量化得到各檢測系統排名由前往后的編號依次為系統6、8、7、9、4、11、5、3、10、1、2。

1.3 效益維度分析

城軌效益主要體現在智能綜合檢測列車各檢測系統所節省的人力與工時。結合調研與計算結果,以北京某運營地鐵線路為例,智能綜合檢測列車與既有綜合檢測列車各檢測項目工時對比,如表3所示。

表3 智能綜合檢測列車與既有綜合檢測列車各檢測項目工時對比

表3為部分檢測系統的計算結果,將該地鐵線路里程折合為100 km,得到各檢測系統全年所節省的工時排名,引入效益因子σ2(4.372 5×10-4),經量化得到各檢測系統的效益評分,對效益評分由前往后進行排名,得到其相應的檢測系統編號依次為系統9、3、7、10、6、11、8、4、5、1、2。

1.4 功能替代分析

城軌智能綜合檢測列車有助于統籌線網級檢測資源,替代既有軌道檢測列車、接觸網檢測列車、鋼軌探傷車等專用內燃工具,推進運維階段工務裝備的電氣化升級[8]。從功能替代性的維度,城軌智能綜合檢測列車的可替代設備的投資估算如表4所示。

表4 城軌智能綜合檢測列車可替代設備的投資估算

通過設定功能替代因子σ3,量化智能綜合檢測列車搭載的各檢測系統的功能替代性,得到排名由前往后的檢測系統編號依次為系統3、10、11、6、7、9、8、4、5、1、2,σ3為0.005。

1.5 決策模型

設定需求維度、效益維度、功能替代性的評分分別為x1、x2、x3。其中:x1反映出城軌行業對智能綜合檢測列車各檢測系統的客觀需求;x2與x3可統一為經濟性指標,體現智能綜合檢測列車各檢測系統節省的人力成本及設備成本。設定決策模型的評分為y,得到配置方案的決策模型如下:

(5)

式中:

n——維度;

kg——各維度的權重系數。

城軌智能綜合檢測列車各檢測系統配置方案以檢測需求為導向,輔助功能與效能指標。本文設定k1、k2、k3分別為0.6、0.2、0.2,通過決策模型得到各檢測系統配置優先級排名如表5所示。

表5 城軌智能綜合檢測列車各檢測系統配置優先級排名

根據表5可見:檢測系統評分越高,越需優先考慮該系統配置。將各檢測系統分為A0、B0、C0等3個優先級:A0級表示智能綜合檢測列車普遍需要配置的檢測系統,B0級表示在考慮實際的情況下決定是否配置的檢測系統,C0級相比A0、B0級更加次要。因此,不同檢測系統配置方案的區別往往體現于鋼軌探傷、車輛動力學響應等B0級檢測系統的集成。

2 城軌智能綜合檢測列車各檢測系統集成案例分析

2.1 各檢測系統集成原則

以北京某條地鐵運營線路為例,選取運營車輛為A型,采用接觸網供電,電壓等級為DC 1 500 V,線路設計速度為120 km/h。智能綜合檢測列車必須滿足車輛最小限界的要求,可采用小于A型車的B型車配置方案,采用1 500 V直流供電,搭載的檢測系統必須符合120 km/h設計速度下的檢測精度[9-10]。

2.2 動拖比配置

在城軌智能綜合檢測列車搭載的檢測系統中,鋼軌探傷系統由于安裝空間較大,不能集成于列車的動車轉向架上;而車輛動力學響應檢測系統若采用遙測技術,由于安裝空間的限制,需要集成于列車拖車轉向架上。因此,上述系統的集成將影響列車的動拖比配置情況,需要進行不同動拖比情況下動力性能的核算。

對此,本文對不同動拖比配置情況展開分析,設定6種常用配置方案,如表6所示。

表6 城軌智能綜合檢測列車動拖比配置方案

以該運營線路為例,對方案二進行列車動力性能核算。假設單節車輛質量依次為36 t、35 t、36 t,額定載荷下每節車輛核載10人,人均質量為60 kg。列車牽引黏著系數為0.16～0.18,平均起動加速度≥0.9 m/s2,制動黏著系數為0.14～0.16,平均減速度≥1.0 m/s2,核算列車在額定載荷及損失動力的工況下是否可以在35‰的坡道上起動。

2.2.1 列車動力性能核算

列車動力性能核算過程參考文獻[11]。經計算,方案二下列車黏著牽引力為124.47 kN,平均起動加速度為1.012 m/s2>0.900 m/s2,滿足牽引性能要求。在額定工況下,列車黏著制動力為108.91 kN,制動加速度為0.93 m/s2<1.00 m/s2;在損失動力工況下,列車起動加速度為0.232 2 m/s2>0.083 3 m/s2,滿足正常起動要求。

2.2.2 列車動力性能核算結果對比分析

同理可得,各分組下列車的動力性能核算結果如圖2所示。

圖2 列車動力性能核算結果

方案2中的動拖比配置可以滿足列車動力性能的需求,同時也證明了方案二、三、五、六為可行方案。在實際城軌智能綜合檢測列車的集成方案中,可根據不同的搭檢測設備選擇不同的方案。

3 城軌智能綜合檢測列車編組方案

編組方案一 智能綜合檢測列車若安裝鋼軌探傷系統,不宜采用2節編組列車方案,推薦采用動拖比為2∶1的3節編組列車方案。3節編組列車方案下的設備布置如圖3所示。圖3中,TM為半動半拖車,TMcp為帶受電弓和司機室的半動半拖車。

a) 側視圖

編組方案二 從功能需求的角度出發,若智能綜合檢測列車不需要集成鋼軌探傷系統,可以采用2節編組列車配置方案,推薦動拖比為3∶1。2節編組列車方案下的設備布置如圖4所示。圖4中,Mcp為帶受電弓和司機室的動車。

a) 側視圖

4 智能綜合檢測列車的技術優勢

綜上,智能綜合檢測列車具有如下優勢:

1) 城軌智能綜合檢測列車可實現標準化、規范化、系統性的基礎設施運行狀態檢測,實現多專業數據的融合分析,有利于統一技術標準,統一技術手段,從而對城軌線路運營質量進行統一評價打分。

2) 有效統籌線網級檢測資源,逐步替代各專業檢測列車和小型設備等,推進運維階段工務裝備的電氣化升級,促進設備集約化,有效降低整體運維成本,助力綠色長效發展機制的形成。

3) 隨著系統集成化程度進一步提高,可實時獲取基礎設施的運行狀態和數據,有效提升前端智能感知技術與數據傳輸技術水平,實現“感知-分析-評價-決策”全流程智能化,推動智慧城軌建設。

5 結語

本文通過對城軌智能綜合檢測列車決策模型的綜合評價,明確各檢測系統的決策優先級,在此基礎上展開適應于北京某地鐵線路條件的智能綜合檢測列車檢測系統集成案例分析,提出與其相適應的列車編組方案,驗證了該方案的合理性。

隨著城軌智慧化、運營網絡化、建設運營綠色化的不斷發展,通過搭載多種智能感知設備,搭配多元耦合全斷面基礎設施狀態綜合感知與分析評價平臺的城軌智能綜合檢測列車,實現關鍵設施健康狀態的高效感知及基礎設施的病害識別,將成為保障城市軌道交通運營安全的重要手段。