城轨列车智能运维技术体系框架研究

钟铨

摘 要：为明确城市轨道交通（以下简称“城轨”）列车智能运维的工作开展内容与方式，在介绍城轨智能运维背景基础上，提出城轨列车智能运维系统定义和技术体系框架，阐述该框架的技术特征。基于此，介绍广佛城轨列车智能运维建设规划和建设内容，分析建设后的预期价值，以期为城轨列车智能运维管理提供借鉴。

关键词：城轨列车;智能运维;技术体系

中图分类号：U284.48

来自安全与成本的压力致使城轨列车设备状态跟踪、评估、性能预测及运维管理面临更多的挑战。各地铁公司、大专院校、科研机构纷纷开展了许多针对城轨列车部分子系统、部件的状态监测及故障报警装置的研究与开发活动，如文献[1]结合威布尔比例故障率模型（WPHM）绘制出走行部滚动轴承的运行可靠度和失效特征;文献[2]建立了受电弓/接触网垂向耦合动力学模型;文献[3]采用线性矩阵不等式（LMI）和分散式控制的理论方法，建立了列车制动系统控制模型;文献 [4]针对城轨列车运行多目标的特点，以能耗、准时性、精确停车以及舒适度为指标建立城轨列车运行多目标模型。以上研究都是通过列车局部异常展开的工作，对于面向城轨列车运行的复杂环境，其运维能力的设计与部署亟待系统性、智能化提升。

本文在对城轨列车智能运维技术的发展现状进行分析基础上，对列车智能运维技术体系框架进行研究，提出城轨列车智能运维系统定义和技术体系框架，为明确城轨列车智能运维建设的下一阶段研究做出努力和探讨。

1 城轨列车智能运维背景

（1）为保障列车的可靠性，确保运营安全，传统的方式是绝对保障，造成维护开支巨大。传统方式还可能存在过度修、修不足、高冗余等不足，导致维修人员和资源配置冗余，备用设备资源闲置，致使成本居高不下。城轨设备对安全性要求高，设备成本、相应的设备备品备件成本也较高;运营公司既要借助委外维护完成现阶段的维护任务，又要培训储备维护人员，导致人力成本居高不下。据统计，各地城轨维保费用平均占到日常运营总成本的20%，人力成本占到日常运营总成本的50%。

（2）在自主创新基础上，围绕数字化、智能化、网络化，大力应用新技术革命成果，并与城轨交通深度融合。一手抓智能化，强力推进云计算、大数据、物联网、人工智能、5G、卫星通信、区块链等新兴信息技术和城轨交通业务深度融合，推动城轨交通数字技术应用，推进城轨信息化，发展智能系统，建设智慧城轨;一手抓自主化，创新创优，增强自主技术创新能力，持续不断研发新技术、新产品，并增强自主品牌创优能力，不断研发新产品、新品牌。通过持续不断的智能化和自主化建设，完成城轨交通由高速发展向高质量发展转变，强力助推交通强国建设。

（3）检测、感知、虚拟/增强现实（VR/AR）、信号分析、物联网、大数据分析、图像处理、无线通信、人工智能等技术的不断发展与成熟，为全面覆盖机械、电气系统，开展列车部件状态感知、故障预警报警、状态评估及预测、维保决策及维修支撑等工作提供了有效手段，为城轨列车智能运维系统的研发创造了技术实现条件。

2 城轨列车智能运维技术体系框架

城轨列车智能运維技术体系面向城轨列车运行的复杂环境，运用物联网、数字孪生、大数据、云计算、人工智能等技术，实现列车及设备的互联互通，并将基于场景的车载数据、轨旁检测数据、检修业务数据有效耦合，对城轨列车状态特征和运行机理进行深度挖掘，形成一套具有列车状态感知与跟踪、故障诊断预警、剩余寿命预测、运维智能决策、作业自动化等能力的智慧系统，保障列车安全可靠、提效节能，实现列车运维精准管理。

2.1 体系框架

列车智能运维技术体系采用3-5-3体系框架，具体为：3个业务范围，5项业务作业管理，3类业务技术支撑，如图1所示。

2.1.1 业务范围

（1）列车在途运行。满足安全、舒适、便捷客运服务要求的列车组织管理，包括列车调度、运行控制、故障处理、应急智慧等业务活动。

（2）列车场段维护。保持列车服役能力的日常维护管理，包括列车日常检测、故障维修、普查整治、列车技改等业务活动。

（3）列车基地检修。恢复列车服役能力的维修维护管理，包括列车检测、列车分解、列车维修、列车调试、列车移交等业务活动。

2.1.2 作业管理

（1）计划。根据业务需求，实现外部环境与内部条件的分析，编制在未来一定时期内要达到的业务目标以及方案途径。

（2）调配。根据业务方案，组织所需的人、机、料、法等资源。

（3）进度。对业务活动的进展情况进行把控。

（4）质量。对业务活动实现过程的标准和业务活动目标的达成度进行管控。

（5）安全。在列车运维过程中，减少对人、物所造成的威胁或损失。

2.1.3 技术支撑

（1）信息化。通过计算机实现业务管理，完成业务各环节的无纸化横向贯通。

（2）自动化。实现业务链与底层设备的互联互通，及作业过程的自动化执行与管控。

（3）智能化。智能化技术的融入，实现安全的自动导向和基于效益驱动的业务自适应调整和执行。

2.2 技术特征

（1）系统性业务覆盖。对列车运维业务进行全面系统性覆盖，该框架满足列车部件最小可维护单元的全服役周期的状态跟踪与管理;满足列车在途运行、场段调度检修、大架修业务的全覆盖。

（2）模块化配置。该框架为三维立体结构，具备模块化配置的特点，从业务维度满足列车在途、场段、架修基地的运用场景，从作业管理维度满足计划、资源调配、进度、质量、安全的流程贯通，从技术支撑维度满足信息化、自动化、智能化的不断提升。

（3）阶段部署与持续优化改进。随着数据的积累，满足智能化水平的不断提升;随着新技术的使用，满足模块化部署与能力提升;随着服务线路范围的扩大，满足框架和基础模块的直接迁移应用。

（4）综合判断与评估。从安全、成本、效率综合评估每一个业务单元。

3 广佛城轨列车智能运维实践

3.1 发展规划

广佛城轨列车智能运维发展规划分为5个阶段完成，第1阶段主要完成状态感知和运维数据化，全面系统地获得列车运维状态数据，包括列车基础数据、运用数据、运行数据、环境数据、状态数据、检修数据等;第 2阶段主要完成平台化建设，建立接口平台、网络平台、数据平台和业务运用平台;第3阶段主要实现列车运维监控、故障诊断分析;第4阶段主要通过数据的积累和机理的分析，实现列车健康评估、寿命预测、故障预测和风险评估;第5阶段主要完成列车运维的决策和资源的优化利用，如图2所示。

3.2 建设内容

广佛城轨列车智能运维系统建设内容包括3个层次：1个列车智能运维系统解决方案，5个核心子系统，N 个关键子设备，如图3所示。

3.2.1 列车在途状态智能监测系统

针对列车在途状态监测设备相互独立、车地传输困难、数据管理不规范、辅助故障应急处理效率低、状态跟踪与隐患挖掘效率低下等问题，建立列车在途状态智能监测系统，实现车载数据采集融合、预处理、数据解析、集中记录、车地传输、地面管理等功能，如图4所示，具体功能如下。

（1）列车运行状态跟踪展示。车载智能监测综合管理系统通过大屏展示被监测列车车号、列车位置、运行方向、运行速度、里程数、耗能情况、升降弓、开关门、牵引/制动等。

（2）列车乘客运载服务状态跟踪展示。车载智能检测综合管理系统通过大屏展示被监测列车客室温度、拥挤程度、乘客分布、CO2浓度、平稳性、手机信号强度、乘客异常等。

（3）列车运行环境状态跟踪展示。车载智能检测综合管理系统通过大屏展示被监测线路轨道质量、接触网质量、弯道、坡度、车载、道岔群、网群等。

（4）列车部件健康状态跟踪。车载智能检测综合管理系统通过大屏展示被监测列车部件健康状态、部件是否故障预警报警、当前列车故障是否排查等。

3.2.2 列车轨旁智能检测系统

针对轨旁多系统独立部署所导致的模块重复、多系统操作、数据管理不统一、部署维护不协同、无法直接应用于检修业务等问题，采用轨旁设备统一设计安装、设备互联互通、统一操控等方式，对部件状态进行采集、传输、处理，如图5所示，具体功能如下。

（1）及时掌握列车经过轨旁的过车情况、检测内容项、检测故障项等信息。

（2）及时提示相关人员对预警报警内容进行查看，并通过调用子系统分析页面，了解故障详情。

（3）收集所有的在线故障问题，与检修业务系统进行关联，推送至检修关联系统进行复查。

（4）对轨旁检测设备及子模块进行监测，包括采集设备本身、轨旁服务器、网络等相关数据。

（5）提供统计分析功能，对轨旁检测的故障按不同维度进行统计，对检测准确率进行统计。

3.2.3 列车健康管理分析系统

针对列车故障分析手段单一且效率低、故障定位困难、部件利用率低、檢修人员投入巨大、工作环境恶劣、技改支撑不足的问题，研发了一套城轨列车健康管理专家系统，实现了列车全寿命周期履历管理、故障专项分析、故障耦合分析、状态预测、RAMS（可靠性、可用性、可维修性、安全性）分析、耗能分析与节能优化等功能。其功能如下。

（1）支持故障快速、准确诊断。为各子系统提供多维度信息，有利于故障干扰的排查;提供专业化的分析工具，快速识别引发故障现象的原因，如图6所示。

（2）支持普查整治优化。根据数据的耦合分析，确定部件状态以及影响部件状态的原因，绘制状态变化谱图，优化掌控普查整治的时间。

（3）支持日常检测优化。从自动化设备获取数据，与日常检测修程修制进行映射，确定设备代替人工的可行性，从RAMS角度分析评估部件故障的失效概率、影响程度和劣化趋势，调整检测方式和人工检测时间间隔，如图7所示。

（4）支持技改。统计故障发生的概率和失效形式，优化改进短板项点;从可维护性角度出发，增加辅助标识或强化非自动检测项，提升部件可靠性和可维护性;从轨道、隧道、接触网、供电等方向，实现协同整改。

3.2.4 列车运维业务系统

针对车场运作信息孤立、场段运作管理自动化率低、冲突检测手段原始等核心问题，实现车场调度和检修计划自动编制，收发车、调车、远程请销点、底层设备信息自动接入，信息自动更新，冲突检测预警报警等功能。其功能如下。

（1）实现车场信息综合展示，辅助调度、检修决策;显示列车位置、状态、检修进度、质量及计划变更等内容。

（2）实现车场运作的有序和智能。自动编排检修计划、资源配置计划，持续跟踪车场调度检修进度和质量，出现异常或变更时，自适应调整计划，并进行计划执行的演练。

（3）实现管理信息与生产信息无缝对接。对生产信息精细化、精准采集与管理，将生产信息自动收集整理后支撑管理决策。

3.2.5 列车运维智能监控系统

针对列车服役周期关键状态信息无法及时掌握，影响乘客运载服务、行车安全、作业安全、车场调度、生产计划调整等问题，列车运维智能监控系统采用基于场景的列车运维全生命周期轨迹跟踪、风险自动识别与管控技术，完成列车运维过程和关键指标的智能监控。

3.3 预期价值体现

列车智能运维建设需要投入大量的精力和资源，广佛城轨从系统性、长远规划的角度出发，建设列车智能运维系统，预期从安全、经济、协同的角度产生价值，如表1所示。

4 结束语

本文对城轨列车智能运维技术体系框架进行了研究，主要成果如下。

（1）给出了城轨列车智能运维系统定义，提出了基于场景的价值数据挖掘，具备贯通状态感知、分析、决策、执行的智慧系统特性。

（2）提出了城轨列车智能运维3-5-3技术体系框架，实现了列车运维业务的系统性覆盖，满足建设内容的模块化配置和分步实施。

（3）以广佛

城轨列车智能运维系统建设为例，

证明城轨列车智能运维技术体系框架符合更安全、更经济、更协同的价值目标。

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收稿日期 2020-06-15

责任编辑 朱开明