轨道交通行业数智化转型应用浅析

徐勇烈

0 引言

新基建时代的热点将由传统方式向数智化转型，轨道交通的数智化是大势所趋。新的应用潮流将产生新的建设、管理、维护模式。

轨道交通“数智化”依托人工智能、云计算、大数据、现代电力电子技术、自动化设备等，实现传统业务的进化与升级，以数据为基础，以机器为抓手，提供快捷服务，重塑业务价值等，完成传统业务的转型。其不仅仅是对传统的业务、系统、技术、动态化计算、移动化技术的简单叠加，而且是需要更进一步地融合各种业务场景的服务化、信息化、智慧化应用[1～5]。轨道交通数智化依托核心技术，以数据、场景为驱动，基于业务，面向服务，打造一站式、可扩展的数智化平台。基于场景演化的“数智化+全行业”解决方案，可简化施工项目的构建、实施和管理工作，缩短项目工期，大幅节约项目成本，聚焦于数智化业务的设计与开发，实现产业数智化赋能[6～12]。

1 轨道交通数智化依托技术

1.1 人工智能

新基建时代“互联网+”的概念已在各行业得到了应用，数智化得到了越来越广泛的重视。人工智能的层次有弱、强与超人工智能3 种，轨道交通行业目前处在弱人工智能阶段，作用于特定的场景，涉及的领域包括自动化装备、视觉辨别、智能语音等。人工智能作为一个赋能载体正在有力地推动产业的换代升级[13～18]。

人工智能在工程中的应用以信息要素为基础，贯穿于项目的全过程。目前，人工智能可应用在进度管理、人员管理、成本管理、安全管理、机械设备管理等方面，且针对人员、设备、材料和现场等要素展开，其对工程施工质量起到关键作用[19，20]。行业对人工智能的认知逐渐从“提升效益”“协助管理”上升为对社会建设与生态环境的保护。

1.2 云计算技术

目前，数字化工程建设实施中广泛应用的分析方法大多使用单台计算机进行本地化分析，然而随着工程越来越复杂、动态监测数据越来越丰富，单台计算机本地化分析方法可能难以满足实时分析的要求[21～23]。伴随云计算和数据分析技术的发展，基于云计算的模型分析方法开始在数字化施工中逐步得到应用实践。

云计算是一种基于互联网的计算方式，将共享的软硬件资源和信息按需提供给客户端设备，用户按需求弹性地向云计算提供商购买资源和空间进行计算、存储及分析服务[24]。云计算主要通过部署在云端的服务器和用户使用的客户端实现，其中云端服务器负责数据的集成、存储、分析等，客户端负责应用不同载体进行信息采集、模型展现。云端服务器通过分布式文件系统存储各类文档，采用分布式数据库存储结构化数据。

1.3 大数据技术

大数据是指无法在一定时空范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理，需要采用结构化获取、系统化处理的海量、高增长率和多样化的数据集合，并能帮助企业取得一定积极效力的信息。在技术层面上，云计算与大数据紧密相关，大数据需要使用分布式的架构进行分析，单一处理器无法胜任。为了完成对规模庞大的数据的发掘，还需依靠仿真技术、云技术、分布式处理与数据技术。

目前，大数据的信息将被作为提升产业能力的重要力量，其新型处理方式为决策方赋予了强有力的支持。未来，随着大数据技术各种能力的不断提升，与云计算进行深度整合后，对行业的信息安全工程、数智化产业、数字经济的实现具有不可替代的作用。

1.4 现代电力电子技术

现代电力电子技术在轨道交通行业已获得广泛应用。电力电子设备极大地提高了牵引供电系统、车载安全系统的稳定性及乘客的便利性。随着其性能、容量的不断增强，封装的升级，简化了传动系统，有利于牵引电力传动系统的升级。图1 给出了一种采用电力电子装置架构的牵引供电系统。

图1 电力电子装置架构的牵引供电系统

1.5 自动化装备

在制造业、建筑业、军工业、轨道交通业等领域，自动化技术有着大量的应用。通过使用自动化技术，可以使劳动者从体力劳动中解放出来，并减轻脑力活动和存在一定危险性的工作，提高了生产安全系数，大大提升了生产效率，为人们对事物的认识和转化提供了帮助。将自动化系统中的一类大型化的装备称作自动化装置，是装置在无人干预的情况下依靠设置的指令与程序自主完成操作或控制的状态。因此，自动化装备是制造业、建筑业、农业、国防等实现现代化的重要条件。

2 数智化生态系统架构

轨道交通数智化生态系统架构区别于服务架构，轨道交通数智化生态系统更专注于松耦合性、动态扩容、软硬件融合性。围绕轨道交通数智化合作场景业务能力构建“2+3+N”生态系统架构，通过轻量级协议通信，打造轨道交通数智化全产业链生态。图2 所示为数智化生态系统架构。

图2 “2+3+N”数智化生态系统架构

轨道交通数智化“2+3+N”生态系统架构内容包括：外圈层面的屏幕生态与自动化设备生态；内圈层面的人工智能、云端生态、应用端APP 生态；在此“2+3”基础上实现的“N”，即各种场景化应用解决方案。该系统有利于解决轨道交通数智化合作服务体系中的诸多问题，在全产业链的服务产品研发过程中提升效率。

3 应用与实践

3.1 数智化综合能源系统

综合能源系统是指利用一定区域内物理信息技术和新型管理模式，整合煤炭、石油、天然气、电能、热能等多种能源，实现统筹规划、优化各种异构能源子系统之间的运行、协同管理、交互响应与互补[25～35]。运用先进的电力电子技术（信息技术和智能管理技术、分布式能源采集技术、分布式能源存储技术），可结合分布式能源（光伏/风电/储能）达到多能源优势互补的效果，实现统一能源管理与调度，提高供电质量和安全可靠性[36～40]。图3 所示为主要铁路沿线清洁能源分布。

图3 铁路沿线清洁能源

清洁能源可被沿线路上的所有列车使用，有效减少牵引变电所的数量或在同等数量的牵引变电所情况下，可增加行驶的列车数量，采用贯通式-柔性牵引供电技术（如图4 所示），可构成新能源协同供电系统，具备新能源的接入和消纳，改善牵引供电电源结构，符合国家双碳目标和绿色发展需求，同时具有削峰填谷的作用。

图4 贯通式-柔性牵引供电技术

传统轨道交通牵引供电系统采用不可控二极管整流方式供电，二极管整流机组成为交流中压环网和直流接触网之间能量双向自由流通的重大阻碍，且对交流侧功率因数、直流侧电压无法进行调节和控制。

柔性直流供电技术通过采用大功率、高性能的电力电子器件构成的可控式电力设备，实现对供输电系统的电压、电流、相角、功率等参数进行灵活调节，将原来基本不可控的供电网络变得可控，提高供电线路的输送能力，减小故障影响，大大提升电力供电系统的灵活性和稳定性。图5 为柔性直流牵引系统原理图。

图5 柔性直流牵引系统

3.2 数智化施工

基于数智化的施工方式，通过软硬件的技术共享，可动态收集和存储工程施工全过程中的数据。在云计算的模式下进行施工进度实时管理与分析、质量安全问题在线处理、物资管理、工程资料管理；在应用APP 端（手机端、智慧屏端、网页端、PC端）进行人、机、料、法、环等施工关键要素的处理；在机械层面，借助云平台可以逐步实现高度自动化的施工。数智化施工相比于传统施工，可对不同需求的场景进行兼容，实现功能服务器与不同数据模型的自由匹配。图6 所示为基于数智化模型的施工架构。

图6 基于数智化模型的施工架构

3.3 数智化装备

（1）辅助运维机器人。辅助运维机器人（图7）可通过有线或无线的方式进行控制，具有可实现协同工作的双机械臂及末端执行器，结合云共享平台实现自动巡检、烟感/红外探测、守卫、远程巡视/巡检处置，具有有线与无线2 种控制模式，均可以独立控制机器人，具有人体随动控制台、手持控制器2 种控制方式。

图7 辅助运维机器人进行变电所操作

（2）自动化预装配技术。腕臂、吊弦自动化生产线改变了以往“人挑肩扛”式的粗放型腕臂、吊弦预配方式，提高了接触网腕臂和吊弦预配的精准性、可靠性、安全性，避免了传统预配方式下接触网发生“松、脱、断、裂、卡、磨”等问题，对接触网上部的工艺质量提升显著。

（3）动态检测车。动态检测车（图8）用于限界检测、冷滑试验、热滑试验、弓网关系测试、轮轨关系测试、无线通信场强测试等检测任务；运用多项机器视觉技术、基于神经网络的深度学习技术，在接触网/轨几何参数检测、时空定位检测等方面作了较为前沿的技术探索。

图8 动态检测车

（4）智能化水冲洗车。具有全断面冲洗功能的隧道智能化水冲洗车（图9），具有冲洗压力、角度调节功能，在隧道冲洗过程中可实现隧道壁部分低压冲洗、道床部分高压冲洗，并可单独控制各喷嘴朝向及开闭，实现冲洗过程中避让重要设备；可有效清理小型垃圾、尘土、隧道壁附着物，每次可装水50 t，冲洗5 km。

图9 智能化水冲洗车

4 结语

轨道交通的数智化已经成为行业重要的发展方向，依托数智化技术必将对施工行业带来重要的变革。数智化对轨道交通行业产品研发与施工效率提升是惊人的，通过构建数智化生态服务平台，围绕各种应用化场景需求，深度融合人工智能、大数据、现代电力电子技术、云计算技术、自动化机械装备等先进技术，将推动轨道交通行业设计、施工、制造、优化与维护全生命周期的创新发展。