全自动运行模式下地铁智能化车辆工艺设备配置策略

王 光,付 萱

(1.石家庄市轨道交通集团有限责任公司 技术管理部,河北 石家庄 050000;2.河北交通职业技术学院 基础教学部,河北 石家庄 050091)

为进一步提高轨道交通载运工具的安全性和可靠性,减少服务人员,降低运营成本,北京、上海、广州、深圳等多个城市新规划和计划开通的地铁线路大多按照GoA4等级的全自动运行标准进行设计和建设,基于全自动运行(Fully Automatic Operation)模式下的城市轨道交通系统已成为今后城市轨道交通的重要组成部分。车辆工艺设备智能化水平不断提升的同时,传统的设计思路和滞后的配置策略不但无法满足全自动运行地铁线路的需求,而且已成为制约地铁高质量发展的重要因素。本文通过对无人驾驶地铁列车实际运维需求和智能化车辆工艺设备的研究,提出按照不同等级段场功能属性差异化配置智能化车辆工艺设备,是进一步提高列车检修效率和运行可靠性的重要手段。

1 全自动运行模式下地铁智能化车辆对工艺设备的配置要求

随着城市轨道交通运营服务质量和效率的提升,许多城市已经开始采用符合GoA4等级运行的全自动无人驾驶列车承担载客任务,该型列车可实现自动唤醒、自动出库、正线自动运行、终点站清客、自动折返、自动回库、自动洗车、自动休眠等功能。随着全自动无人驾驶列车功能不断升级的同时,车辆基地中传统的车辆工艺设备配置策略已经无法满足全自动无人驾驶列车的日常检修和维保要求。传统的车辆工艺设备只能依靠人工对列车某一功能进行基础维保,列车故障自诊断和自处理信息数据无法实时上传到列车健康管理系统中进行分析,致使专业工程师无法利用大数据和人工智能信息对车辆进行全面的状态检测。以服务全自动无人驾驶列车全生命周期内检修和维保为目标的智能化城市轨道交通车辆工艺设备,将先进的传感技术、控制技术、信息技术、通信技术、云计算技术和系统互联技术高效地集成在一起,加以应用的同时还需要按照全新规划的段场布局设计进行优化配置。根据不同等级的段场差异化配置智能化车辆工艺设备,以实现提高检修效率、优化检修质量管理、降低运维成本的目标。

未来以无人驾驶、实时监测、大数据分析、在线故障诊断、人工智能检修于一体的智能化载运工具将成为城市轨道交通运输的核心,与智能化载运工具相配套的检修工艺设备也应同步进行智能化升级。以满足全自动化无人驾驶列车需求的新一代工艺设备应该加强系统性研发和智能化升级,只有对传统车辆工艺设备进行彻底革新,才能引领未来国产化智能轨道交通装备的发展。国产化智能轨道交通装备进一步完善和成熟的同时,融入5G、物联网、云计算、大数据和人工智能等新技术应用的地铁智能化车辆工艺设备正向着信息化、网络化、智能化、非标集成化配置方向发展。

2 智能化车辆工艺设备配置策略

根据国家标准GB 50157—2013《地铁设计规范》要求“一座城市首建地铁工程的车辆基地应具有较为完善的功能”,其目的是为地铁运营提供一套完整的服务体系,以保障地铁的稳定运营。智能化车辆工艺设备配置策略的实现往往需要依托轨道交通全自动运行车辆基地整体设计布置来完成。根据不同等级段场设计要求和全自动化无人驾驶列车检修全流程分析,以智慧赋能城市轨道交通高质量发展为导向,在科技创新驱动下深入研究和探索未来智能化车辆工艺设备的配置策略。根据《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》中智慧运维2025的目标,融入5G、大数据、人工智能、互联网、物联网等高新技术的智能化车辆工艺设备应按照全自动无人驾驶列车的特点和需求从“硬”、“软”两个方面进行合理配置。

2.1 智能化车辆工艺设备的“硬”配置

目前国内地铁车辆基地一般分为停车场、车辆段和车辆综合维修基地(包含车辆大修功能)三个等级,为充分利用设备、便于管理、节约基建投资,不同等级的全自动运行车辆基地其车辆工艺配置策略也不尽相同。

2.1.1 停车场的工艺设备配置策略

独立设置的停车场只是在线路较长或车辆段用地面积受限制,或运营有特殊需要的情况下才设置。停车场往往只配备列车停放股道和极少量的维修、保养、清洗设备,仅能完成列车的运用管理、清洁整备、安全检查、日常保养、月度检修等级别的维保工作以及对于故障列车的应急维修处理工作。独立设置的停车场建议配置:一套全自动列车清洗机、一套移动式架车机、静调设备、若干智能巡检机器人、车底设备拆装小车、自动恒流充放电机、三层作业平台与智能化安全联锁系统、智能化工业吸尘器、高压冷热水清洗机、超声波清洗机、全自动空调滤网裁切和清洗烘干装置等工艺设备。根据股道数量配置列检线司机智能化登车平台、移动式登车梯、移动式升降平台(车顶作业)、曲臂式高空作业平台、列检集成工具包,除此以外,还需预留以满足车场调车和正线救援功能的工程车所需的相关工艺设备。

2.1.2 车辆段的工艺设备配置策略

车辆段所承担的业务范围比停车场更广,一般承担列车的停放、运用、清扫、洗刷、消毒、列检、定临修任务和运用列车事故后的救援任务。车辆段比停车场运用等级更高,除配置停车场全部车辆工艺设备种类外,还建议配置智能升级版全自动列车清洗机、智能化固定式架车机、数控不落轮镟床这三大车辆段工艺设备、移动式架车机、车辆智能巡检机器人、年检专用集成工具包、单股道可视化直流验电接地系统、非接触式智能限界检测装置、智慧DCC配套设备、全车360°图像动态监测系统(含受电弓和轮对测量功能)、智能吹扫集尘设备、智能化立体存储仓库、危险品存储设备、轻重型货架与智能化仓储管理系统、场内专用机动车(含叉车、各类AGV搬运车)和其它物流设备、各种特种设备和车辆检修试验设备集成包(含继电器检测试验设备、制动阀检测实验设备、便携式高精度碳滑板厚度测量设备、固定式碳滑板平面打磨设备、绝缘电阻测试设备等)、成套救援设备与救援车辆(救援指挥车、救援工具车)、工程内燃调车机等。

三大车辆段工艺设备中数控不落轮镟床最好带有独立测量功能,未来如果数控不落轮镟床厂家能在现有设备基础上再开发出一套独立测量机构布置于数控不落轮镟床前方,每次作业只需一次操作就能完成一个转向架两条轮对的测量工作,将极大地提高车辆轮对检测和镟修工作的效率。正线接触网检测、隧道廓形检测、钢轨检测等日常检测作业将逐步整合在具有综合检测功能的地铁列车上,只需几列这样的综合检测车就可以在信号控车模式下完成多种检测工作。具有综合检测功能的地铁列车在白天载客运营期间就能实时完成检测工作,减少了夜晚施工天窗的占用,提高了运营设备维护效率,减少了传统工程车搭载单一检查设备的采购需求和成本。三大车辆段工艺设备中智能化洗车机可以实现无人自动洗车功能,在智能DCC设置一套与洗车机操作现场功能相同的控制台,就可以在远程控制和监视洗车机运转,实现洗车现场的无人值守功能。此外,智能化列车清洗机具备智能计量(用电量、用水量、洗涤剂消耗量等)和成本分析功能,将清洗的每一列无人驾驶车的数据自动记录到数据库中,形成完整的洗车信息,用户可根据数据进行运营成本分析和设备状态分析。具有远程控制功能的智能化列车清洗机既节省了人工,又提高了场段内调车与洗车效率。三大车辆段工艺设备中带有卸车、称重功能的移动式架车机和既满足车辆举升功能又具有不转轨架修功能的固定式架车机是未来智能化车辆工艺设备配置的方向。

目前,大部分安装在段场咽喉区的轮对受电弓检测设备在实际使用过程中其检查精度和效果无法为车辆运营提供较为精准的检修判断依据,实用性较差,建议将该类设备功能整合到电客车自身检测功能上来进行配置。全车360°图像动态监测系统采用图像分析技术,自动采集地铁列车车顶、车侧、车底高品质高清图像,通过图像特征匹配、模式识别技术自动识别关键点位部件状态建议在车辆段进行配置。非接触式车辆限界检测装置采用激光扫描技术对电客车断面进行精确测量,保证车辆检修完成后不侵限,建议在“零轨”出库方向进行配置。传统的电客车吹扫设备在实际使用过程中发现其车底吹扫除尘效果欠佳,吹扫作业还带来了一系列的环境污染问题且噪音极大,无法达到其预期的设计功能效果,是一种比较“鸡肋”的工艺设备,建议将该类设备升级换代为可以在车底遥控行走的吸尘机器人进行配置。

车辆日常检修作业中单股道断送电是必须且最容易发生危险的环节,传统的人工挂拆地线操作步骤繁多、耗时较长,易出现地线的漏挂、错挂、漏拆、错拆等问题,一旦操作失误极易造成人员受伤和设备损坏情况,可视化接地系统可实现接触网带电检测、带电状态显示、验电、残压放电、远程可视化验电接地操作、就地电动和手动操作、合闸验电闭锁、隔离开关合闸闭锁、接触网接地防护状态显示、软件密钥等功能,从而实现更安全、更快捷的智能化防护,在库内配置单股道可视化直流验电接地系统将极大地提高检修效率降低安全风险。一些车辆关键部件检测设备的配置也能极大地提高检修效率,例如,多功能继电器检测试验设备、制动阀检测实验设备、制动系统微机控制单元测试设备、便携式高精度碳滑板厚度测量设备、固定式碳滑板平面打磨设备、绝缘电阻测试设备等。

2.1.3 车辆综合维修基地(包含车辆大修功能)的工艺设备配置策略

车辆综合维修基地除具备车辆段功能外还承担着线网车辆架、大修功能和车辆维修所需全部材料、物资的供应任务,因此在运用、检修等设备设施的配置上是最全面的。车辆综合维修基地比车辆段运用等级更高,除配置车辆段全部车辆工艺设备种类外,还应配置架、大修设备。目前设计院给出的架大修设备配置一般难以满足后期运营的实际需求,例如,一些为架大修加工各种非标零部件所单独配置的普通车床、铣床、磨床、钻床等机械设备选型配置思路陈旧,有的甚至连最基本的数显装置都没有,无法满足高精度机械零部件的加工需求,常年处于闲置状态,实用性和经济性都很差。全自动无人驾驶列车的架大修设备投资规划的制定必须建立在充分调研、论证的基础之上,以实际需求为导向,以优化的架大修工艺流程为中心,其配置时应多参考列车生产厂工艺流程和设备种类。根据架大修规程在车辆段工艺设备配置的基础上建议增加配置列车称重装置、移车台、车底设备起重平台、智能工艺转向架、公铁两用牵引车、车底电气柜安装设备、中心销拆卸和专用电动扭力工具集成包、全自动数控加工中心等主要设备。按照架大修工艺流程,将列车分为转向架轮对系统、车体车门系统、车钩系统、空调系统、供风制动系统、受电弓系统、牵引系统、列车控制及诊断系统、乘客信息系统、整车电气系统等十个大系统,对应各系统应配置以下车辆工艺设备。转向架轮对系统应配置智能化转向架升降设备、转向架清洗设备、轮对、轴承轴箱拆卸组装设备、构架翻转台、构架划线平台、轮对自动除锈清洗机、高精度轮对尺寸自动测量机、轮对超声波探伤机、轮对磁粉探伤机、多功能转向架静载试验台、转向架构架喷漆设备、轮对轴承挡圈工频感应加热器、油压减振器试验设备、一系弹簧试验装置、单柱校正压装液压机、轴箱清洗机、数控车轮车床、齿轮传动装置跑合试验设备、轴承尺寸检测设备、齿轮箱注卸油设备、抗侧滚扭力杆拆装设备、接地装置试验设备和转向架构架移动小车等30多种工艺设备。车体车门系统应配置移动式车体支座、各类智能工艺转向架和梯车、车门拆卸升降机、车门试验检测设备、列车车门门控单元测试设备、车门夹紧力测试仪、门驱机构拆装设备、驱动电机检测设备和车门电气系统检测设备等10多种工艺设备。车钩系统应配置钩缓拆装设备、车钩缓冲器分解组装压力机、钩缓装置试验设备、车钩间隙测量设备等多种工艺设备。空调系统应配置空调清洗设备、冷媒充放设备、空调机组淋雨试验设备、空调机组综合性能试验、列车空调机组微机控制单元测试设备、空调冷媒体泄漏检测仪、制冷管系焊接设备、弯管机、空调拆装升级机、智能化空调周转台车等10多种工艺设备。供风制动系统应配置空压机试验设备、制动精密件研磨平台、制动阀类试验设备(高度阀、差压阀、平衡阀、电磁阀)、空气簧试验设备、单元制动装置试验设备、列车空气制动试验设备、制动系统微机控制单元测试设备、制动电子控制单元试验设备、速度传感器试验设备等10多种工艺设备。受电弓系统应配置受电弓检修试验设备、移动式磁粉探伤机、高精度碳滑板磨耗测量设备、接触压力测量仪、智能化受电弓周转台车等多种工艺设备。牵引系统应配置牵引电机吹扫设备、牵引电机清洗设备、牵引电机空载试验设备、移动式耐压试验设备、绝缘电阻测试设备、联轴节拆装设备、轴承检测设备等多种工艺设备。列车控制及诊断系统应配置电器综合试验设备、高速断路器试验设备、继电器检测试验设备、司机控制器试验设备、电流电压传感器试验设备、LCU系统综合试验设备等多种工艺设备。乘客信息系统应配置LCD动态地图显示器试验设备、乘客信息系统综合试验设备等多种工艺设备。

根据不同段场等级和功能,差异化配置智能化车辆工艺设备不但有效节省了建设初期设备投资成本,也有利于提高车辆检修效率。在更高等级的车辆综合维修基地中应配置更为智能的车辆工艺设备,以满足全自动无人驾驶列车平稳运营的需求。经过全面梳理各等级段场日常担负的运营功能,推荐参考表1种类与数量进行配置。

表1 不同等级段场车辆工艺设备配置与种类推荐表

2.2 智能化车辆工艺设备的“软”配置

车辆大数据的运用与分析模型是全自动无人驾驶地铁列车安全运行的基石。国内许多业主往往很重视车辆工艺设备硬件配置,随着列车技术的不断升级智能化车辆工艺设备更应该从“软”的方面进行配置。首先建议在所有车场配置智能化车辆工艺设备检修管理系统,建立统一的数据库,各种车辆检测设备运行状态、加工数据、检测数据、故障数据和视频记录能够实时远程监测并上传共享,通过大数据分析为每一列全自动无人驾驶列车自动生成带有可追溯性的履历。将车辆健康管理系统、车辆架大修管理系统与车辆工艺设备检修管理系统深度融合,建立统一的数据库以实现车辆全生命周期管理功能。将智能化车辆工艺设备检修管理系统深度融合到车辆全生命周期管理系统中,形成了大量的车辆数据资产,为长期运营提供了庞大的参考资料。智能化车辆工艺设备检修管理系统与车辆全生命周期管理系统提供了车辆可靠性分析系统的关键数据,便于对车辆运行状态和关键数据进行实时远程监测和分析,极大地方便了运营设备管理工作。

3 结语

在以科技创新驱动城轨各系统装备高质量发展的理念的指导下,需要学会运用“智慧”手段,促进智能化装备与运营管理深度融合达到节约建设和运营成本的目的。轨道交通智能化车辆工艺设备作为非标高端装备制造领域的重要组成部分,必须紧跟时代步伐不断融入新技术。以创新、智能、协调、绿色、安全、高效的发展理念指引和构建全新的智能化城市轨道交通车辆工艺设备配置策略,对引领和推动城市轨道交通高质量发展行稳致远具有十分重大意义。