全自动运行轨道交通列车状态监控与调度管理系统的研究

杨硕 陈艳鑫

摘要：基于全自动运行轨道交通系统的理念，为全面掌握列车的运行状态和科学维护，研究开发全自动运行车辆调度管理系统，为线路的可靠运营提供保障。系统以列车为原点出发，通过软件硬件相结合的方法，实现对列车的远程监测、故障报警、远程控制和运维决策等功能。本文从系统的构建到以期实现的功能，全面阐述了全自动运行车辆调度管理系统的研究内容，并对本系统的发展方向进行了展望。

关键词：全自动运行;轨道交通;状态监测;车辆调度;运维支持

1  概述

随着轨道交通的智能化发展和列车运行控制系统的自动化水平不断提高，城市轨道交通系统正向全自动运行（FAO）快速演进。巴黎、新加坡、洛桑等城市多条线路已采用全自动运行系统，预计2025年全球将有2300km全自动运行线路。目前我国也有线路开通了全自动运行，如北京燕房线、上海10号线，更有苏州、南京、成都等多座城市的地铁线路正在建或计划采用全自动运行系统。无人驾驶的情况下，运营中的列车与地面OCC的信息交互及处理，是保障运营安全的重要环节，所以在设置行车调度的同时，增设车辆调度，对在线运营的列车状态进行实时监控。本文提出方案，构建全自动运行车辆调度管理系统（以下简称“本系统”），为控制中心对在线列车的状态监测、运行故障的诊断、远程控制及运维决策等方面提供手段，同时与信号、通信、PIS、CCTV等系统可靠配合、联动，以期在全自动运行的大背景下，提高列车运行的安全性与可靠性。

2  系统构成

构建本系统基于数据采集硬件、数据处理服务器集群及数据传输通道、系统联动几个关键模块为出发点。

2.1 数据采集硬件

2.1.1 车载设备信息采集

车载设备的信息采集对象除常规的列车自身各子系统如牵引系统、辅助系统、制动系统、空调系统、车门系统、受电弓系统等系统的控制单元数据外，还包含了车载辅助监测设备的数据，如目前较为热门的主/被动障碍物探测设备、脱轨检测设备、车载受电弓动态监测设备、弓网检测设备等等。

2.1.2 轨旁设备信息采集

这里所说的轨旁设备，主要是指安装于车辆段、停车场及正线上的位于轨旁用来监测列车的设备。这些设备是在“外面的”角度监测列车的状态，在列车运行通过时，基于机器视觉、振动分析、位移分析、图像分析、红外测温、激光等传感技术监测列车的物理特性是否存在问题，对车辆的表面损伤、姿态、温度等信息进行采集并将状态、报警等信息发送给服务器集群。

2.2 数据处理服务器集群

采集到的数据发送至控制中心的服务器集群，服务器是大数据存储、分析、处理的平台，实现车载数据、轨旁数据的整合，具备数据加载、数据整合、查询访问、数据分析等功能，并提供完全并行的处理架构、实时数据处理性能、动态数据访问能力、完善的混合负载管理能力、稳定可靠高可用的保护能力，高效支撑智能查询、智能报表等大数据分析查询应用。

2.3 数据传输通道

2.3.1 车载设备信息的传输

车载数据通过列车既有的车地无线通道传输，目前主流的车地无线通道传输有WLAN和LTE传输，基于安全性的考慮，非监控视频类的数据通过信号系统的LTE传输，监控视频类数据通过PIS系统的WLAN传输，在控制中心分别由信号系统和PIS系统的服务器汇集至本系统服务器集群。

2.3.2 轨旁设备信息的传输

轨旁数据通过专用通信OTN专网传输，在控制中心由通信系统服务器将数据发送至本系统服务器集群。

2.4 系统联动

本系统不是独立存在的，与信号系统、通信系统、PIS系统、CCTV系统存在密切的联动，如对列车故障的处置、远程控制等要与信号系统的行车指令相结合，如列车触发紧急对讲、烟火报警、旋动紧急手柄等动作时与PIS、CCTV系统配合推送相应位置摄像头图像至工作站，等等。

3  系统功能

基于以上构架，本系统可开发实现多种功能，下设车辆调系统、车辆运维系统、车辆监测系统，简图如图1。

3.1 车辆调系统

车辆调定位于实时运营支持，在车辆运营时保障车辆安全平稳运行。

3.1.1 实时监控

车辆调前端显示界面调取实时数据库内的数据进行显示，并会注明信息监测的来源。以列车为中心显示，便于操作人员全面地感知车辆的运行状态参数，可显示所有在线运营车辆的基本运营信息（列车号、车次号、速度、网压、主风压力、蓄电池电压、速度、站距等）、旁路开关状态、车载和车辆轨旁监测故障清单等。

3.1.2 故障诊断

系统将车载故障数据和轨旁监测数据进行融合，按故障性质或者所属子系统进行分类，提供多种方式排列查看，如项目号，故障发生时间，故障名称，故障编号，所属子系统、采集渠道等。对于严重故障，以醒目颜色的形式进行标注提醒。对于当前发生的故障信息，系统建立故障的逻辑模型，实时诊断故障是由什么条件产生的，故障的逻辑诊断是怎样的，故障发生后，系统明确给出故障发现的原因，并给出运营与维修建议。

3.1.3 远程控制

系统可通过设置在控制中心的控制终端对列车进行部分功能的远程控制，例如：空调温度远程设定、受电弓远程升/降、照明远程开关、牵引系统故障远程复位、辅助系统故障远程复位、断路器远程复位、远程强制自检通过等。

3.1.4 视频联动

当车辆发生故障、烟火报警或有乘客触发紧急对讲、旋动紧急手柄时，车辆调系统通过与PIS和CCTV系统的联动控制，将相关区域的视频画面推送至显示终端，帮助操作人员远程准确的处理故障。

3.2 运维系统

运维系统是车辆健康评估、故障提前预测与检修管理，保障车辆即将发生的故障提前感知并进行诊断维修，有以下几个功能。

3.2.1 健康评分

基于车辆设计思想，根据采集到的数据，建立列车健康指数评估体系，进而依据该体系，按各系统分权重综合建立大数据分析探索模型，对车辆健康状态进行客观准确评估，根据不同程度的得分给出列车相应的运营建议。

3.2.2 故障预警

系统具有车辆预警功能，系统采用自学习与故障机理分析融合的算法，根据大量历史车载数据的积累，综合给出故障预警的算法模型，实现对车辆故障的准确预警，也可根据当前实时的车载数据预测列车在未来时间内的故障发生机率。

3.2.3 统计分析

运维系统统计各重要的关键指标，比如故障、能耗、里程等。可以按照不同时间段、不同部件等多维度进行统计。对各类数据项进行组合对比，为用户提供自主分析的功能，达到辅助决策、支撑运营管理的目的。

3.2.4 检修管理

系统可按计划或故障触发等方式自动生成检修和故障工作单，可以对列车检修后的状态进行评估，并具备根据列车最新状态给出调整维护周期及工艺的建议和意见功能。同时能对作业人员、地点、检修策略、检修方案等要素进行管理。支持按照部位、类别、故障等不同的类型实现故障代码体系的层次化维护，自动根据故障类别推荐相关的原因代码与处理意见。

3.2.5 运维决策

通过列车大数据积累，系统可以更准确的判断列车的健康状态，与检修规程结合，提供列车的状态修和预防修等运维决策。

3.3 车辆监测系统

车辆监测系统定位于监测列车状态的辅助系统，负责上述轨旁设备信息的采集及初步分析处理，在列车运行通过轨旁监测设备时，以列车为单位自动采集走形部、车顶、车侧、车底、受电弓的异物、缺损、姿态等状态信息，并能根据异常按车号、部位、时间进行分析报警，将监测及初步分析结果上传到控制中心的服务器集群。

3.3.1 轮对故障动态监测系统

轮对故障动态检测系统安装在车辆段/停车场入库线上，由车轮外形几何尺寸检测子系统、车轮擦伤（与钢轨接触区域）检测子系统、车轮踏面缺陷动态图像监测、轮轨振动监测等子系统组成，实现能够检测车轮外形几何尺寸、踏面擦伤、车轮踏面表面部缺陷、轮缘厚度、轮缘高度、车轮直径、车轮不圆度、轮对内测距等功能。

3.3.2 全车360°动态图像监测系统

列车全车360°动态图像监测系统安装在车辆段/停车场入库线上，采用图像分析的手段，实现对走行部、车侧、车顶、受电弓及其他关键部件工作状态进行全面监测，包括但不限于螺栓螺母的松动及丢失，各类管线脱落，车顶异物侵入，车地悬挂设备、牵引电机、齿轮箱等关键部件脱落、丢失、变形等，对异常情况进行自动报警。

3.3.3 受电弓在线监测系统

受电弓在线监测系统安装于线路运营正线上，利用多个高速、高分辨率的相机以及高精度传感器，采用激光定位技术，精确采集受电弓和绝缘子等主要部件的图像，通过图像识别及结构光技术，对受电弓的常见故障（碳滑板磨耗、偏磨、掉块等）、异常的部件（如绝缘子的外观，滑板裂纹、异物、平行度、偏转角度等）、受电弓结构变化、受电弓姿态进行自动识别并报警。

3.3.4 走行部红外温度监测系统

列车在运行中，滚动轴承、齿轮箱、电机等关键部件均会产生温升，温度超限会极大影响行车安全，如果不能在线及时监测到异常的高温就会出现滚子脱落、断轴等直接危及行车安全的事故。针对此种情况，我们采用红外技术动态采集在线列车的轴承部位、齿轮箱部位、电机部位温度，列车温度异常时发出报警信息，能够以红外热图方式显示温度信息，实现对在线列车温度的安全监控。

4  展望

本系统的将车载、轨旁数据融合至同一平台，采用大数据的理念进行分析处理、智能决策，尤其是针对采用全自动运行系统的线路，系统提供了列车在线运行的全方位状态监控及计划性运维，符合当前智能化的大趋势，当然技术的完善逐步优化的，在现有设计的基础上，仍需在以下几个方面深入研究。

4.1 系统的可靠性

全自动运行系统中的列车行驶在线路上，一切常规的监视和操控均在远程进行，无疑本系统成为了列车的“眼睛”，系统的可靠性是安全运行的重要基础，如何提升系统的可靠性，除增加系统的冗余性外，还需要继续深入的分析完善各项功能，在方案落地后根据试验、运营的实际情况探索优化。

4.2 数据的积累

本系统部分功能的实现，如运维决策功能是需要通过长期的数据积累，可以更准确的判断列车的健康状态，再将列车健康状态与检修进行关联性匹配，并給出调整维护周期及工艺的建议，所以数据的积累和系统学习是持续的。

4.3 系统的联动配合

轨道交通线路项目中，列车与信号、通信、综合监控系统是紧密互动的，全自动运行系统尤甚。相关专业在可视化的终端处又会设置行调、车辆调、乘客调、环调等作业角色，所以各专业间的职能界面和功能联动是需要根据实际运营方案及时调整优化的，这里说的优化某种意义上也可以理解为简化，使系统操作简单、高效是智能化的有力支撑。

4.4 线网化

随着线网的建设，如何做到数据统一协调，服务于网间的多条线路，做到互联互通也是本系统接下来的深入研究方向。同时整个线网的数据又能反哺系统，使系统更为有效地学习与自我完善，更精准的服务线网。

5  结论

全自动运行系统是未来轨道交通的一个重要发展方向，在既有技术经验的基础上，本文论述的全自动运行车辆调度管理系统是可行的，为列车安全的自动行驶和智能运维提供了有力支撑，当然，对系统的可靠性、实用性、多维化、智能化是我们持续关注并探索的目标。后期通过实际运营的验证、总结经验，并进一步优化系统弹性和智能化水平的原理、方法和技术后，相信可以为轨道交通事业科学的可持续发展做出贡献。

参考文献：

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