城市轨道交通智能综合检测列车检测系统集成方案*

戴源廷 马志鹏 徐 栋 周 潇

(1. 中国铁道科学研究院集团有限公司城市轨道交通中心, 100081, 北京;2. 中国铁道科学研究院, 100081, 北京; 3. 北京市轨道交通运营管理有限公司, 100068, 北京; 4. 重庆市轨道交通(集团)有限公司, 401120, 重庆∥第一作者, 副研究员)

随着城市轨道交通(以下简称“城轨”)线网规模的逐渐扩大,基础设施服役年限的逐渐累积,应用综合检测技术实现关键基础设施健康状态的高效感知,成为城轨基础设施运维的迫切需求[1]。

既有城轨综合检测列车存在集成化程度不足、智能化水平不高的缺陷,无法实现多专业数据的同步、精准采集,难以满足城轨智能化,建设运营绿色化的发展需求[2]。为突破既有综合检测列车的技术瓶颈,需要研发新一代城轨智能综合检测列车。目前,深圳市地铁集团有限公司牵头研发出2节编组B型综合检测列车,中国铁道科学研究院牵头研发出3节编组B型综合检测列车。

本文从需求、效益、功能替代性等3个维度出发,利用改进结构的层次分析方法,提出了城轨智能综合检测列车各检测系统的配置方案决策模型;以实际线路为工程背景,分析城轨智能综合检测列车的集成配置条件,根据搭载检测系统的不同提出两种切实可行的配置方案,为城轨智能综合检测列车的集成研发方案提供参考。

1 城轨智能综合检测列车各检测系统配置方案决策模型

1.1 检测系统简介

城轨智能综合检测列车各检测系统需求数量如表1[3]。

表1 城轨智能综合检测列车各专业检测系统配置

为实现基础设施全断面状态数据的主动感知,定位同步系统与车载综合管控系统作为智能综合检测列车的必备检测系统,不作为决策模型的主要分析对象,其余各检测系统编号依次为1～11。

1.2 需求维度分析

城轨智能综合检测列车作为动态综合检测设备,受到城轨行业的广泛关注。通过对北京、重庆、广州等城市轨道交通运营公司的调研,截至2023年2月,各检测系统的需求统计结果见图1。

图1 智能综合检测列车各检测系统需求数量统计

随着城轨智能综合检测列车的进一步推广,仅依据当前调研情况得到的系统需求具有短期性与随机性。为更全面反映市场对各检测系统的需求,本文基于上述统计情况,利用层次分析法结合专家评分对各检测系统的需求权重进行分析[4-5]。

1.2.1 层次结构的建立

为了将各检测系统进行统一比较分析,本文改进了传统层次分析法的层次结构,删除功能层,建立如下的目标层与指标层结构:① 目标层A(检测系统的总体需求);② 指标层B1—B11(通信检测系统,…,隧道衬砌状态巡检系统)。

1.2.2 判别矩阵的构造

判别矩阵N中的各个元素均不为0,以左对角线互为倒数分布,元素的大小反映了在其下角标的两个元素中,前者相对于后者的重要性大小。判别矩阵结构、标度及含义详见文献[6]。

1.2.3 权重向量的计算

和积法和方根法是常用的计算权重的方法。本文选用方根法进行计算[7]。

对判别矩阵N中各元素aij按行求积:

(1)

对Di求1/q次幂,得到:

(2)

对ai做量纲一化处理,得到权重系数wi:

(3)

对各行做量纲一化处理后,W=[w1w2…wi…wq]T就是所求各因素的权重向量。

判别矩阵N的最大特征根λmax为:

(4)

式中:

βi——NW中的元素。

1.2.4 一致性检验

判别矩阵的一致性指标IC与平均随机一致性指标IR的比值RC可作为一致性检验的评价标准。当RC≤0.1时,表示判别矩阵的一致性通过检验。本文采用层次分析法通用的IC、RC、IR的计算公式,详见文献[7]。

1.2.5 权重计算结果

在上文基础上,结合9位专家评分,得到目标层A下各指标之间的综合标度值,进一步计算得到各检测系统的权重向量及最大特征值,并进行一致性检验。目标层A下各因素的权重见表2。

由表2可知,通过改进层次结构得到的权重,符合一致性检验标准。

1.2.6 量化结果

在城轨智能综合检测列车各检测系统配置方案决策模型的需求维度中,根据权重量化为各检测系统评分,确定各检测系统的需求优先级。以最高权重值作为评分基准,以此确定需求权重因子σ1(36.205 6),经量化得到各检测系统排名由前往后的编号依次为系统6、8、7、9、4、11、5、3、10、1、2。

1.3 效益维度分析

城轨效益主要体现在智能综合检测列车各检测系统所节省的人力与工时。结合调研与计算结果,以北京某运营地铁线路为例,智能综合检测列车与既有综合检测列车各检测项目工时对比,如表3所示。

表3 智能综合检测列车与既有综合检测列车各检测项目工时对比

表3为部分检测系统的计算结果,将该地铁线路里程折合为100 km,得到各检测系统全年所节省的工时排名,引入效益因子σ2(4.372 5×10-4),经量化得到各检测系统的效益评分,对效益评分由前往后进行排名,得到其相应的检测系统编号依次为系统9、3、7、10、6、11、8、4、5、1、2。

1.4 功能替代分析

城轨智能综合检测列车有助于统筹线网级检测资源,替代既有轨道检测列车、接触网检测列车、钢轨探伤车等专用内燃工具,推进运维阶段工务装备的电气化升级[8]。从功能替代性的维度,城轨智能综合检测列车的可替代设备的投资估算如表4所示。

表4 城轨智能综合检测列车可替代设备的投资估算

通过设定功能替代因子σ3,量化智能综合检测列车搭载的各检测系统的功能替代性,得到排名由前往后的检测系统编号依次为系统3、10、11、6、7、9、8、4、5、1、2,σ3为0.005。

1.5 决策模型

设定需求维度、效益维度、功能替代性的评分分别为x1、x2、x3。其中:x1反映出城轨行业对智能综合检测列车各检测系统的客观需求;x2与x3可统一为经济性指标,体现智能综合检测列车各检测系统节省的人力成本及设备成本。设定决策模型的评分为y,得到配置方案的决策模型如下:

(5)

式中:

n——维度;

kg——各维度的权重系数。

城轨智能综合检测列车各检测系统配置方案以检测需求为导向,辅助功能与效能指标。本文设定k1、k2、k3分别为0.6、0.2、0.2,通过决策模型得到各检测系统配置优先级排名如表5所示。

表5 城轨智能综合检测列车各检测系统配置优先级排名

根据表5可见:检测系统评分越高,越需优先考虑该系统配置。将各检测系统分为A0、B0、C0等3个优先级:A0级表示智能综合检测列车普遍需要配置的检测系统,B0级表示在考虑实际的情况下决定是否配置的检测系统,C0级相比A0、B0级更加次要。因此,不同检测系统配置方案的区别往往体现于钢轨探伤、车辆动力学响应等B0级检测系统的集成。

2 城轨智能综合检测列车各检测系统集成案例分析

2.1 各检测系统集成原则

以北京某条地铁运营线路为例,选取运营车辆为A型,采用接触网供电,电压等级为DC 1 500 V,线路设计速度为120 km/h。智能综合检测列车必须满足车辆最小限界的要求,可采用小于A型车的B型车配置方案,采用1 500 V直流供电,搭载的检测系统必须符合120 km/h设计速度下的检测精度[9-10]。

2.2 动拖比配置

在城轨智能综合检测列车搭载的检测系统中,钢轨探伤系统由于安装空间较大,不能集成于列车的动车转向架上;而车辆动力学响应检测系统若采用遥测技术,由于安装空间的限制,需要集成于列车拖车转向架上。因此,上述系统的集成将影响列车的动拖比配置情况,需要进行不同动拖比情况下动力性能的核算。

对此,本文对不同动拖比配置情况展开分析,设定6种常用配置方案,如表6所示。

表6 城轨智能综合检测列车动拖比配置方案

以该运营线路为例,对方案二进行列车动力性能核算。假设单节车辆质量依次为36 t、35 t、36 t,额定载荷下每节车辆核载10人,人均质量为60 kg。列车牵引黏着系数为0.16～0.18,平均起动加速度≥0.9 m/s2,制动黏着系数为0.14～0.16,平均减速度≥1.0 m/s2,核算列车在额定载荷及损失动力的工况下是否可以在35‰的坡道上起动。

2.2.1 列车动力性能核算

列车动力性能核算过程参考文献[11]。经计算,方案二下列车黏着牵引力为124.47 kN,平均起动加速度为1.012 m/s2>0.900 m/s2,满足牵引性能要求。在额定工况下,列车黏着制动力为108.91 kN,制动加速度为0.93 m/s2<1.00 m/s2;在损失动力工况下,列车起动加速度为0.232 2 m/s2>0.083 3 m/s2,满足正常起动要求。

2.2.2 列车动力性能核算结果对比分析

同理可得,各分组下列车的动力性能核算结果如图2所示。

图2 列车动力性能核算结果

方案2中的动拖比配置可以满足列车动力性能的需求,同时也证明了方案二、三、五、六为可行方案。在实际城轨智能综合检测列车的集成方案中,可根据不同的搭检测设备选择不同的方案。

3 城轨智能综合检测列车编组方案

编组方案一 智能综合检测列车若安装钢轨探伤系统,不宜采用2节编组列车方案,推荐采用动拖比为2∶1的3节编组列车方案。3节编组列车方案下的设备布置如图3所示。图3中,TM为半动半拖车,TMcp为带受电弓和司机室的半动半拖车。

a) 侧视图

编组方案二 从功能需求的角度出发,若智能综合检测列车不需要集成钢轨探伤系统,可以采用2节编组列车配置方案,推荐动拖比为3∶1。2节编组列车方案下的设备布置如图4所示。图4中,Mcp为带受电弓和司机室的动车。

a) 侧视图

4 智能综合检测列车的技术优势

综上,智能综合检测列车具有如下优势:

1) 城轨智能综合检测列车可实现标准化、规范化、系统性的基础设施运行状态检测,实现多专业数据的融合分析,有利于统一技术标准,统一技术手段,从而对城轨线路运营质量进行统一评价打分。

2) 有效统筹线网级检测资源,逐步替代各专业检测列车和小型设备等,推进运维阶段工务装备的电气化升级,促进设备集约化,有效降低整体运维成本,助力绿色长效发展机制的形成。

3) 随着系统集成化程度进一步提高,可实时获取基础设施的运行状态和数据,有效提升前端智能感知技术与数据传输技术水平,实现“感知-分析-评价-决策”全流程智能化,推动智慧城轨建设。

5 结语

本文通过对城轨智能综合检测列车决策模型的综合评价,明确各检测系统的决策优先级,在此基础上展开适应于北京某地铁线路条件的智能综合检测列车检测系统集成案例分析,提出与其相适应的列车编组方案,验证了该方案的合理性。

随着城轨智慧化、运营网络化、建设运营绿色化的不断发展,通过搭载多种智能感知设备,搭配多元耦合全断面基础设施状态综合感知与分析评价平台的城轨智能综合检测列车,实现关键设施健康状态的高效感知及基础设施的病害识别,将成为保障城市轨道交通运营安全的重要手段。