基于“一车+一平台” 综合运用模式的城市轨道交通基础设施智能运维系统*

尹文泽 李明航** 徐 栋 王文斌

(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.北京市轨道交通运营管理有限公司, 100068, 北京∥第一作者, 研究实习员)

城市轨道交通(以下简称“城轨”)线网规模逐步扩大,基础设施服役年限逐渐累积,直接导致设备故障及设施老化引起的运营故障日益增多,严重影响了城轨的安全性和平稳性,也对城轨高品质发展提出了更大的挑战。切实提升动态综合检测的智能化水平,建设检测项点全覆盖、检测流程自动化、状态感知高效化、运维管理智能化的城轨智能运维系统,推进城轨运维模式转变,是实现城轨智慧运维的关键一步。

文献[1]以智能巡检和漏缆监测为例分析了智能运维系统的可行性;文献[2]提出基于“专业融合+智能运维”的合作维保模式,对实现智能运维有一定借鉴指导意义;文献[3]从重要性、建设要求及保障措施3个方面分析了智能运维平台建设的要求。综上,现有研究大多为理论研究,且提出的智能运维系统仍以单系统、单专业为主,因此,有必要对智能运维系统实现多专业综合评估。

1 基于“一车+一平台”综合运用模式的城轨基础设施智能运维系统的提出

立足城轨特点,结合中国城市轨道交通协会发布的文件[4-5],本文提出基于“一车+一平台”综合运用模式的城轨基础设施智能运维系统(见图1)。

注:KVM为键盘鼠标显示器。

该系统运用自动化、信息化、绿色化、集成化的检测设备,对城轨设施设备动态参数进行快速精准感知、快捷高效分析、综合智能评估。以集成化检测系统实现数据智能感知,通过基础设施智能运维平台实现检测数据的高价值利用,实现检测设备与地面智能运维平台互联互通,最终打造智慧城轨运维系统。

2 集成多种智能感知系统的载体车辆

“一车”是指集成多种智能感知系统的载体车辆。城轨基础设施检测早期以人工静态检测为主,目前逐步向动态检测发展。城轨基础设施动态检测设备的发展历程见图2。针对动态检测装备,早期基本采用单专业工程检测车。随着检测技术的提升以及智慧城轨建设的不断推进,为了有效提高基础设施检测效率及质量,提升运维水平,打造了包括电驱综合检测平台、车载综合检测系统及城轨综合检测车等在内的多专业感知设备载体系统,可覆盖轮轨、弓网、隧道、通信、信号等10余种专业,实现提高运维质量、降低运维成本等目标[6]。不同检测系统的搭载形式均有其优劣势,但在绿色化、智能化的发展趋势下,车载综合检测系统及城轨综合检测车有望呈现更好的发展态势。一般推荐采用车载综合检测系统+城轨综合检测车的检测装备配置方案。部分检测频次较高、需要跟踪监测的巡检系统使用运营列车作为载体,解决车辆运行品质监测问题,减少占用天窗次数;其余并不需要跟踪监测系统,可以使用城轨综合检测车作为载体,实现全断面检测数据综合分析,并依托海量检测数据识别系统病害,从而开展综合评估。

图2 城轨基础设施动态检测设备的发展历程

城轨综合检测车将常规的轨道检测车、弓网检测车等的功能集成于与运营列车相同制式的车辆上,可开展新线路的综合调试工作,以及运营线路的日常检测工作[7]。目前,国外尚无关于城轨综合检测车的研究及应用案例。近年来,随着城轨运营线路数量与里程的增加,以及运维观念的转变,综合检测车技术正在被越来越多的运营单位接受。我国已建成的城轨综合检测车包括中国铁道科学研究院集团有限公司牵头研发的3节编组B型综合检测车,以及深圳市地铁集团有限公司牵头研发的2节编组B型综合检测车。由于城市轨道交通相对于高速铁路运行速度较低,因此城轨综合检测车可实现检测与巡检技术的融合。

2021年12月,中国铁道科学研究院集团有限公司牵头研发的国内首列3节编组B型城轨综合检测车在北京地铁19号线(以下简称“19号线”)上首次开展上线测试,实现了工程示范应用。截至目前,以每月1次的频率在19号线开展了10余次周期性检测服务,发现了诸如轨道几何异常、扣件缺失、轨面擦伤、弓网受流性能异常、接触网安装缺陷、隧道衬砌表面裂纹及隧道渗漏水等诸多问题,辅助运营公司解决了许多实际问题。虽然既有城轨综合检测车在19号线的示范应用取得了良好效果,但其在基础设施状态感知方面仍存在检测能力不足、检测手段不丰富、检测维度不完善的缺陷,且并未实现检测数据的集中管控和综合利用。建设新一代城轨综合检测车,改善现有技术短板和弱项,全面提高检测数据综合利用效率,实现线路全断面关键系统运行状态数据的主动感知,推动基础设施运维数字化、智能化转型,支撑智慧运维。

新一代城轨综合检测车具备以下功能:

1) 少人值守下的数据采集。智能运维系统的基础是对城轨基础设施设备各类数据指标的准确感知。检测系统将实现一体化集中管控,支持全过程自动检测,单人可操作多个检测系统完成数据采集,节省了人工成本。数据采集流程见图3。

图3 数据采集流程

2) 状态监控。各专业检测系统具备故障自诊断功能,检测系统的关键部件可将部分故障判定指标实时上传至车载辅助系统,车载辅助系统可实时监控各专业检测系统的运行情况,一旦发现异常指标可进行故障报警。

3) 数据传输。城轨综合检测车采集到的各种基础设施检测数据通过5G(第5代移动通信技术)或其他专用网络,或通过储存媒介如硬盘等,传输到地面的基础设施智能运维平台,以便进行后续处理。数据传输示意图见图4。

a) 通过储存媒介传输

4) 安全防护。新一代城轨综合检测车配备了车载信号系统,该系统可提供列车运行间隔控制及超速防护,即根据线路状态、道岔位置等条件,确保与追踪车辆前后的安全列车间隔距离,防止综合检测车超速和撞车。对城轨综合检测车开展与列车相同运行工况的等速检测,最终可实现其自主安全运行。

3 基础设施智能运维平台

“一平台”是指基础设施智能运维平台[8]。为充分发挥检测设备载体的技术优势及数据汇集能力,破除数据孤岛,打通专业壁垒,实现业务闭环,可建设轨道交通基础设施智能运维平台,从而解决数据汇集、统一、标准化及计算处理等问题,并且利用数据分析结果为业务专家、工程师、管理人员提供决策依据。

3.1 平台架构

基础设施智能运维平台总体架构分为5层,该平台通过对基础数据进行统一管理,利用数据感知手段对不同来源数据进行汇集,通过技术支撑实现数据的综合应用[9]。基础设施智能运维平台总体架构如图5所示。其中:基础层主要进行专业基础信息管理,包括基础设施台账、线路设计要素、检修数据、问题数据及人财物等数据,对不同来源、分散异构的数据进行聚合,实现结构化数据资源管理;感知层以综合检测为主,配合人工检测及在线监测,实现对基础设施物理属性及健康状态信息的数据感知;支撑层为平台提供系统运维环境、多类型数据接口、分布式存储、智能化分析等技术支撑;应用层实现对检测数据的综合分析利用,实现各种应用系统跨数据库、跨系统平台的无缝接入和集成;决策层实现海量数据驱动智能化业务决策与执行。

注:GIS为地理信息系统;BIM为建筑信息模型。

3.2 平台功能

基础设施智能运维平台功能架构见图6。

图6 基础设施智能运维平台功能架构示意图

1) 数据管理。基础设施智能运维平台针对各检测系统采样频率不同的问题,基于数值分析方法实现数据颗粒度的统一,整合轨道、接触网、弓网、隧道、巡检等检测数据,通过一枕一档的线路基础设施里程精确定位与精细化管理方法,达到各专业检修数据的时空同步,保证对比、趋势等分析的数据可靠性与真实性。基础设施智能运维平台通过对每次检测数据的智能化分析,形成专业化数据分类分级系统架构、数据资产目录、主数据、业务数据及元数据等数据资产管理标准化成果;该平台可构建城轨线路、土建运维数据标准系统,形成数据标准、数据质量验核规则、数据编码规则、数据评价指标规则及数据存储规范等数据标准化成果。

2) 数据分析应用。通过对不同定位技术进行联合使用,实现各类数据高精度时空统一,同时将各类型数据关联打通,以生成自动化、多维度、综合性分析评价与报告;根据基础台账信息分析基础设施状态发展规律以及预测发展趋势,围绕线路与土建专业的检测数据评价、统计、趋势分析及对比分析,以及线路与车辆、线路与土建、线路与供电、线路与通号等多专业数据融合与关联分析;通过数据挖掘、分析预测等方法,对轨道结构进行设备故障诊断、状态预测,为设备寿命和健康管理、安全监控提供数据支持。

3) 运维管理。运维管理功能是基础设施智能运维平台最为重要的功能,旨在实现基础设施维修管理由经验支撑向数据支撑转变,维修模式由故障修、计划修向状态修、预测修转变,实现基础设备设施状态及发展规律预测,以及对异常情况的预警,形成城市轨道交通线网集约维护新模式。基础设施智能运维平台可智能化制定检查计划,结合运营公司检修作业安排与基础设施现状制定适应于线路运营的综合性指标评价体系,合理调度具备相应资质能力的检修人员,指导作业流程,降低作业风险,提高作业质量,在保障安全的基础上减少过检、过修;基础设施运维工作中要重点监控运维工作人员的安全行为,保障线路准确出清,实现实时监控预警,通过数字化平台实现对基础设施运维管理手段与管理模型的转变。

4) 数据可视化展示。通过基础设施智能运维平台展示各专业检测系统的数据处理结果,如线路基础设施状态动静态几何检测总览页面、检测数据波形图、分类统计、对比分析、趋势分析及检测报告等,形成线路、土建基础设施空间关联耦合模型,结合GIS、BIM等可视化技术,通过GIS整体展示全线网基础设施的位置与状态,实现同里程处基础设施与病害的关联展示。通过BIM技术实现三维场景下的基础设施与病害问题的精细化展示。基础设施智能运维平台数据可视化效果截图见图7。

图7 基础设施智能运维平台数据可视化效果截图

4 结语

“一车+一平台”城轨基础设施智能运维系统由集成多种感知系统的载体车辆和基础设施智能运维平台构成,融合了智能感知、计算机视觉、互联网、大数据分析等技术,推进建设检测项点全覆盖、检测流程自动化、状态感知高效化、运维管理智能化的城轨智能运维系统,旨在实现维修模式由故障修、计划修向状态修、预测修转变,为智慧城轨建设提供思路。