全自動運行模式下地鐵智能化車輛工藝設備配置策略

王 光,付 萱

(1.石家莊市軌道交通集團有限責任公司 技術管理部,河北 石家莊 050000;2.河北交通職業技術學院 基礎教學部,河北 石家莊 050091)

為進一步提高軌道交通載運工具的安全性和可靠性,減少服務人員,降低運營成本,北京、上海、廣州、深圳等多個城市新規劃和計劃開通的地鐵線路大多按照GoA4等級的全自動運行標準進行設計和建設,基于全自動運行(Fully Automatic Operation)模式下的城市軌道交通系統已成為今后城市軌道交通的重要組成部分。車輛工藝設備智能化水平不斷提升的同時,傳統的設計思路和滯后的配置策略不但無法滿足全自動運行地鐵線路的需求,而且已成為制約地鐵高質量發展的重要因素。本文通過對無人駕駛地鐵列車實際運維需求和智能化車輛工藝設備的研究,提出按照不同等級段場功能屬性差異化配置智能化車輛工藝設備,是進一步提高列車檢修效率和運行可靠性的重要手段。

1 全自動運行模式下地鐵智能化車輛對工藝設備的配置要求

隨著城市軌道交通運營服務質量和效率的提升,許多城市已經開始采用符合GoA4等級運行的全自動無人駕駛列車承擔載客任務,該型列車可實現自動喚醒、自動出庫、正線自動運行、終點站清客、自動折返、自動回庫、自動洗車、自動休眠等功能。隨著全自動無人駕駛列車功能不斷升級的同時,車輛基地中傳統的車輛工藝設備配置策略已經無法滿足全自動無人駕駛列車的日常檢修和維保要求。傳統的車輛工藝設備只能依靠人工對列車某一功能進行基礎維保,列車故障自診斷和自處理信息數據無法實時上傳到列車健康管理系統中進行分析,致使專業工程師無法利用大數據和人工智能信息對車輛進行全面的狀態檢測。以服務全自動無人駕駛列車全生命周期內檢修和維保為目標的智能化城市軌道交通車輛工藝設備,將先進的傳感技術、控制技術、信息技術、通信技術、云計算技術和系統互聯技術高效地集成在一起,加以應用的同時還需要按照全新規劃的段場布局設計進行優化配置。根據不同等級的段場差異化配置智能化車輛工藝設備,以實現提高檢修效率、優化檢修質量管理、降低運維成本的目標。

未來以無人駕駛、實時監測、大數據分析、在線故障診斷、人工智能檢修于一體的智能化載運工具將成為城市軌道交通運輸的核心,與智能化載運工具相配套的檢修工藝設備也應同步進行智能化升級。以滿足全自動化無人駕駛列車需求的新一代工藝設備應該加強系統性研發和智能化升級,只有對傳統車輛工藝設備進行徹底革新,才能引領未來國產化智能軌道交通裝備的發展。國產化智能軌道交通裝備進一步完善和成熟的同時,融入5G、物聯網、云計算、大數據和人工智能等新技術應用的地鐵智能化車輛工藝設備正向著信息化、網絡化、智能化、非標集成化配置方向發展。

2 智能化車輛工藝設備配置策略

根據國家標準GB 50157—2013《地鐵設計規范》要求“一座城市首建地鐵工程的車輛基地應具有較為完善的功能”,其目的是為地鐵運營提供一套完整的服務體系,以保障地鐵的穩定運營。智能化車輛工藝設備配置策略的實現往往需要依托軌道交通全自動運行車輛基地整體設計布置來完成。根據不同等級段場設計要求和全自動化無人駕駛列車檢修全流程分析,以智慧賦能城市軌道交通高質量發展為導向,在科技創新驅動下深入研究和探索未來智能化車輛工藝設備的配置策略。根據《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》中智慧運維2025的目標,融入5G、大數據、人工智能、互聯網、物聯網等高新技術的智能化車輛工藝設備應按照全自動無人駕駛列車的特點和需求從“硬”、“軟”兩個方面進行合理配置。

2.1 智能化車輛工藝設備的“硬”配置

目前國內地鐵車輛基地一般分為停車場、車輛段和車輛綜合維修基地(包含車輛大修功能)三個等級,為充分利用設備、便于管理、節約基建投資,不同等級的全自動運行車輛基地其車輛工藝配置策略也不盡相同。

2.1.1 停車場的工藝設備配置策略

獨立設置的停車場只是在線路較長或車輛段用地面積受限制,或運營有特殊需要的情況下才設置。停車場往往只配備列車停放股道和極少量的維修、保養、清洗設備,僅能完成列車的運用管理、清潔整備、安全檢查、日常保養、月度檢修等級別的維保工作以及對于故障列車的應急維修處理工作。獨立設置的停車場建議配置:一套全自動列車清洗機、一套移動式架車機、靜調設備、若干智能巡檢機器人、車底設備拆裝小車、自動恒流充放電機、三層作業平臺與智能化安全聯鎖系統、智能化工業吸塵器、高壓冷熱水清洗機、超聲波清洗機、全自動空調濾網裁切和清洗烘干裝置等工藝設備。根據股道數量配置列檢線司機智能化登車平臺、移動式登車梯、移動式升降平臺(車頂作業)、曲臂式高空作業平臺、列檢集成工具包,除此以外,還需預留以滿足車場調車和正線救援功能的工程車所需的相關工藝設備。

2.1.2 車輛段的工藝設備配置策略

車輛段所承擔的業務范圍比停車場更廣,一般承擔列車的停放、運用、清掃、洗刷、消毒、列檢、定臨修任務和運用列車事故后的救援任務。車輛段比停車場運用等級更高,除配置停車場全部車輛工藝設備種類外,還建議配置智能升級版全自動列車清洗機、智能化固定式架車機、數控不落輪鏇床這三大車輛段工藝設備、移動式架車機、車輛智能巡檢機器人、年檢專用集成工具包、單股道可視化直流驗電接地系統、非接觸式智能限界檢測裝置、智慧DCC配套設備、全車360°圖像動態監測系統(含受電弓和輪對測量功能)、智能吹掃集塵設備、智能化立體存儲倉庫、危險品存儲設備、輕重型貨架與智能化倉儲管理系統、場內專用機動車(含叉車、各類AGV搬運車)和其它物流設備、各種特種設備和車輛檢修試驗設備集成包(含繼電器檢測試驗設備、制動閥檢測實驗設備、便攜式高精度碳滑板厚度測量設備、固定式碳滑板平面打磨設備、絕緣電阻測試設備等)、成套救援設備與救援車輛(救援指揮車、救援工具車)、工程內燃調車機等。

三大車輛段工藝設備中數控不落輪鏇床最好帶有獨立測量功能,未來如果數控不落輪鏇床廠家能在現有設備基礎上再開發出一套獨立測量機構布置于數控不落輪鏇床前方,每次作業只需一次操作就能完成一個轉向架兩條輪對的測量工作,將極大地提高車輛輪對檢測和鏇修工作的效率。正線接觸網檢測、隧道廓形檢測、鋼軌檢測等日常檢測作業將逐步整合在具有綜合檢測功能的地鐵列車上,只需幾列這樣的綜合檢測車就可以在信號控車模式下完成多種檢測工作。具有綜合檢測功能的地鐵列車在白天載客運營期間就能實時完成檢測工作,減少了夜晚施工天窗的占用,提高了運營設備維護效率,減少了傳統工程車搭載單一檢查設備的采購需求和成本。三大車輛段工藝設備中智能化洗車機可以實現無人自動洗車功能,在智能DCC設置一套與洗車機操作現場功能相同的控制臺,就可以在遠程控制和監視洗車機運轉,實現洗車現場的無人值守功能。此外,智能化列車清洗機具備智能計量(用電量、用水量、洗滌劑消耗量等)和成本分析功能,將清洗的每一列無人駕駛車的數據自動記錄到數據庫中,形成完整的洗車信息,用戶可根據數據進行運營成本分析和設備狀態分析。具有遠程控制功能的智能化列車清洗機既節省了人工,又提高了場段內調車與洗車效率。三大車輛段工藝設備中帶有卸車、稱重功能的移動式架車機和既滿足車輛舉升功能又具有不轉軌架修功能的固定式架車機是未來智能化車輛工藝設備配置的方向。

目前,大部分安裝在段場咽喉區的輪對受電弓檢測設備在實際使用過程中其檢查精度和效果無法為車輛運營提供較為精準的檢修判斷依據,實用性較差,建議將該類設備功能整合到電客車自身檢測功能上來進行配置。全車360°圖像動態監測系統采用圖像分析技術,自動采集地鐵列車車頂、車側、車底高品質高清圖像,通過圖像特征匹配、模式識別技術自動識別關鍵點位部件狀態建議在車輛段進行配置。非接觸式車輛限界檢測裝置采用激光掃描技術對電客車斷面進行精確測量,保證車輛檢修完成后不侵限,建議在“零軌”出庫方向進行配置。傳統的電客車吹掃設備在實際使用過程中發現其車底吹掃除塵效果欠佳,吹掃作業還帶來了一系列的環境污染問題且噪音極大,無法達到其預期的設計功能效果,是一種比較“雞肋”的工藝設備,建議將該類設備升級換代為可以在車底遙控行走的吸塵機器人進行配置。

車輛日常檢修作業中單股道斷送電是必須且最容易發生危險的環節,傳統的人工掛拆地線操作步驟繁多、耗時較長,易出現地線的漏掛、錯掛、漏拆、錯拆等問題,一旦操作失誤極易造成人員受傷和設備損壞情況,可視化接地系統可實現接觸網帶電檢測、帶電狀態顯示、驗電、殘壓放電、遠程可視化驗電接地操作、就地電動和手動操作、合閘驗電閉鎖、隔離開關合閘閉鎖、接觸網接地防護狀態顯示、軟件密鑰等功能,從而實現更安全、更快捷的智能化防護,在庫內配置單股道可視化直流驗電接地系統將極大地提高檢修效率降低安全風險。一些車輛關鍵部件檢測設備的配置也能極大地提高檢修效率,例如,多功能繼電器檢測試驗設備、制動閥檢測實驗設備、制動系統微機控制單元測試設備、便攜式高精度碳滑板厚度測量設備、固定式碳滑板平面打磨設備、絕緣電阻測試設備等。

2.1.3 車輛綜合維修基地(包含車輛大修功能)的工藝設備配置策略

車輛綜合維修基地除具備車輛段功能外還承擔著線網車輛架、大修功能和車輛維修所需全部材料、物資的供應任務,因此在運用、檢修等設備設施的配置上是最全面的。車輛綜合維修基地比車輛段運用等級更高,除配置車輛段全部車輛工藝設備種類外,還應配置架、大修設備。目前設計院給出的架大修設備配置一般難以滿足后期運營的實際需求,例如,一些為架大修加工各種非標零部件所單獨配置的普通車床、銑床、磨床、鉆床等機械設備選型配置思路陳舊,有的甚至連最基本的數顯裝置都沒有,無法滿足高精度機械零部件的加工需求,常年處于閑置狀態,實用性和經濟性都很差。全自動無人駕駛列車的架大修設備投資規劃的制定必須建立在充分調研、論證的基礎之上,以實際需求為導向,以優化的架大修工藝流程為中心,其配置時應多參考列車生產廠工藝流程和設備種類。根據架大修規程在車輛段工藝設備配置的基礎上建議增加配置列車稱重裝置、移車臺、車底設備起重平臺、智能工藝轉向架、公鐵兩用牽引車、車底電氣柜安裝設備、中心銷拆卸和專用電動扭力工具集成包、全自動數控加工中心等主要設備。按照架大修工藝流程,將列車分為轉向架輪對系統、車體車門系統、車鉤系統、空調系統、供風制動系統、受電弓系統、牽引系統、列車控制及診斷系統、乘客信息系統、整車電氣系統等十個大系統,對應各系統應配置以下車輛工藝設備。轉向架輪對系統應配置智能化轉向架升降設備、轉向架清洗設備、輪對、軸承軸箱拆卸組裝設備、構架翻轉臺、構架劃線平臺、輪對自動除銹清洗機、高精度輪對尺寸自動測量機、輪對超聲波探傷機、輪對磁粉探傷機、多功能轉向架靜載試驗臺、轉向架構架噴漆設備、輪對軸承擋圈工頻感應加熱器、油壓減振器試驗設備、一系彈簧試驗裝置、單柱校正壓裝液壓機、軸箱清洗機、數控車輪車床、齒輪傳動裝置跑合試驗設備、軸承尺寸檢測設備、齒輪箱注卸油設備、抗側滾扭力桿拆裝設備、接地裝置試驗設備和轉向架構架移動小車等30多種工藝設備。車體車門系統應配置移動式車體支座、各類智能工藝轉向架和梯車、車門拆卸升降機、車門試驗檢測設備、列車車門門控單元測試設備、車門夾緊力測試儀、門驅機構拆裝設備、驅動電機檢測設備和車門電氣系統檢測設備等10多種工藝設備。車鉤系統應配置鉤緩拆裝設備、車鉤緩沖器分解組裝壓力機、鉤緩裝置試驗設備、車鉤間隙測量設備等多種工藝設備?？照{系統應配置空調清洗設備、冷媒充放設備、空調機組淋雨試驗設備、空調機組綜合性能試驗、列車空調機組微機控制單元測試設備、空調冷媒體泄漏檢測儀、制冷管系焊接設備、彎管機、空調拆裝升級機、智能化空調周轉臺車等10多種工藝設備。供風制動系統應配置空壓機試驗設備、制動精密件研磨平臺、制動閥類試驗設備(高度閥、差壓閥、平衡閥、電磁閥)、空氣簧試驗設備、單元制動裝置試驗設備、列車空氣制動試驗設備、制動系統微機控制單元測試設備、制動電子控制單元試驗設備、速度傳感器試驗設備等10多種工藝設備。受電弓系統應配置受電弓檢修試驗設備、移動式磁粉探傷機、高精度碳滑板磨耗測量設備、接觸壓力測量儀、智能化受電弓周轉臺車等多種工藝設備。牽引系統應配置牽引電機吹掃設備、牽引電機清洗設備、牽引電機空載試驗設備、移動式耐壓試驗設備、絕緣電阻測試設備、聯軸節拆裝設備、軸承檢測設備等多種工藝設備。列車控制及診斷系統應配置電器綜合試驗設備、高速斷路器試驗設備、繼電器檢測試驗設備、司機控制器試驗設備、電流電壓傳感器試驗設備、LCU系統綜合試驗設備等多種工藝設備。乘客信息系統應配置LCD動態地圖顯示器試驗設備、乘客信息系統綜合試驗設備等多種工藝設備。

根據不同段場等級和功能,差異化配置智能化車輛工藝設備不但有效節省了建設初期設備投資成本,也有利于提高車輛檢修效率。在更高等級的車輛綜合維修基地中應配置更為智能的車輛工藝設備,以滿足全自動無人駕駛列車平穩運營的需求。經過全面梳理各等級段場日常擔負的運營功能,推薦參考表1種類與數量進行配置。

表1 不同等級段場車輛工藝設備配置與種類推薦表

2.2 智能化車輛工藝設備的“軟”配置

車輛大數據的運用與分析模型是全自動無人駕駛地鐵列車安全運行的基石。國內許多業主往往很重視車輛工藝設備硬件配置,隨著列車技術的不斷升級智能化車輛工藝設備更應該從“軟”的方面進行配置。首先建議在所有車場配置智能化車輛工藝設備檢修管理系統,建立統一的數據庫,各種車輛檢測設備運行狀態、加工數據、檢測數據、故障數據和視頻記錄能夠實時遠程監測并上傳共享,通過大數據分析為每一列全自動無人駕駛列車自動生成帶有可追溯性的履歷。將車輛健康管理系統、車輛架大修管理系統與車輛工藝設備檢修管理系統深度融合,建立統一的數據庫以實現車輛全生命周期管理功能。將智能化車輛工藝設備檢修管理系統深度融合到車輛全生命周期管理系統中,形成了大量的車輛數據資產,為長期運營提供了龐大的參考資料。智能化車輛工藝設備檢修管理系統與車輛全生命周期管理系統提供了車輛可靠性分析系統的關鍵數據,便于對車輛運行狀態和關鍵數據進行實時遠程監測和分析,極大地方便了運營設備管理工作。

3 結語

在以科技創新驅動城軌各系統裝備高質量發展的理念的指導下,需要學會運用“智慧”手段,促進智能化裝備與運營管理深度融合達到節約建設和運營成本的目的。軌道交通智能化車輛工藝設備作為非標高端裝備制造領域的重要組成部分,必須緊跟時代步伐不斷融入新技術。以創新、智能、協調、綠色、安全、高效的發展理念指引和構建全新的智能化城市軌道交通車輛工藝設備配置策略,對引領和推動城市軌道交通高質量發展行穩致遠具有十分重大意義。