地铁市域快线工务智能巡检设备运用与探索.pdf

中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 1 地铁市域快线工务智能巡检设备运用与探索 周 雯 重庆市轨道交通（集团）有限公司，重庆 401120 摘要：摘要：当前我国各地城市化进程的持续推进，使得地铁市域快线建设进度得到大力推动，而相比常规状况下城市中的地铁，市域快线由于跨越了较长的里程，其运维工作面临的难度也相对较大，因此在市域快线建设初期一定程度上出现了故障频率增加、故障影响范围扩大的情况。为进一步推进市域快线工务巡检的智能化，本文以某市市域快线工程现有工务巡检模式及概况为出发点，阐述智能巡检设备的设计测试状况，并辨析该设备在不同地区市域快线的巡检实施情况，以期能为地铁市域快线工务巡检智能化实现提供相应参考支持。关键词：关键词：地铁；市域快线；智能巡检设备 中图分类号：中图分类号：U231;TP242 0 引言 相比城市内通行的常规地铁，市域快线表现出更远的延伸距离、更快的运行速度及更长的运行区间，这就为工务设备养护及巡检工作带来了全新的挑战。为保证市域快线能够正常运行，满足当前城际间的轨道交通需求，就需要持续进行巡检设备的开发、运用及与之相关的一系列探索工作，从而在保证巡检工作质量、确保市域快线运行安全性的同时，有效降低地铁运维工作的成本，为城市化发展提供更切实可靠的交通基建支持。1 某市市域快线现有工务巡检模式概况 城郊线是某市轨道交通的首条市域快线，与该城市城区地铁 2 号线相连，与 2 号线贯穿城市南北中位线的同时，连接了该市客运北站与下辖机场两大重要交通枢纽。城郊线全线长约 59.843km，共设置 11 座车站，线路中超过 5km 的长大区间共计达 6 处，最长区间距离为 18.49km，平均站间距 6.384km。为保证该市城郊线长期维持稳定运行状况，要求线路工务维保单位每日均需对线路设备进行巡检，两次巡检时间间隔必须维持在 48h 以内。当前负责该市城郊线巡检的工务维保单位在巡检时以大概 2km/h 的速度对线路进行全面检查，检查内容包括道岔、道床、钢轨、轨枕、联结零件、标识标牌及排水设施等。单一巡检人员单次巡检作业工作量长度约在 6-8km 之间，考虑到巡检过程中涉及到的其他组织性工作内容，单次巡检约需15-20 名工作人员共同进行，一旦遭遇运营延时的状况，巡检作业的正常进行将受到显著影响1。2 工务智能巡检设备的引用及测试 2.1 设备概况 考虑到该市城郊线线路较长，且传统人工巡检方式易受到线路各客观条件、巡检人员专业水平等众多因素影响，因此工务维保单位在与上级管理部门及政府相关单位进行深入沟通研究后，决定应用智能巡检机器人完成巡检工作，以在能够有效保障巡检工作质量、提升巡检效率的同时，降低巡检作业成本并控制巡检所需的人力支持。此次该市城郊线引入的智能巡检机器人在能源供应上采用了锂电池供电的方式，机器人原型机本设置为可乘坐 1 人，但考虑到巡检工作的客观要求，优化后改造为可同时搭乘 2 人的新型号。机器人外形尺寸约为 1.75m*1.84m*1.12m，自重 270kg，最大行车速度为 15km/h，续航时间则可达到 4h 以上。为保证行驶过程中的安全性，机器人同时匹配了电机制动、手刹、电磁刹车 3 种制动方式，即使是在平直轨道上处于最大时速的运行状态下，设备紧急制动距离也可有效控制在 5m 之内2。在对比地铁运行安全需求及相关标准之后，该机器人防护等级被调整至 IP65，以满足相应要求。测试中确定机器人定位精度误差在 1.5m 之内，且行进方式优化之后，可不影响其他地铁设备正常运行。2.2 设备工务巡检测试 此次应用的智能巡检机器人巡检工作模式具体流程如下：设备调试（包括电子地图录入、设备连接及中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 2 激光标定）首次线路运行（主要用于采集数据）线路建模二次线路运行（可在巡检过程中实时报告结果）病害在线上传、离线分析及处理（处理后同样会上传处理结果）。在进行过系统化的操作人员培训，确保操作人员能够流利完成设备组装、拆卸、操作、简单故障处理之后，将该工务智能巡检机器人投入巡检工作中测试运行。为保证测试结果可靠程度及巡检全面性，整个测试过程反复执行 20 次，主要考察机器人针对轨距块缺失、螺栓松动、道床面异物、布置扣件松动（脱落）、调距扣板缺失（断裂）及其他常见病害巡检的精度加以考量3。在全部 20 次机器人巡检功能验证测试后，获得的结果如下表 1 所示。表 1 工务智能巡检机器人功能验证及结果表 序号 病害类型 现场检出情况 在线 离线 1 弹条退弹 10mm 是 是 2 弹条脱落 是 是 3 道床破损 是 是 4 道床异物 是 是 5 道岔地脚螺栓松动 是 是 6 道岔地脚螺栓浮起 10mm 是 是 7 道岔地脚螺栓浮起 15mm 是 是 8 道岔弹条退弹 10mm2 是 是 9 轨距块缺失 否 是 10 轨距块缺失+弹条缺失 是 是 11 接头连接螺栓松动 否 是 12 接头连接螺栓脱落 是 是 13 轨枕掉块 否 是 14 调距扣板断裂+地脚螺栓松动 3mm 否 是 15 调距扣板断裂+地脚螺栓浮起 10mm 是 是 16 辊轮螺栓松动2 是 是 17 滑床板异物2 是 是 18 尖轨不密贴离缝 5mm 是 是 19 道岔扣件脱落 是 是 结合上表中内容不难看出，此次该市应用的工务智能巡检机器人能够有效识别包括道床异物、道床破损、接头连接螺栓脱落、道岔地脚螺栓异常等众多故障。设置的 19 中故障类型中巡检机器人可实现所有故障的离线现场检出，在线现场检出中则在轨距块缺失、接头连接螺栓松动、轨枕掉块、调距扣板断裂+地脚螺栓松动 3mm 四种故障中出现失误，而这类失误可在随行工作人员监控下得到弥补。就该市市域快线对工务巡检的具体要求来看，此次引用的巡检机器人在运行速度、续航里程、荷载能力、制动能力及检测范围等实际性能上，均能够满足市域快线的实际需求4。后续针对市域快线中存在的坡度（整体不超过 30）进行测试，发现机器人能够有效满足线路环境中的爬坡需求且仍有余力，总体上能够有效满足该市市域快线工务巡检的各项需求。2.3 设备工务巡检具体实施 结合测试状况及结果表现来看，市域快线巡检中引入该类型机器人，对强化轨道设备风险管控、完善工务巡检内容、弥补人工作业不足、强化作业效率都有显著积极影响，同时还能够提升巡检工作质量，具有客观层面的应用意义及价值。实际实施时则需要注意相应工作内容。在工务巡检机器人预备上道巡检之前，就需要提前完成施工方案及应急预案的编制工作，以保证作业过程中各项情况都有完备的应对及处理方式。常规状况下应匹配两名人员共同负责机器人巡检作业，其中巡检负责人主要完成请销点手续、作业执行方式指挥、组织调度、巡检执行状况监督及必要情况下的沟通工作；设备操作人则需详细完成机器人上线后的行动控制，并同步进行数据采集工作5。考虑到机器人巡检过程中可能因环境因素影响，出现平板电脑通信中断、电磁刹车功能受限、电池欠电、自保护功能故障等众多不同类型问题，需在施工方案或应急预案中详细支出并匹配处理方式，开始作业前针对这些故障相关内容进行核对调查，并明确不同区段可存放机器人设备的区域，以免突发状况出现后影响后续市域快线正常行车。该市市域快线巡检作业时间基本维持在 00：30-04：10 时段，具体应用机器人进行工务巡检时，可参考测试过程处理请销点、机器人搬运时间、上道准备及相应工作，处理这些内容时应尽量留出一定的时间余裕。实际巡检过程大约耗时 2h，在完成机器人组装、开机、校准之后，以 5km/h 配速进行短距离试运行，测试机器人各项功能正常后正式开始巡检作业。巡检过程中应合理控制行进速度，仅需保证能够在限定时间内完成巡检工作即可。巡检作业执行初期采用机器人与人工巡检相互配合的方式，合理划分市域快线全段，以累计覆盖的方式完成全段巡检工作。分别设置 3 个上行动车作业点与 3 个下行动车作业点，完成作业后应使机器人入库，并重新为电池充电，巡检过程中采集数据的分析作业留至次日进行。累计完成全线上下行巡查需 4 次作业点，由 2 人完成设备操作，与人工巡中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 3 视相比，每次巡道作业可以减少 2 人次，对比之下，机器人除节约人力支出外，巡检效率相比人工有大幅提升，且有效避免了人工巡检过程误操作可能存在的安全问题。但考虑到机器人巡检时存在部分无法覆盖的巡检区域（如道岔、辅助线、疏散平台等）以及部分当场发现但无法即时处置的问题，需辅以人工巡检予以针对性解决处理。3 其他城市市域快线工务智能巡检设备的运用探索 3.1 上海 上海市向周边地区的市域快线配属了大量列车，且线路列车整体服役年限较久，在盛夏季节会因巡检时间长、工作强度高、工作环境闷热，对巡检工作的质量和效率造成负面影响。对此上海地区就通过引入智能巡检机器人来完成线路巡检工作，以期能改善巡检作业中面临的问题，并实现巡检工作效率的提升。其应用的智能巡检机器人配备了 SLAM（即时定位与地图构建）导航定位技术，能够在短时间内完成列车转向架的 3D 稠密点云地图构建，且形成的地图适用于同线路同一型号的所有列车，这就有效缩短了巡检工作实施的时间，另外该技术强大的技术能力可将自主导航重复定位精度误差控制在1cm 以内，也就降低了对巡检地貌环境的要求；AI 缺陷识别技术搭载了线扫激光、高清相机、红外热成像仪等多种传感器，可实现2D、3D 同源异构数据的采集，能够对列车部件的异物、裂痕、螺栓松动、缺失等多种故障进行 AI 识别；人机交互系统可下发执行和查看反馈,交互界面可下发机器人的全流程、特定流程巡检，实现任务的灵活切换；可动态显示所巡检的车辆，展示列车巡检的进度、结果及缺陷分布；通过高清相机可以查看巡检内容；对于巡视过程中发现的异常信息，通过声、光等方式提醒工作人员及时了解并处理缺陷。3.2 广州 广州市应用的智能巡检机器人名为“胖小子”，是行业中首台适用于多股道车辆巡检作业的智能巡检设备。当地对这种智能巡检设备的运用以人机结合位主要模式，在应用之后相比传统作业模式，广州市应用车辆段夜间上岗人数减少了 37.5%，大幅降低了夜班巡检作业的劳动强度。该智能巡检机器人采用了多自由度柔性协作机械臂控制技术、高清光学成像技术、图像模式识别技术、AI 深度学习算法等众多先进技术，因此在巡检过程中能够实现车底关键检修位置的二维或三维高清成像，并可智能判断车辆底部关键部件的异常状态，此外还支持多机器人群体协同作业的作业模式。在这种情况下，长期以来广州市市域快线及常规地铁既有检测设备无法自动转轨、拥有检测盲区等问题得到充分解决。此外当地额外匹配的 360列车图像在线检测系统能够应用高清线阵技术、图像识别技术、深度学习技术及激光补光技术，能够实现车顶、车侧、车底的全车360外观可视关键部件的自动化检测识别，从而与智能巡检机器人共同对车辆进行更全面的巡检，以两者的优势互补大幅提升了巡检工作的效率及质量。3.3 北京 北京市应用的工务智能巡检机器人则集成了行走机器人、多自由度机械臂、AI 图像识别等多重先进技术，能够通过地图创建、全景拍照扫描、3D 数字图像处理、5G 信息回传及自主学习等一系列智能方式，对市域快线进行全方位的自主巡检及测量作业。搭载的这些技术能围绕线路中关键部件及节点形成智能化图像，从而判断其异常状况。在实际巡检过程中可应用4K彩色激光线阵相机迅速扫描车底及检测位置，并依靠机械臂上配置的 2D 及3D 高精度相机，采集转向架、车钩等关键位置的图像，并在后台图像增强引擎及智能分析系统的帮助下，实现关键区域的智能识别与故障检测。而在获得高精度三维点云、AI 深度学习等技术的技术支持以后，该机器人还能精确测量车底设备、部件的厚度及间隙，能够协助人工完成超过 65%以上的车下巡检任务，进一步保障了列车运行的可靠性以及乘客的出行安全。4 结语 当下我国社会面临着深入可持续发展的全新势态，轨道交通运维也承受着越来越大的挑战和压力，因此更需要深入研究智能巡检设备在巡检作业中的应用，从而使工务巡检作业拥有更高水准的质量和效率，在降低巡检作业人力需求、提升巡检安全性的同时，为我国轨道交通事业的发展提供更为可靠的保障及更加全面的功能支持，推进轨道交通智能化的实现。中文科技期刊数据库（全文版）工程技术 4 参考文献 1段培勇.基于移动 GIS 的重载铁路工务设备智能巡检终端设计与应用J.铁道建筑,2022,62(08):42-45.2侯娜.地铁站机房智能巡检机器人系统设计与应用J.河南科技,2018(32):29-31.3张辉.基于信息化的设备智能巡检系统构建J.中国设备工程,2020(18):24-25.4俞旻,邳向南,杜樑.弓网关系监测,轨道巡检设备在地铁上的应用J.中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2022(9):168-172.5周旭.成都市轨道交通市域快线关键技术研究及应用J.现代城市轨道交通,2020(11):1-6.