大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在軌道交通行業(yè)當(dāng)中的深度應(yīng)用

隨著近年來(lái)鄭徐、滬昆、寶蘭、石濟(jì)等多條高鐵的開(kāi)通，我國(guó)“四縱四橫”高鐵網(wǎng)基本成型，成為世界上唯一高鐵成網(wǎng)運(yùn)行的國(guó)家。我國(guó)發(fā)布的《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》中指出，要在“四縱四橫”的基礎(chǔ)上打造“八縱八橫”，實(shí)現(xiàn)相鄰大中城市間1~4小時(shí)交通圈、城市群內(nèi)0.5~2小時(shí)交通圈。到2030年，中國(guó)鐵路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)到20萬(wàn)公里左右，其中高速鐵路長(zhǎng)達(dá)4.5萬(wàn)公里。

在此背景下，近日中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司（簡(jiǎn)稱中車四方）副總經(jīng)理、總工程師梁建英在第281場(chǎng)工程科技論壇上對(duì)《高科技與產(chǎn)業(yè)化》記者表示：“我國(guó)鐵路事業(yè)的蓬勃發(fā)展給軌道交通裝備的后續(xù)服務(wù)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，高速動(dòng)車組的運(yùn)維能力面臨著各種挑戰(zhàn)。如何在大數(shù)據(jù)與人工智能時(shí)代，提升動(dòng)車組的運(yùn)維能力已經(jīng)成為我們關(guān)注的重點(diǎn)?！?/p>

中國(guó)國(guó)土面積幅員遼闊，鐵路網(wǎng)絡(luò)縱橫超過(guò)5000公里，馳騁的列車需要在高寒、高熱、高濕等極端自然環(huán)境中穿行，而且還要適應(yīng)不同的線路。

梁建英舉例道：“比如武廣高鐵全程長(zhǎng)達(dá)1068公里，共有226個(gè)隧道。在任何線路與環(huán)境下，都要求列車能全時(shí)全域全天候安全的運(yùn)行。而且，載客量大也給列車后續(xù)服務(wù)如為用戶提供快速響應(yīng)、及時(shí)處理問(wèn)題等，提出了巨大的挑戰(zhàn)。”

目前，高鐵動(dòng)車組的檢修基本上為“計(jì)劃加故障修”的形式，沒(méi)有依據(jù)動(dòng)車組運(yùn)行工況和零部件性能衰弱對(duì)列車的影響做到“預(yù)測(cè)修”，這樣往往會(huì)造成“過(guò)度修”。

梁建英指出，這給車輛整體檢修作業(yè)、檢修周期以及檢修成本，都帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，如今海外購(gòu)買動(dòng)車的國(guó)家都要求能實(shí)現(xiàn)本土化，現(xiàn)有的勞動(dòng)密集型的檢修模式也不適合高鐵技術(shù)的對(duì)外輸出。

“如何從粗獷檢修模式向精細(xì)化檢修模式轉(zhuǎn)變，如何從成本相對(duì)較高的模式向成本低檢修模式轉(zhuǎn)變，以及如何從計(jì)劃修向狀態(tài)修或預(yù)測(cè)修轉(zhuǎn)變，是我們同時(shí)面臨的幾個(gè)難題。”

高速動(dòng)車組是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，有九大關(guān)鍵技術(shù)、十大核心配套技術(shù)，其中核心零部件高達(dá)4萬(wàn)多個(gè)，構(gòu)成一列動(dòng)車組的零部件逾百萬(wàn)個(gè)。列車檢測(cè)源頭也非常密集，需要檢測(cè)大量的信號(hào)，一列動(dòng)車組每天因此所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)高達(dá)幾十GB。而且，在進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)或者提升運(yùn)維管理能力時(shí)，需要同時(shí)收集列車實(shí)時(shí)狀態(tài)和內(nèi)部靜態(tài)數(shù)據(jù)并進(jìn)行有效融合。梁建英指出，列車海量的數(shù)據(jù)對(duì)挖掘技術(shù)也提出了新的挑戰(zhàn)。

近年來(lái)，大數(shù)據(jù)與人工智能已經(jīng)遍布各個(gè)行業(yè)，在高鐵動(dòng)車組的運(yùn)維中自然也擔(dān)任了重要角色。

梁建英指出，國(guó)內(nèi)外的工業(yè)企業(yè)和軟件龍頭企業(yè)都在快速布局大數(shù)據(jù)技術(shù)與應(yīng)用，如GE、西門子、ABB，三一重工、航天科工等都建立了自己的大數(shù)據(jù)應(yīng)用分析平臺(tái)。

她認(rèn)為，大數(shù)據(jù)應(yīng)用在動(dòng)車組運(yùn)維中，能提高軌道交通運(yùn)營(yíng)與安全綜合保障的水平。前期設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)為大數(shù)據(jù)的應(yīng)用匹配良好的環(huán)境，這也是面向智能化的可實(shí)施的基本條件即數(shù)字化。

“從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)制造、檢驗(yàn)檢測(cè)以及交付、運(yùn)營(yíng)，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)全數(shù)字化驅(qū)動(dòng)。同時(shí)，還要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛關(guān)鍵系統(tǒng)和部件狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和診斷的基本需求。而從服務(wù)用戶的角度看，需要對(duì)售出的產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)測(cè)性維修及健康狀況、剩余壽命的評(píng)估等，這樣才能滿足今后遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)的要求?！?/p>

此外，當(dāng)前中國(guó)大陸地區(qū)動(dòng)車組保有量約為3100組左右。面對(duì)如此大的保有量，如何實(shí)現(xiàn)配件服務(wù)的可共享化，也是運(yùn)維過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。

環(huán)顧全球知名企業(yè)，也都在加速建設(shè)大數(shù)據(jù)平臺(tái)并推進(jìn)人工智能領(lǐng)域的研發(fā)。如德國(guó)西門子公司正依托Mindsphere平臺(tái)，深耕軌道交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用，推出數(shù)據(jù)傳輸解決方案、建立開(kāi)發(fā)式數(shù)字系統(tǒng)，并推出了數(shù)字化雙胞胎等產(chǎn)品，全方位借助人工智能技術(shù)提升列車智能化、數(shù)字化，積極優(yōu)化列車維護(hù)的應(yīng)用性與可靠性。

阿爾斯通也開(kāi)發(fā)了HealthHub系統(tǒng)，用于分析列車和基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)評(píng)估關(guān)鍵部件健康狀態(tài)、剩余壽命并為維護(hù)計(jì)劃排程優(yōu)化等。阿爾斯通通過(guò)使用HealthHub系統(tǒng)，使成本降低15%、維護(hù)時(shí)間也降低85%。

梁建英表示：“工業(yè)大數(shù)據(jù)在未來(lái)兩到三年內(nèi)將迎來(lái)戰(zhàn)略發(fā)展的窗口期，企業(yè)如何利用大數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)自身轉(zhuǎn)型與升級(jí)，是值得每個(gè)企業(yè)深思的問(wèn)題?！?/p>

在此背景下，中車四方在軌道交通裝備發(fā)展以及動(dòng)車組智能化、大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域也有著自己的思考，并開(kāi)展了一系列的工作。梁建英說(shuō)：“我們的設(shè)想是以主機(jī)企業(yè)為主體、以車輛裝備為核心，構(gòu)建數(shù)字化的運(yùn)維體系與推送服務(wù)?！?/p>

她認(rèn)為，作為載人工具的車輛，其安全與否決定了乘車人和周圍所有設(shè)備之間的關(guān)系。“我們希望能夠構(gòu)建這樣一個(gè)系統(tǒng)，即將列車研發(fā)數(shù)據(jù)、檢修數(shù)據(jù)、線路特征數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)等，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)傳輸推送到大數(shù)據(jù)平臺(tái)上，然后再開(kāi)展數(shù)據(jù)的分析、整合、挖掘與處理，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的需求?！?/p>

同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)對(duì)在線運(yùn)營(yíng)車輛故障的可預(yù)測(cè)性，并對(duì)所有關(guān)鍵部件做到預(yù)測(cè)性的維修?！拔覀兛梢韵蛴脩籼峁┛梢暬⑻摂M的互助維修方式，并對(duì)用戶進(jìn)行遠(yuǎn)程云端的培訓(xùn)；也可以為用戶構(gòu)建配件一體化的配送模式，只要將基本數(shù)據(jù)和典型數(shù)據(jù)清理出來(lái)，就可以向用戶、供應(yīng)商和企業(yè)內(nèi)部智能單位推送信息。”

當(dāng)前，梁建英與中車四方的研發(fā)團(tuán)隊(duì)從動(dòng)車組車輛維修和運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)入手，通過(guò)預(yù)測(cè)性維修、配件服務(wù)、業(yè)務(wù)協(xié)同等六個(gè)方面提升動(dòng)車組運(yùn)維模式，力圖突破現(xiàn)有運(yùn)維模式在時(shí)間與空間上的制約，實(shí)現(xiàn)智能、高效、協(xié)同的運(yùn)維模式。

要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，梁建英指出，首先需建構(gòu)故障診斷和健康管理平臺(tái)，讓現(xiàn)有的維修模式從“計(jì)劃修”向“預(yù)測(cè)修”轉(zhuǎn)變；其次構(gòu)建交互式與互聯(lián)網(wǎng)化的資料管理平臺(tái)，用以提升資料的共享性。同時(shí)，打破中車四方常態(tài)的配件儲(chǔ)備模式，構(gòu)建新型的配件一體化、向電商轉(zhuǎn)化的服務(wù)平臺(tái)，并構(gòu)建虛擬可視化的遠(yuǎn)程指導(dǎo)，提高與用戶間的指導(dǎo)與快速協(xié)同作業(yè)。

“尤其是當(dāng)列車遇到問(wèn)題時(shí)，中車四方應(yīng)急指揮中心或者技術(shù)專家可快速地參與故障分析的現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)遠(yuǎn)程迅速指導(dǎo)用戶應(yīng)對(duì)，以避免問(wèn)題的擴(kuò)大。最后還需要打造增值服務(wù)平臺(tái)，給用戶提供最好的維修建議方案，減少和降低用戶在整個(gè)運(yùn)行維護(hù)過(guò)程中的費(fèi)用和周期。”

目前，中車四方正圍繞高速列車建立數(shù)據(jù)采集、傳輸、管理與挖掘系統(tǒng)，并運(yùn)用開(kāi)發(fā)一體化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)模式的提升。梁建英表示，中車四方正依據(jù)列車基本性能分析構(gòu)成列車的關(guān)鍵系統(tǒng)和部件，以此來(lái)布置列車的測(cè)試；通過(guò)現(xiàn)有智能傳感技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)等獲取基本數(shù)據(jù)，再以基于復(fù)雜多元數(shù)據(jù)的差異化傳送方式推送至大數(shù)據(jù)平臺(tái)，并進(jìn)行整合治理，以開(kāi)發(fā)與優(yōu)化部署模型。同時(shí)，依據(jù)中車四方業(yè)務(wù)的需求開(kāi)發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，進(jìn)行故障預(yù)測(cè)、健康管理、配件一體化管理、遠(yuǎn)程協(xié)同、在線培訓(xùn)服務(wù)的推送等開(kāi)發(fā)工作。

近年來(lái)中國(guó)綜合交通的快速發(fā)展，對(duì)交通裝備多元化的需求也提上了日程。在梁建英看來(lái)，未來(lái)軌道交通的主題應(yīng)當(dāng)圍繞“安全、效能和品質(zhì)”三個(gè)維度，在全壽命周期服務(wù)、多樣定制、環(huán)境適應(yīng)性、可持續(xù)發(fā)展和人員環(huán)境改善的需求上，在安全、智能、綠色、多元、人因等方面持續(xù)創(chuàng)新與應(yīng)用。

梁建英指出：“人工智能在其中扮演著非常重要的角色。必須以智能化為核心，把智能放入軌道交通裝備大系統(tǒng)當(dāng)中，和周圍設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施以及環(huán)境、線路等進(jìn)行綜合處理，才能實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。”

她認(rèn)為，這需要全行業(yè)共同構(gòu)建數(shù)據(jù)聯(lián)盟，讓數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享并且產(chǎn)生價(jià)值，需要構(gòu)建基礎(chǔ)設(shè)施，移動(dòng)裝備、運(yùn)營(yíng)指揮等五位一體的數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)籌數(shù)據(jù)管理、資源配置還有保障安全、監(jiān)測(cè)管理與服務(wù)。

在大數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，用戶最關(guān)心的自然是如何安全運(yùn)營(yíng)并降低運(yùn)營(yíng)成本，其次便是服務(wù)與性能的提升。而對(duì)中車四方等主機(jī)廠來(lái)說(shuō)，最主要的需求自然是產(chǎn)品優(yōu)化、制造效率提升、供應(yīng)鏈優(yōu)化以及持續(xù)的定單保障等。

“實(shí)際上，大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)在軌道交通行業(yè)當(dāng)中的深度應(yīng)用，可為實(shí)現(xiàn)用戶和主機(jī)廠的目標(biāo)提供必要的保障。無(wú)論是用戶還是主機(jī)廠，如何把大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)應(yīng)用在公司的經(jīng)營(yíng)管理上，也是需要思考的重要問(wèn)題?！绷航ㄓ⒄f(shuō)。

所有產(chǎn)品的智能化都需要針對(duì)其全壽命周期，從產(chǎn)品研發(fā)到制造再到車輛設(shè)備的配制乃至整個(gè)車輛服務(wù)的保障、車輛的調(diào)度等，都應(yīng)做到全方位的智能化，這樣才能在產(chǎn)品全生命周期內(nèi)達(dá)到降低成本、安全運(yùn)行的目標(biāo)。

梁建英表示：“將來(lái)智能化列車應(yīng)當(dāng)具備自感知、自識(shí)別、自決策、自學(xué)習(xí)等功能，并且通過(guò)動(dòng)車組行車、運(yùn)維、監(jiān)控、旅客服務(wù)的智能化保證智能安全，提升乘客出行的體驗(yàn)?！?/p>

她總結(jié)道，未來(lái)軌道交通裝備正朝著更加安全、綠色、高效、智能的方向發(fā)展，以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、新材料為代表的新興技術(shù)與軌道交通的深度融合，將是構(gòu)建下一代軌道交通服務(wù)模式和技術(shù)體系的主要途徑。