智慧軌道交通的技術(shù)內(nèi)涵與實施路徑

智慧軌道交通的技術(shù)內(nèi)涵與實施路徑

0更穿透的感知近年來，中國政府根據(jù)中國人口眾多、移民眾多的實際情況，采取了非常清晰的鐵路發(fā)展戰(zhàn)略。我們不僅要在低級別上擴大鐵路規(guī)模，還要通過更多的投資和資金來提高鐵路的技術(shù)和運營水平。鐵路的發(fā)展與區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展密切相關(guān)。我們真的是在推動經(jīng)濟發(fā)展和科技創(chuàng)新的杠桿上。智慧軌道交通就是要利用物聯(lián)網(wǎng)更透徹的感知、更全面的互聯(lián)和更深入的智能化三大特點,實現(xiàn)軌道交通智能信息的網(wǎng)絡(luò)化,進而在整個鐵路系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部以及合作伙伴之間實現(xiàn)信息的互聯(lián)和共享,幫助鐵路系統(tǒng)提高服務(wù)質(zhì)量、服務(wù)安全性、服務(wù)可靠性并節(jié)約成本。其中,感知的目的是利用各種傳感技術(shù)有效采集軌道交通領(lǐng)域中的相關(guān)數(shù)據(jù)與信息以及將對象控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對象的行為,是軌道交通系統(tǒng)的“視覺”、“聽覺”、“觸覺”和“嗅覺”。智能化的作用則是利用先進的信息處理技術(shù)并根據(jù)需要在本地網(wǎng)絡(luò)或全局網(wǎng)絡(luò)內(nèi),對數(shù)據(jù)進行梳理、分類、分析、聚合和挖掘,高效地利用各類信息對軌道交通系統(tǒng)進行有效的監(jiān)控、管理和宏觀決策。“更廣泛的互聯(lián)互通”則是為應(yīng)用需要在局部或全局提供信息交換與共享平臺。相比而言,感知是智慧軌道交通所有信息的入口和出口,它的有效性與可靠性決定著整個智慧軌道交通系統(tǒng)的性能。事實上,現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)正是在數(shù)以千萬計的傳感器以及相關(guān)設(shè)備的嚴(yán)密監(jiān)控下,才得以安全、高效的運營,因此,離開感知技術(shù)提供的信息支持,現(xiàn)代軌道交通寸步難行。但是隨著鐵路技術(shù)的迅速發(fā)展,對軌道交通系統(tǒng)的智能化水平和行業(yè)的宏觀“智慧”的要求也越來越高,要滿足這一要求,發(fā)展“更透徹的感知”首當(dāng)其沖。“更透徹的感知”應(yīng)能為軌道交通提供更敏銳的感覺、更快捷的反應(yīng)、更可靠的數(shù)據(jù)、更高效的識別、更全面的觀察和更智能的判斷,從而提升軌道交通的“智慧”水平。“更透徹的感知”一方面包括軌道交通中傳統(tǒng)感知技術(shù)的完善與更新,另一方面包括感知技術(shù)在軌道交通中的創(chuàng)新應(yīng)用兩方面。換言之,“更透徹的感知”意味著更敏銳的感知、更快捷的感知、更可靠的感知、更高效的感知、更全面的感知以及更智能的感知。1更高靈敏度的傳感器及對異常發(fā)生的防范措施設(shè)計軌道交通中的安全隱患往往是由量變到質(zhì)變逐步累積起來的,許多重大安全事故的發(fā)生往往是由于目前所使用的感知技術(shù)對于許多早期微小的異常變化現(xiàn)象不能及時檢測出來,從而使得這些早期微小的異常變化現(xiàn)象不能得到及時有效的防范而逐漸演變成重大的事故,因此,對早期微小的異?，F(xiàn)象的監(jiān)測對預(yù)防重大事故的發(fā)生是最有效的手段。但是,由于受目前感知技術(shù)的局限,很多傳感器往往只能檢測到比較明顯的異?，F(xiàn)象,對于那些才開始發(fā)生的初期異常變化往往察覺不到,經(jīng)常是異常變化已經(jīng)發(fā)展到中晚期甚至事故已經(jīng)發(fā)生時才能報警,而此時再采取應(yīng)對措施往往為時已晚。解決這一問題,最重要的方法之一是使感知系統(tǒng)具有更敏銳的洞察能力,即更靈敏的感知能力,因此,應(yīng)當(dāng)研究更高靈敏度的傳感器技術(shù)并開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,及時發(fā)現(xiàn)早期微小的異常變化現(xiàn)象以便采取有效的防范措施。如在橋梁隧道路軌等關(guān)鍵部位用于應(yīng)力應(yīng)變檢測的電阻應(yīng)變片、振弦應(yīng)變儀等傳統(tǒng)傳感技術(shù),往往靈敏度有限,誤差較大,而新型的光纖應(yīng)變傳感技術(shù)有更高的精度,且抗電磁干擾,遠(yuǎn)程連接方便快捷,也易于組網(wǎng)實施多點測量,因而在智慧軌道交通領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。如高精度光纖技術(shù)能有效監(jiān)測鐵路及大型基建的使用狀況,這項技術(shù)在香港鐵路公司得到初步應(yīng)用,已安裝于香港鐵路公司沿線,主要用來監(jiān)測路軌與車廂的安全,改善鐵路系統(tǒng)的安全性與可靠性2基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的解決方案隨著高鐵技術(shù)的進步,列車大幅度提速以后,允許用于處理應(yīng)急事故的響應(yīng)時間越來越短,相應(yīng)地對感知技術(shù)的響應(yīng)速度要求越來越高。但是,一方面現(xiàn)有的很多傳感技術(shù)本身難以滿足這樣的快速要求;另一方面,雖然某些傳感技術(shù)既使本身具有很快的響應(yīng)速度,但是由于一些其他的原因,比如安裝等方面的原因,仍無法實現(xiàn)實時監(jiān)測,因此,智慧軌道交通需要更快速的感知方案與技術(shù)。以導(dǎo)致火車出軌的常見原因之一——軸承溫度過高為例,由于列車車輪上的軸承密封體有時會裂開或破裂將滾珠軸承暴露在外面,從而造成潤滑脂被風(fēng)干,最終引起軸承故障。軸承故障有可能會導(dǎo)致車輪運轉(zhuǎn)不靈,甚至停轉(zhuǎn),極端情況可能導(dǎo)致火車脫軌,所以對軸承狀況的實時檢測是保障鐵路安全運行的重要方面之一。但在目前的技術(shù)條件下,通常只能通過在極少數(shù)的鐵軌旁安裝熱軸承檢測器去測量軸承的溫度,這一方法不但無法事先對軸承情況進行預(yù)測,而且僅憑每45min一次的現(xiàn)場抽樣很難進行任何趨勢分析。對此,IBM等公司提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)的解決方案。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于無需布線,其傳感器節(jié)點可通過一定方式設(shè)置在軸承上,通過WSN的適當(dāng)運用,軸承上的智能溫度傳感節(jié)點可在以秒為單位的時間內(nèi)靈活調(diào)整采樣率,對可能出現(xiàn)的危險情況進行預(yù)測并報告給身處火車頭內(nèi)的司機,從而做出合適的反映和安排,尤其當(dāng)軸承溫度過高和實際發(fā)生故障之間可能只差數(shù)十秒到幾分鐘,實時預(yù)測和警報顯得尤為重要,不但有效減少故障可能帶來的有害影響以及災(zāi)難性事故的發(fā)生,更可以減少列車故障為鐵路運營商帶來的巨大經(jīng)濟損失3更可靠的感知軌道交通中的許多感知器件往往工作在非常惡劣的環(huán)境中,如沙塵、灰塵、油污、高溫、潮濕、電磁干擾等因素往往會對其可靠性產(chǎn)生很大影響,從而使智慧軌道交通的“感官”有時會出現(xiàn)一些故障導(dǎo)致失靈甚至誤判,造成很大的安全隱患,因此,智慧軌道交通的感知系統(tǒng)應(yīng)該具有更強的抗環(huán)境干擾的能力,即更可靠的感知。以速度傳感器為例,在軌道車輛上,尤其在彎道行駛時,車輛系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上取決于它所采集到的速度信號的可靠性和精度,而所采集的速度信號包括當(dāng)前速度值和速度的變化量4射頻識別技術(shù)傳統(tǒng)軌道交通中的傳感器通常只能實時監(jiān)測目標(biāo)的應(yīng)力、應(yīng)變、振動、速度、溫度、濕度等物理信息,卻無法識別目標(biāo)的身份、來源、去向等管理信息,傳統(tǒng)上這些管理信息主要靠人工識別或條碼識別,效率較低,而射頻識別(RadioFrequencyIdentification,RFID)技術(shù)具有射頻識別功能,能夠高效準(zhǔn)確識別目標(biāo)的這些管理信息并可聯(lián)網(wǎng)共享5更全面的感知軌道交通中的檢測目標(biāo)眾多,且發(fā)生故障的表象特征也各有不同,單個傳感器往往只能提供檢測目標(biāo)的某一方面的信息,其獲得的信息是局部的、有限的,要想獲得檢測目標(biāo)的更為全面的信息,進行更可靠更準(zhǔn)確的判斷與控制,必須采用多傳感器對檢測目標(biāo)的多方面信息進行監(jiān)測,實現(xiàn)“更全面的感知”,利用多種傳感器之間不同的特點、使用范圍和精度,獲得檢測目標(biāo)的多個局部側(cè)面的情況和數(shù)據(jù),以多傳感器數(shù)據(jù)融合的方式,通過多傳感器之間的協(xié)調(diào)和性能互補,克服單個傳感器的不確定性和局限性,以獲得對被測目標(biāo)的一致性解釋與描述,從而實現(xiàn)故障的準(zhǔn)確預(yù)警6更智能的感知器件傳統(tǒng)軌道交通中的傳感器大多只能進行信息的采集,這種傳感器功能單一,沒有自檢、自校、自補償?shù)裙δ?可靠性差;同時這種傳感器更沒有信號處理、信息記憶、邏輯思維與判斷等功能,只能將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單電路的信號調(diào)理送到計算機集中處理,計算量大,不能適應(yīng)軌道交通的智慧要求。要提高軌道交通的智慧水平需要發(fā)展更智能的感知器件,概括而言,更智能的感知器件應(yīng)包括:1)具有自校零、自標(biāo)定、自校正、自診斷功能;2)具有自動補償功能;3)能夠自動采集數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理;4)能夠自動進行檢驗、自選量程、自尋故障;5)具有數(shù)據(jù)存儲、記憶與信息處理功能;6)具有雙向通信、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字輸出或者符號輸出功能;7)具有判斷、決策處理功能。在傳統(tǒng)傳感器上要實現(xiàn)以上功能是很難做到的,但是在今天計算機技術(shù)使傳感器技術(shù)發(fā)生了巨大變革,微處理器(或微計算機)和傳感器相結(jié)合,產(chǎn)生了功能強大的智能傳感器。所謂智能傳感器就是指敏感元件及其信號調(diào)理電路與微處理器集成在一塊芯片上的片上系統(tǒng)(SystemonaChip,SoC)。與傳統(tǒng)傳感器相比,使用智能傳感器可將信息分散處理,提高計算效率,此外,智能傳感器還具有以下特點:1)高精度;2)高可靠性與高穩(wěn)定性;3)高信噪比與高的分辨力;4)強的自適應(yīng)性;5)低的價格性能比;6)具有一定的編程能力;7)功能多樣化7更科技的感知今天,在中國軌道交通已經(jīng)成為這個國家人、物往來流通的骨干運輸通道,智慧軌道交通的目的就是希望通過物