智慧軌道交通的技術(shù)內(nèi)涵與實(shí)施路徑

0更穿透的感知近年來(lái)，中國(guó)政府根據(jù)中國(guó)人口眾多、移民眾多的實(shí)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(jí)別上擴(kuò)大鐵路規(guī)模，還要通過(guò)更多的投資和資金來(lái)提高鐵路的技術(shù)和運(yùn)營(yíng)水平。鐵路的發(fā)展與區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展密切相關(guān)。我們真的是在推動(dòng)經(jīng)濟(jì)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(diǎn),實(shí)現(xiàn)軌道交通智能信息的網(wǎng)絡(luò)化,進(jìn)而在整個(gè)鐵路系統(tǒng)、企業(yè)內(nèi)部以及合作伙伴之間實(shí)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(duì)象控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對(duì)象的行為,是軌道交通系統(tǒng)的“視覺(jué)”、“聽(tīng)覺(jué)”、“觸覺(jué)”和“嗅覺(jué)”。智能化的作用則是利用先進(jìn)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行梳理、分類(lèi)、分析、聚合和挖掘,高效地利用各類(lèi)信息對(duì)軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控、管理和宏觀(guān)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(tái)。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(gè)智慧軌道交通系統(tǒng)的性能。事實(shí)上,現(xiàn)代軌道交通系統(tǒng)正是在數(shù)以千萬(wàn)計(jì)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(yùn)營(yíng),因此,離開(kāi)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(duì)軌道交通系統(tǒng)的智能化水平和行業(yè)的宏觀(guān)“智慧”的要求也越來(lái)越高,要滿(mǎn)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(jué)、更快捷的反應(yīng)、更可靠的數(shù)據(jù)、更高效的識(shí)別、更全面的觀(guān)察和更智能的判斷,從而提升軌道交通的“智慧”水平?！案笍氐母兄币环矫姘ㄜ壍澜煌ㄖ袀鹘y(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(duì)異常發(fā)生的防范措施設(shè)計(jì)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(lái)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(duì)于許多早期微小的異常變化現(xiàn)象不能及時(shí)檢測(cè)出來(lái),從而使得這些早期微小的異常變化現(xiàn)象不能得到及時(shí)有效的防范而逐漸演變成重大的事故,因此,對(duì)早期微小的異?，F(xiàn)象的監(jiān)測(cè)對(duì)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(cè)到比較明顯的異常現(xiàn)象,對(duì)于那些才開(kāi)始發(fā)生的初期異常變化往往察覺(jué)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(shí)才能報(bào)警,而此時(shí)再采取應(yīng)對(duì)措施往往為時(shí)已晚。解決這一問(wèn)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(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品,及時(shí)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(cè)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(shí)施多點(diǎn)測(cè)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(cè)鐵路及大型基建的使用狀況,這項(xiàng)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(xiàn),主要用來(lái)監(jiān)測(cè)路軌與車(chē)廂的安全,改善鐵路系統(tǒng)的安全性與可靠性2基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的解決方案隨著高鐵技術(shù)的進(jìn)步,列車(chē)大幅度提速以后,允許用于處理應(yīng)急事故的響應(yīng)時(shí)間越來(lái)越短,相應(yīng)地對(duì)感知技術(shù)的響應(yīng)速度要求越來(lái)越高。但是,一方面現(xiàn)有的很多傳感技術(shù)本身難以滿(mǎn)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(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),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(chē)出軌的常見(jiàn)原因之一——軸承溫度過(guò)高為例,由于列車(chē)車(chē)輪上的軸承密封體有時(shí)會(huì)裂開(kāi)或破裂將滾珠軸承暴露在外面,從而造成潤(rùn)滑脂被風(fēng)干,最終引起軸承故障。軸承故障有可能會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪運(yùn)轉(zhuǎn)不靈,甚至停轉(zhuǎn),極端情況可能導(dǎo)致火車(chē)脫軌,所以對(duì)軸承狀況的實(shí)時(shí)檢測(cè)是保障鐵路安全運(yùn)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(guò)在極少數(shù)的鐵軌旁安裝熱軸承檢測(cè)器去測(cè)量軸承的溫度,這一方法不但無(wú)法事先對(duì)軸承情況進(jìn)行預(yù)測(cè),而且僅憑每45min一次的現(xiàn)場(chǎng)抽樣很難進(jìn)行任何趨勢(shì)分析。對(duì)此,IBM等公司提出了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork,WSN)的解決方案。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由于無(wú)需布線(xiàn),其傳感器節(jié)點(diǎn)可通過(guò)一定方式設(shè)置在軸承上,通過(guò)WSN的適當(dāng)運(yùn)用,軸承上的智能溫度傳感節(jié)點(diǎn)可在以秒為單位的時(shí)間內(nèi)靈活調(diào)整采樣率,對(duì)可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況進(jìn)行預(yù)測(cè)并報(bào)告給身處火車(chē)頭內(nèi)的司機(jī),從而做出合適的反映和安排,尤其當(dāng)軸承溫度過(guò)高和實(shí)際發(fā)生故障之間可能只差數(shù)十秒到幾分鐘,實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和警報(bào)顯得尤為重要,不但有效減少故障可能帶來(lái)的有害影響以及災(zāi)難性事故的發(fā)生,更可以減少列車(chē)故障為鐵路運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)的巨大經(jīng)濟(jì)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(huì)對(duì)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(shí)會(huì)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(qiáng)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(chē)輛上,尤其在彎道行駛時(shí),車(chē)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(hào)的可靠性和精度,而所采集的速度信號(hào)包括當(dāng)前速度值和速度的變化量4射頻識(shí)別技術(shù)傳統(tǒng)軌道交通中的傳感器通常只能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的應(yīng)力、應(yīng)變、振動(dòng)、速度、溫度、濕度等物理信息,卻無(wú)法識(shí)別目標(biāo)的身份、來(lái)源、去向等管理信息,傳統(tǒng)上這些管理信息主要靠人工識(shí)別或條碼識(shí)別,效率較低,而射頻識(shí)別(RadioFrequencyIdentification,RFID)技術(shù)具有射頻識(shí)別功能,能夠高效準(zhǔn)確識(shí)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(cè)目標(biāo)眾多,且發(fā)生故障的表象特征也各有不同,單個(gè)傳感器往往只能提供檢測(cè)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(cè)目標(biāo)的更為全面的信息,進(jìn)行更可靠更準(zhǔn)確的判斷與控制,必須采用多傳感器對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的多方面信息進(jìn)行監(jiān)測(cè),實(shí)現(xiàn)“更全面的感知”,利用多種傳感器之間不同的特點(diǎn)、使用范圍和精度,獲得檢測(cè)目標(biāo)的多個(gè)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(guò)多傳感器之間的協(xié)調(diào)和性能互補(bǔ),克服單個(gè)傳感器的不確定性和局限性,以獲得對(duì)被測(cè)目標(biāo)的一致性解釋與描述,從而實(shí)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(jìn)行信息的采集,這種傳感器功能單一,沒(méi)有自檢、自校、自補(bǔ)償?shù)裙δ?可靠性差;同時(shí)這種傳感器更沒(méi)有信號(hào)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(guò)簡(jiǎn)單電路的信號(hào)調(diào)理送到計(jì)算機(jī)集中處理,計(jì)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(dòng)補(bǔ)償功能;3)能夠自動(dòng)采集數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;4)能夠自動(dòng)進(jìn)行檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障;5)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(hào)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(shí)現(xiàn)以上功能是很難做到的,但是在今天計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī))和傳感器相結(jié)合,產(chǎn)生了功能強(qiáng)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(hào)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(jì)算效率,此外,智能傳感器還具有以下特點(diǎn):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(qiáng)的自適應(yīng)性;5)低的價(jià)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(guó)軌道交通已經(jīng)成為這個(gè)國(guó)家人、物往來(lái)流通的骨干運(yùn)輸通道,智慧軌道交通的目的就是希望通過(guò)物