智慧轨道交通的技术内涵与实施路径

智慧轨道交通的技术内涵与实施路径

0更穿透的感知近年来，中国政府根据中国人口众多、移民众多的实际情况，采取了非常清晰的铁路发展战略。我们不仅要在低级别上扩大铁路规模，还要通过更多的投资和资金来提高铁路的技术和运营水平。铁路的发展与区域经济的发展密切相关。我们真的是在推动经济发展和科技创新的杠杆上。智慧轨道交通就是要利用物联网更透彻的感知、更全面的互联和更深入的智能化三大特点,实现轨道交通智能信息的网络化,进而在整个铁路系统、企业内部以及合作伙伴之间实现信息的互联和共享,帮助铁路系统提高服务质量、服务安全性、服务可靠性并节约成本。其中,感知的目的是利用各种传感技术有效采集轨道交通领域中的相关数据与信息以及将对象控制数据转换为对象的行为,是轨道交通系统的“视觉”、“听觉”、“触觉”和“嗅觉”。智能化的作用则是利用先进的信息处理技术并根据需要在本地网络或全局网络内,对数据进行梳理、分类、分析、聚合和挖掘,高效地利用各类信息对轨道交通系统进行有效的监控、管理和宏观决策。“更广泛的互联互通”则是为应用需要在局部或全局提供信息交换与共享平台。相比而言,感知是智慧轨道交通所有信息的入口和出口,它的有效性与可靠性决定着整个智慧轨道交通系统的性能。事实上,现代轨道交通系统正是在数以千万计的传感器以及相关设备的严密监控下,才得以安全、高效的运营,因此,离开感知技术提供的信息支持,现代轨道交通寸步难行。但是随着铁路技术的迅速发展,对轨道交通系统的智能化水平和行业的宏观“智慧”的要求也越来越高,要满足这一要求,发展“更透彻的感知”首当其冲。“更透彻的感知”应能为轨道交通提供更敏锐的感觉、更快捷的反应、更可靠的数据、更高效的识别、更全面的观察和更智能的判断,从而提升轨道交通的“智慧”水平。“更透彻的感知”一方面包括轨道交通中传统感知技术的完善与更新,另一方面包括感知技术在轨道交通中的创新应用两方面。换言之,“更透彻的感知”意味着更敏锐的感知、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更高灵敏度的传感器及对异常发生的防范措施设计轨道交通中的安全隐患往往是由量变到质变逐步累积起来的,许多重大安全事故的发生往往是由于目前所使用的感知技术对于许多早期微小的异常变化现象不能及时检测出来,从而使得这些早期微小的异常变化现象不能得到及时有效的防范而逐渐演变成重大的事故,因此,对早期微小的异常现象的监测对预防重大事故的发生是最有效的手段。但是,由于受目前感知技术的局限,很多传感器往往只能检测到比较明显的异常现象,对于那些才开始发生的初期异常变化往往察觉不到,经常是异常变化已经发展到中晚期甚至事故已经发生时才能报警,而此时再采取应对措施往往为时已晚。解决这一问题,最重要的方法之一是使感知系统具有更敏锐的洞察能力,即更灵敏的感知能力,因此,应当研究更高灵敏度的传感器技术并开发相关产品,及时发现早期微小的异常变化现象以便采取有效的防范措施。如在桥梁隧道路轨等关键部位用于应力应变检测的电阻应变片、振弦应变仪等传统传感技术,往往灵敏度有限,误差较大,而新型的光纤应变传感技术有更高的精度,且抗电磁干扰,远程连接方便快捷,也易于组网实施多点测量,因而在智慧轨道交通领域有广阔的应用前景。如高精度光纤技术能有效监测铁路及大型基建的使用状况,这项技术在香港铁路公司得到初步应用,已安装于香港铁路公司沿线,主要用来监测路轨与车厢的安全,改善铁路系统的安全性与可靠性2基于无线传感器网络的解决方案随着高铁技术的进步,列车大幅度提速以后,允许用于处理应急事故的响应时间越来越短,相应地对感知技术的响应速度要求越来越高。但是,一方面现有的很多传感技术本身难以满足这样的快速要求;另一方面,虽然某些传感技术既使本身具有很快的响应速度,但是由于一些其他的原因,比如安装等方面的原因,仍无法实现实时监测,因此,智慧轨道交通需要更快速的感知方案与技术。以导致火车出轨的常见原因之一——轴承温度过高为例,由于列车车轮上的轴承密封体有时会裂开或破裂将滚珠轴承暴露在外面,从而造成润滑脂被风干,最终引起轴承故障。轴承故障有可能会导致车轮运转不灵,甚至停转,极端情况可能导致火车脱轨,所以对轴承状况的实时检测是保障铁路安全运行的重要方面之一。但在目前的技术条件下,通常只能通过在极少数的铁轨旁安装热轴承检测器去测量轴承的温度,这一方法不但无法事先对轴承情况进行预测,而且仅凭每45min一次的现场抽样很难进行任何趋势分析。对此,IBM等公司提出了基于无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)的解决方案。无线传感器网络由于无需布线,其传感器节点可通过一定方式设置在轴承上,通过WSN的适当运用,轴承上的智能温度传感节点可在以秒为单位的时间内灵活调整采样率,对可能出现的危险情况进行预测并报告给身处火车头内的司机,从而做出合适的反映和安排,尤其当轴承温度过高和实际发生故障之间可能只差数十秒到几分钟,实时预测和警报显得尤为重要,不但有效减少故障可能带来的有害影响以及灾难性事故的发生,更可以减少列车故障为铁路运营商带来的巨大经济损失3更可靠的感知轨道交通中的许多感知器件往往工作在非常恶劣的环境中,如沙尘、灰尘、油污、高温、潮湿、电磁干扰等因素往往会对其可靠性产生很大影响,从而使智慧轨道交通的“感官”有时会出现一些故障导致失灵甚至误判,造成很大的安全隐患,因此,智慧轨道交通的感知系统应该具有更强的抗环境干扰的能力,即更可靠的感知。以速度传感器为例,在轨道车辆上,尤其在弯道行驶时,车辆系统的稳定性很大程度上取决于它所采集到的速度信号的可靠性和精度,而所采集的速度信号包括当前速度值和速度的变化量4射频识别技术传统轨道交通中的传感器通常只能实时监测目标的应力、应变、振动、速度、温度、湿度等物理信息,却无法识别目标的身份、来源、去向等管理信息,传统上这些管理信息主要靠人工识别或条码识别,效率较低,而射频识别(RadioFrequencyIdentification,RFID)技术具有射频识别功能,能够高效准确识别目标的这些管理信息并可联网共享5更全面的感知轨道交通中的检测目标众多,且发生故障的表象特征也各有不同,单个传感器往往只能提供检测目标的某一方面的信息,其获得的信息是局部的、有限的,要想获得检测目标的更为全面的信息,进行更可靠更准确的判断与控制,必须采用多传感器对检测目标的多方面信息进行监测,实现“更全面的感知”,利用多种传感器之间不同的特点、使用范围和精度,获得检测目标的多个局部侧面的情况和数据,以多传感器数据融合的方式,通过多传感器之间的协调和性能互补,克服单个传感器的不确定性和局限性,以获得对被测目标的一致性解释与描述,从而实现故障的准确预警6更智能的感知器件传统轨道交通中的传感器大多只能进行信息的采集,这种传感器功能单一,没有自检、自校、自补偿等功能,可靠性差;同时这种传感器更没有信号处理、信息记忆、逻辑思维与判断等功能,只能将采集到的数据经过简单电路的信号调理送到计算机集中处理,计算量大,不能适应轨道交通的智慧要求。要提高轨道交通的智慧水平需要发展更智能的感知器件,概括而言,更智能的感知器件应包括:1)具有自校零、自标定、自校正、自诊断功能;2)具有自动补偿功能;3)能够自动采集数据,并对数据进行预处理;4)能够自动进行检验、自选量程、自寻故障;5)具有数据存储、记忆与信息处理功能;6)具有双向通信、标准化数字输出或者符号输出功能;7)具有判断、决策处理功能。在传统传感器上要实现以上功能是很难做到的,但是在今天计算机技术使传感器技术发生了巨大变革,微处理器(或微计算机)和传感器相结合,产生了功能强大的智能传感器。所谓智能传感器就是指敏感元件及其信号调理电路与微处理器集成在一块芯片上的片上系统(SystemonaChip,SoC)。与传统传感器相比,使用智能传感器可将信息分散处理,提高计算效率,此外,智能传感器还具有以下特点:1)高精度;2)高可靠性与高稳定性;3)高信噪比与高的分辨力;4)强的自适应性;5)低的价格性能比;6)具有一定的编程能力;7)功能多样化7更科技的感知今天,在中国轨道交通已经成为这个国家人、物往来流通的骨干运输通道,智慧轨道交通的目的就是希望通过物