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原文传递铁路客站设备健康管理与智能管控关键技术研究

论文题名：	铁路客站设备健康管理与智能管控关键技术研究
关键词：	铁路客站设备;健康管理;智能管控;安全风险
摘要：	我国已建成了世界最大的高速铁路网和先进的铁路网，截至2022年底，我国铁路营业里程达到15.5万公里，其中高速铁路运营里程已达4.2万公里。客站作为我国铁路网的核心节点，承载着交通运输的重要功能，随着高速铁路的快速发展，其重要性日益凸显。客站主要依靠设备为旅客提供便捷高效的出行服务，设备正常运行和健康管理对客站服务质量和运营安全尤为重要，也是衡量客站智能化水平的重要标志。客站设备具有种类数量众多、自助化水平高和运行工况复杂等特点，使得对设备管控的需求变得愈发紧迫。然而，由于管理模式和技术水平的限制，其健康管理和能源浪费问题仍未得到很好的解决，导致客站设备故障率较高，运营成本过大，给客站智能化管理带来了很大的困难和挑战。　　近年来，随着新一代信息技术快速发展，结合“碳中和与碳达峰”战略要求，客站设备的智能化和精细化管理已成为主要发展趋势。面对复杂的客站运营环境，本文针对设备健康管理和智能管控两个方面开展深入研究，进一步提高客站设备管理水平，保障客站运营安全和服务质量。限于文章结构及侧重点，本文重点对设备状态检测、健康评估、故障维修和节能管控等关键问题进行研究，主要包括以下几个方面：　　（1）客站设备健康管理与智能管控应用总体架构。在智能客站总体蓝图基础上，根据智能客站“1+4+N”的生产组织和绿色节能业务板块中对设备管控需求，提出了客站设备健康管理与智能管控应用总体架构，覆盖客站旅服、客票、机电等设备的状态监测、健康评估、故障诊断和节能管控等功能，实现从计划性维护转变为状态性维护，达到客站设备安全稳定运行和节能降耗的目标。　　（2）基于视频分析的客站电扶梯异常状态检测方法。电扶梯是旅客进出站和乘降的重要通道，其异常状态极易导致安全事故。目前电扶梯运行状态监测检测采用自检系统及人工巡检等方式，梯级缺损、梯级变形、异物卡入等异常状态难以及时发现，长期运行下存在安全隐患。针对电扶梯梯级运行状态异常样本数据较少问题，提出了一种基于数据增强的小样本目标检测方法，首先设计了组合增强链连接方案的数据扩增方法，增强检测方法泛化性能；其次，建立了基于FasterR-CNN+FPN的目标检测网络，提高小尺度目标特征提取能力；然后，优化了基于语义特征信息的数据增强策略，在深度特征上扩充图像语义信息。最后，通过在公开数据集和客站电扶梯梯级缺陷数据集上进行验证，本文方法的小目标检测精度和泛化能力高于其他模型，有效识别电扶梯梯级异常状态，为保障旅客乘降安全提供技术支撑。　　（3）基于数模联动的客站设备健康状态评估方法。在传统“人工维护、故障维修”管理模式下，工作人员无法准确掌握客站设备的运行状态，一旦发生设备故障，设备维护不及时将影响客站正常客运组织，增大安全风险。本文借鉴RAMS（Reliability,Availability,Maintainability,Safety）理念，构建了一套多层次的设备健康状态评价指标体系。在此基础上，提出了一种基于数模联动的客站设备健康状态评估模型，利用历史运行数据和经验知识对模型参数进行初始化估计和优化估计，评估设备当前运行健康状态，确定其对应的健康等级，实时掌握客站全局设备健康状况，进而制定差异化的维护策略。以实名制核验闸机为研究对象进行实验验证，结果表明，该方法能够实时掌握设备健康状态，为工作人员精细化设备维护提供科学依据，降低客站设备故障率，确保为旅客提供便捷高效的出行服务。　　（4）客站设备故障知识图谱构建及应用。客站设备故障维修通常依赖于维修人员自身经验，且未充分挖掘历史维护数据，无法确定多样性、模糊性及偶然性的故障因果关系，欠缺系统化故障原因分析，导致设备停机维修时间长，影响客站正常安全运营。本文提出了客站设备故障知识图谱自动构建方法，结合客站设备故障业务特点，预先定义本体与数据模式，建立本体要素间的映射关系和规则，并自动将结构化和非结构化的设备故障信息转化为知识表示形式，构建客站设备故障知识图谱，形成“表象问题-排查手段-产生原因-解决方法”设备故障关系链。构建基于TransE算法推理的智能问答框架，准确定位设备故障原因，为维护人员提供定制化的维修处置方案，实现设备故障自动诊断和维修处置辅助决策，有效提高故障处置效率。　　（5）基于列车到发与环境照度信息的客站照明节能管控方法。客站能源消耗量巨大，其中照明占比约15%。目前客站照明尚未综合考虑列车到发、外部环境、旅客流量等因素，采用单一的静态规则管控模式，造成能源浪费。以客站站台区域照明为研究对象，研究提出一种基于元启发式算法优化模糊控制规则的节能控制策略。考虑列车到发信息、站台客流量等因素，制定站台区域基于列车到发信息的照明控制计划；结合站台分区设计和区域环境照度值，建立能耗设备节能控制模型，并利用元启发式算法寻优得到节能控制规则及对应控制模式。实验结果表明，在满足客站区域照度标准值的前提下，本文提出的照明节能控制策略相较于站台长亮和既有控制模式，能耗平均节约了65.69%和38.58%，大大降低了客站站台照明能源消耗。
作者：	姚剑
专业：	交通信息工程及控制
导师：	史天运
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国铁道科学研究院
学位年度：	2023