地鐵列車在線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維系統(tǒng)

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摘要:介紹了一種地鐵列車狀態(tài)在線監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過對車輛走行部(軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)等)工作狀態(tài)監(jiān)測及分析，同時通過TCMS系統(tǒng)獲取車輛各子系統(tǒng)(牽引、輔助、制動、車門等系統(tǒng))的工作狀態(tài)和故障信息，實(shí)現(xiàn)列車狀態(tài)在線監(jiān)測顯示預(yù)警并提供故障處置指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞:列車在線監(jiān)測;車載感知系統(tǒng);車地?zé)o線傳輸;數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)

引言

地鐵現(xiàn)已成為城市人口出行主要的交通工具，大客流量對列車的運(yùn)營效率與運(yùn)營安全指標(biāo)要求較高［1］。我國城軌交通列車檢修模式主要有預(yù)防修和故障修，此2種模式不能實(shí)時掌握列車關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，同時又消耗了大量人力、物力，形成成本浪費(fèi)［2，3］?；诖肆熊嚑顟B(tài)在線監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維系統(tǒng)可以很好的解決問題。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)全息化智能感知、全息化信息共享、全息化安全保障、全息化運(yùn)維管理，并提供面向在線運(yùn)營列車的安全狀態(tài)綜合監(jiān)測、故障隱患挖掘預(yù)警、網(wǎng)絡(luò)化維保和應(yīng)急處置服務(wù)，使運(yùn)營和維保人員隨時掌握運(yùn)營列車的關(guān)鍵部件安全狀態(tài)、列車潛在故障隱患等信息。為列車在途事故的預(yù)防和基于運(yùn)營狀態(tài)的維修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息和維保方案。

1系統(tǒng)組成

列車狀態(tài)在線監(jiān)測與網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維系統(tǒng)由在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)中心組成，包括車載感知子系統(tǒng)、車地?zé)o線傳輸子系統(tǒng)、地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)。本章將分別介紹系統(tǒng)架構(gòu)及其功能。

1.1車載感知子系統(tǒng)

車載感知子系統(tǒng)包括車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)、無線傳輸系統(tǒng)、車載通信網(wǎng)關(guān)、數(shù)字化復(fù)合傳感器以及配套線纜。本子系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)軸箱、齒輪箱、電機(jī)機(jī)械振動、沖擊和溫度狀態(tài)的采集和分析診斷，并通過MVB網(wǎng)絡(luò)(列車總線)接入TCMS系統(tǒng)［4］(列車控制與監(jiān)控系統(tǒng))中獲取牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等車輛子系統(tǒng)的工作參數(shù)和故障數(shù)據(jù)，這是國內(nèi)既有線項(xiàng)目列車在線監(jiān)測系統(tǒng)所不具有的功能。數(shù)字化復(fù)合傳感器用于測量列車運(yùn)行時軸箱、齒輪箱、電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承的振動、沖擊、溫度信號。車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)與數(shù)字化復(fù)合傳感器串聯(lián)通信組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)振動、沖擊、溫度等狀態(tài)信息的接受與處理，實(shí)現(xiàn)車輛牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等車輛子系統(tǒng)的狀態(tài)信息接入與診斷。

1.2車地?zé)o線傳輸子系統(tǒng)

車地?zé)o線傳輸子系統(tǒng)包括車載通信網(wǎng)關(guān)、地面通信網(wǎng)關(guān)、寬頻帶組合天線和配套電纜，如圖1所示。通過車輛PIDS系統(tǒng)(乘客信息與視頻監(jiān)控系統(tǒng))的無線傳輸通道［5］(LTE)實(shí)現(xiàn)車載感知子系統(tǒng)與地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)傳輸功能，將列車監(jiān)測數(shù)據(jù)和故障信息實(shí)時、可靠的向地面維保生產(chǎn)管理子系統(tǒng)傳輸，以實(shí)現(xiàn)對在途列車的健康狀態(tài)實(shí)時監(jiān)測與診斷。

1.3地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)

地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)也稱為數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)，采用服務(wù)器集群和B/S模式，分為后臺服務(wù)層、數(shù)據(jù)接入層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和業(yè)務(wù)終端4部分。系統(tǒng)的主要事務(wù)處理邏輯均是在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn);客戶端用于可視化顯示及人機(jī)交互，不做業(yè)務(wù)邏輯處理，運(yùn)維人員可以通過客戶端對系統(tǒng)進(jìn)行訪問和應(yīng)用。下面將分別介紹數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)各個組成部分的功能原理。后臺服務(wù)層包含傳輸交換模塊、數(shù)據(jù)接入清洗模塊、數(shù)據(jù)存儲管理模塊、數(shù)據(jù)分析應(yīng)用模塊、數(shù)據(jù)服務(wù)模塊等，是基于云服務(wù)平臺提供的虛擬資源服務(wù)器，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)服務(wù)、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)等功能。數(shù)據(jù)接入層包括PIDS無線網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)車載檢測數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心的接入。網(wǎng)絡(luò)傳輸層分為接入傳輸網(wǎng)和系統(tǒng)傳輸網(wǎng)，接入傳輸網(wǎng)用于將車載檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)接入層設(shè)備;系統(tǒng)傳輸網(wǎng)以光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)為主，是數(shù)據(jù)接入層設(shè)備與后臺服務(wù)層設(shè)備間的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與傳輸。業(yè)務(wù)終端包括車載在線監(jiān)測系統(tǒng)、運(yùn)維操作終端等，是面向檢修人員可操作性的終端運(yùn)維設(shè)備。

2系統(tǒng)工作流程

2.1關(guān)鍵子系統(tǒng)監(jiān)測

系統(tǒng)通過復(fù)合數(shù)字傳感器自行獲取牽引電機(jī)、齒輪箱、軸箱狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，通過TCMS系統(tǒng)來獲取車輛其他子系統(tǒng)數(shù)據(jù)來監(jiān)測診斷分析整個列車狀態(tài)。下面分別介紹各個子系統(tǒng)監(jiān)測的工作原理。1)牽引電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測:牽引電機(jī)主要監(jiān)測部分為軸承狀態(tài)、轉(zhuǎn)子振動、電壓電流、轉(zhuǎn)速等。系統(tǒng)通過電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端的復(fù)合傳感器采集電機(jī)工作時轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軸承的振動、溫度狀態(tài)信息，并對采集的振動信息處理合成轉(zhuǎn)子軸心運(yùn)動軌跡，識別轉(zhuǎn)子工頻2倍頻率的徑向振動頻率和幅度等頻域故障特征信息實(shí)現(xiàn)監(jiān)測;同時通過監(jiān)測三相電機(jī)實(shí)時電流實(shí)現(xiàn)對電機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測并實(shí)現(xiàn)分級報警。2)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測:齒輪箱主要監(jiān)測部分為齒輪箱軸承、齒輪。通過齒輪箱大、小齒輪側(cè)的復(fù)合傳感器采集齒輪箱大小齒輪工作時的沖擊振動和溫度變化，并對采集的狀態(tài)信息進(jìn)行時頻域分析。采用嚙合頻率及其諧波、振動信號的調(diào)制和邊帶分析等頻譜特征信息分析方法，實(shí)現(xiàn)對齒輪箱狀態(tài)的監(jiān)測和分級報警。3)軸箱狀態(tài)監(jiān)測:軸箱監(jiān)測部分主要是軸承沖擊、振動、溫度等。通過安裝布設(shè)在軸箱上的復(fù)合傳感器，采集并上傳軸箱軸承的溫度、振動、沖擊等信息。通過診斷分析系統(tǒng)，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析處理，得出診斷結(jié)論，并根據(jù)故障嚴(yán)重程度，提出不同級別的報警。4)其他車輛子系統(tǒng)監(jiān)測:其他車輛子系統(tǒng)(牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等)通過MVB列車總線將狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)發(fā)送給VCM，VCM通過以太網(wǎng)連接到地面PIDS主機(jī)，地面PIDS主機(jī)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至地面綜合應(yīng)用中心，在地面進(jìn)行診斷和分析，實(shí)現(xiàn)對各子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障隱患挖掘、維保決策和數(shù)據(jù)管理。

2.2傳感器組網(wǎng)

國內(nèi)既有線項(xiàng)目列車在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器安裝位置為軌道旁，且需要配套專用的探測站與傳感器通信，系統(tǒng)無法對列車在整個上線運(yùn)營時間內(nèi)進(jìn)行在線監(jiān)測，且系統(tǒng)維護(hù)成本高［8，9］。本系統(tǒng)優(yōu)勢在于傳感器安裝于列車所需監(jiān)測部位，且與列車車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)直接通信并通過LTE車地PIDS通道向地面發(fā)射監(jiān)測數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)可以在列車上線運(yùn)營時間內(nèi)保持全程監(jiān)測，保證了列車安全、高效的運(yùn)營管理。本系統(tǒng)在軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)上布設(shè)的傳感器均為數(shù)字化設(shè)備，各傳感器采用專用100M以太網(wǎng)接口向車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)輸出采集到的振動、沖擊、溫度等狀態(tài)信息。同時通過在軸端轉(zhuǎn)速傳感器附近位置增設(shè)軸端轉(zhuǎn)速數(shù)字化轉(zhuǎn)換模塊，對軸端轉(zhuǎn)速傳感器的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化處理后再通過專用100M以太網(wǎng)接口向車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速信息。在1個轉(zhuǎn)向架上的各傳感器，采用串聯(lián)方式連接，使用1根信號線將1個輪對上的軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)等部件上的各傳感器串接后連接至車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)，即1個轉(zhuǎn)向架上車2根信號線。

2.3車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)組網(wǎng)

不同車廂的車輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)之間采用雙以太網(wǎng)線組網(wǎng)，各車載主機(jī)通過設(shè)備面板自有M12－8芯以太網(wǎng)口，互聯(lián)并組成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)。貫車網(wǎng)線通過車端連接器方式過車，采用2根8芯1000M的以太網(wǎng)網(wǎng)線連接。

3系統(tǒng)應(yīng)用

3.1數(shù)據(jù)管理功能

系統(tǒng)可接入并管理的數(shù)據(jù)類型和內(nèi)容如下，并可按用戶系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展。1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù):人員信息、列車車輛信息、部件信息、線路信息、車站信息、故障信息、權(quán)限信息、修程修制信息等。2)運(yùn)行基本信息:網(wǎng)壓、電流、車輛速度(最大允許速度、當(dāng)前速度)、載荷、零速、運(yùn)行方向、列車完整性、司機(jī)室激活、駕駛模式、牽引封鎖、網(wǎng)絡(luò)通道故障、降級或緊急牽引模式。3)TCMS基本信息:牽引故障、牽引失效、常用制動故障、常用制動失效、緊急制動故障、緊急制動失效、緊急制動施加、運(yùn)行工況(惰行、牽引、制動)、空轉(zhuǎn)與滑行、牽引力(包括牽引指令，牽引力)、常用制動(包括常用制動指令，常用制動力)、緊急制動(包括緊急制動指令，緊急制動力)、電制動信號(包括電制動力指令、電制動力退出指令，電制動力)、輔助逆變器三相不平衡、保壓制動信號(包括施加、緩解指令，制動級位)、牽引網(wǎng)壓輸入信號、支撐電容電壓信號、牽引電流、制動電流、主風(fēng)壓力信號、制動缸壓力信號等。4)走行部監(jiān)測數(shù)據(jù):監(jiān)測軸承、齒輪箱、牽引電機(jī)的振動、沖擊、溫度信息以及電機(jī)的電流信息。5)狀態(tài)分析過程及結(jié)果數(shù)據(jù):部件履歷信息、維修過程數(shù)據(jù)、維修結(jié)果信息、運(yùn)行狀態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)、部件狀態(tài)跟蹤數(shù)據(jù)、部件狀態(tài)分析數(shù)據(jù)、部件狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據(jù)等。

3.2人機(jī)交互界面功能

1)GIS地圖監(jiān)測:覆蓋線路軌道監(jiān)測告警、運(yùn)行圖監(jiān)測、設(shè)備自檢、整車狀態(tài)監(jiān)測功能。2)車輛在途故障預(yù)測與健康管理(PHM):覆蓋列車走行部的軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)監(jiān)測告警與健康管理(壽命預(yù)測、歷史趨勢分析);覆蓋從TCMS中獲取的牽引、制動、輔助、車門系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測告警與健康管理?？蓮木€路維度及單個列車的構(gòu)成樹維度對上述對象的監(jiān)測告警狀態(tài)和綜合健康進(jìn)行呈現(xiàn)。3)車輛運(yùn)維大數(shù)據(jù)管理及RAMS應(yīng)用:該模塊主要實(shí)現(xiàn)車輛故障維修數(shù)據(jù)管理、車輛關(guān)鍵系統(tǒng)運(yùn)維數(shù)據(jù)管理、普查/改造臨時性運(yùn)維數(shù)據(jù)管理、車輛最小可更換單元管理、運(yùn)維數(shù)據(jù)挖掘及RAMS應(yīng)用。本模塊可實(shí)現(xiàn)運(yùn)維作業(yè)流程、生產(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生及審核的標(biāo)準(zhǔn)化，確保運(yùn)維數(shù)據(jù)及時、真實(shí)、有效;嚴(yán)格故障管理與跟蹤關(guān)閉流程，為列車健康狀態(tài)管理提供有效的大數(shù)據(jù)支撐。4)生產(chǎn)運(yùn)作及安全管理:該模塊主要實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行公里數(shù)管理、列車洗車周期管理、工器具使用管理、滅火器/消防用品管理、特殊工種及特殊設(shè)備管理、安全學(xué)習(xí)及整改事項(xiàng)管理。5)全服役周期技術(shù)管理:該模塊目前暫定實(shí)現(xiàn)技術(shù)通知單、技術(shù)總結(jié)、技術(shù)文本共享3個功能，用于對車輛運(yùn)維過程的相關(guān)的技術(shù)文件、技術(shù)報告等進(jìn)行管理和知識共享，構(gòu)建車輛運(yùn)維技術(shù)信息平臺，為車輛運(yùn)維輔助決策專家?guī)斓於ɑA(chǔ)。

4結(jié)語

與國內(nèi)既有線項(xiàng)目相比，該系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測車輛走行部(軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)等)工作狀態(tài)，同時可以通過TCMS系統(tǒng)獲取車輛各子系統(tǒng)(牽引、輔助、制動、車門等系統(tǒng))的工作狀態(tài)和故障信息。該系統(tǒng)為運(yùn)維人員建立了完整的列車信息庫，進(jìn)行了列車全生命周期狀態(tài)監(jiān)測和記錄，并實(shí)現(xiàn)了列車的健康管理、車間檢修管理，保證了列車安全、高效的運(yùn)營管理。

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作者：潘文凱 趙勇 單位：云南京建軌道交通投資建設(shè)有限公司