軌道列車故障診斷系統設計開發

前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了軌道列車故障診斷系統設計開發范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。

摘要：安全可靠是軌道交通最基本、最核心的要求，在跟蹤和借鑒國內外機械設備狀態監測與故障診斷技術基礎上，結合軌道列車機械傳動系統早期故障診斷的工程需求，對軌道列車機械傳動狀態監測與故障診斷系統進行了設計，包括系統結構設計、流程設計、功能設計、數據庫構建等。并基于C#+SQLServer平臺研發了一套軌道列車機械傳動系統狀態監測與故障診斷系統，系統功能包括數據采集、信號分析、特征提取、信息融合、故障診斷以及系統管理等功能。

關鍵詞：狀態監測；故障診斷；數據采集；特征提取

引言

軌道車輛負荷強，車速變化頻繁，停站時間短，行車密度大，隨著運營時間的增加，城市軌道車輛運行狀態處于不斷變化之中，在大負荷、變速環境下工作，轉向架各零部件之間反復作用，其關鍵部件的故障如軸承發生疲勞剝落、磨損、塑性變形，齒輪發生腐蝕、斷裂、壓痕、膠合等現象，往往會導致車輛各部位振動加劇、性能下降，甚至脫軌翻車等嚴重事故。隨著軌道交通的跨越式發展，發生了一系列安全事故[1]。提高軌道車輛運行的安全可靠性的關鍵在于對關鍵機械裝備的健康狀態評估，并預測其發展趨勢[2]。如果在軌道車輛機械系統故障潛伏階段，即故障萌芽、剛剛出現或者故障程度尚輕微時，能及時準確地予以狀態評估和識別，并據此指導保養和維修工作，就能及時采取措施，防止造成嚴重損失及交通事故。

1系統總體設計

軌道列車狀態監測與故障診斷系統利用網絡化在線監測技術采集傳動系統各關鍵零部件的信號，對軌道列車的運行狀態與故障模式及時準確的辨別，指導軌道列車的維修維護，提高其安全性、穩定性和可靠性。根據技術調研結果和應用需求分析，軌道列車傳動系統狀態監測與故障診斷系統需要達到的技術要求主要有[3]。（1）信號的準確獲取。對軌道列車進行狀態監測首先需要獲取有效的信號以準確反映列車的運行狀態。為了更準確地對軌道列車的各個部件進行狀態監測，需要合理選擇測點、正確選擇并安裝傳感器、合理設置信號采集參數，使所采集信號盡可能受干擾小、能很好地反映所監測部位的狀態，便于后續分析處理。（2）信號的可靠傳輸管理。作為在線監測系統，要求保證信號能夠通過網絡可靠傳輸至服務器，并且能夠方便的管理。這就要求制定合理的數據傳輸協議，保證數據傳輸效率高、實時性好。且需采用數據庫方式進行數據管理和維護，數據庫存儲容量大，數據表結構設計合理，數據的安全性好，訪問方便快捷。（3）信息處理的實時性。要求軌道列車狀態監測與故障診斷系統能夠快速地對采集的數據進行處理，對監測點的工作狀態進行正確的判斷，當軌道列車傳動系統處于異常狀態時，能夠及時、準確地給出報警，并給出處理建議。這就需要對系統的算法進行優化，提高其實時處理能力。（4）功能強大。要求提供強大的信號分析處理功能、特征提取功能以及故障診斷功能。信號分析功能包括信號預處理、穩態信號分析、瞬態信號分析?？梢酝ㄟ^時域分析、頻域分析、時頻分析提取信號多域特征，并根據特征進行選擇和約簡的功能，除了對單個測點信號進行特征提取外，也可以結合多個測點信號進行信息融合，并對故障特征進行模式識別以判斷軌道列車傳動系統運行狀態。根據系統的需求分析以及軌道列車的結構特點，軌道列車傳動系統狀態監測與故障診斷系統分為前端采集設備、數據采集模塊、數據庫服務器和監控維護集成模塊（客戶端）四個部分。采集模塊通過有線以太網、4G無線網或GPRS方式將數據傳輸至數據庫或集成監控維護軟件(客戶端)。每節車廂都有獨立一套采集設備，采集模塊可以同時連接多個采集設備，同時可以局域網或廣域網向多個客戶端發送數據，系統結構示意圖如圖1所示。前端采集設備用于采集并傳輸軌道列車傳動系統狀態信號，如振動、轉速、溫度等，由采集器、采集卡和傳感器組成。數據采集模塊是數據庫服務器、監控維護集成模塊與采集設備連接橋梁。用戶通過監控維護集成模塊組建工程，配置各種參數并保存于數據庫，采集模塊從數據庫中讀取相關采集參數（如傳感器類型、采樣長度、采樣頻率等）并控制前端采集設備的數據采集，所采集的數據一方面按照指定格式和時間間隔保存至數據庫，一方面當有客戶端向采集模塊發送實時瀏覽命令時將數據傳輸給客戶端，數據采集模塊能同時連接多個客戶端，分別對其實時傳輸數據。監控維護集成模塊是該系統的主要人機交互工具，系統的信號瀏覽、信號分析、故障診斷與系統管理等主要功能都是通過該模塊完成，包括將配置參數，向數據采集端發送采集命令，從數據采集端實時讀取數據或從數據庫讀取歷史數據等。系統各模塊交互關系如圖2所示。

2系統軟件功能結構

從軟件功能上可以分為數據采集功能、信號分析處理功能、特征提取及故障診斷功能。各個功能模塊之間以SqlServer數據庫為數據交換媒介，每個功能模塊又可分為一些子功能。采集模塊包括數據采集、數據遠程傳輸以及數據儲存，信號分析包括數據顯示、穩態信號分析、瞬態信號分析以及監測預報警等功能，系統軟件功能結構如圖3所示。

3信號分析處理功能

信號分析處理是軌道列車傳動系統狀態監測與故障診斷系統的重要工具，包括基本顯示功能、信號穩態分析、信號瞬態分析及監測預報警等功能，如圖5所示。顯示功能是信號分析模塊的一個公共基礎功能，顯示器是所有數據分析處理結果顯示的載體，顯示方式包括二維波形顯示、色譜圖顯示和三維瀑布圖顯示。顯示器中可以顯示數據波形，數據單位、數據采集時間、測點名稱、數據坐標等信息。可通過右鍵快捷菜單對數據進行縮放、導出數據或設置顯示器風格等操作，顯示器界面如圖6所示。

4故障診斷

特征提取是軌道列車傳動系統狀態監測與故障診斷系統的核心功能之一，系統通過信號分析，特征提取，進而進行模式識別以實現早期故障診斷。基于流形學習的軌道列車傳動系統早期故障特征提取流程如圖7所示。在軌道列車服役初期，連續收集一段時間的傳動系統振動信號數據作為原始樣本數據，對信號進行非線性降噪預處理。通過多域特征提取、特征選擇獲取多域高維特征集，采用批量流形學習算法進行特征約簡，并將原始高維特征集和約簡后的低維特征集保存于樣本庫。對軌道列車傳動系統進行實時監測，定期采集列車振動信號，同樣進行非線性降噪、多域特征提取和選擇，繼而利用原始樣本特征提取結果和增量流形學習算法對新增樣本進行特征約簡，其結果也保存于樣本庫，作為下次特征提取的原始樣本數據。利用分類器對約簡后的特征進行分別結果如圖8所示。

5總結

介紹了軌道列車傳動系統早期故障診斷系統的設計過程。首先根據需求對系統進行了總體設計，隨后采用SQLServer進行了系統數據庫服務器的構建，并采用面向對象的編程語言C#進行了監控維護集成分析軟件設計和開發，針對風電機組狀態監測的需要，開發了數據采集功能、信號分析功能、特征提取功能、早期故障診斷功能。

參考文獻

[1]李熙.城市軌道車輛行走部安全評估方法研究[D].北京:北京交通大學,2011.

[2]劉志亮,潘登,左明健,李興林.軌道車輛故障診斷研究進展[J].機械工程學報(14期):134-146.

[3]劉紹凱.軌道交通車輛遠程故障診斷系統的研究[D].北京:北京交通大學,2015.

作者：王瑜琳 陳興劼 牟剛 徐曉靈 盧德林 單位：重慶公共運輸職業學院