地鐵列車(chē)在線監(jiān)測(cè)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(chē)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過(guò)對(duì)車(chē)輛走行部(軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)等)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)及分析，同時(shí)通過(guò)TCMS系統(tǒng)獲取車(chē)輛各子系統(tǒng)(牽引、輔助、制動(dòng)、車(chē)門(mén)等系統(tǒng))的工作狀態(tài)和故障信息，實(shí)現(xiàn)列車(chē)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)顯示預(yù)警并提供故障處置指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞:列車(chē)在線監(jiān)測(cè);車(chē)載感知系統(tǒng);車(chē)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(duì)列車(chē)的運(yùn)營(yíng)效率與運(yùn)營(yíng)安全指標(biāo)要求較高［1］。我國(guó)城軌交通列車(chē)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(shí)掌握列車(chē)關(guān)鍵部件的健康狀態(tài)，同時(shí)又消耗了大量人力、物力，形成成本浪費(fèi)［2，3］。基于此列車(chē)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維系統(tǒng)可以很好的解決問(wèn)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(yíng)列車(chē)的安全狀態(tài)綜合監(jiān)測(cè)、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(yíng)和維保人員隨時(shí)掌握運(yùn)營(yíng)列車(chē)的關(guān)鍵部件安全狀態(tài)、列車(chē)潛在故障隱患等信息。為列車(chē)在途事故的預(yù)防和基于運(yùn)營(yíng)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(chē)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)與網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)維系統(tǒng)由在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)與地面數(shù)據(jù)中心組成，包括車(chē)載感知子系統(tǒng)、車(chē)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(chē)載感知子系統(tǒng)
車(chē)載感知子系統(tǒng)包括車(chē)輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、車(chē)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(dòng)、沖擊和溫度狀態(tài)的采集和分析診斷，并通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)(列車(chē)總線)接入TCMS系統(tǒng)［4］(列車(chē)控制與監(jiān)控系統(tǒng))中獲取牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)等車(chē)輛子系統(tǒng)的工作參數(shù)和故障數(shù)據(jù)，這是國(guó)內(nèi)既有線項(xiàng)目列車(chē)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不具有的功能。數(shù)字化復(fù)合傳感器用于測(cè)量列車(chē)運(yùn)行時(shí)軸箱、齒輪箱、電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端軸承的振動(dòng)、沖擊、溫度信號(hào)。車(chē)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(dòng)、沖擊、溫度等狀態(tài)信息的接受與處理，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)等車(chē)輛子系統(tǒng)的狀態(tài)信息接入與診斷。
1.2車(chē)地?zé)o線傳輸子系統(tǒng)
車(chē)地?zé)o線傳輸子系統(tǒng)包括車(chē)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(guò)車(chē)輛PIDS系統(tǒng)(乘客信息與視頻監(jiān)控系統(tǒng))的無(wú)線傳輸通道［5］(LTE)實(shí)現(xiàn)車(chē)載感知子系統(tǒng)與地面綜合應(yīng)用子系統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能，將列車(chē)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和故障信息實(shí)時(shí)、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(duì)在途列車(chē)的健康狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chēng)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(tái)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(guò)客戶端對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訪問(wèn)和應(yīng)用。下面將分別介紹數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)各個(gè)組成部分的功能原理。后臺(tái)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(chǔ)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(tái)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(chǔ)和數(shù)據(jù)等功能。數(shù)據(jù)接入層包括PIDS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)，用于實(shí)現(xiàn)車(chē)載檢測(cè)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(chē)載檢測(cè)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(tái)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(chē)載在線監(jiān)測(cè)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(cè)
系統(tǒng)通過(guò)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(cè)，通過(guò)TCMS系統(tǒng)來(lái)獲取車(chē)輛其他子系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)監(jiān)測(cè)診斷分析整個(gè)列車(chē)狀態(tài)。下面分別介紹各個(gè)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的工作原理。1)牽引電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè):牽引電機(jī)主要監(jiān)測(cè)部分為軸承狀態(tài)、轉(zhuǎn)子振動(dòng)、電壓電流、轉(zhuǎn)速等。系統(tǒng)通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端的復(fù)合傳感器采集電機(jī)工作時(shí)轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子軸承的振動(dòng)、溫度狀態(tài)信息，并對(duì)采集的振動(dòng)信息處理合成轉(zhuǎn)子軸心運(yùn)動(dòng)軌跡，識(shí)別轉(zhuǎn)子工頻2倍頻率的徑向振動(dòng)頻率和幅度等頻域故障特征信息實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè);同時(shí)通過(guò)監(jiān)測(cè)三相電機(jī)實(shí)時(shí)電流實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)并實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警。2)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測(cè):齒輪箱主要監(jiān)測(cè)部分為齒輪箱軸承、齒輪。通過(guò)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(shí)的沖擊振動(dòng)和溫度變化，并對(duì)采集的狀態(tài)信息進(jìn)行時(shí)頻域分析。采用嚙合頻率及其諧波、振動(dòng)信號(hào)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(duì)齒輪箱狀態(tài)的監(jiān)測(cè)和分級(jí)報(bào)警。3)軸箱狀態(tài)監(jiān)測(cè):軸箱監(jiān)測(cè)部分主要是軸承沖擊、振動(dòng)、溫度等。通過(guò)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(dòng)、沖擊等信息。通過(guò)診斷分析系統(tǒng)，對(duì)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(jí)別的報(bào)警。4)其他車(chē)輛子系統(tǒng)監(jiān)測(cè):其他車(chē)輛子系統(tǒng)(牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車(chē)門(mén)系統(tǒng)等)通過(guò)MVB列車(chē)總線將狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)發(fā)送給VCM，VCM通過(guò)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(duì)各子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、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(guó)內(nèi)既有線項(xiàng)目列車(chē)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感器安裝位置為軌道旁，且需要配套專(zhuān)用的探測(cè)站與傳感器通信，系統(tǒng)無(wú)法對(duì)列車(chē)在整個(gè)上線運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，且系統(tǒng)維護(hù)成本高［8，9］。本系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)在于傳感器安裝于列車(chē)所需監(jiān)測(cè)部位，且與列車(chē)車(chē)輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)直接通信并通過(guò)LTE車(chē)地PIDS通道向地面發(fā)射監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，保證系統(tǒng)可以在列車(chē)上線運(yùn)營(yíng)時(shí)間內(nèi)保持全程監(jiān)測(cè)，保證了列車(chē)安全、高效的運(yùn)營(yíng)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(zhuān)用100M以太網(wǎng)接口向車(chē)輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)輸出采集到的振動(dòng)、沖擊、溫度等狀態(tài)信息。同時(shí)通過(guò)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(duì)軸端轉(zhuǎn)速傳感器的模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理后再通過(guò)專(zhuān)用100M以太網(wǎng)接口向車(chē)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(gè)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(hào)線將1個(gè)輪對(duì)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(chē)輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)，即1個(gè)轉(zhuǎn)向架上車(chē)2根信號(hào)線。
2.3車(chē)輛狀態(tài)智能提取診斷主機(jī)組網(wǎng)
不同車(chē)廂的車(chē)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(chē)載主機(jī)通過(guò)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(chē)網(wǎng)線通過(guò)車(chē)端連接器方式過(guò)車(chē)，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(lèi)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(chē)車(chē)輛信息、部件信息、線路信息、車(chē)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(chē)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(chē)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(jí)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(dòng)故障、常用制動(dòng)失效、緊急制動(dòng)故障、緊急制動(dòng)失效、緊急制動(dòng)施加、運(yùn)行工況(惰行、牽引、制動(dòng))、空轉(zhuǎn)與滑行、牽引力(包括牽引指令，牽引力)、常用制動(dòng)(包括常用制動(dòng)指令，常用制動(dòng)力)、緊急制動(dòng)(包括緊急制動(dòng)指令，緊急制動(dòng)力)、電制動(dòng)信號(hào)(包括電制動(dòng)力指令、電制動(dòng)力退出指令，電制動(dòng)力)、輔助逆變器三相不平衡、保壓制動(dòng)信號(hào)(包括施加、緩解指令，制動(dòng)級(jí)位)、牽引網(wǎng)壓輸入信號(hào)、支撐電容電壓信號(hào)、牽引電流、制動(dòng)電流、主風(fēng)壓力信號(hào)、制動(dòng)缸壓力信號(hào)等。4)走行部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù):監(jiān)測(cè)軸承、齒輪箱、牽引電機(jī)的振動(dòng)、沖擊、溫度信息以及電機(jī)的電流信息。5)狀態(tài)分析過(guò)程及結(jié)果數(shù)據(jù):部件履歷信息、維修過(guò)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(jì)數(shù)據(jù)等。
3.2人機(jī)交互界面功能
1)GIS地圖監(jiān)測(cè):覆蓋線路軌道監(jiān)測(cè)告警、運(yùn)行圖監(jiān)測(cè)、設(shè)備自檢、整車(chē)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能。2)車(chē)輛在途故障預(yù)測(cè)與健康管理(PHM):覆蓋列車(chē)走行部的軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)監(jiān)測(cè)告警與健康管理(壽命預(yù)測(cè)、歷史趨勢(shì)分析);覆蓋從TCMS中獲取的牽引、制動(dòng)、輔助、車(chē)門(mén)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)告警與健康管理。可從線路維度及單個(gè)列車(chē)的構(gòu)成樹(shù)維度對(duì)上述對(duì)象的監(jiān)測(cè)告警狀態(tài)和綜合健康進(jìn)行呈現(xiàn)。3)車(chē)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(chē)輛故障維修數(shù)據(jù)管理、車(chē)輛關(guān)鍵系統(tǒng)運(yùn)維數(shù)據(jù)管理、普查/改造臨時(shí)性運(yùn)維數(shù)據(jù)管理、車(chē)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(shí)、真實(shí)、有效;嚴(yán)格故障管理與跟蹤關(guān)閉流程，為列車(chē)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(chē)運(yùn)行公里數(shù)管理、列車(chē)洗車(chē)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(gè)功能，用于對(duì)車(chē)輛運(yùn)維過(guò)程的相關(guān)的技術(shù)文件、技術(shù)報(bào)告等進(jìn)行管理和知識(shí)共享，構(gòu)建車(chē)輛運(yùn)維技術(shù)信息平臺(tái)，為車(chē)輛運(yùn)維輔助決策專(zhuān)家?guī)斓於ɑA(chǔ)。
4結(jié)語(yǔ)
與國(guó)內(nèi)既有線項(xiàng)目相比，該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)輛走行部(軸箱、齒輪箱、牽引電機(jī)等)工作狀態(tài)，同時(shí)可以通過(guò)TCMS系統(tǒng)獲取車(chē)輛各子系統(tǒng)(牽引、輔助、制動(dòng)、車(chē)門(mén)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(chē)信息庫(kù)，進(jìn)行了列車(chē)全生命周期狀態(tài)監(jiān)測(cè)和記錄，并實(shí)現(xiàn)了列車(chē)的健康管理、車(chē)間檢修管理，保證了列車(chē)安全、高效的運(yùn)營(yíng)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
