基于機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的海外電力機車電氣系統(tǒng)優(yōu)化

梁興元，木合塔爾·莎根迪，加玉濤

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

在海外批量電力機車電氣系統(tǒng)項目技術(shù)支持過程中，遇到了溝通不暢、人力不足、變更頻繁、海外客戶項目管理制度缺乏且與國內(nèi)管理制度差異大等重重困難[1]。基于海外電力機車電氣系統(tǒng)項目特點，需要一個科學、高效的數(shù)據(jù)庫決策支持系統(tǒng)輔助開展電氣系統(tǒng)產(chǎn)品優(yōu)化、功能優(yōu)化、運行狀態(tài)監(jiān)視等工作。以此系統(tǒng)為基礎科學高效地實現(xiàn)海外電力機車電氣系統(tǒng)相關故障技術(shù)分析、優(yōu)化改進及現(xiàn)場維護等工作。

1 機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成及功能簡介

機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由車載設備（WTD、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、傳動控制單元、電度表等）數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)集市、地面數(shù)據(jù)庫服務器、前端工具等部分組成，如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

鑒于軌道交通電氣系統(tǒng)產(chǎn)品特點，對車載數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行簡要描述。

數(shù)據(jù)源：是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的基礎，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源泉[2]。機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源是由車載WTD裝置、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)、傳動控制單元等設備提供的條件量數(shù)據(jù)（Monitoring data）、嚴重故障數(shù)據(jù)（Event history）、事件記錄數(shù)據(jù)（Blackbox data）、能量文件數(shù)據(jù)（Energy data）、緊急短消息（Emergency message）數(shù)據(jù)等組成。并通過機務段內(nèi)WIFI點或GPRS通信模式將條件量、能量文件、嚴重故障記錄數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)等遠程下載至數(shù)據(jù)庫服務器中，供系統(tǒng)后臺軟件完成解析、統(tǒng)計等業(yè)務功能。

2 技術(shù)決策支持功能

機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在機車上線運營之初就已建立，作為一個決策支持環(huán)境，為管理部門提供了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)視圖，使得各部門能夠更方便地完成對公用數(shù)據(jù)的查詢和分析[2]。

通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)使決策者可以相當容易地根據(jù)已獲得的數(shù)據(jù)，運用定量分析與定性分析相結(jié)合的技術(shù)，從多個側(cè)面對系統(tǒng)內(nèi)部運行過程進行分析、評價和判斷。使得決策人在做出諸如硬件批量改造、軟件優(yōu)化效果確認等重大的決策之前，能夠?qū)v史數(shù)據(jù)和其他相關數(shù)據(jù)進行科學和有效的分析，避免因決策失誤造成不必要的損失。

3 緊急短消息、數(shù)據(jù)點播下載功能

機車在運行過程中可能會出現(xiàn)火災、鎖軸故障、運行超速、緊急制動施加等嚴重緊急事件，此類事件一旦發(fā)生會產(chǎn)生非常惡劣影響或造成重大財產(chǎn)損失、人員傷亡，此類事件一旦發(fā)生需第一時間傳遞信息給相關人員。

緊急短消息激活條件定義如下：

1）緊急按鈕動作；

2）緊急制動施加且機車速度大于5 km/h；

3）火宅報警；

4）軸溫報警；

5）自動降弓激活；

6）鎖軸故障激活；

7）無人警惕懲罰制動激活；

8）機車超速；

緊急短消息數(shù)據(jù)示例如表1。

表1 緊急短消息數(shù)據(jù)示例

同時系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)遠程點播下載功能，當發(fā)生嚴重事件時，可通過遠程點播功能，及時下載故障時刻的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)最快速度獲取故障時刻數(shù)據(jù)，故障分析人員可以快速定位故障發(fā)生原因，為故障處理提供最為及時的處理建議，盡最大程度降低故障帶來的影響。

4 基于數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)電氣系統(tǒng)優(yōu)化實例

4.1 緊急短消息、數(shù)據(jù)點播下載功能在鎖軸故障誤報優(yōu)化中的應用

機車運行過程中存在軸抱死故障的可能，從鎖軸控制原理分析，一般分為“真鎖軸”和“假鎖軸”兩種情況。所謂“真鎖軸”就是真正的動輪抱死，此種情況一般是由于動輪軸承和牽引電機軸承故障，牽引齒輪卡滯等情況引起。該種情況輪對從滾動摩擦變?yōu)榛瑒幽Σ?，輕則造成輪對擦傷，重則引起機車脫線、顛覆等惡性事故。所謂“假鎖軸”就是動軸沒有真正固死的情況下，而被判定為軸固死，進行軸固死對應保護，導致機車可用性變差，造成不必要的機破及惡劣影響。

考慮到鎖軸故障的嚴重性和危害性，根據(jù)機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設定的規(guī)則，一旦發(fā)生鎖軸故障，需第一時間通過WTD裝置向地面服務器傳輸發(fā)送故障時刻的緊急短消息，如故障時刻、運行速度、GPS經(jīng)緯度坐標、牽引或制動狀態(tài)、網(wǎng)壓、網(wǎng)流等，用于跟蹤跟進鎖軸故障狀態(tài)。在鎖軸故障判斷優(yōu)化過程中，結(jié)合了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的緊急短消息及數(shù)據(jù)點播下載功能。當數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接收到鎖軸故障緊急短消息后，地面服務器可及時傳遞數(shù)據(jù)下載命令到故障機車，獲得對應故障時刻的嚴重故障數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)。

S024號機車在運用過程中報出“鎖軸”故障，經(jīng)過對故障時刻嚴重故障數(shù)據(jù)、事件記錄數(shù)據(jù)解析，獲得故障時刻機車速度及對應的GPS坐標。

通過分析，確認S024號機車在故障時刻處于制動工況，其中有三個軸速度明顯低于整車綜合速度，在牽引時有三個軸的速度明顯高于機車綜合速度。

根據(jù)對誤報鎖軸故障的S024號機車數(shù)據(jù)分析，報出鎖軸故障時刻整列車運行于彎道，見圖2 GPS坐標標記定位標志，出現(xiàn)了空轉(zhuǎn)。空轉(zhuǎn)表現(xiàn)為速度緩慢上升，并最終在控制程序的影響下建立了動態(tài)平衡。使得發(fā)生空轉(zhuǎn)的輪對在短時間內(nèi)維持在一個固定差值（6 km/h）上，粘著程序的保護門檻值，發(fā)生故障時特殊工況建立了平衡。

圖2 根據(jù)S024號機車GPS坐標確定報鎖軸故障時刻機車所處位置為彎道

而鎖軸故障判斷的條件為單軸速度與機車綜合速度差值大于5 km/h并持續(xù)超過10 s，則被認為鎖軸故障發(fā)生。在機車運行于彎道時出現(xiàn)的6 km/h差值能夠滿足鎖軸故障判定條件，所以報出鎖軸故障。

通過程序分析確認，鎖軸故障判斷門檻與粘著控制門檻沖突，導致鎖軸故障誤報發(fā)生，因此，定性為假鎖軸，為故障誤報。經(jīng)過軟件優(yōu)化改進，大幅度降低鎖軸故障誤報概率。

4.2 GPS、GSM上線率質(zhì)量提升應用實例

GPS和GSM信號均為無線信號，看不見摸不著，且硬件設備離散分布于200臺電力機車上，運用于海外鐵路線上。GPS、GSM信號是否穩(wěn)定、可靠直接影響到機車位置定位和車載數(shù)據(jù)向地面?zhèn)鬏數(shù)姆€(wěn)定、可靠，決定了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，影響到機車運行狀態(tài)的監(jiān)控。

S型電力機車上線運營初期，GPS、GSM上線率偏低，為了改善GPS、GSM上線率，鑒于GSM信號強弱與實際地理位置強相關的特點及結(jié)合機車離散分布的實際情況，確定通過機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)監(jiān)測的方法查找GPS、GSM上線率低的原因。主要通過以下方法實現(xiàn)：

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)服務器使用ping（Packet Internet Groper，因特網(wǎng)包探索器）命令周期性（1 min）與車載WTD裝置進行通信，通過ping通次數(shù)占總的ping命令發(fā)出次數(shù)的百分比評估車載WTD裝置GSM信號上線率。能量數(shù)據(jù)（Energy data）包含了GPS坐標等信息，能量數(shù)據(jù)每隔5 min通過GSM傳遞至數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過批量解析一天時間內(nèi)GPS坐標信息評判GPS上線率。每臺車每天的GSM、GPS上線率被劃分為90% ～100%，70% ～90%，0～70%，未知狀態(tài)四個等級，實現(xiàn)GSM、GPS上線率指標評判量化，以GPS上線率提升為例，見表2。

4.2.1 GPS上線率日報示例（表2）

表2 機車GPS上線率日報統(tǒng)計示例

4.2.2 GPS上線率穩(wěn)定性提升

根據(jù)機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的GPS上線率日報統(tǒng)計，S型機車GPS上線率處于“90%～100%”的僅占機車總數(shù)的58%。經(jīng)過故障分析及排查，確定WTD裝置無線主控板軟件是原因之一，對此軟件進行了優(yōu)化，并在現(xiàn)場進行了批量優(yōu)化升級。隨著優(yōu)化軟件更新車輛的不斷增多，S型機車GPS上線率不斷提升，GPS上線率由批量升級之初的58%上升至75%，上線率顯著提升，具體數(shù)據(jù)見表4及圖3。

表4 機車GPS上線率統(tǒng)計

圖3 90%～100%的GPS上線率統(tǒng)計跟蹤

4.3 能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升實例

能量管理系統(tǒng)涉及地面服務器和車載設備。其中車載設備包括車載電度表、WTD裝置、傳動控制單元、網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，各設備間相互配合，完成能量、公里數(shù)等數(shù)據(jù)的記錄、融合、管理和傳輸。多設備、多環(huán)節(jié)、多接口，某個設備、環(huán)節(jié)、接口出問題，則造成能量、公里數(shù)等數(shù)據(jù)異常。能量、公里數(shù)等數(shù)據(jù)是能量管理系統(tǒng)的根源，一旦某臺車或幾臺車出現(xiàn)異常時，將會對整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)造成污染，導致統(tǒng)計數(shù)據(jù)失真，因此能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升是必行之路。

對能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升，主要是通過機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對已記錄數(shù)據(jù)設定規(guī)則，通過設定的規(guī)則檢驗記錄的數(shù)據(jù)是否存在錯誤，以此評判機車能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量，并基于機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所記錄到的錯誤信息進行數(shù)據(jù)質(zhì)量提升，從而實現(xiàn)能量管理系統(tǒng)的優(yōu)化。能量管理系統(tǒng)設定錯誤判斷規(guī)則如表5所列。

表5 能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)錯誤判斷規(guī)則表

根據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)識別到的能量數(shù)據(jù)原始錯誤，對有數(shù)據(jù)異常的機車有針對性的進行異常排查。

經(jīng)過近2年時間的能量管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升專項工作，數(shù)據(jù)質(zhì)量大幅提升，能量管理系統(tǒng)的錯誤數(shù)據(jù)大幅下降。2016年4月18日至2018年3月11日能量管理數(shù)據(jù)錯誤統(tǒng)計如圖4所示。

圖4 能量管理系統(tǒng)錯誤數(shù)據(jù)統(tǒng)計（2016年4月18日至2018年3月11日）

5 展望

海外項目的技術(shù)支持和維保維護是一個系統(tǒng)工程，通過對機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)建模，提煉維保維護的有效信息，獲得維保的基礎信息，以此為基礎，對海外電力機車電氣系統(tǒng)維保維護全面管理[3]。

隨著時間的推移，機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)積累的數(shù)據(jù)會越來越充分，能夠為決策提供的信息會越來越有效，也為電氣系統(tǒng)研究提供數(shù)據(jù)支撐。

隨著海外批量電力機車、動車、城軌項目的不斷增多，海外電氣系統(tǒng)技術(shù)支持將會越來越多，難度也越來越大，成本越來越高。

在技術(shù)支持、維保維護方面機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用，將會大幅提升服務效率和帶來顯著的經(jīng)濟效益。

6 結(jié)語

本文探討了批量海外電力機車項目技術(shù)支持和維保維護存在的困難，簡要闡述了機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在出口海外電力機車電氣系統(tǒng)優(yōu)化改進及現(xiàn)場維護應用過程中的重要性，介紹了電力機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)組成及車載數(shù)據(jù)，在海外電力機車電氣系統(tǒng)應用實踐過程中基于機車數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進行了WTD裝置GPS、GSM上線率提升、能量管理系統(tǒng)優(yōu)化等實踐應用，總結(jié)如下：

（1）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用消除了時間和距離的限制。大大提高了與地域線路相關故障的分析、處理效率，大幅降低海外項目的優(yōu)化改進、維護成本，與傳統(tǒng)服務對比，服務成本可降低至1/3，并且數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更為全面；

（2）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、有序、穩(wěn)定存儲，數(shù)據(jù)隨時間的累積，所展現(xiàn)出的效果明顯；

（3）數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享性高，海外業(yè)主與供應商共同使用，作為海外業(yè)主與供應商之間溝通的橋梁，實現(xiàn)了高效溝通，技術(shù)支持等工作得以高效開展。

在海外批量電力機車電氣系統(tǒng)質(zhì)量提升過程中數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的應用經(jīng)驗值得借鑒。