地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

董偉，楊曙，蔡艷

（1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司，北京100000；2. 云南京建軌道交通投資建設(shè)有限公司，昆明650000）

1 引言

現(xiàn)有的地鐵車輛故障檢修系統(tǒng)多是針對地鐵車輛的牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等，對于地鐵車輛關(guān)鍵部件的實時監(jiān)測和故障預(yù)警的相關(guān)研究相對較少。因此，提出地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計，對實現(xiàn)列車關(guān)鍵部件、系統(tǒng)和車輛整體的監(jiān)控評估與管理有極為重要的現(xiàn)實意義。

2 項目需求性分析

以昆明市城市軌道交通4 號線城軌列車為項目載體進行項目需求分析，最終確定地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)需要具備以下功能：（1）地鐵車輛行進中，實現(xiàn)列車軸箱、齒輪箱、牽引電機安全狀態(tài)的時頻域監(jiān)測和故障在途預(yù)警，實現(xiàn)實時掌握車輛健康狀態(tài)；（2）通過實時監(jiān)測技術(shù)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，預(yù)防和發(fā)現(xiàn)地鐵車輛潛在故障，并及時采用應(yīng)對措施；（3）基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，實現(xiàn)運維管理大數(shù)據(jù)化，并采用RAMS 技術(shù)；（4）實現(xiàn)地鐵車輛行進中的即時安全管理，即結(jié)合大數(shù)據(jù)分析技術(shù)實現(xiàn)地鐵車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)測和預(yù)警，確保地鐵車輛行進中的安全性水平。

3 地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 車載感知系統(tǒng)

車載感知子系統(tǒng)主要由車輛狀態(tài)智能提取診斷主機、前置處理器、軸箱傳感器、齒輪箱傳感器、牽引電機傳感器、軸端轉(zhuǎn)速數(shù)字轉(zhuǎn)換單元以及配套線路組成。在車載感知系統(tǒng)中，傳感器會通過專用屏蔽信號電纜同設(shè)備間內(nèi)部的車載狀態(tài)智能診斷設(shè)備相連接，除傳感器以外，其他設(shè)備和系統(tǒng)之間會通過1G工業(yè)以太網(wǎng)相連[1]。在設(shè)計中，車載感知系統(tǒng)主要通過傳感器設(shè)備實時采集地鐵車輛走行部關(guān)鍵部件的數(shù)據(jù)信息，然后通過以太網(wǎng)接入TCMS 系統(tǒng)中地鐵車輛牽引、制動、輔助、車門等系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，最終對所有數(shù)據(jù)信息進行快速處理、診斷與存儲。

3.2 車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)

在地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)主要負責(zé)將地鐵車輛的健康狀態(tài)信息和故障預(yù)警信息實時、可靠地傳遞給地面維保生產(chǎn)管理系統(tǒng)，進而實現(xiàn)地鐵車輛行進中的走行部等部件和牽引、制動等系統(tǒng)的實時信息監(jiān)測、預(yù)警效果。所有數(shù)據(jù)信息均會通過LTE 網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。

3.3 維保生產(chǎn)管理系統(tǒng)

地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的維保生產(chǎn)管理子系統(tǒng)主要由車輛在線狀態(tài)監(jiān)測預(yù)警展示系統(tǒng)、車輛系統(tǒng)與關(guān)鍵部件狀態(tài)隱患挖掘系統(tǒng)和數(shù)據(jù)服務(wù)中心構(gòu)成，且為能夠有效保障各系統(tǒng)的實際運行效果，在設(shè)計中還采用了標準19in（48.26cm）機架服務(wù)器、Internet 防火墻、交換機、設(shè)備機柜及配套電纜等設(shè)備，可以滿足維保生產(chǎn)管理子系統(tǒng)的運行要求。

4 系統(tǒng)部署

4.1 車載系統(tǒng)設(shè)備部署

在車載系統(tǒng)設(shè)備的部署過程中，需要在傳統(tǒng)的地鐵車輛上增設(shè)車輛狀態(tài)智能提取診斷主機、前置處理器等主體設(shè)備；軸箱復(fù)合傳感器、齒輪箱復(fù)合傳感器、電機復(fù)合傳感器、軸端轉(zhuǎn)速數(shù)字轉(zhuǎn)換單元等傳感器設(shè)備；列車狀態(tài)傳感網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。其中軸箱復(fù)合傳感器、齒輪箱復(fù)合傳感器、電機復(fù)合傳感器中的電機振動傳感器會部署在地鐵車輛的車廂中，實時監(jiān)測、收集各設(shè)備在地鐵車輛行進中的數(shù)據(jù)信息；車輛狀態(tài)智能提取診斷主機部署在各車廂中，負責(zé)對傳感器所收集到的數(shù)據(jù)信息進行智能提取診斷；前置處理器同樣會部署在各車廂中，負責(zé)對傳感器所收集到的信息進行初步分析處理。

4.2 維保生產(chǎn)管理系統(tǒng)設(shè)備部署

維保生產(chǎn)管理系統(tǒng)在部署中需要同時部署地面通信網(wǎng)關(guān)和地面數(shù)據(jù)挖掘與展示預(yù)警系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化維保系統(tǒng)的云計算平臺。本項目列車在行進過程中，列車中的TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)地面核心交換設(shè)備會通過光纖或以太網(wǎng)的方式與地面通信網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)交互；系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化維保系統(tǒng)的云計算平臺主要由多臺專業(yè)服務(wù)器、路由器以及通信線纜組成。

5 關(guān)鍵模塊的檢測與分析

5.1 軸承診斷

地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的軸承診斷模塊會通過軸箱溫度、振動、沖擊狀態(tài)等數(shù)據(jù)，完成對地鐵軸箱軸承的實時監(jiān)測與時頻域分析，達成地鐵軸箱軸承狀態(tài)的監(jiān)測和預(yù)警效果。在設(shè)計中，軸承診斷模式的主要故障診斷定位功能包括內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動體故障、保持架故障等。軸承診斷模塊收集的數(shù)據(jù)信息包括有基本信息、軸箱當前狀態(tài)信息、歷史狀態(tài)信息等，具體包括：（1）基本信息：包括設(shè)備的唯一碼、設(shè)備型號、生產(chǎn)廠家、生產(chǎn)日期、運營公里數(shù)、服役時間等設(shè)備相關(guān)的基本信息內(nèi)容；（2）軸箱當前狀態(tài)信息：包括軸箱溫度信息、軸箱特征數(shù)據(jù)信息、軸承診斷樣本分析等，可通過對軸承溫度、震動強度、振動能量等諸多數(shù)據(jù)的實時分析，實現(xiàn)軸承故障的自動診斷及故障位置定位等效果；（3）歷史狀態(tài)：可實現(xiàn)對過往地鐵車輛行進中軸承數(shù)據(jù)信息的實時查詢，為工作人員合理設(shè)置軸承故障預(yù)警閾值線提供重要參考。

5.2 齒輪箱

齒輪箱診斷模塊會通過安裝在齒輪箱大小齒輪側(cè)的傳感器對地鐵車輛行進中齒輪箱中的大小齒輪的沖擊振動、溫度變化等工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)測與時頻域分析。地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)可實現(xiàn)對沖擊脈沖法和計算階次跟蹤等方法的改進，結(jié)合嚙合頻率及其諧波、振動信號的調(diào)制以及邊帶分析等頻譜特征信息，最終實現(xiàn)對齒輪箱工作狀態(tài)的實時監(jiān)測效果。在設(shè)計中，齒輪箱振動模塊故障診斷定位功能包括齒輪軸承故障、內(nèi)外圈故障、滾動體故障、保持架故障、齒輪故障、松動故障等故障內(nèi)容。齒輪箱診斷模塊收集的數(shù)據(jù)信息主要包括基本信息、軸箱當前狀態(tài)信息、歷史狀態(tài)信息等。

5.3 牽引電機

工作過程中，牽引電機診斷模塊會通過安設(shè)在牽引電機轉(zhuǎn)子兩端的傳感器采集電機工作時轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)子軸承的振動、溫度等狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后形成頻域故障特征信息，實現(xiàn)牽引電機的實時監(jiān)測與故障預(yù)警效果。設(shè)計中，齒輪箱振動模塊故障診斷定位功能包括電機軸承歸屬、內(nèi)外圈故障、滾動體故障、保持架故障、轉(zhuǎn)子/定子故障等。牽引電機診斷模塊收集的數(shù)據(jù)信息主要包括基本信息、軸箱當前狀態(tài)信息、歷史狀態(tài)信息等。

6 結(jié)語

本文以昆明市城市軌道交通4 號線城軌列車為例，完成對地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)部署以及關(guān)鍵模塊的理論設(shè)計，并在后續(xù)測試驗證過程中確定本文所提出的地鐵車輛綜合監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的有效性和實用性，值得進行普及推廣應(yīng)用。