動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)研究*

楊 凱

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術(shù)研究所，北京100081）

保障動車組列車運行安全是保障鐵路運輸安全的重點工作。動車組滾動軸承故障軌旁聲學診斷設(shè)備（TADS，Trackside Acoustic Detection Sys?tem）［1］作為動車組地對車運行狀態(tài)的重要檢測設(shè)備之一，自高鐵正線試點安裝使用起，有效地實現(xiàn)了動車組滾動軸承早期損傷的及時發(fā)現(xiàn)，為動車組運行安全的保障提供了有力的技術(shù)支持。由于TADS的故障診斷需依據(jù)多次歷史檢測數(shù)據(jù)綜合分析，單點部署的TADS設(shè)備在故障的快速準確判定上難以滿足運用需求。隨著動車組TADS統(tǒng)型設(shè)備研制及全路建設(shè)部署的開展，基于TADS設(shè)備特點及現(xiàn)場運用需求，研究TADS統(tǒng)型設(shè)備數(shù)據(jù)接入技術(shù)，設(shè)計規(guī)范的聯(lián)網(wǎng)接入方案，實現(xiàn)全路高鐵沿線多點TADS設(shè)備的集中聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與故障綜合診斷，具有重要的研究意義與應(yīng)用價值。

1 研究現(xiàn)狀

動車組滾動軸承故障軌旁聲學診斷設(shè)備TADS利用安裝在高速鐵路軌旁的聲音傳感器陣列，采集動車組運行通過時的滾動軸承運轉(zhuǎn)聲音，并利用聲學分析診斷的方法，實現(xiàn)滾動軸承運行狀態(tài)的故障早期診斷。

動車組TADS設(shè)備主要由軌旁裝置和軌旁機房設(shè)備組成［2］。其中，軌旁裝置包括聲學采集傳感器陣列、車號采集識別裝置、探測開機裝置、車速測量裝置等；軌旁機房設(shè)備包括聲學處理服務(wù)器、通訊服務(wù)裝置、控制及監(jiān)控裝置、不間斷電源等。TADS設(shè)備主要功能如下：

（1）自動檢測識別動車組軸箱滾動軸承滾子、內(nèi)圈和外圈的裂紋、剝離、蝕裂、磨損等故障；

（2）能夠?qū)z測識別的軸承早期故障實現(xiàn)分級別報警提示；

（3）自動識別動車組列車車次、車組號、車輛號、端位，具有自動計軸、計輛、測速功能；

（4）具有系統(tǒng)狀態(tài)自檢、遠程升級維護和監(jiān)控功能；

（5）具有防雨雪、風、沙塵功能。

目前，已廣泛應(yīng)用的TADS設(shè)備至少包括兩種［3-4］，自2003年起引進國內(nèi)生產(chǎn)，并在貨車運行安全領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了安裝部署，作為貨車5T系統(tǒng)［5］的重要組成部分，實現(xiàn)了集中的聯(lián)網(wǎng)接入，有效提高了貨車安全監(jiān)控和列檢作業(yè)的質(zhì)量和效率，為保障貨車車輛的運行安全提供了技術(shù)支持。

隨著我國高鐵線路的不斷建設(shè)及動車組列車開行的日益密集，TADS在應(yīng)用于動車組安全監(jiān)控領(lǐng)域時，對聲學數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備進行了大幅改進，同時增加了動車組獨有運行信息采集與處理的適配能力，其設(shè)備生成的數(shù)據(jù)內(nèi)容及格式均有明顯變化，致使既有5T系統(tǒng)模式下的數(shù)據(jù)接入技術(shù)難以兼容動車組TADS設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。同時，既有貨車TADS聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能在檢測預(yù)報模型、報警應(yīng)急響應(yīng)、故障跟蹤處置、業(yè)務(wù)管理流程等方面均無法滿足動車組行車安全監(jiān)測的運用需求。為此，在逐步推廣TADS設(shè)備建設(shè)的過程中，借鑒既有鐵路安全監(jiān)測聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用經(jīng)驗，研究動車組TADS設(shè)備集中接入技術(shù)，建立統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)平臺，設(shè)計面向動車組運用管理的應(yīng)用功能，是動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測亟待解決的技術(shù)問題。

2 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1.1總體架構(gòu)

動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用（以下簡稱TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測）在國鐵集團及鐵路局集團建立兩級部署，實現(xiàn)軌旁檢測設(shè)備與鐵路局集團連接，建立國鐵集團、鐵路局集團、動車段、動車所之間聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計研發(fā)多級業(yè)務(wù)單位的應(yīng)用功能，系統(tǒng)總體架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

其中，國鐵集團連接并匯總各鐵路局集團上報信息，主要部署包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器及監(jiān)控終端等設(shè)備，主要用于對各路局上報的監(jiān)控信息進行匯總處理、對故障規(guī)律進行總結(jié)、對安全管理工作進行研究等。同時，TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測在國鐵集團與動車組管理信息系統(tǒng)（EMIS）［6］建立接口雙向共享數(shù)據(jù)。

各鐵路局集團是TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的主要應(yīng)用單元，連接并匯總所轄TADS探測站設(shè)備監(jiān)測信息，主要部署包括接口服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、監(jiān)控終端等設(shè)備，主要用于監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總、上報、分析與管理，向動車所、動車段提供監(jiān)測訪問應(yīng)用，并支持國鐵集團對鐵路局集團的數(shù)據(jù)查詢。

各動車段、動車所配置監(jiān)測終端，通過終端訪問部署于鐵路局集團的TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用，對過車信息、報警信息進行查詢顯示、故障處理、檢修反饋、應(yīng)用管理等。

TADS探測站設(shè)備主要對通過動車組進行滾動軸承聲學信息采集及故障分析，并將過車信息、監(jiān)控聲音信息、故障報警信息及設(shè)備狀態(tài)信息匯總上報至鐵路局集團服務(wù)器。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測依托鐵路綜合信息網(wǎng)建設(shè)，其總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

其中，探測站設(shè)備與鐵路局集團之間需要實時傳輸全部聲音監(jiān)測文件，每探測站設(shè)備至鐵路局之間帶寬應(yīng)不小于8Mbps；國鐵集團、鐵路局集團、動車段、動車所之間，傳輸帶寬應(yīng)不小于8Mbps，并設(shè)計雙通道冗余措施；國鐵集團、鐵路局集團內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)保證千兆以上帶寬；各級網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足時延小于500ms、抖動小于100ms、丟包率小于1/1000的性能要求。

2.1.3 部署平臺架構(gòu)

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的鐵路局集團級平臺設(shè)計配置超融合平臺（虛擬數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用、接口服務(wù)器），路由器、交換機等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，監(jiān)測終端等顯示設(shè)備，以及多計算機切換器（KVM）、機柜、不間斷電源（UPS）等配套設(shè)備。其核心設(shè)備連接示意如圖3所示。

圖3 鐵路局集團級平臺核心設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

其中，超融合平臺虛擬的接口服務(wù)器是探測站與鐵路局集團級平臺的邏輯邊界，主要用于探測站實時監(jiān)測聲音及報文的傳輸與處理；虛擬應(yīng)用服務(wù)器主要提供監(jiān)測終端并發(fā)應(yīng)用訪問；虛擬數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負責處理與存儲海量聲音數(shù)據(jù)與報文信息；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要用于保障數(shù)據(jù)傳輸帶寬及通道的充足穩(wěn)定；監(jiān)測終端主要用于提供各級用戶的應(yīng)用系統(tǒng)訪問。

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的國鐵集團級平臺主要用于存儲全路范圍的過車信息、報警信息及原始聲音數(shù)據(jù)，提供國鐵集團級應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，應(yīng)至少設(shè)計配備應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)測終端等設(shè)備，主要硬件資源的配備標準及組織結(jié)構(gòu)按照鐵路車輛運行安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及信息綜合應(yīng)用總體方案［7］確定。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸主要采用專用傳輸軟件、Webservice等傳輸方式，傳輸流程如圖4所示，具體包括以下幾個步驟：

圖4 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

（1）探測站與鐵路局集團級平臺的數(shù)據(jù)傳輸。TADS探測站設(shè)備將過車信息、報警信息與聲音數(shù)據(jù)等按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口規(guī)范上傳至鐵路局集團級平臺服務(wù)器。

（2）鐵路局集團級平臺與國鐵集團級平臺的數(shù)據(jù)傳輸。鐵路局集團級平臺接收TADS探測站設(shè)備上報的各項數(shù)據(jù)，會同鐵路局集團各級用戶業(yè)務(wù)操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，將其上報至國鐵集團級平臺供其信息應(yīng)用，同時接收國鐵集團下發(fā)的分析診斷信息、統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)字典信息、數(shù)據(jù)反查指令等信息。

（3）國鐵集團級平臺與外部系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測在國鐵集團級平臺與動車組管理信息系統(tǒng)等外部系統(tǒng)共享監(jiān)測、配屬、開行及檢修等數(shù)據(jù)信息，便于監(jiān)測配合檢修、檢修輔助監(jiān)測。

其中，為便于實現(xiàn)動車組滾動軸承故障的多點綜合故障診斷，鐵路局集團與國鐵集團兩級平臺均存儲所轄TADS探測站設(shè)備采集的動車組過車信息、報警信息，以及動車組全部滾動軸承原始聲音監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)接口設(shè)計

2.3.1 探測站設(shè)備接口

TADS探測站設(shè)備在動車組列車通過時，生成檢測數(shù)據(jù)并實時存入設(shè)備服務(wù)器中，同時將過車信息、報警信息按照數(shù)據(jù)接口要求生成報文文件，將監(jiān)測聲音數(shù)據(jù)按照文件命名規(guī)則生成軸承聲音文件，傳輸?shù)借F路局集團級平臺的接口服務(wù)器。

（1）報文文件規(guī)則。

報文文件名編制規(guī)則為：報文類型編碼+"_"+通過時間+"_"+過車序號+"_"+版本號+".sms"。

其中，報文類型編碼長度為2位，具體類型見表1；通過時間長度為14位，采用“YYYYMMDDhh24miss”格式生成；過車序號長度為3位，自每日0點后通過探測站的列車起從001開始依次編定；版本號為2位，表示協(xié)議的版本。

不同類型的報文文件所包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1。

表1 報文文件類型及內(nèi)容

（2）聲音數(shù)據(jù)規(guī)則。

軸承聲音文件的存儲路徑及命名規(guī)則為：\過車時間\過車時間"_"過車序號"_"重聯(lián)序號\軸位+"_"+輛序+"_"+聲音文件序號+".WAV"。

其中，過車時間長度為8位，采用“YYYYMMDD”格式生成；過車時間長度為6位，按照24小時制采用“hh24miss”格式生成；過車序號長度為3位，自每日0點后通過探測站的列車起從001開始依次編定；重聯(lián)序號長度為1位，按列車過站順序編定；軸位長度為2位，編制規(guī)則如圖5所示；輛序長度為2位，自01起依次給車輛編號；聲音文件序號為變長，從1開始編制。

圖5 軸位編號示意圖

2.3.2 外部系統(tǒng)接口

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測在國鐵集團級平臺與動車組管理信息系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互的主要內(nèi)容及方式見表2。

表2 數(shù)據(jù)交互主要內(nèi)容及方式表

2.4 應(yīng)用功能設(shè)計

2.4.1 業(yè)務(wù)流程

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的主要業(yè)務(wù)流程設(shè)計如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)流程示意圖

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)匯總TADS探測站上傳的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，向國鐵集團、鐵路局集團及動車段的專業(yè)監(jiān)控、調(diào)度和管理等人員提供實時監(jiān)測功能。

通過系統(tǒng)綜合分析得出的動車組軸承故障報警信息，可在動車段（動車所）由運用檢修管理人員進行檢修計劃編制及復(fù)核任務(wù)下發(fā)，并經(jīng)地勤機械師復(fù)核、檢修后進行反饋回填，實現(xiàn)故障信息的閉環(huán)管理。

故障報警的復(fù)核檢修結(jié)果反饋至系統(tǒng)中，用于系統(tǒng)更新故障診斷模型、總結(jié)軸承故障規(guī)律、實現(xiàn)統(tǒng)計分析功能等。

2.4.2 功能設(shè)計

依據(jù)業(yè)務(wù)需求及相應(yīng)流程設(shè)計的應(yīng)用系統(tǒng)功能如圖7所示。

圖7 主要功能模塊設(shè)計圖

系統(tǒng)主要包括實時監(jiān)測、綜合分析、故障處置、統(tǒng)計分析及相關(guān)系統(tǒng)管理等功能模塊。其中，實時監(jiān)測模塊主要包括車組綜合監(jiān)測、報警綜合監(jiān)測、軸承信息追蹤、列車信息追蹤、報警信息追蹤等功能，為監(jiān)控及調(diào)度等管理人員提供動車組軸承狀態(tài)的實時狀態(tài)展示及快速追蹤查詢的能力；綜合分析模塊主要通過故障診斷分析功能為現(xiàn)場提供靈活可配的診斷模型框架，實現(xiàn)對動車組滾動軸承故障的綜合報警能力；故障處置模塊主要包括報警信息確認、復(fù)核檢修回填、軸承信息填報等功能，為運用管理及檢修維護人員提供動車組軸承故障報警全流程處置管理能力；統(tǒng)計分析模塊主要包括對過車、軸承、故障、運用情況、設(shè)備狀態(tài)等信息的統(tǒng)計分析功能，為業(yè)務(wù)主管人員提供管理支持能力；系統(tǒng)管理模塊主要包括數(shù)據(jù)接口處理、功能管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理等功能，為系統(tǒng)管理人員提供全面的信息化管理能力。

3 應(yīng)用系統(tǒng)實現(xiàn)

根據(jù)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計，研發(fā)了動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件主要包括國鐵集團、鐵路局集團、動車段、動車所四級應(yīng)用，其基本應(yīng)用組成如圖8所示。

圖8 應(yīng)用系統(tǒng)組成圖

其中，國鐵集團級應(yīng)用能夠進行全路數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測追蹤，實現(xiàn)故障報警綜合分析診斷，提供全路監(jiān)控信息查詢統(tǒng)計分析，可與外部信息系統(tǒng)進行信息共享；

鐵路局集團級應(yīng)用能夠?qū)崟r監(jiān)測管內(nèi)過車及故障報警信息，可配合進行現(xiàn)場處置，提供管內(nèi)監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計分析；

動車段及動車所級應(yīng)用能夠?qū)崟r監(jiān)測管內(nèi)過車及故障報警信息，可對故障報警信息開展復(fù)核檢修處理，能夠接收上級單位統(tǒng)計分析通報情況。

系統(tǒng)應(yīng)用中車組綜合監(jiān)測界面、報警信息確認界面、報警信息追蹤界面如圖9~圖11所示。

圖9 車組綜合監(jiān)測界面

圖11 報警信息追蹤界面

目前，系統(tǒng)已在國鐵集團鐵路主數(shù)據(jù)中心平臺部署上線，暫接入7個鐵路局所轄TADS設(shè)備16臺套，檢測覆蓋9條高鐵線路部分區(qū)段，試運行期間日均監(jiān)測動車組760余列次。

圖10 報警信息確認界面

4 小結(jié)

研究了動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測應(yīng)用技術(shù)，構(gòu)建了兩級部署、多級應(yīng)用的總體聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，提出了集中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入規(guī)范，設(shè)計了全流程閉環(huán)管理的監(jiān)測故障報警處置流程，實現(xiàn)了動車組滾動軸承故障的集中監(jiān)測、聯(lián)網(wǎng)診斷及綜合管理，為有效保障動車組運行安全提供了技術(shù)支持。后續(xù)的研究將集中于故障綜合診斷模型建立、業(yè)務(wù)邏輯優(yōu)化設(shè)計等方向。