地鐵列車在線監(jiān)測網絡化運維系統(tǒng)
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摘要:介紹了一種地鐵列車狀態(tài)在線監(jiān)測與網絡化運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過對車輛走行部(軸箱、齒輪箱、牽引電機等)工作狀態(tài)監(jiān)測及分析，同時通過TCMS系統(tǒng)獲取車輛各子系統(tǒng)(牽引、輔助、制動、車門等系統(tǒng))的工作狀態(tài)和故障信息，實現(xiàn)列車狀態(tài)在線監(jiān)測顯示預警并提供故障處置指導。
關鍵詞:列車在線監(jiān)測;車載感知系統(tǒng);車地無線傳輸;數(shù)據中心系統(tǒng)
引言
地鐵現(xiàn)已成為城市人口出行主要的交通工具，大客流量對列車的運營效率與運營安全指標要求較高［1］。我國城軌交通列車檢修模式主要有預防修和故障修，此2種模式不能實時掌握列車關鍵部件的健康狀態(tài)，同時又消耗了大量人力、物力，形成成本浪費［2，3］。基于此列車狀態(tài)在線監(jiān)測與網絡化運維系統(tǒng)可以很好的解決問題。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)全息化智能感知、全息化信息共享、全息化安全保障、全息化運維管理，并提供面向在線運營列車的安全狀態(tài)綜合監(jiān)測、故障隱患挖掘預警、網絡化維保和應急處置服務，使運營和維保人員隨時掌握運營列車的關鍵部件安全狀態(tài)、列車潛在故障隱患等信息。為列車在途事故的預防和基于運營狀態(tài)的維修提供基礎數(shù)據信息和維保方案。
1系統(tǒng)組成
列車狀態(tài)在線監(jiān)測與網絡化運維系統(tǒng)由在線監(jiān)測預警系統(tǒng)與地面數(shù)據中心組成，包括車載感知子系統(tǒng)、車地無線傳輸子系統(tǒng)、地面綜合應用子系統(tǒng)。本章將分別介紹系統(tǒng)架構及其功能。
1.1車載感知子系統(tǒng)
車載感知子系統(tǒng)包括車輛狀態(tài)智能提取診斷主機、無線傳輸系統(tǒng)、車載通信網關、數(shù)字化復合傳感器以及配套線纜。本子系統(tǒng)用于實現(xiàn)軸箱、齒輪箱、電機機械振動、沖擊和溫度狀態(tài)的采集和分析診斷，并通過MVB網絡(列車總線)接入TCMS系統(tǒng)［4］(列車控制與監(jiān)控系統(tǒng))中獲取牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等車輛子系統(tǒng)的工作參數(shù)和故障數(shù)據，這是國內既有線項目列車在線監(jiān)測系統(tǒng)所不具有的功能。數(shù)字化復合傳感器用于測量列車運行時軸箱、齒輪箱、電機轉子兩端軸承的振動、沖擊、溫度信號。車輛狀態(tài)智能提取診斷主機與數(shù)字化復合傳感器串聯(lián)通信組網，實現(xiàn)軸箱、齒輪箱、牽引電機振動、沖擊、溫度等狀態(tài)信息的接受與處理，實現(xiàn)車輛牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等車輛子系統(tǒng)的狀態(tài)信息接入與診斷。
1.2車地無線傳輸子系統(tǒng)
車地無線傳輸子系統(tǒng)包括車載通信網關、地面通信網關、寬頻帶組合天線和配套電纜，如圖1所示。通過車輛PIDS系統(tǒng)(乘客信息與視頻監(jiān)控系統(tǒng))的無線傳輸通道［5］(LTE)實現(xiàn)車載感知子系統(tǒng)與地面綜合應用子系統(tǒng)的無線數(shù)據傳輸功能，將列車監(jiān)測數(shù)據和故障信息實時、可靠的向地面維保生產管理子系統(tǒng)傳輸，以實現(xiàn)對在途列車的健康狀態(tài)實時監(jiān)測與診斷。
1.3地面綜合應用子系統(tǒng)
地面綜合應用子系統(tǒng)也稱為數(shù)據中心系統(tǒng)，采用服務器集群和B/S模式，分為后臺服務層、數(shù)據接入層、網絡傳輸層和業(yè)務終端4部分。系統(tǒng)的主要事務處理邏輯均是在服務器端實現(xiàn);客戶端用于可視化顯示及人機交互，不做業(yè)務邏輯處理，運維人員可以通過客戶端對系統(tǒng)進行訪問和應用。下面將分別介紹數(shù)據中心系統(tǒng)各個組成部分的功能原理。后臺服務層包含傳輸交換模塊、數(shù)據接入清洗模塊、數(shù)據存儲管理模塊、數(shù)據分析應用模塊、數(shù)據服務模塊等，是基于云服務平臺提供的虛擬資源服務器，用于實現(xiàn)數(shù)據管理、數(shù)據分析、數(shù)據服務、數(shù)據存儲和數(shù)據等功能。數(shù)據接入層包括PIDS無線網絡接入網關，用于實現(xiàn)車載檢測數(shù)據向數(shù)據中心的接入。網絡傳輸層分為接入傳輸網和系統(tǒng)傳輸網，接入傳輸網用于將車載檢測數(shù)據傳輸?shù)綌?shù)據接入層設備;系統(tǒng)傳輸網以光纖傳輸網絡為主，是數(shù)據接入層設備與后臺服務層設備間的傳輸網絡，實現(xiàn)數(shù)據交換與傳輸。業(yè)務終端包括車載在線監(jiān)測系統(tǒng)、運維操作終端等，是面向檢修人員可操作性的終端運維設備。
2系統(tǒng)工作流程
2.1關鍵子系統(tǒng)監(jiān)測
系統(tǒng)通過復合數(shù)字傳感器自行獲取牽引電機、齒輪箱、軸箱狀態(tài)參數(shù)進行監(jiān)測，通過TCMS系統(tǒng)來獲取車輛其他子系統(tǒng)數(shù)據來監(jiān)測診斷分析整個列車狀態(tài)。下面分別介紹各個子系統(tǒng)監(jiān)測的工作原理。1)牽引電機狀態(tài)監(jiān)測:牽引電機主要監(jiān)測部分為軸承狀態(tài)、轉子振動、電壓電流、轉速等。系統(tǒng)通過電機轉子兩端的復合傳感器采集電機工作時轉子和轉子軸承的振動、溫度狀態(tài)信息，并對采集的振動信息處理合成轉子軸心運動軌跡，識別轉子工頻2倍頻率的徑向振動頻率和幅度等頻域故障特征信息實現(xiàn)監(jiān)測;同時通過監(jiān)測三相電機實時電流實現(xiàn)對電機狀態(tài)的監(jiān)測并實現(xiàn)分級報警。2)齒輪箱狀態(tài)監(jiān)測:齒輪箱主要監(jiān)測部分為齒輪箱軸承、齒輪。通過齒輪箱大、小齒輪側的復合傳感器采集齒輪箱大小齒輪工作時的沖擊振動和溫度變化，并對采集的狀態(tài)信息進行時頻域分析。采用嚙合頻率及其諧波、振動信號的調制和邊帶分析等頻譜特征信息分析方法，實現(xiàn)對齒輪箱狀態(tài)的監(jiān)測和分級報警。3)軸箱狀態(tài)監(jiān)測:軸箱監(jiān)測部分主要是軸承沖擊、振動、溫度等。通過安裝布設在軸箱上的復合傳感器，采集并上傳軸箱軸承的溫度、振動、沖擊等信息。通過診斷分析系統(tǒng)，對采集到的數(shù)據進行綜合分析處理，得出診斷結論，并根據故障嚴重程度，提出不同級別的報警。4)其他車輛子系統(tǒng)監(jiān)測:其他車輛子系統(tǒng)(牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等)通過MVB列車總線將狀態(tài)和故障數(shù)據發(fā)送給VCM，VCM通過以太網連接到地面PIDS主機，地面PIDS主機將數(shù)據轉發(fā)至地面綜合應用中心，在地面進行診斷和分析，實現(xiàn)對各子系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測、故障隱患挖掘、維保決策和數(shù)據管理。
2.2傳感器組網
國內既有線項目列車在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器安裝位置為軌道旁，且需要配套專用的探測站與傳感器通信，系統(tǒng)無法對列車在整個上線運營時間內進行在線監(jiān)測，且系統(tǒng)維護成本高［8，9］。本系統(tǒng)優(yōu)勢在于傳感器安裝于列車所需監(jiān)測部位，且與列車車輛狀態(tài)智能提取診斷主機直接通信并通過LTE車地PIDS通道向地面發(fā)射監(jiān)測數(shù)據，保證系統(tǒng)可以在列車上線運營時間內保持全程監(jiān)測，保證了列車安全、高效的運營管理。本系統(tǒng)在軸箱、齒輪箱、牽引電機上布設的傳感器均為數(shù)字化設備，各傳感器采用專用100M以太網接口向車輛狀態(tài)智能提取診斷主機輸出采集到的振動、沖擊、溫度等狀態(tài)信息。同時通過在軸端轉速傳感器附近位置增設軸端轉速數(shù)字化轉換模塊，對軸端轉速傳感器的模擬信號進行數(shù)字化處理后再通過專用100M以太網接口向車輛狀態(tài)智能提取診斷主機輸出相應的轉速信息。在1個轉向架上的各傳感器，采用串聯(lián)方式連接，使用1根信號線將1個輪對上的軸箱、齒輪箱、牽引電機等部件上的各傳感器串接后連接至車輛狀態(tài)智能提取診斷主機，即1個轉向架上車2根信號線。
2.3車輛狀態(tài)智能提取診斷主機組網
不同車廂的車輛狀態(tài)智能提取診斷主機之間采用雙以太網線組網，各車載主機通過設備面板自有M12－8芯以太網口，互聯(lián)并組成環(huán)形網絡。貫車網線通過車端連接器方式過車，采用2根8芯1000M的以太網網線連接。
3系統(tǒng)應用
3.1數(shù)據管理功能
系統(tǒng)可接入并管理的數(shù)據類型和內容如下，并可按用戶系統(tǒng)進行擴展。1)基礎數(shù)據:人員信息、列車車輛信息、部件信息、線路信息、車站信息、故障信息、權限信息、修程修制信息等。2)運行基本信息:網壓、電流、車輛速度(最大允許速度、當前速度)、載荷、零速、運行方向、列車完整性、司機室激活、駕駛模式、牽引封鎖、網絡通道故障、降級或緊急牽引模式。3)TCMS基本信息:牽引故障、牽引失效、常用制動故障、常用制動失效、緊急制動故障、緊急制動失效、緊急制動施加、運行工況(惰行、牽引、制動)、空轉與滑行、牽引力(包括牽引指令，牽引力)、常用制動(包括常用制動指令，常用制動力)、緊急制動(包括緊急制動指令，緊急制動力)、電制動信號(包括電制動力指令、電制動力退出指令，電制動力)、輔助逆變器三相不平衡、保壓制動信號(包括施加、緩解指令，制動級位)、牽引網壓輸入信號、支撐電容電壓信號、牽引電流、制動電流、主風壓力信號、制動缸壓力信號等。4)走行部監(jiān)測數(shù)據:監(jiān)測軸承、齒輪箱、牽引電機的振動、沖擊、溫度信息以及電機的電流信息。5)狀態(tài)分析過程及結果數(shù)據:部件履歷信息、維修過程數(shù)據、維修結果信息、運行狀態(tài)跟蹤數(shù)據、部件狀態(tài)跟蹤數(shù)據、部件狀態(tài)分析數(shù)據、部件狀態(tài)統(tǒng)計數(shù)據等。
3.2人機交互界面功能
1)GIS地圖監(jiān)測:覆蓋線路軌道監(jiān)測告警、運行圖監(jiān)測、設備自檢、整車狀態(tài)監(jiān)測功能。2)車輛在途故障預測與健康管理(PHM):覆蓋列車走行部的軸箱、齒輪箱、牽引電機監(jiān)測告警與健康管理(壽命預測、歷史趨勢分析);覆蓋從TCMS中獲取的牽引、制動、輔助、車門系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測告警與健康管理。可從線路維度及單個列車的構成樹維度對上述對象的監(jiān)測告警狀態(tài)和綜合健康進行呈現(xiàn)。3)車輛運維大數(shù)據管理及RAMS應用:該模塊主要實現(xiàn)車輛故障維修數(shù)據管理、車輛關鍵系統(tǒng)運維數(shù)據管理、普查/改造臨時性運維數(shù)據管理、車輛最小可更換單元管理、運維數(shù)據挖掘及RAMS應用。本模塊可實現(xiàn)運維作業(yè)流程、生產數(shù)據產生及審核的標準化，確保運維數(shù)據及時、真實、有效;嚴格故障管理與跟蹤關閉流程，為列車健康狀態(tài)管理提供有效的大數(shù)據支撐。4)生產運作及安全管理:該模塊主要實現(xiàn)列車運行公里數(shù)管理、列車洗車周期管理、工器具使用管理、滅火器/消防用品管理、特殊工種及特殊設備管理、安全學習及整改事項管理。5)全服役周期技術管理:該模塊目前暫定實現(xiàn)技術通知單、技術總結、技術文本共享3個功能，用于對車輛運維過程的相關的技術文件、技術報告等進行管理和知識共享，構建車輛運維技術信息平臺，為車輛運維輔助決策專家?guī)斓於ɑA。
4結語
與國內既有線項目相比，該系統(tǒng)可以實時監(jiān)測車輛走行部(軸箱、齒輪箱、牽引電機等)工作狀態(tài)，同時可以通過TCMS系統(tǒng)獲取車輛各子系統(tǒng)(牽引、輔助、制動、車門等系統(tǒng))的工作狀態(tài)和故障信息。該系統(tǒng)為運維人員建立了完整的列車信息庫，進行了列車全生命周期狀態(tài)監(jiān)測和記錄，并實現(xiàn)了列車的健康管理、車間檢修管理，保證了列車安全、高效的運營管理。
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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有限公司
