大數(shù)據(jù)地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的分析

龔 偉

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

大數(shù)據(jù)是指在可承受的時(shí)間范圍內(nèi)無法用常規(guī)軟件工具進(jìn)行捕捉、管理和處理的海量、高增長(zhǎng)率和多樣化數(shù)據(jù)集合，在大數(shù)據(jù)背景下，需要新處理模式，才能具有更強(qiáng)的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力[1]。

大數(shù)據(jù)是故障診斷技術(shù)與技術(shù)支持服務(wù)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵[2]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)應(yīng)用的深入，對(duì)行駛中車輛的牽引系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程診斷與技術(shù)支持服務(wù)，可以實(shí)時(shí)分析車輛牽引系統(tǒng)的故障。

此外，可以融合移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，集成更多的應(yīng)用和服務(wù)，將各個(gè)車輛段所有車輛的信息集成在一個(gè)平臺(tái)上，維修資料和專家?guī)鞓?gòu)建于一體，共享各個(gè)車輛段所有車輛維修信息，在線交流車輛維修的經(jīng)驗(yàn)，并提供專家?guī)斓姆?wù)支持。

1 現(xiàn)狀分析

牽引系統(tǒng)故障診斷是指在系統(tǒng)部件不分解的前提下，檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，確定故障發(fā)生的部位和引發(fā)故障的原因。

車輛故障診斷系統(tǒng)有兩種。一種是車外診斷系統(tǒng)，通過一些檢測(cè)儀器來判斷故障，包括應(yīng)用測(cè)試臺(tái)來模擬故障，從而找出故障的原因。由于故障現(xiàn)象具有隨機(jī)性，應(yīng)用車外診斷系統(tǒng)方法所花的時(shí)間較長(zhǎng)，捕捉故障現(xiàn)象的難度大。另一種是車載診斷系統(tǒng)。目前車輛牽引系統(tǒng)都安裝了參數(shù)記錄儀，實(shí)時(shí)記錄車輛運(yùn)行時(shí)輸入輸出的電壓電流、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行溫升等參數(shù)，但這些參數(shù)是離散的，在司機(jī)操作臺(tái)上只有一些簡(jiǎn)單的參數(shù)顯示，一旦發(fā)生故障，也只能對(duì)一些故障進(jìn)行提示，不具備故障分析功能。

目前這兩種系統(tǒng)均無法對(duì)潛在的故障進(jìn)行及時(shí)預(yù)報(bào)和處理，給車輛的運(yùn)行安全帶來隱患。

2 應(yīng)用大數(shù)據(jù)對(duì)故障進(jìn)行分析

為了能及時(shí)維護(hù)診斷地鐵車輛，確保車輛運(yùn)行安全，可以采用大數(shù)據(jù)技術(shù)來分析和診斷牽引故障。故障診斷系統(tǒng)按監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、車載設(shè)備層及維修中心層進(jìn)行配置[3]，整個(gè)系統(tǒng)分為監(jiān)控中心層、車輛段分系統(tǒng)和車載級(jí)分系統(tǒng)三大部分，如圖1所示。

圖1 大數(shù)據(jù)地鐵車輛牽引故障診斷系統(tǒng)示意圖

在故障診斷系統(tǒng)中，還引入牽引系統(tǒng)專家?guī)旄拍?。專家?guī)焓欠治龉收显?、及時(shí)修復(fù)故障的重要手段，是系統(tǒng)故障處理長(zhǎng)期實(shí)踐積累與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，集在線智能故障預(yù)處理、故障預(yù)報(bào)、故障定位、故障隔離及故障處理為一體[4]。故障診斷系統(tǒng)基本功能如下。

(1) 設(shè)計(jì)階段形成的圖紙文件、故障模式影響和危害性分析(FEMCA)表和部件可靠性預(yù)計(jì)結(jié)果，以及后續(xù)型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)變更記錄等，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立系統(tǒng)知識(shí)庫(kù)。

(2) 積累大量故障處理信息庫(kù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立故障征兆庫(kù)、故障處理模式庫(kù)。

(3) 建立故障分析鏈，應(yīng)用人機(jī)對(duì)話輸入相關(guān)信息來協(xié)助維修人員精準(zhǔn)判斷故障產(chǎn)生的原因及應(yīng)急處理的手段。

2.1 監(jiān)控中心層

監(jiān)控中心層主要收集各車輛段所有車輛的故障信息，從整體上分析故障產(chǎn)生的原因，為應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。

監(jiān)控中心層實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心與車輛段分系統(tǒng)之間故障診斷的信息溝通和資源共享，并實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)的聯(lián)動(dòng)功能，以提高運(yùn)行水平，降低維護(hù)成本，同時(shí)為突發(fā)事件的應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。

圖2匯集了各車輛段所有車輛的里程數(shù)，通過圖2可知，66%的車輛運(yùn)行未到500000km，還處于正常運(yùn)行階段，6%的車輛馬上要進(jìn)入500000km大修階段，為用戶日常運(yùn)行安排提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 車輛里程數(shù)統(tǒng)計(jì)

圖3匯集了各車輛段在1年內(nèi)同一牽引系統(tǒng)的車輛故障統(tǒng)計(jì)，從圖3可以看出，牽引系統(tǒng)故障集中表現(xiàn)在中央控制裝置、速度傳感器和數(shù)據(jù)插頭，提醒維修人員在下一步工作集中調(diào)查分析，并利用專家?guī)煨畔?，最終找到問題的根源和解決的方法，進(jìn)而根治這些問題。調(diào)查分析的信息也可以輸入系統(tǒng)，豐富專家?guī)臁?/p>

圖3 車輛故障統(tǒng)計(jì)

圖4 系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時(shí)間

圖4記錄了3年內(nèi)各車輛段同一牽引系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時(shí)間，平均無故障運(yùn)行時(shí)間指相鄰兩次故障之間的平均工作時(shí)間，反映了產(chǎn)品的時(shí)間質(zhì)量，是產(chǎn)品在規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持功能的一種體現(xiàn)[5]。圖4顯示了牽引系統(tǒng)的可靠性在得到明顯改善，說明前期的故障根源已找到，正向著好的方向發(fā)展。圖中，VMD為直流電壓傳感器，SUP為輔助逆變器控制器。

2.2 車輛段分系統(tǒng)

車輛段分系統(tǒng)主要由接入裝置、路由器、局域網(wǎng)開關(guān)、以太網(wǎng)開關(guān)和服務(wù)器等組成，如圖5所示。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)本車輛段所有車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集分析、評(píng)估及維修組織等工作，主要功能： 接收遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)故障信息并進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷、知識(shí)庫(kù)維護(hù)與管理、故障統(tǒng)計(jì)分析和評(píng)估等。

對(duì)車輛歷史故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別從故障發(fā)生的時(shí)間和部位等不同角度應(yīng)用大數(shù)據(jù)原理進(jìn)行分析，使維護(hù)管理人員更好地掌握列車各系統(tǒng)的狀態(tài)和工作情況，同時(shí)也為日修、周修、月修提供了維修方向。

圖5 車輛段分系統(tǒng)示意圖

基于車輛運(yùn)行的特點(diǎn)及投資維護(hù)成本，接收裝置設(shè)置可以有三種方案。

(1) 與信號(hào)系統(tǒng)相同，沿途鋪設(shè)接收裝置做到全覆蓋，優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)交換，缺點(diǎn)是投資和維護(hù)成本很高。

(2) 在每個(gè)車輛段車庫(kù)內(nèi)安裝接收裝置，在車輛回庫(kù)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，優(yōu)點(diǎn)是投資維護(hù)成本較低，缺點(diǎn)是無法在運(yùn)行時(shí)了解車輛運(yùn)行狀態(tài)和故障記錄。這一方案中，數(shù)據(jù)下載由人工下載改為無線保真網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)下載。

(3) 在線路上每個(gè)車站安裝接收裝置，利用中間停車上下客的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，雖不能做到實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)，但也能夠及時(shí)了解車輛運(yùn)行狀態(tài)和故障記錄，投資運(yùn)行成本也不是很高。

優(yōu)選第三種方案，在每個(gè)車站安裝天線、路由器、終端、服務(wù)器和以太網(wǎng)交換器等，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在服務(wù)器中，同時(shí)可以通過無線網(wǎng)發(fā)送至車輛段診斷分中心。車輛段診斷分中心匯集該條線所有車輛的故障數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)和處理，并為監(jiān)控中心層提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 車載級(jí)分系統(tǒng)

車載級(jí)分系統(tǒng)配置有32位處理器的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有故障信息采集、傳輸、預(yù)處理及簡(jiǎn)單診斷與應(yīng)急處理功能。

車載級(jí)分系統(tǒng)的控制功能如下。

(1) 具有對(duì)牽引、制動(dòng)等設(shè)備涉及運(yùn)行安全的故障快速而有效處理的功能，處理時(shí)必須保證人員的安全、設(shè)備的完整性，以及車輛的有效性。地面監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)提供技術(shù)支持。

(2) 具有對(duì)空調(diào)、廣播等設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行管理的功能，這些設(shè)備的故障情況和等級(jí)不會(huì)影響乘客和設(shè)備的安全,因此故障信息可及時(shí)發(fā)回地面，待車輛回檢修庫(kù)后及時(shí)處理。

(3) 具有維護(hù)和輔助診斷的初級(jí)功能，可以提示操作司機(jī)應(yīng)注意的事項(xiàng)并進(jìn)行一些簡(jiǎn)單故障的排除。

(4) 系統(tǒng)能夠支持多種類型的報(bào)警，可以根據(jù)每條報(bào)警的條件和級(jí)別決定處理的先后順序，并可以提供每條報(bào)警記錄的摘要信息。報(bào)警摘要信息包括列車編號(hào)、車輛編號(hào)、設(shè)備名稱、報(bào)警描述、報(bào)警發(fā)生日期和時(shí)間、報(bào)警狀態(tài)、報(bào)警恢復(fù)時(shí)間等。

(5) 具有故障信息定期遠(yuǎn)程發(fā)送功能。

(6) 具有維修申請(qǐng)功能，能夠向車輛段診斷中心提出維修申請(qǐng)。

車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理和傳輸由輔助控制單元、控制推進(jìn)器、信息顯示系統(tǒng)、主控制單元和無線網(wǎng)路由器組成，收集各子系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)和故障記錄，通過內(nèi)部嵌入式以太網(wǎng)和無線網(wǎng)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面。數(shù)據(jù)維護(hù)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)是兩個(gè)完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，相互不受影響，可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

車載級(jí)分系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)處理基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫(kù)，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、最低冗余度、程序與數(shù)據(jù)獨(dú)立性高、易于擴(kuò)充、易于編制應(yīng)用程序等優(yōu)點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)將采集的數(shù)據(jù)、中間計(jì)算的結(jié)果等進(jìn)行存儲(chǔ)，再有效及時(shí)地處理數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)[6]。

文件以純文本形式存儲(chǔ)表格數(shù)據(jù)，生成CSV文件。如果在計(jì)算機(jī)上安裝了Microsoft Office Excel，那么CVS文件可以默認(rèn)被Excel打開[7],數(shù)據(jù)處理較為方便。

在司機(jī)室操作臺(tái)裝有液晶顯示屏,一些重要的故障和列車狀態(tài)信息會(huì)在屏幕上進(jìn)行顯示。

3 牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展

隨著電子技術(shù)、人工智能技術(shù)、智能傳感器技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)日益成熟，一些國(guó)家出現(xiàn)了集檢測(cè)控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、診斷結(jié)果于一體的現(xiàn)代診斷技術(shù)。地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)正朝著智能化、自動(dòng)化、精確化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[8]。

3.1 故障分析智能化

專家系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)并應(yīng)用于實(shí)踐，可以擴(kuò)大診斷范圍。如系統(tǒng)顯示牽引電動(dòng)機(jī)過電流，則可通過專家系統(tǒng)分析過電流的原因，找出問題根源，為維修人員帶來很大幫助。

3.2 故障檢測(cè)自動(dòng)化

隨著機(jī)電一體化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，大量非接觸式傳感器得到應(yīng)用，可采集更多的數(shù)據(jù)，因此能更加精準(zhǔn)反映故障的本質(zhì)。

3.3 故障結(jié)果精準(zhǔn)化

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合故障樹技術(shù)[9]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析方法[10]，可以大大提高故障診斷的精確性。如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)具有較好的容錯(cuò)性，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模并行處理，在信息獲取、并行處理方面具有很大優(yōu)勢(shì)，結(jié)果也更為精確。

3.4 故障信息網(wǎng)絡(luò)化

在發(fā)生故障時(shí)，由于專業(yè)維修人員對(duì)各種車型技術(shù)的掌握有限，給快速高效維修帶來一定制約。故障信息網(wǎng)絡(luò)化突破了信息傳遞在空間、時(shí)間、容量和速度上的局限性，實(shí)現(xiàn)了資源共享，而且能在線得到專家的交流指導(dǎo)。

雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)在地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用還處在起步階段，很多理論和實(shí)踐還有待于進(jìn)一步研究，但未來的發(fā)展與應(yīng)用前景是非常廣闊的。

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益發(fā)展，車輛故障診斷技術(shù)越來越受到用戶的重視。為了提高地鐵車輛運(yùn)行的可靠性，針對(duì)地鐵車輛牽引故障診斷系統(tǒng)提出了總體設(shè)計(jì)方案，這一方案不僅可以應(yīng)用于車輛牽引系統(tǒng)，而且可以覆蓋車輛中的所有應(yīng)用系統(tǒng)，如制動(dòng)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等，使車輛運(yùn)行更加安全可靠。

當(dāng)然，筆者所述方案還存在不足，如現(xiàn)有數(shù)據(jù)未達(dá)到大數(shù)據(jù)全面覆蓋故障診斷與技術(shù)服務(wù)的目標(biāo)，還處在數(shù)據(jù)加工、整合和規(guī)范的階段，未來的發(fā)展還有諸多瓶頸，需要不斷跨越。

[1] 齊鳴，王祥.漸行漸近的大數(shù)據(jù)[J].質(zhì)量與認(rèn)證，2015(4)： 21-23.

[2] 鄭麗斐.解析： 大數(shù)據(jù)汽車電子故障遠(yuǎn)程在線診斷技術(shù)的應(yīng)用[J].價(jià)值工程，2014(11)： 212-214.

[3] 呂文軍.地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)分析研究[J].中國(guó)科技博覽，2015(41)： 81-81.

[4] 張乳燕.地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)及系統(tǒng)的研究[D].北京： 北京交通大學(xué)，2009.

[5] 陳鵬.平均無故障時(shí)間(MTBF)的概述與應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2012，30(S1)： 272-276.

[6] 陳捷.文檔型數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的比較[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006，21(4)： 98-100.

[7] 李旭，馬力.VB6在CSV文件格式處理中的應(yīng)用研究[J].信息技術(shù),2009(7)： 26-28，31.

[8] 王瑞紅，劉昊東.現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)故障診斷技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)分析[J].商情，2012(31)： 209-210.

[9] 張東斌.基于VC的大型故障樹分析軟件研究[D].天津： 河北工業(yè)大學(xué)，2005.

[10] 邱浩,王道波,張煥春.控制系統(tǒng)的故障診斷方法綜述[J].航天控制，2004，22(2)： 53-56.