動車組轉(zhuǎn)向架智能監(jiān)控分析平臺研究

于　闖　高明亮　邵俊捷　孔　風

（中車長春軌道客車股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，工程師）

隨著我國國民經(jīng)濟持續(xù)快速增長，工業(yè)化、市場化、城鎮(zhèn)化的進程加快，鐵路運輸需求量不斷增加，軌道交通裝備故障處理與維修工作的重要性也日益凸顯。目前，鐵路動車組轉(zhuǎn)向架的維修模式正逐步由傳統(tǒng)的“計劃維修”向“狀態(tài)維修”轉(zhuǎn)化?，F(xiàn)行的維修策略是：以預防維修為前提，逐步實現(xiàn)狀態(tài)維修、換件維修和主要部件的集中維修。實現(xiàn)維修模式的轉(zhuǎn)化關(guān)鍵是在轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件性能退化規(guī)律的基礎上，對其健康狀態(tài)及故障進行有效的趨勢分析和預測，充分利用零部件的有效工作壽命，保證較高的無故障工作時間，避免“計劃維修”的維修不足和維修過剩的缺點，降低產(chǎn)品在線故障率和維護成本，提高產(chǎn)品可用性和安全性。

轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵系統(tǒng)智能監(jiān)控與分析平臺bogie intelligent monitoring and analysis platform（BIMA）是綜合利用現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的最新研究成果而提出的一種狀態(tài)管理工具，也是一種預測系統(tǒng)故障可能性并及時采取適當維護措施（視情維修）的手段，一般具備故障檢測、故障診斷、故障預測，以及健康管理和部件壽命追蹤等功能。目前，BIMA的研究及應用大部分集中在故障診斷與專家支持系統(tǒng)層面。通過轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵系統(tǒng)監(jiān)控與分析技術(shù)在轉(zhuǎn)向架上的運用，可有效降低車輛故障率、降低企業(yè)運維成本、提升企業(yè)快速響應能力、提升狀態(tài)檢修能力，以及增加企業(yè)服務型收益占比。

1　BIMA功能

BIMA利用人工智能技術(shù)、多參數(shù)融合診斷、大數(shù)據(jù)管理分析、轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)故障機理分析、網(wǎng)絡信息傳輸?shù)燃夹g(shù)手段，在不影響轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)功能的前提下，通過增加傳感器等硬件設備，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)智能化的故障預測與健康管理。動車組BIMA的總體框圖如圖1所示，主要由轉(zhuǎn)向架車載BIMA系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架地面感知系統(tǒng)、車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架地面BIMA系統(tǒng)等部分組成。

1.1　轉(zhuǎn)向架車載BIMA系統(tǒng)

圖1　動車組BIMA系統(tǒng)總體架構(gòu)

采用分布式結(jié)構(gòu)，感知從轉(zhuǎn)向架零部件級到系統(tǒng)級的相關(guān)信息，完成實時數(shù)據(jù)融合、整理、特征提取及存儲等工作。根據(jù)處理后的轉(zhuǎn)向架狀態(tài)特征，轉(zhuǎn)向架車載BIMA系統(tǒng)基于車載智能鏡像模型，實現(xiàn)對列車狀態(tài)的透明化管理與分析，包括故障診斷、故障預警、健康評估、性能預測和智能決策，并將診斷結(jié)果、評估結(jié)果、預測結(jié)果和決策信息反饋到轉(zhuǎn)向架地面BIMA系統(tǒng)。

1.2　轉(zhuǎn)向架地面感知系統(tǒng)

轉(zhuǎn)向架地面感知系統(tǒng)感知地面設施、部分車輛系統(tǒng)或部件、環(huán)境氣候等信息，整合安全監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)，向轉(zhuǎn)向架地面BIMA系統(tǒng)發(fā)送信息。

1.3　車地數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送器（ERM）在動車組頭車和尾車各配置1個。ERM通過多功能車輛總線（MVB）接口連接到列車總線。從MVB獲取列車實時狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)，頭車和尾車ERM的3G/4G/WIFI板卡分別通過饋線與放置于各自車頂?shù)能囕d天線相連接，實現(xiàn)正線數(shù)據(jù)實時上傳。

1.4　轉(zhuǎn)向架地面BIMA系統(tǒng)

該系統(tǒng)接收來自轉(zhuǎn)向架車載BIMA系統(tǒng)和地面感知系統(tǒng)的實時及非實時數(shù)據(jù)、日常檢修及高級修等運維數(shù)據(jù)，以及工廠內(nèi)部的制造和設計數(shù)據(jù)、人工錄入數(shù)據(jù)、仿真試驗數(shù)據(jù)。對以上數(shù)據(jù)進行整理、轉(zhuǎn)換、存儲之后，基于已構(gòu)建的地面智能鏡像模型，按照不同的流程對實時數(shù)據(jù)流進行處理，實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)集群到關(guān)鍵零部件集群的故障預測與健康管理。同時，利用認知計算和大數(shù)據(jù)挖掘等智能算法對非實時數(shù)據(jù)進行知識挖掘，優(yōu)化智能鏡像模型性能。轉(zhuǎn)向架地面BIMA系統(tǒng)的應用平臺則基于上述分析結(jié)果對轉(zhuǎn)向架進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障分析、故障預警、故障預測、健康評估、運維決策等工作，并向用戶和主機廠/制造商進行信息推送。

2　故障分析與狀態(tài)監(jiān)測

2.1　確定研究對象

通過對HXD2系列、HXN3系列、HXD3系列機車，以及 CRH1系列、CRH2系列、CRH3系列、CRH5系列動車組的轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)在線故障統(tǒng)計，得到轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件故障分布狀況，如表1所示。

由表1可知，隨著軌道車輛硬件技術(shù)的升級和維保質(zhì)量的提高，轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件故障頻次有所降低，但每年的故障次數(shù)依然較高。如何實現(xiàn)零故障以及故障的提前預測、健康診斷是研究的關(guān)鍵。因此，本文選取轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)發(fā)生頻次較高的關(guān)鍵部件（輪對、軸箱裝置、齒輪箱、牽引電機、懸掛裝置）作為研究對象，對其進行故障分析，以期實現(xiàn)提前預警和隱患排除，從而提高產(chǎn)品的使用可靠性和安全性。

2.2　輪對及軸箱裝置

軸箱裝置作為動車組轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)的重要支承部件，將輪對和構(gòu)架連接在一起，起著承載、減磨、降阻的作用，其運轉(zhuǎn)狀況、動力學性能及使用壽命對動車組安全穩(wěn)定高效地運行有著至關(guān)重要的影響。

表1　轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵零部件故障統(tǒng)計表

輪對是車輛重要的走行部件，是保證動車組能夠快速、安全運輸?shù)年P(guān)鍵因素。車輪外形出現(xiàn)不同形式的磨耗，會導致列車運行時振動異常、噪聲增大，影響列車運行的平穩(wěn)性，降低乘車舒適度。在轉(zhuǎn)向架軸箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對軸箱軸承、輪對結(jié)構(gòu)損傷的故障診斷與健康預測。

2.3　齒輪箱及牽引電機

動車組在行進過程中，牽引電機的性能直接影響列車的動力品質(zhì)和能耗。牽引電機由于布置在車輛底部，其工作環(huán)境惡劣，負載變換頻繁。齒輪箱作為重要的傳動裝置，其安全穩(wěn)定性直接影響動車組的運行可靠性。其結(jié)構(gòu)復雜，運行條件比較惡劣。在轉(zhuǎn)向架齒輪箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對齒輪箱軸承、齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷與健康預測。

2.4　懸掛裝置

減振和隔振裝置主要由各型減振器和空氣彈簧組成，安裝于車輛的懸掛系統(tǒng)中。在構(gòu)架和部分車體上安裝診斷加速度傳感器，可實現(xiàn)對車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及振動傳遞和耦合關(guān)系的診斷與預測（見圖2）。

圖2　動車組BIMA系統(tǒng)傳感器布置

基于采集到的溫度及振動加速度原始數(shù)據(jù)，并經(jīng)過濾波等預處理后，采用時域、頻域、時頻域以及現(xiàn)代信號分析手段，通過對提取軸承故障和健康狀態(tài)特征參數(shù)（包絡譜、奇異指數(shù)、溫升等）、輪對結(jié)構(gòu)損傷和健康狀態(tài)特征參數(shù)（特征頻率、沖擊幅值等）、齒輪傳動系統(tǒng)故障和健康狀態(tài)特征參數(shù)（嚙合頻率、諧波特征等）、整車穩(wěn)定性和平穩(wěn)性指標、車輛振動傳遞和耦合指標等，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)向架系統(tǒng)關(guān)鍵部件的實時故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測。

3　BIMA實施方案

3.1　數(shù)據(jù)采集和輸入

轉(zhuǎn)向架車載BIMA系統(tǒng)及監(jiān)測方案以車輛安全性和穩(wěn)定性為監(jiān)控重點，盡可能利用較少的感知設備獲取必要的監(jiān)測信息。即：在對車輛運用和維修的實際狀況基礎上，合理地選擇和優(yōu)化研究對象、測點位置、技術(shù)參數(shù)和安裝方式。在轉(zhuǎn)向架軸箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對軸箱軸承、輪對結(jié)構(gòu)損傷的故障診斷與健康預測；在齒輪箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對齒輪箱軸承、齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷與健康預測；在構(gòu)架和車體上安裝診斷加速度傳感器，實現(xiàn)對車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及振動傳遞和耦合關(guān)系的診斷與預測。轉(zhuǎn)向架車載BIMA系統(tǒng)安裝方案如表2和表3所示。

表2　車載BIMA安裝方案

表3　BIMA傳感器類型及用途

3.2　數(shù)據(jù)傳輸

由于衛(wèi)星通信的總體費用較高，因此利用2G/3G/4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)實時傳輸是一種有效可行的辦法。由于目前3G/4G網(wǎng)絡還沒有實現(xiàn)全覆蓋，因此，在沒有4G信號的地方，系統(tǒng)將自動切換到3G網(wǎng)絡模式。如果3G網(wǎng)絡也沒有信號，系統(tǒng)將自動切換到2G網(wǎng)絡模式，以保證系統(tǒng)與地面BIMA系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。

BIMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理單元可完成參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)計算等功能，并將計算結(jié)果與內(nèi)部特征信息數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行對比，生成故障信息記錄并存儲，通過數(shù)據(jù)存儲模塊實現(xiàn)與整車車載BIMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)處理單元同時具備參數(shù)設置和在線升級功能。車載預警診斷軟件集成于車載硬件單元，可實現(xiàn)在線預警診斷，具備系統(tǒng)參數(shù)設置及在線特征量的實時計算、分析、預警、診斷、存儲等功能。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3.3　服務器配置

基于BIMA工作需求，配置9臺服務器，其中應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器部署在內(nèi)網(wǎng)并可以采用虛機實現(xiàn)。另外，需單獨配置一臺接口服務器用于內(nèi)外網(wǎng)數(shù)據(jù)交換。BIMA分流服務器配置如表4所示。

3.4　軟件功能實現(xiàn)

3.4.1狀態(tài)顯示

實時狀態(tài)顯示：軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機運行實時數(shù)據(jù)顯示，包括電機軸承溫度、振動狀態(tài)、軸箱軸承溫度以及電機運行總時間。

圖3　動車組BIMA數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖

表4　BIMA服務器配置

歷史數(shù)據(jù)顯示：符合過濾條件、在某一歷史時間段的軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機狀態(tài)的顯示。

數(shù)據(jù)對比：符合過濾條件的軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機的數(shù)據(jù)對比。

3.4.2故障預報

故障信息顯示：包括故障發(fā)生時間、車號、電機編號、故障狀態(tài)等信息。

故障閾值設置：管理員根據(jù)平臺自完善功能推薦值，對判斷閾值進行更新設置。

3.4.3故障診斷

診斷及結(jié)果輸出：顯示平臺根據(jù)專家?guī)旖o出的故障診斷結(jié)果及處理建議。

專家遠程診斷：列出所有的專家信息，并根據(jù)故障報警信息自動給出推薦人選。

故障信息導入、故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）系統(tǒng)：羅列出新發(fā)生的報警故障，由FRACAS系統(tǒng)錄入人員確定發(fā)起故障處理流程。

故障處理庫更新：根據(jù)歷史故障處理結(jié)果，更新平臺中故障處理意見。

3.4.4故障統(tǒng)計

運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計：根據(jù)過濾條件，對軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

檢修數(shù)據(jù)統(tǒng)計：根據(jù)過濾條件，對軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機檢修數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計：根據(jù)過濾條件，可計算軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機平均故障間隔時間（MTBF）、故障率（λ）及平均故障修理時間（MTTR）等可靠性參數(shù)。

3.4.5狀態(tài)評估

單臺狀態(tài)評估：根據(jù)軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機特征量的檢測值，與專家?guī)熘虚撝当容^，對轉(zhuǎn)向架健康狀態(tài)進行評估，包括檢修前和檢修后狀態(tài)。

狀態(tài)對比：符合過濾條件的牽引電機數(shù)據(jù)對比。

3.4.6壽命預測

健康趨勢：顯示所選轉(zhuǎn)向架歷次健康評估結(jié)果，得到健康狀態(tài)趨勢圖。

壽命預測：根據(jù)特征量檢測結(jié)果及健康趨勢圖，與壽命衰退曲線對比，預測部件剩余壽命。

3.4.7運維決策

修程推薦：根據(jù)構(gòu)架、齒輪箱、牽引電機、懸掛系統(tǒng)的狀態(tài)評估、平穩(wěn)性以及壽命預測結(jié)果，由轉(zhuǎn)向架專家給出推薦修程。

BIMA系統(tǒng)可以支持各類用戶所使用的終端經(jīng)過企業(yè)應用網(wǎng)關(guān)訪問監(jiān)控系統(tǒng)的各類應用。監(jiān)控系統(tǒng)應用服務器和數(shù)據(jù)庫服務器通過核心交換機與大數(shù)據(jù)服務器相連接，對狀態(tài)和故障數(shù)據(jù)進行監(jiān)控，對故障數(shù)據(jù)進行分析和匯總。BIMA系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務器采用集群方式支持水平容量擴展。

3.5　數(shù)據(jù)應用

車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)實時地通過車地傳輸裝置經(jīng)2G/3G/4G網(wǎng)絡傳輸方式傳送到轉(zhuǎn)向架地面BIMA系統(tǒng)，BIMA對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)整理、分析和處理后形成應用展示圖。圖4為BIMA系統(tǒng)軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機的溫度狀態(tài)顯示，圖5為BIMA系統(tǒng)平穩(wěn)性狀態(tài)顯示圖。

圖4　動車組BIMA溫度狀態(tài)顯示

圖5　動車組BIMA平穩(wěn)性狀態(tài)顯示

4　結(jié)語

本文所研究的BIMA系統(tǒng)僅僅實現(xiàn)了故障診斷與分析的部分功能，后續(xù)還需要進行深入的研究，使BIMA系統(tǒng)能夠應用到軌道交通車輛其他子系統(tǒng)和部件之中，以及整車性能分析上。

BIMA系統(tǒng)正式啟用后，需要進行性能測試和準確性評估。由于我國尚沒有制定出軌道交通車輛健康預測與故障管理規(guī)范標準，因此，通過國內(nèi)軌道車輛BIMA系統(tǒng)的使用情況，可為制定符合我國國情的軌道車輛轉(zhuǎn)向架數(shù)據(jù)采集、傳輸、故障診斷、狀態(tài)評估、壽命預測等標準提供數(shù)據(jù)支持。

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