城市軌道交通智能運(yùn)維系統(tǒng)工程應(yīng)用研究

葉鵬君 劉東宇 吳 濤

(天津軌道交通運(yùn)營(yíng)集團(tuán)有限公司 天津 300350)

智能運(yùn)維是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種軌道交通運(yùn)維模式，憑借其對(duì)軌道交通車(chē)輛安全性、可靠性和運(yùn)營(yíng)效率的巨大提升作用，受到越來(lái)越多地鐵運(yùn)營(yíng)公司的重視。當(dāng)下，智能運(yùn)維系統(tǒng)在傳統(tǒng)車(chē)輛運(yùn)維檢修的基礎(chǔ)上，融合了車(chē)載傳感技術(shù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、4G/5G先進(jìn)傳輸技術(shù)和智能軌道檢測(cè)技術(shù)等新興技術(shù)，配合著大數(shù)據(jù)分析決策和人工智能分析，在智能感知車(chē)輛關(guān)鍵系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、車(chē)輛輪對(duì)參數(shù)檢測(cè)、自動(dòng)識(shí)別預(yù)警等領(lǐng)域開(kāi)始發(fā)揮重要作用，成為地鐵運(yùn)營(yíng)公司實(shí)現(xiàn)車(chē)輛健康狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)手段[1-3]。

目前國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的智能運(yùn)維系統(tǒng)多基于車(chē)輛或某一關(guān)鍵系統(tǒng)展開(kāi)，同時(shí)涵蓋了車(chē)輛運(yùn)行和檢修維護(hù)全過(guò)程的較少。本文基于天津地鐵一號(hào)線東延新造車(chē)輛，從實(shí)際工程的角度出發(fā)，介紹了一種同時(shí)基于車(chē)輛運(yùn)行和地面檢修維護(hù)的城市軌道交通智能運(yùn)維系統(tǒng)，系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)層如圖1所示。

圖1 車(chē)地智能運(yùn)維系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)層

1 技術(shù)原理

該智能運(yùn)維系統(tǒng)總體方案構(gòu)架框圖如圖2所示。采用現(xiàn)有控制、通信等系統(tǒng)以及前沿的信息技術(shù)構(gòu)成地鐵車(chē)輛智能化的技術(shù)基礎(chǔ)，主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能決策與評(píng)價(jià)技術(shù)和面向服務(wù)架構(gòu)技術(shù)。利用智能化技術(shù)獲得地鐵車(chē)輛運(yùn)行及列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立車(chē)輛信息數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)異常預(yù)警、預(yù)判分析等手段，排除影響列車(chē)安全運(yùn)營(yíng)不利因素，提高車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的可靠性和安全性，并通過(guò)專(zhuān)家分析數(shù)據(jù)積累，優(yōu)化車(chē)輛設(shè)備維修模式、提升維修診斷效率和資源利用率。

圖2 智能化總體方案構(gòu)架框圖

具體到總體方案內(nèi)的各個(gè)關(guān)鍵系統(tǒng)，在走行部的故障監(jiān)測(cè)中，主要涉及以下技術(shù)：

(1)廣義共振和共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)。該技術(shù)是讓機(jī)械設(shè)備的振動(dòng)沖擊信號(hào)通過(guò)一個(gè)諧振頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常規(guī)振動(dòng)頻率的“共振器”，對(duì)振動(dòng)沖擊信號(hào)能量進(jìn)行吸收及重新分配，對(duì)于常規(guī)的、不危害設(shè)備安全的柔和振動(dòng)進(jìn)行吸收，對(duì)于故障沖擊激發(fā)共振，產(chǎn)生更大的共振信號(hào)，通過(guò)對(duì)共振信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到平滑、信噪比好的共振解調(diào)信號(hào)，該信號(hào)與故障沖擊一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)對(duì)共振解調(diào)信號(hào)進(jìn)行FFT變換，得到共振解調(diào)譜，通過(guò)與診斷故障抽象譜比對(duì)，可給出設(shè)備當(dāng)前運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

(2)多因素、多參數(shù)聯(lián)合診斷決策技術(shù)。該技術(shù)不僅分析信息的幅度因素，而且還研究特征頻譜、特征諧波、邊頻、半譜、調(diào)制譜、干擾譜等多種因素，同時(shí)針對(duì)各種類(lèi)型的故障一一進(jìn)行推理分析，以確認(rèn)部件的某個(gè)或某些零件故障，作為確認(rèn)該部件存在故障的依據(jù)，從而解決確認(rèn)所監(jiān)測(cè)的部件是否存在故障的問(wèn)題。

(3)多個(gè)同類(lèi)故障的歸類(lèi)診斷準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則主要依據(jù)以下軸承外環(huán)多故障方程：

fw=(D0-dcosA)·Z·D·fn/(2D0·q)

式中：故障數(shù)D、D與Z的最大公約數(shù)q為未知變量，經(jīng)改進(jìn)得到具有確定解的工程化應(yīng)用公式：

fw=(D0-dcosA)·Z·fn/(2D0)

其中：D0為軸承中徑，mm；d為滾子直徑，mm；Z為滾子數(shù)量；fn為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速頻率；A為軸承滾子的接觸角。

在車(chē)門(mén)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，主要涉及以下技術(shù)：

(1)車(chē)門(mén)系統(tǒng)信號(hào)采集技術(shù)。目前，根據(jù)前期調(diào)查，門(mén)電機(jī)作為門(mén)系統(tǒng)的執(zhí)行元件，連接門(mén)控器與門(mén)機(jī)械結(jié)構(gòu)，通過(guò)采集控制電機(jī)的電流、霍爾信號(hào)等可以診斷出門(mén)系統(tǒng)的大部分故障。具體采集信息如下：①電機(jī)：電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)轉(zhuǎn)角、電流、溫度；②門(mén)控器：零速信號(hào)、故障代碼信號(hào)、IO信號(hào)(智能門(mén)控器專(zhuān)屬功能)；③其他檢測(cè)設(shè)備：開(kāi)關(guān)門(mén)信號(hào)、設(shè)備重啟信號(hào)、嵌入式設(shè)備生命信號(hào)。

(2)門(mén)系統(tǒng)故障診斷及亞健康預(yù)測(cè)技術(shù)。數(shù)據(jù)處理智能算法研究是整個(gè)智能門(mén)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，因?yàn)椴杉降拈T(mén)系統(tǒng)工作數(shù)據(jù)中雖然包含了門(mén)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的各種特征，蘊(yùn)含著豐富的信息，但是數(shù)據(jù)同樣包含著與門(mén)工作無(wú)關(guān)的干擾信息，使得數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于門(mén)系統(tǒng)狀態(tài)識(shí)別，因此需要利用數(shù)據(jù)處理方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度處理分析，去除干擾、噪聲，提取有價(jià)值的特征，才能用于后期的健康狀態(tài)判別中。智能車(chē)門(mén)監(jiān)測(cè)與故障智能診斷系統(tǒng)通過(guò)采集車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程關(guān)鍵信息，對(duì)這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、特征提取，完成門(mén)系統(tǒng)故障診斷及亞健康預(yù)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的核心功能[4]。

另外，在車(chē)輛和地面的信息交互過(guò)程中，涉及的車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)如下：

(1)聯(lián)合移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商，基于物聯(lián)網(wǎng)解決方案并通過(guò)PPTP/L2TP VPN通道及實(shí)時(shí)服務(wù)器軟件保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性。

(2)利用波導(dǎo)局域網(wǎng)，采用5.8 GHz頻段避免同信號(hào)系統(tǒng)2.4 GHz同頻干擾，采用MIMO技術(shù)，提升無(wú)線帶寬至300 Mbps，經(jīng)過(guò)軟件完善，解決無(wú)線傳輸穩(wěn)定性、安全性等問(wèn)題，自動(dòng)將事件記錄儀EDRM大文件數(shù)據(jù)高速自動(dòng)上傳到地面維保室。

2 天津地鐵一號(hào)線案例應(yīng)用

2.1 走行部系統(tǒng)

該走行部車(chē)載故障診斷系統(tǒng)是一種基于廣義共振和共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)。它用于旋轉(zhuǎn)零件，如齒輪、軸承、輪對(duì)等零部件故障信號(hào)的提取，是判斷設(shè)備狀態(tài)的一種非常有效的方法。該走行部車(chē)載故障診斷系統(tǒng)首次實(shí)現(xiàn)了智能維護(hù)網(wǎng)服務(wù)器的信息傳輸，同時(shí)該信息還實(shí)時(shí)傳輸至地面端的走行部健康管理系統(tǒng)，形成了一個(gè)數(shù)據(jù)閉環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)。

走行部的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由6臺(tái)診斷儀、18臺(tái)前置處理器、60只復(fù)合傳感器、1只轉(zhuǎn)速傳感器組成，如圖3所示，監(jiān)測(cè)診斷的內(nèi)容如表1所示。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在中間拖車(chē)增加轉(zhuǎn)速傳感器獲取轉(zhuǎn)速信號(hào)；通過(guò)安裝在轉(zhuǎn)向架上的復(fù)合傳感器，同時(shí)監(jiān)測(cè)沖擊、振動(dòng)、溫度3個(gè)物理量，在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)診斷車(chē)輛走行部狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)故障分級(jí)預(yù)、報(bào)警。其中，重大故障向司機(jī)報(bào)警，指導(dǎo)乘務(wù)人員及時(shí)采取措施，保障行車(chē)安全；一般故障指導(dǎo)狀態(tài)維修；早期故障跟蹤、關(guān)注。

圖3 智能化走行部車(chē)載部分組成圖

表1 智能化走行部診斷內(nèi)容

走行部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的溫度測(cè)量精度在-15 ℃～105 ℃范圍內(nèi)，系統(tǒng)測(cè)量誤差不大于±2 ℃；在小于-15 ℃或大于105 ℃時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量誤差不大于±4 ℃。同時(shí)，系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率不低于98%，漏報(bào)率不高于0.1%。走行部車(chē)載故障診斷系統(tǒng)診斷報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)采用Q/BT 330—2005，如表2所示。走行部系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備在車(chē)輛上的安裝如圖4所示。

表2 軸承、踏面沖擊強(qiáng)度報(bào)警限制值標(biāo)準(zhǔn) /dB

圖4 智能化走行部設(shè)備安裝圖

2.2 客室智能車(chē)門(mén)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)

該智能車(chē)門(mén)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)主要由車(chē)載監(jiān)測(cè)設(shè)備、車(chē)門(mén)服務(wù)器以及客戶(hù)端等組成。其中，車(chē)門(mén)服務(wù)器主要提供所有在線運(yùn)行的門(mén)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、門(mén)系統(tǒng)的故障判斷與診斷、車(chē)載設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理、客戶(hù)端(含臺(tái)式PC機(jī)客戶(hù)端、移動(dòng)終端的客戶(hù)端)的遠(yuǎn)程訪問(wèn)門(mén)戶(hù)等功能。為了配合原有地鐵車(chē)輛系統(tǒng)不變，智能化車(chē)門(mén)監(jiān)測(cè)及故障診斷系統(tǒng)僅更換原有客室側(cè)門(mén)門(mén)控器，其他硬件設(shè)備沒(méi)有改變。智能化門(mén)控器監(jiān)測(cè)設(shè)備以太網(wǎng)組圖如圖5所示。

智能車(chē)門(mén)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及故障智能診斷系統(tǒng)具體工作流程如下：

(1)車(chē)載監(jiān)測(cè)設(shè)備采集車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程的電流、轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，通過(guò)主門(mén)控器發(fā)送至車(chē)輛網(wǎng)關(guān)；

(2)車(chē)輛網(wǎng)關(guān)通過(guò)車(chē)地通信將數(shù)據(jù)傳輸至地面通信服務(wù)器；

(3)車(chē)門(mén)服務(wù)器向地面通信服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，地面通信服務(wù)器將車(chē)門(mén)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至車(chē)門(mén)服務(wù)器；

(4)車(chē)門(mén)服務(wù)器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、分析處理，診斷出車(chē)門(mén)工作狀態(tài)，對(duì)發(fā)生故障或亞健康的門(mén)系統(tǒng)及時(shí)推送預(yù)警信息。

圖5 智能化門(mén)控器監(jiān)測(cè)設(shè)備以太網(wǎng)組圖

智能車(chē)門(mén)監(jiān)測(cè)與故障智能診斷系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)以下故障診斷時(shí)，故障診斷正確率不低于90%：開(kāi)門(mén)障礙檢測(cè)、關(guān)門(mén)障礙檢測(cè)、3 s不解鎖、非法離開(kāi)關(guān)鎖到位、關(guān)到位開(kāi)關(guān)無(wú)法觸發(fā)、關(guān)到位開(kāi)關(guān)無(wú)法釋放、鎖到位開(kāi)關(guān)無(wú)法觸發(fā)、鎖到位開(kāi)關(guān)無(wú)法釋放。在實(shí)現(xiàn)以下亞健康預(yù)測(cè)時(shí)，預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率不低于70%：對(duì)中異常、V型異常、上滑道異常、下?lián)蹁N(xiāo)橫向干涉、下?lián)蹁N(xiāo)縱向干涉。智能車(chē)門(mén)監(jiān)測(cè)與故障智能診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣周期為10 ms，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小于3 min，數(shù)據(jù)丟包率小于3%。

2.3 車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)

車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)是在地鐵車(chē)輛上全新搭建的車(chē)輛智能化以太網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，主要包含子系統(tǒng)設(shè)備控制器、以太網(wǎng)交換機(jī)、車(chē)載無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊及車(chē)載天線、庫(kù)內(nèi)軌旁裂縫波導(dǎo)天線、中心機(jī)房4G接收天線、以及用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和分析的數(shù)據(jù)服務(wù)器等設(shè)備。車(chē)載無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊具有車(chē)輛數(shù)據(jù)分析處理能力，將整合出完整可用的數(shù)據(jù)信息傳給車(chē)載天線發(fā)送至地面。

車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)可依據(jù)現(xiàn)有車(chē)輛TCMS網(wǎng)絡(luò)對(duì)各車(chē)關(guān)鍵繼電器、空開(kāi)等低壓電氣設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，結(jié)合整車(chē)電氣邏輯功能，進(jìn)行組合運(yùn)算從而判斷車(chē)輛關(guān)鍵繼電器是否出現(xiàn)故障。另外，TCMS根據(jù)各車(chē)?yán)^電器輔助觸點(diǎn)狀態(tài)監(jiān)控，對(duì)該繼電器進(jìn)行工作次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，然后對(duì)比繼電器機(jī)械壽命曲線，提前給出繼電器維修維護(hù)建議。

地面轉(zhuǎn)件分析服務(wù)器主要功能是接收并存放車(chē)輛發(fā)送至地面的各種記錄數(shù)據(jù)、波形數(shù)據(jù)、故障履歷數(shù)據(jù)、車(chē)門(mén)狀態(tài)數(shù)據(jù)、軸溫?cái)?shù)據(jù)、維護(hù)行為數(shù)據(jù)等，具備數(shù)據(jù)傳輸一致性機(jī)制、斷點(diǎn)續(xù)傳機(jī)制，是分析列車(chē)相關(guān)設(shè)備狀態(tài)的核心設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)門(mén)狀態(tài)健康預(yù)報(bào)警、牽引系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)健康預(yù)報(bào)警、軸溫健康狀態(tài)預(yù)報(bào)警、繼電器健康狀態(tài)預(yù)報(bào)警等功能。

車(chē)地?zé)o線傳輸系統(tǒng)的性能指標(biāo)如下：波導(dǎo)管鏈路駐波比不大于1.5，波導(dǎo)管末端信號(hào)強(qiáng)度不小于-56 dBm，地面局域網(wǎng)單列車(chē)平均傳輸帶寬不小于200 Mbps。

2.4 地面列車(chē)數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)

地面列車(chē)數(shù)據(jù)分析與預(yù)警系統(tǒng)以列車(chē)運(yùn)營(yíng)管理的實(shí)際工作需求為核心開(kāi)展建設(shè)工作，可對(duì)列車(chē)組及關(guān)鍵部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析和故障預(yù)測(cè)，并對(duì)潛在的故障進(jìn)行預(yù)測(cè)或報(bào)警。該系統(tǒng)可以劃分為以下兩大子系統(tǒng)：

(1)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，包括對(duì)列車(chē)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)、知識(shí)數(shù)據(jù)等進(jìn)行解析、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。其根據(jù)列車(chē)行駛特點(diǎn)，建立緩存，在這一基礎(chǔ)上結(jié)合里程累計(jì)、閾值觸發(fā)實(shí)現(xiàn)增量累計(jì)分析。

(2)運(yùn)營(yíng)監(jiān)控系統(tǒng)子系統(tǒng)。該系統(tǒng)在監(jiān)控緩存數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，其根據(jù)預(yù)警與監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的閾值觸發(fā)建立對(duì)象監(jiān)控跟蹤隊(duì)列。根據(jù)列車(chē)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)列車(chē)的實(shí)時(shí)狀態(tài)、各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)值，以可視化的方法進(jìn)行在線實(shí)時(shí)展示，并對(duì)歷史數(shù)據(jù)結(jié)合知識(shí)庫(kù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

3 總結(jié)

以上從實(shí)際工程的角度出發(fā)，介紹了一種涵蓋車(chē)輛運(yùn)行和檢修維護(hù)的城市軌道交通綜合智能運(yùn)維系統(tǒng)，總結(jié)分析得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)對(duì)列車(chē)的軸箱軸承、齒輪箱軸承、傳動(dòng)齒輪及輪對(duì)踏面等的在線監(jiān)測(cè)及故障診斷，實(shí)現(xiàn)了走行部實(shí)時(shí)詳細(xì)數(shù)據(jù)的采集和傳輸，最終通過(guò)健康管理系統(tǒng)分析判斷做出決策。

(2)通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)和門(mén)控器的工作情況，可以提前預(yù)測(cè)門(mén)系統(tǒng)的亞健康狀態(tài)，大大降低了故障的發(fā)生率，有效提高了門(mén)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

(3)通過(guò)移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，運(yùn)營(yíng)商可以更加全面系統(tǒng)地掌控車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)，減少了維修人員的日常工作量、工作時(shí)間和維修人員的數(shù)量，降低了車(chē)輛的全壽命的維護(hù)成本。

(4)在地鐵網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營(yíng)的背景下，該系統(tǒng)可大幅提高車(chē)輛的自診斷及維修智能化水平，更方便建立車(chē)輛維修信息化數(shù)據(jù)庫(kù)，優(yōu)化維修模式，具有很大的推廣價(jià)值。