基于大數(shù)據(jù)的軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維

于悅青，張路亞

1 概述

隨著我國(guó)城市規(guī)模和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，引導(dǎo)民眾使用公共交通工具，降低城市交通秩序擁堵、混亂等現(xiàn)象，城市軌道建設(shè)已成為我國(guó)大中城市解決城市交通問(wèn)題的重要途經(jīng)和方案。截至2019年底，我國(guó)軌道交通運(yùn)營(yíng)配屬車(chē)輛已經(jīng)達(dá)到近4.1萬(wàn)輛（如圖1所示）[1]。

圖1 軌道交通運(yùn)營(yíng)配屬車(chē)輛數(shù)量及增速

安全、快速、舒適、可靠是軌道交通車(chē)輛的基本要求。為了保障車(chē)輛安全可靠運(yùn)營(yíng)，地鐵公司、車(chē)輛制造商及其子系統(tǒng)供應(yīng)商在日常維保過(guò)程中投入了大量人力物力?？照{(diào)作為軌道交通車(chē)輛旅客舒適性要求界面最重要的子系統(tǒng)，向來(lái)是地鐵運(yùn)營(yíng)公司和乘客的普遍關(guān)注重點(diǎn)。如果空調(diào)系統(tǒng)失效將會(huì)嚴(yán)重影響旅客的乘車(chē)舒適性，特別是在地上隧道里運(yùn)行的車(chē)輛，還有可能影響旅客生命安全。

2 軌道交通車(chē)輛現(xiàn)有檢修和故障維修體制

軌道交通車(chē)輛空調(diào)發(fā)現(xiàn)故障一般有兩種方式，一種是在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生故障，隨車(chē)工程師排除故障并做好相關(guān)記錄上報(bào)，車(chē)輛回庫(kù)后運(yùn)維人員、車(chē)輛制造商和空調(diào)供應(yīng)商派人進(jìn)一步檢查分析。另一種是車(chē)輛回庫(kù)后，空調(diào)供應(yīng)商安排售后人員對(duì)每列車(chē)進(jìn)行庫(kù)檢，在庫(kù)檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)故障并排除故障。故障發(fā)生后，如果情節(jié)嚴(yán)重或售后人員不能及時(shí)分析根本原因，車(chē)輛制造商和空調(diào)供應(yīng)商派工程師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查。庫(kù)檢是車(chē)輛各供應(yīng)商售后人員的主要任務(wù)之一，車(chē)輛進(jìn)庫(kù)后，售后人員需上車(chē)查看每臺(tái)空調(diào)的故障信息。車(chē)輛一般在晚上深夜入庫(kù)，這給售后人員的工作增添了很多不便。如果故障重復(fù)出現(xiàn)，運(yùn)營(yíng)會(huì)組織車(chē)輛工廠和空調(diào)供應(yīng)商對(duì)所有同類(lèi)型的車(chē)輛進(jìn)行全面普查，也極大增加了售后人員的負(fù)擔(dān)。

隨著軌道交通快速井噴式的發(fā)展，這種故障檢修模式給運(yùn)營(yíng)公司、車(chē)輛制造商和子系統(tǒng)供應(yīng)商的維保工作帶來(lái)了越來(lái)越多的挑戰(zhàn):

運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員成本大幅增加，員工技能良莠不齊。

不能對(duì)故障及安全隱患進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警，故障發(fā)生后隨車(chē)機(jī)械師或售后人員可能不能及時(shí)得到解決方案，故障不能及時(shí)排除。

車(chē)輛檢修時(shí)間和檢修場(chǎng)地受限，車(chē)輛入庫(kù)時(shí)間短，有時(shí)還需登頂作業(yè)，工作量大，夜間容易疲勞。庫(kù)檢和普查給售后人員增加了很大的負(fù)擔(dān)。

如何通過(guò)大數(shù)據(jù)建立軌道交通車(chē)輛及其子系統(tǒng)的智能運(yùn)維系統(tǒng)，對(duì)故障和安全隱患進(jìn)行預(yù)測(cè)和預(yù)警、對(duì)故障信息進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控、對(duì)主要部件的使用壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)，及時(shí)準(zhǔn)確排查故障，減少過(guò)度維修，從而減少整個(gè)運(yùn)營(yíng)維修成本，對(duì)列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的能源管理等是各軌道交通車(chē)輛制造商及其子系統(tǒng)供應(yīng)商近期討論的熱點(diǎn)話題。有些公司進(jìn)行了相關(guān)方面的研發(fā)并在一些項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，如北京地鐵公司提出了車(chē)輛TCMS監(jiān)測(cè)平臺(tái)、車(chē)輛走行部監(jiān)測(cè)平臺(tái)、車(chē)輛能耗管理平臺(tái)以及現(xiàn)場(chǎng)檢修信息管理系統(tǒng)的“3+1”智能運(yùn)維體系[2]。但現(xiàn)階段大部分供應(yīng)商只停留在將數(shù)據(jù)進(jìn)行采集存儲(chǔ)，對(duì)已經(jīng)發(fā)生的故障進(jìn)行通報(bào)和處理，而能對(duì)這些數(shù)據(jù)通過(guò)不同算法進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)的案例卻非常少。

3 軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般如圖2所示，空調(diào)控制器采集車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息，通過(guò)公共移動(dòng)通信網(wǎng)傳入互聯(lián)網(wǎng)，然后經(jīng)防火墻進(jìn)入空調(diào)生產(chǎn)廠家內(nèi)部的局域網(wǎng)，并存入數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心服務(wù)器根據(jù)預(yù)定算法，對(duì)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障信息進(jìn)行分析判斷，可將分析結(jié)果在PC客戶端或監(jiān)控屏上進(jìn)行顯示。同時(shí)也可將分析的結(jié)果通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和公共移動(dòng)通信網(wǎng)傳到售后人員的手機(jī)或平板電腦，售后人員根據(jù)這些信息可及時(shí)掌握自己服務(wù)的車(chē)輛的狀態(tài)信息和故障信息，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行故障判斷和處理。

圖2 軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 軌道交通車(chē)輛空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)

軌道交通車(chē)輛空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)主要由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層、感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層等四部分組成，其具體內(nèi)容如圖3所示。

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層主要用于存儲(chǔ)空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和試驗(yàn)過(guò)程中采集的數(shù)據(jù)以及維修記錄等，是后期數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。其主要包括:

設(shè)計(jì)參數(shù):如設(shè)計(jì)的制冷量、制熱量、送風(fēng)量、新風(fēng)量和制冷劑充注量等參數(shù)。

圖3 軌道交通車(chē)輛空調(diào)遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和裝車(chē)運(yùn)行記錄:試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括出廠前的型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)和例行試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及空調(diào)機(jī)組裝車(chē)后在車(chē)輛上的調(diào)試數(shù)據(jù)。例行試驗(yàn)中將會(huì)對(duì)每臺(tái)機(jī)組按圖4所示的自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試過(guò)程中將會(huì)采集空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和電加熱等等部件在不同工況模式上的電壓、電流、功率、振動(dòng)以及空調(diào)系統(tǒng)的壓力和溫度等信息。這些數(shù)據(jù)將作為基礎(chǔ)，可與感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 軌道交通車(chē)輛空調(diào)例行試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)

配置管理和維修記錄:配置管理和維修記錄是每臺(tái)機(jī)組的檔案袋。每臺(tái)空調(diào)機(jī)組及其主要部件的序列號(hào)等都會(huì)記錄在配置管理中，維修更換了主要部件需將新部件的配置更新到配置管理文件中。

4.2 感知層

感知層的主要任務(wù)是采集實(shí)時(shí)狀態(tài)信息和故障信息。如圖5所示，軌道交通車(chē)輛通過(guò)空調(diào)控制器及其相關(guān)傳感器采集以上信息:

圖5 軌道交通車(chē)輛空調(diào)數(shù)據(jù)采集

（1）空調(diào)系統(tǒng)基本信息

空調(diào)機(jī)組號(hào)、車(chē)廂號(hào)、列車(chē)號(hào)。

項(xiàng)目號(hào)、軟件版本。

（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

時(shí)間:空調(diào)機(jī)組與車(chē)輛同步的實(shí)時(shí)時(shí)間。

電流電壓:壓縮機(jī)、冷凝風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)和電加熱器等部件的電流、電壓和功率等信息。

溫度濕度:空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)溫度、回風(fēng)溫度和送風(fēng)溫度，車(chē)內(nèi)外濕度等。壓縮機(jī)吸氣溫度和排氣溫度等。

系統(tǒng)壓力:空調(diào)系統(tǒng)的高壓、低壓等壓力信息。

振動(dòng):空調(diào)壓縮機(jī)的振動(dòng)信息。

風(fēng)門(mén):新風(fēng)風(fēng)門(mén)、回風(fēng)風(fēng)門(mén)和廢排風(fēng)門(mén)的位置信息。

工作模式:空調(diào)系統(tǒng)處于何種工作模式，如全冷、半冷、通風(fēng)、半熱和全熱等。

狀態(tài)信息:空調(diào)系統(tǒng)各部件所處的狀態(tài)。

IO信號(hào):各部件的開(kāi)關(guān)量反饋信號(hào)等。

4.3 網(wǎng)絡(luò)層

軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維有兩種組網(wǎng)方案，圖6（a）通過(guò)空調(diào)控制器網(wǎng)關(guān)直接與公共移動(dòng)通訊網(wǎng)進(jìn)行通訊，圖6（b）則通過(guò)車(chē)輛網(wǎng)關(guān)與公共移動(dòng)通訊網(wǎng)進(jìn)行通訊。

空調(diào)控制器網(wǎng)關(guān)通訊:由空調(diào)控制器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)空調(diào)控制器網(wǎng)關(guān)與公共移動(dòng)通訊網(wǎng)進(jìn)行通訊，然后再由互聯(lián)網(wǎng)與空調(diào)公司內(nèi)部的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。整個(gè)數(shù)據(jù)交換沒(méi)有通過(guò)車(chē)輛和運(yùn)營(yíng)公司的網(wǎng)絡(luò)，車(chē)輛和運(yùn)營(yíng)公司不知道空調(diào)子系統(tǒng)進(jìn)行了哪些通訊。考慮到軌道交通車(chē)輛屬于公共交通工具，子系統(tǒng)供應(yīng)商如果不經(jīng)過(guò)車(chē)輛制造商和運(yùn)營(yíng)公司的批準(zhǔn)和監(jiān)控而進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，可能會(huì)帶來(lái)安全隱患。因此，該種通訊方式現(xiàn)在基本采用的是單向通訊，即只能由控制器向數(shù)據(jù)中心傳遞數(shù)據(jù)，而不允許遠(yuǎn)程給空調(diào)控制器發(fā)送指令。這種通訊方式在部分地鐵公司的部分與運(yùn)營(yíng)安全關(guān)系不大的子系統(tǒng)中使用。

圖6 軌道交通車(chē)輛空調(diào)組網(wǎng)方案

車(chē)輛網(wǎng)關(guān)通訊:由空調(diào)控制器采集的數(shù)據(jù)先傳送到車(chē)輛網(wǎng)關(guān)，車(chē)輛網(wǎng)關(guān)與公共移動(dòng)通訊網(wǎng)進(jìn)行通訊，采集的數(shù)據(jù)可先存儲(chǔ)在本地服務(wù)器（如車(chē)輛段或地鐵公司的服務(wù)器），然后再由互聯(lián)網(wǎng)與空調(diào)公司內(nèi)部的數(shù)據(jù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。整個(gè)數(shù)據(jù)交換通過(guò)車(chē)輛制造商和運(yùn)營(yíng)公司的網(wǎng)絡(luò)并在本地服務(wù)器進(jìn)行備份。整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程由車(chē)輛制造商和運(yùn)營(yíng)公司進(jìn)行監(jiān)督，使用的安全性提高。

4.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要包括在線監(jiān)測(cè)、故障診斷、亞健康預(yù)警、能源壽命管理和智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)等部分組成。其應(yīng)用層的數(shù)據(jù)中心架構(gòu)如圖7所示。主數(shù)據(jù)中心服務(wù)平臺(tái)主要包括知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)、實(shí)時(shí)通信服務(wù)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)、Web應(yīng)用服務(wù)、文件服務(wù)等。

圖7 智能運(yùn)維數(shù)據(jù)中心架構(gòu)

4.4.1 在線監(jiān)測(cè)

圖8為空調(diào)系統(tǒng)的主要監(jiān)控界面，第一個(gè)界面為空調(diào)狀態(tài)的基本信息，第二個(gè)界面為溫度和壓力信息，第三個(gè)界面為制冷和加熱信息，第四個(gè)界面為空調(diào)機(jī)組通風(fēng)和壓力波等界面。通過(guò)在線監(jiān)測(cè)以上四個(gè)界面，就可了解空調(diào)系統(tǒng)的基本信息。

圖8 空調(diào)系統(tǒng)在線監(jiān)測(cè)信息

4.4.2 故障診斷和亞健康預(yù)警

故障診斷和亞健康預(yù)警是基于大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維的核心，最能體現(xiàn)一個(gè)公司技術(shù)的水平?？照{(diào)系統(tǒng)故障可分為兩種，一種是有直接故障反饋的故障，如電機(jī)過(guò)熱保護(hù)，制冷系統(tǒng)高低壓故障等，這類(lèi)故障由于有直接反饋，很容易識(shí)別。還有一些故障沒(méi)有直接故障反饋，而需通過(guò)其他溫度、壓力、電流等信息進(jìn)行間接判斷，如制冷劑泄漏、制冷不良、臟堵、電機(jī)軸承磨損等故障。以上以制冷劑泄漏來(lái)說(shuō)明此類(lèi)故障識(shí)別和亞健康預(yù)警的技術(shù)路線:

（1）臺(tái)架試驗(yàn)

正常運(yùn)行試驗(yàn):首先測(cè)量制冷劑正常時(shí)不同壓差上的電流，如圖9所示。

圖9 壓縮機(jī)電流隨制冷系統(tǒng)高低壓壓差的變化

典型亞健康試驗(yàn):測(cè)量減少不同制冷劑充注的多條曲線，采集亞健康條件上的不同壓差上的電流信息。

真實(shí)故障試驗(yàn):裝車(chē)狀態(tài)上模擬制冷劑泄漏，運(yùn)行空調(diào)機(jī)組，查看制冷劑泄漏過(guò)程中壓差的變化趨勢(shì)。

（2）數(shù)據(jù)特征提取:采用以上一種或多種方法提取以上試驗(yàn)特征

時(shí)域分段統(tǒng)計(jì)特征；正常包絡(luò)曲線超限點(diǎn)數(shù)統(tǒng)計(jì)特征；數(shù)據(jù)字符化處理與壓縮；變異系數(shù)法-離散性分析。

（3）診斷及預(yù)測(cè)方法:根據(jù)以上診斷或預(yù)測(cè)方法進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)

a.基于特征值統(tǒng)計(jì)閾值的故障規(guī)則庫(kù)；b.基于超限點(diǎn)數(shù)均方差準(zhǔn)則的亞健康診斷；c.基于數(shù)據(jù)挖掘的知識(shí)發(fā)現(xiàn)；d.基于數(shù)據(jù)聚類(lèi)的知識(shí)發(fā)現(xiàn)。

（4）診斷及亞健康預(yù)測(cè)

如圖10所示，空調(diào)控制系統(tǒng)根據(jù)以上的診斷和預(yù)測(cè)方法，對(duì)制冷劑泄漏的程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，并將預(yù)測(cè)結(jié)果通知售后人員。

圖10 制冷劑泄漏故障診斷

故障診斷:功能喪失

亞健康評(píng)估:性能降級(jí)

亞健康預(yù)測(cè):關(guān)鍵特征值的趨勢(shì)變化預(yù)測(cè)

4.4.3 能源和壽命管理

軌道交通車(chē)輛空調(diào)是軌道交通車(chē)輛除牽引系統(tǒng)外的第二大用電大戶，以六節(jié)編組的地鐵車(chē)輛為例，車(chē)輛工作時(shí)間大約為5000小時(shí)/年，每年每列車(chē)輛的空調(diào)總功耗約為30~40萬(wàn)kWh（不同的線路和車(chē)型差別較大）。近年來(lái)地鐵公司、車(chē)輛制造廠和空調(diào)供應(yīng)商等迫于用電量的壓力，一直在尋求降低空調(diào)能耗的方法，但效果不明顯?；诖髷?shù)據(jù)的能源管理系統(tǒng)，將有利于通過(guò)大數(shù)據(jù)挖掘空調(diào)節(jié)能的潛力。如圖11所示，根據(jù)不同城市的氣候參數(shù)和不同地鐵線路的客流量情況，我們可以預(yù)估每一個(gè)小時(shí)的制冷和制熱負(fù)荷，從而可以計(jì)算出全年的空調(diào)負(fù)荷情況，但這種預(yù)估跟實(shí)際可能會(huì)有所偏差（如圖12所示）。通過(guò)智能運(yùn)維系統(tǒng)采集的大數(shù)據(jù)，可以分析實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中整年在不同負(fù)荷條件上的工作時(shí)間，這些數(shù)據(jù)將有利于后期項(xiàng)目的設(shè)計(jì)優(yōu)化，重點(diǎn)提高使用時(shí)間較長(zhǎng)負(fù)荷條件上的能效，從而達(dá)到節(jié)能目的。同時(shí)也可以優(yōu)化軟件，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)能源管理。

圖11 冬季典型日制冷/制熱需求

同時(shí)，通過(guò)智能運(yùn)維采集的數(shù)據(jù)，可以分析出壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等運(yùn)轉(zhuǎn)部件的工作時(shí)間，從而可以預(yù)測(cè)出部件的使用壽命，減少計(jì)劃維修過(guò)程中的過(guò)度維修。

4.4.4 智能運(yùn)營(yíng)維護(hù)

圖12 大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)負(fù)荷值VS預(yù)估負(fù)荷值

軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的一個(gè)重要任務(wù)是提高現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的效率，節(jié)約維護(hù)成本。智能運(yùn)維系統(tǒng)可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)APP可以隨時(shí)監(jiān)控所有車(chē)輛的狀態(tài)，查看相關(guān)故障和解決方案，售后人員可提前備好人力物力，車(chē)輛入庫(kù)就可進(jìn)行維修。

如圖13所示，軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的建立，將帶來(lái)整個(gè)維保模式的蛻變。人工專家和設(shè)計(jì)人員將逐漸從日常的售后支持中脫身而出，而由故障知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)來(lái)對(duì)故障進(jìn)行識(shí)別和預(yù)測(cè)。售后人員也可專心處理故障，而不用再在庫(kù)檢和普查中來(lái)回穿梭。

圖13 維保模式的切換

5 結(jié)論

軌道交通車(chē)輛空調(diào)系統(tǒng)智能運(yùn)維的引入，將在故障診斷、亞健康預(yù)測(cè)、維保效率、能源管理、壽命管理和設(shè)計(jì)優(yōu)化等方面起到不可磨滅的作用?？照{(diào)系統(tǒng)的故障主要由故障知識(shí)庫(kù)和專家系統(tǒng)進(jìn)行診斷和預(yù)測(cè)，人工專家和設(shè)計(jì)人員可從日常的售后技術(shù)支持活動(dòng)中脫身而出，而專注于自己的設(shè)計(jì)工作，售后人員也將從無(wú)休止的庫(kù)檢和普查工作中解脫出來(lái)，而轉(zhuǎn)戰(zhàn)自己的維修工作，從而提高了整個(gè)售后服務(wù)團(tuán)隊(duì)的效率，降低公司的維保人力成本。同時(shí)，智能運(yùn)維采集的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行壽命管理和能源管理分析，從而可對(duì)后續(xù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和維修計(jì)劃進(jìn)行優(yōu)化，從而節(jié)省整個(gè)產(chǎn)品在生命周期內(nèi)的運(yùn)營(yíng)成本。