受電弓智能在線監(jiān)測系統(tǒng)

魏源

摘 要：智能在線監(jiān)測受電弓的出現(xiàn)必將極大地促進了鐵路運營管理的提升，然而在研發(fā)過程中需要解決各種問題，需要硬件、軟件及其專項研發(fā)人員等同心協(xié)力完成研發(fā)工作。因此，本文重點分析了研發(fā)受電弓智能在線監(jiān)測系統(tǒng)的意義、軟硬件支持以及目標(biāo)和風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：受電弓智能在線監(jiān)測系統(tǒng);傳感器;PHM平臺

1 概述

1.1 背景

隨著我國“十三五”計劃與“智能制造2025”戰(zhàn)略的推行，軌道行業(yè)正在向制造自動化、運維智能化、能耗綠色化方向進行快速變革。此時公眾安全和降低運維成本意識的增強，鐵路系統(tǒng)的安全性、可靠性、運行效率與客戶滿意度也面臨著巨大挑戰(zhàn)，特別是以美國智能運維中心（IMS）、GE等提出智能化運維概念以來，業(yè)內(nèi)對軌道系統(tǒng)設(shè)備運行、維護智能化的需求正變得愈發(fā)強烈。故障預(yù)測與健康管理（Prognosis and Health Management，簡稱PHM）在各系統(tǒng)、子系統(tǒng)的部署實現(xiàn)已經(jīng)提上日程。我國軌道交通技術(shù)的不斷突破、快速發(fā)展，由中國鐵路總公司牽頭研制的復(fù)興號順利投入運營，標(biāo)志我國在高速鐵路眾多相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域上取得重大突破。但是其中高速受電弓產(chǎn)品和技術(shù)還主要依賴于進口技術(shù)，且由于受電弓弓頭所用的碳滑板材料接觸壓降大，機械磨耗和能耗嚴重，為了滿足高鐵速度不斷提升的需求，急需研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速受電弓產(chǎn)品，同時通過智能監(jiān)控與PHM技術(shù)，在線監(jiān)控弓網(wǎng)質(zhì)量。

1.2 目標(biāo)

總體目標(biāo)在于賦予受電弓在線監(jiān)測防護的能力，實現(xiàn)對受電弓及接觸網(wǎng)的實時監(jiān)測，提高列車運行的安全性，降低人工材料等維護成本，實現(xiàn)智能化輸電。主要目標(biāo)包括：（1）在線監(jiān)控弓網(wǎng)質(zhì)量，采集并在時空維度上記錄相關(guān)數(shù)據(jù);（2）對多傳感器信號融合分析，評價受電弓、接觸網(wǎng)健康狀態(tài);（3）實現(xiàn)弓網(wǎng)健康信息的車載通信、車地通信;（4）于地面服務(wù)器實現(xiàn)受電弓、接觸網(wǎng)綜合健康狀態(tài)統(tǒng)計與分析。

1.3 意義

該項目的意義主要體現(xiàn)在幾個方面：（1）安全性運維能力：提高受電弓、接觸網(wǎng)的可靠性監(jiān)測，及時準確發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)健康問題的時空特性，提升列車受流安全性，提升綜合運維能力。（2）技術(shù)積累：培養(yǎng)相關(guān)技術(shù)人員，增強基于狀態(tài)修（CBM）與預(yù)測修（PM）理念的智能列車維保技術(shù)能力，積累多傳感器數(shù)據(jù)采集及融合分析的技術(shù)能力。（3）數(shù)據(jù)積累：為產(chǎn)品功能性能優(yōu)化、健康管理、預(yù)測性維護與智能運維能力的持續(xù)提升，提供數(shù)據(jù)與經(jīng)驗積累。

2 總體技術(shù)方案

對受電弓的智能在線監(jiān)測系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

原始信號從傳感器處獲取，通過“數(shù)采系統(tǒng)”進行模數(shù)轉(zhuǎn)換與信號預(yù)處理，最后與位置、時間信息統(tǒng)一標(biāo)定。形式統(tǒng)一后的數(shù)據(jù)由數(shù)采系統(tǒng)送入車載計算平臺，進行進一步的信號處理和數(shù)據(jù)處理。其中數(shù)據(jù)處理主要是針對多元數(shù)據(jù)進行計算分析，得到受流質(zhì)量、弓網(wǎng)故障的評價。車載計算平臺的數(shù)據(jù)存儲使用循環(huán)復(fù)寫方式實現(xiàn)，其中故障數(shù)據(jù)應(yīng)長期保存，直至被管理員刪除。原始數(shù)據(jù)和分析結(jié)果存于本地，以循環(huán)復(fù)寫方式實現(xiàn)，上傳數(shù)據(jù)僅包含分析結(jié)果或特征量，以減小上傳帶寬負載。車載計算平臺軟件以B/S（瀏覽器-服務(wù)器）的方式實現(xiàn)，可通過瀏覽器訪問車載PHM平臺，實現(xiàn)控制、實時監(jiān)控與歷史數(shù)據(jù)查詢。地面服務(wù)端收集多個列車、多個受電弓的信息，實時顯示當(dāng)前的狀態(tài)信息，后臺運算、統(tǒng)計并顯示受電弓健康狀態(tài)。地面服務(wù)端將存儲相關(guān)數(shù)據(jù)并進行綜合分析，通過車輛信息融合同一線路的接觸網(wǎng)健康狀態(tài)，從而形成地理位置上的接觸網(wǎng)健康狀態(tài)評價。地面服務(wù)通過對同一受電弓，同一段接觸網(wǎng)的長期監(jiān)控，掌握其狀態(tài)漸變模式，并通過算法對主要故障模式進行預(yù)警[1]。

3 硬件

3.1 傳感器

由于受電弓所處高壓、大電流環(huán)境，傳感器及信號線的安裝布置應(yīng)具備一定的抗干擾與安全保護能力，以免損傷精密的數(shù)采板卡與電路。電壓、電流溫度傳感器安裝于車廂頂部，加速傳感器安裝于碳滑板、車廂頂部、車廂底部位置，壓力傳感器安裝于碳滑板固定的4個點，速度傳感器安裝于車廂底部，主要安裝位置如圖2-圖4所示。

3.2 車載PHM平臺

車載PHM設(shè)備外形結(jié)構(gòu)采用4U84HP機箱，器板卡、5張PHM板卡、1張無線通信板卡、1張MVB通訊板卡、2張數(shù)據(jù)采集AD板卡和2張電源板卡組成。4U機箱除去3U用作板卡裝配位置外，底部1U用作機箱散熱風(fēng)扇裝配位置。

4 軟件

4.1 車載端軟件

車載端軟件整體框架如圖5所示。

數(shù)據(jù)從采集系統(tǒng)，列車指令中獲得，后臺軟件運行與Java服務(wù)端，算法運行于Flask服務(wù)端，顯示控制則通過前端Web頁面完成。車載軟件以B/S方式實現(xiàn)，車載服務(wù)的功能劃分為3個層次，包括界面層、業(yè)務(wù)層和通信層。界面層展示軟件的功能接口，包括主界面框架、實時監(jiān)控界面、故障管理界面、數(shù)據(jù)管理界面、日志管理界面、系統(tǒng)設(shè)置界面。業(yè)務(wù)層主要負責(zé)響應(yīng)界面操作，將界面操作轉(zhuǎn)化為指令發(fā)送出去，接收報文數(shù)據(jù)，顯示到界面上。通信層負責(zé)和后端通信，前端模塊負責(zé)與前端通信，響應(yīng)前端請求，將前端需要的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同時，實時上傳報文數(shù)據(jù)給前端。地面端模塊負責(zé)和地面端通信，響應(yīng)地面端的請求，將地面端需要的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。實時上傳報文數(shù)據(jù)給地面端，通信功能基于MQTT協(xié)議。數(shù)采模塊包括數(shù)采控制和信號預(yù)處理，調(diào)用數(shù)采硬件及預(yù)處理資源完成對受電弓傳感器數(shù)據(jù)的同步、采集、預(yù)處理并將數(shù)據(jù)給內(nèi)部總線。內(nèi)部總線負責(zé)分發(fā)報文數(shù)據(jù)，在模塊間傳輸指令信息和數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲模塊負則將內(nèi)部總線分發(fā)來的數(shù)據(jù)按照時間分類存儲到文件系統(tǒng)中，也可以根據(jù)前端或地面端的需求將數(shù)據(jù)讀出上傳。故障數(shù)據(jù)模塊負責(zé)分析內(nèi)部總線發(fā)來的報文數(shù)據(jù)、調(diào)用故障識別算法、獲取受流質(zhì)量、弓網(wǎng)故障結(jié)果數(shù)據(jù)并存儲。日志模塊負責(zé)記錄系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，并按照天為單位存儲數(shù)據(jù)[2]。

4.2 地面端軟件

地面端軟件運行于地面服務(wù)器中，實現(xiàn)多個受電弓監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、分析、處理、存儲和查詢。軟件主要由前端服務(wù)、后端服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)組成，其中，數(shù)據(jù)服務(wù)是搭建在 Hadoop框架及其多個組件上，作為一個可靠、高效、可伸縮的平臺，實現(xiàn)整車數(shù)據(jù)分布式存儲、海量數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計等功能，大數(shù)據(jù)平臺技術(shù)架構(gòu)分為：數(shù)據(jù)接入層、數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)服務(wù)層，另外MySQL在系統(tǒng)中扮演配置存儲的角色，對整個平臺的配置進行持久化保存。

（1）數(shù)據(jù)接入層。數(shù)據(jù)接入模塊采用直接上傳模式，可以對設(shè)備試驗的過程數(shù)據(jù)進行讀取，并且將讀取的數(shù)據(jù)進行解析，數(shù)據(jù)通過Kafka分布式數(shù)據(jù)處理平臺存儲到HDFS中。當(dāng)數(shù)據(jù)量增大時，可以通過橫向擴展Kafka集群節(jié)點的方式對系統(tǒng)進行擴容，提高整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。（2）數(shù)據(jù)管理層。數(shù)據(jù)管理層作為整個大數(shù)據(jù)平臺的核心，使用了多種組件，達到海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)管理、任務(wù)調(diào)度及管理等目標(biāo)。Zookeeper管理集群的數(shù)據(jù)命名、狀態(tài)同步、集群管理、配置同步等。所有的任務(wù)將在Yarn上執(zhí)行，同時使用Oozie管理執(zhí)行中的任務(wù)。HBase是一個建立在HDFS之上，提供對大規(guī)模數(shù)據(jù)的隨機、實時讀寫訪問接口，通常和Hive一起使用。（3）數(shù)據(jù)服務(wù)層。使用Hive接口訪問HBase或HDFS中的數(shù)據(jù)，提供了靈活的接口對數(shù)據(jù)進行查詢，用戶可以提取任意車輛數(shù)據(jù)到應(yīng)用層。（4）配置存儲MySQL在大數(shù)據(jù)平臺中用來存儲配置信息，例如Hive生成的內(nèi)部表或者外部表，對應(yīng)的表結(jié)構(gòu)信息、存儲路徑等信息就會存放在MySQL中。

5 技術(shù)指標(biāo)

（1）能采集、存儲、管理基于時間、空間標(biāo)記的各傳感器數(shù)據(jù);（2）可顯示、查詢弓網(wǎng)實時、歷史、故障狀態(tài);（3）備列車信號交互、車地信息交互能力;（4）能識別弓網(wǎng)異常、預(yù)測弓網(wǎng)故障;（5）能評價受流質(zhì)量、計算功率功耗;（6）地面端應(yīng)采用大數(shù)據(jù)處理架構(gòu)，能收集、處理并統(tǒng)計、顯示多個受電弓、接觸網(wǎng)的狀態(tài)。

6 項目風(fēng)險分析

（1）主要傳感器安裝分布于受電弓附近，電壓高、電流大，需防止電損壞;（2）位于受電弓上的壓力、加速度等傳感器信號線較長，信號易受到振動干擾，影響判斷;（3）故障模擬與故障數(shù)據(jù)采集不易，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的算法能力提升受到阻礙。

參考文獻

[1] 陳國，劉志剛.淺談高速檢測列車的弓網(wǎng)檢測技術(shù)[J].機電工程技術(shù)，2008（5）：39-41+55+114.

[2] 劉凱，費耀平，劉應(yīng)龍.弓網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2006（5）：600-602.