軌道列車故障診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

王瑜琳 陳興劼 牟剛 徐曉靈 盧德林

摘 要

安全可靠是軌道交通最基本、最核心的要求，在跟蹤和借鑒國(guó)內(nèi)外機(jī)械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道列車機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)早期故障診斷的工程需求，對(duì)軌道列車機(jī)械傳動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、流程設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建等。并基于C#+SQL Server平臺(tái)研發(fā)了一套軌道列車機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、特征提取、信息融合、故障診斷以及系統(tǒng)管理等功能。

關(guān)鍵詞

狀態(tài)監(jiān)測(cè);故障診斷;數(shù)據(jù)采集;特征提取

中圖分類號(hào)： U270.33;U279.33 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457 . 2020 . 17 . 52

0 引言

軌道車輛負(fù)荷強(qiáng)，車速變化頻繁，停站時(shí)間短，行車密度大，隨著運(yùn)營(yíng)時(shí)間的增加，城市軌道車輛運(yùn)行狀態(tài)處于不斷變化之中，在大負(fù)荷、變速環(huán)境下工作，轉(zhuǎn)向架各零部件之間反復(fù)作用，其關(guān)鍵部件的故障如軸承發(fā)生疲勞剝落、磨損、塑性變形，齒輪發(fā)生腐蝕、斷裂、壓痕、膠合等現(xiàn)象，往往會(huì)導(dǎo)致車輛各部位振動(dòng)加劇、性能下降，甚至脫軌翻車等嚴(yán)重事故。隨著軌道交通的跨越式發(fā)展，發(fā)生了一系列安全事故[1]。提高軌道車輛運(yùn)行的安全可靠性的關(guān)鍵在于對(duì)關(guān)鍵機(jī)械裝備的健康狀態(tài)評(píng)估，并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)[2]。如果在軌道車輛機(jī)械系統(tǒng)故障潛伏階段，即故障萌芽、剛剛出現(xiàn)或者故障程度尚輕微時(shí)，能及時(shí)準(zhǔn)確地予以狀態(tài)評(píng)估和識(shí)別，并據(jù)此指導(dǎo)保養(yǎng)和維修工作，就能及時(shí)采取措施，防止造成嚴(yán)重?fù)p失及交通事故。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

軌道列車狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測(cè)技術(shù)采集傳動(dòng)系統(tǒng)各關(guān)鍵零部件的信號(hào)，對(duì)軌道列車的運(yùn)行狀態(tài)與故障模式及時(shí)準(zhǔn)確的辨別，指導(dǎo)軌道列車的維修維護(hù)，提高其安全性、穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)技術(shù)調(diào)研結(jié)果和應(yīng)用需求分析，軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)需要達(dá)到的技術(shù)要求主要有[3]。

（1）信號(hào)的準(zhǔn)確獲取。對(duì)軌道列車進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)首先需要獲取有效的信號(hào)以準(zhǔn)確反映列車的運(yùn)行狀態(tài)。為了更準(zhǔn)確地對(duì)軌道列車的各個(gè)部件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，需要合理選擇測(cè)點(diǎn)、正確選擇并安裝傳感器、合理設(shè)置信號(hào)采集參數(shù)，使所采集信號(hào)盡可能受干擾小、能很好地反映所監(jiān)測(cè)部位的狀態(tài)，便于后續(xù)分析處理。

（2）信號(hào)的可靠傳輸管理。作為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，要求保證信號(hào)能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸至服務(wù)器，并且能夠方便的管理。這就要求制定合理的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸效率高、實(shí)時(shí)性好。且需采用數(shù)據(jù)庫(kù)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和維護(hù)，數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)容量大，數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，數(shù)據(jù)的安全性好，訪問(wèn)方便快捷。

（3）信息處理的實(shí)時(shí)性。要求軌道列車狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)能夠快速地對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行正確的判斷，當(dāng)軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時(shí)，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地給出報(bào)警，并給出處理建議。這就需要對(duì)系統(tǒng)的算法進(jìn)行優(yōu)化，提高其實(shí)時(shí)處理能力。

（4）功能強(qiáng)大。要求提供強(qiáng)大的信號(hào)分析處理功能、特征提取功能以及故障診斷功能。信號(hào)分析功能包括信號(hào)預(yù)處理、穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析、瞬態(tài)信號(hào)分析?？梢酝ㄟ^(guò)時(shí)域分析、頻域分析、時(shí)頻分析提取信號(hào)多域特征，并根據(jù)特征進(jìn)行選擇和約簡(jiǎn)的功能，除了對(duì)單個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行特征提取外，也可以結(jié)合多個(gè)測(cè)點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行信息融合，并對(duì)故障特征進(jìn)行模式識(shí)別以判斷軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)的需求分析以及軌道列車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)分為前端采集設(shè)備、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和監(jiān)控維護(hù)集成模塊（客戶端）四個(gè)部分。采集模塊通過(guò)有線以太網(wǎng)、4G無(wú)線網(wǎng)或GPRS方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù)或集成監(jiān)控維護(hù)軟件（客戶端）。每節(jié)車廂都有獨(dú)立一套采集設(shè)備，采集模塊可以同時(shí)連接多個(gè)采集設(shè)備，同時(shí)可以局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)向多個(gè)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

前端采集設(shè)備用于采集并傳輸軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)信號(hào)，如振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、溫度等，由采集器、采集卡和傳感器組成。數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、監(jiān)控維護(hù)集成模塊與采集設(shè)備連接橋梁。用戶通過(guò)監(jiān)控維護(hù)集成模塊組建工程，配置各種參數(shù)并保存于數(shù)據(jù)庫(kù)，采集模塊從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取相關(guān)采集參數(shù)（如傳感器類型、采樣長(zhǎng)度、采樣頻率等）并控制前端采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)一方面按照指定格式和時(shí)間間隔保存至數(shù)據(jù)庫(kù)，一方面當(dāng)有客戶端向采集模塊發(fā)送實(shí)時(shí)瀏覽命令時(shí)將數(shù)據(jù)傳輸給客戶端，數(shù)據(jù)采集模塊能同時(shí)連接多個(gè)客戶端，分別對(duì)其實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)控維護(hù)集成模塊是該系統(tǒng)的主要人機(jī)交互工具，系統(tǒng)的信號(hào)瀏覽、信號(hào)分析、故障診斷與系統(tǒng)管理等主要功能都是通過(guò)該模塊完成，包括將配置參數(shù)，向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送采集命令，從數(shù)據(jù)采集端實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)或從數(shù)據(jù)庫(kù)讀取歷史數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)各模塊交互關(guān)系如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)

從軟件功能上可以分為數(shù)據(jù)采集功能、信號(hào)分析處理功能、特征提取及故障診斷功能。各個(gè)功能模塊之間以Sql Server數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)交換媒介，每個(gè)功能模塊又可分為一些子功能。采集模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸以及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，信號(hào)分析包括數(shù)據(jù)顯示、穩(wěn)態(tài)信號(hào)分析、瞬態(tài)信號(hào)分析以及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)警等功能，系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

開(kāi)發(fā)出的軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。包括菜單欄、工具欄、監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)列表、數(shù)據(jù)分析處理顯示區(qū)以及狀態(tài)欄等。

3 信號(hào)分析處理功能

信號(hào)分析處理是軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的重要工具，包括基本顯示功能、信號(hào)穩(wěn)態(tài)分析、信號(hào)瞬態(tài)分析及監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)警等功能，如圖5所示。

顯示功能是信號(hào)分析模塊的一個(gè)公共基礎(chǔ)功能，顯示器是所有數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果顯示的載體，顯示方式包括二維波形顯示、色譜圖顯示和三維瀑布圖顯示。顯示器中可以顯示數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)采集時(shí)間、測(cè)點(diǎn)名稱、數(shù)據(jù)坐標(biāo)等信息?？赏ㄟ^(guò)右鍵快捷菜單對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行縮放、導(dǎo)出數(shù)據(jù)或設(shè)置顯示器風(fēng)格等操作，顯示器界面如圖6所示。

4 故障診斷

特征提取是軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷系統(tǒng)的核心功能之一，系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)分析，特征提取，進(jìn)而進(jìn)行模式識(shí)別以實(shí)現(xiàn)早期故障診斷?；诹餍螌W(xué)習(xí)的軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)早期故障特征提取流程如圖7所示。

在軌道列車服役初期，連續(xù)收集一段時(shí)間的傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)信號(hào)數(shù)據(jù)作為原始樣本數(shù)據(jù)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行非線性降噪預(yù)處理。通過(guò)多域特征提取、特征選擇獲取多域高維特征集，采用批量流形學(xué)習(xí)算法進(jìn)行特征約簡(jiǎn)，并將原始高維特征集和約簡(jiǎn)后的低維特征集保存于樣本庫(kù)。對(duì)軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，定期采集列車振動(dòng)信號(hào)，同樣進(jìn)行非線性降噪、多域特征提取和選擇，繼而利用原始樣本特征提取結(jié)果和增量流形學(xué)習(xí)算法對(duì)新增樣本進(jìn)行特征約簡(jiǎn)，其結(jié)果也保存于樣本庫(kù)，作為下次特征提取的原始樣本數(shù)據(jù)。利用分類器對(duì)約簡(jiǎn)后的特征進(jìn)行分別結(jié)果如圖8所示。

5 總結(jié)

介紹了軌道列車傳動(dòng)系統(tǒng)早期故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程。首先根據(jù)需求對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，隨后采用SQLServer進(jìn)行了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器的構(gòu)建，并采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言C#進(jìn)行了監(jiān)控維護(hù)集成分析軟件設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，針對(duì)風(fēng)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)的需要，開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)采集功能、信號(hào)分析功能、特征提取功能、早期故障診斷功能。

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