鐵路貨車智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及探討

王毅 陸強(qiáng) 祝笈 周炯

摘要：綜述了國(guó)內(nèi)外鐵路PHM技術(shù)研究的現(xiàn)狀，提出我國(guó)鐵路貨車智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及建議，并進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究及探討。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車;智能監(jiān)測(cè);技術(shù)研究

0? 引言

為了實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”提出的信息化與工業(yè)化深度融合的目標(biāo)，迫切需要研究新型的鐵路貨運(yùn)運(yùn)行安全監(jiān)控與保障技術(shù)。國(guó)際重載協(xié)會(huì)（IHHA）指出：未來(lái)世界重載技術(shù)將進(jìn)一步向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，2017年國(guó)際重載大會(huì)首次提出了“國(guó)際重載4.0”理念，即搭建現(xiàn)代化數(shù)字網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，廣泛應(yīng)用傳感器、大數(shù)據(jù)計(jì)算、信息通信、人工智能等技術(shù)，大幅提升貨運(yùn)技術(shù)裝備智能化水平，提高運(yùn)輸效率、安全性。

1? 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

PHM技術(shù)的起源可以追溯到上世紀(jì)50年代，從最初的可靠性分析、故障分析、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)逐步發(fā)展到后來(lái)的機(jī)內(nèi)測(cè)試、飛行器健康監(jiān)控、綜合系統(tǒng)健康管理再到現(xiàn)在的故障預(yù)測(cè)與健康管理PHM。20世紀(jì)70年代PHM技術(shù)初步應(yīng)用于A-7E的發(fā)動(dòng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代末，美軍又把PHM技術(shù)應(yīng)用到F-35聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目。2005年11月，美國(guó)國(guó)家航天局舉辦了首屆國(guó)際宇航“綜合系統(tǒng)健康工程和管理”論壇。2009年，國(guó)際PHM學(xué)會(huì)成立，PHM技術(shù)獲得世界主流認(rèn)可并建立PHM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。PHM技術(shù)在軍事領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用的同時(shí)，其在民用領(lǐng)域應(yīng)用也獲得巨大傳播。美國(guó)波音公司已經(jīng)在波音777等客機(jī)上采用PHM技術(shù)，有效提高了客機(jī)的可靠性和維修效率。

國(guó)內(nèi)關(guān)于PHM的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，己在一些領(lǐng)域取得了較好成果。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院的錢坤將PHM技術(shù)應(yīng)用到高速道岔，并對(duì)應(yīng)用難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析。北京航空航天大學(xué)的孫博等人對(duì)PHM技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。西南交通大學(xué)的羅鳴州建立了高鐵牽引供電的PHM監(jiān)測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備監(jiān)測(cè)信息的高效利用。

而在軌道交通領(lǐng)域，PHM的研究才剛剛起步。德國(guó)、法國(guó)、加拿大、美國(guó)等鐵路公司正在應(yīng)用或開展故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)研究，主要是針對(duì)機(jī)車開發(fā)的安全性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以降低車輛運(yùn)維成本，提高可用性。這些系統(tǒng)普遍具備車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障遠(yuǎn)程報(bào)警、故障專家診斷等功能。尤其是美國(guó)GE公司的RM&D系統(tǒng)，具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)、自動(dòng)故障診斷、部件剩余壽命預(yù)測(cè)和智能維修建議等功能。目前國(guó)內(nèi)機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與診斷系統(tǒng)（CMD）已經(jīng)開始建設(shè)，動(dòng)車組都安裝了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（WTDS）。為保障動(dòng)車組安全可靠運(yùn)營(yíng)，提高檢修效率，鐵路局和主機(jī)企業(yè)各自開發(fā)了動(dòng)車組數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)、檢修平臺(tái)、健康管理與運(yùn)維決策平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了車輛運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、故障預(yù)警、故障分析、故障診斷及檢修支持等功能。

2? 主要研究目標(biāo)

在貨車轉(zhuǎn)向架上安裝貨車安全運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在車輛上安裝車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在機(jī)車上安裝車載PHY監(jiān)測(cè)終端，建立地面PHY監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)。通過(guò)車載和地面系統(tǒng)的構(gòu)建實(shí)現(xiàn)貨車運(yùn)行中狀態(tài)信息的全監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)“狀態(tài)修”的目的，并提供規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)，讓車輛更安全且高效地運(yùn)營(yíng)。滿足智慧監(jiān)測(cè)、智慧診斷和智慧運(yùn)維服務(wù)等運(yùn)維需求，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有運(yùn)維服務(wù)體系的創(chuàng)新和提升。

3? 創(chuàng)新點(diǎn)

鐵路貨車故障預(yù)測(cè)與健康管理創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在：

①研發(fā)建立車內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)窄、寬帶通信系統(tǒng)，提供可靠的、可擴(kuò)展的車車之間通信。解決現(xiàn)有車車通信的通信可靠性、自由編組后的自動(dòng)組網(wǎng)、多種設(shè)備的協(xié)議不統(tǒng)一等問(wèn)題。

②研究開發(fā)貨運(yùn)車載綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。研究開發(fā)車輛運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、車體狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、空氣制動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用多傳感器技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)、低功耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識(shí)別技術(shù)，對(duì)軌道、車輛關(guān)鍵部件定位識(shí)別和異常分析判決，實(shí)現(xiàn)貨運(yùn)的車載綜合檢測(cè)，提升車輛安全運(yùn)營(yíng)能力。

③研究貨車的故障預(yù)測(cè)與健康管理智能分析模型。通過(guò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)采集的重載貨車狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和挖掘，構(gòu)建專家?guī)?，建立健康評(píng)估模型、故障預(yù)測(cè)模型、維修決策模型，用于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的健康監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)預(yù)警以及運(yùn)維決策的核心功能。

④構(gòu)建基于狀態(tài)修的貨車的智能化運(yùn)維管理體系。引入故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)，利用盡可能少的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，借助故障預(yù)測(cè)與健康管理智能分析模型，由傳統(tǒng)的基于傳感器診斷轉(zhuǎn)向基于智能預(yù)測(cè)和診斷，促進(jìn)狀態(tài)修取代周期修和故障修的進(jìn)程，可以縮短車輛檢修時(shí)間，提高車輛檢修效率，提高車輛利用率，降低檢修維護(hù)成本。

4? 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 車輛運(yùn)行平穩(wěn)性和蛇形失穩(wěn)監(jiān)測(cè)

根據(jù)GB/T 5599-1985規(guī)定，貨車的運(yùn)行平穩(wěn)性采用車體最大振動(dòng)加速度和平穩(wěn)性指標(biāo)來(lái)表示。新造貨車的平穩(wěn)性指標(biāo)應(yīng)達(dá)到GB/T 5599-1985的良好標(biāo)準(zhǔn)，即橫向及垂向平穩(wěn)性指標(biāo)應(yīng)低于4.0，車體橫向和垂向最大振動(dòng)加速度應(yīng)分別小于0.5g和0.7g。

根據(jù)AAR M-976標(biāo)準(zhǔn)中空車Hunting試驗(yàn)的要求，采用橫向加速度峰-峰值（限度值為≤1.5g）和標(biāo)準(zhǔn)差（限度值為≤0.13g）來(lái)描述車輛的蛇形失穩(wěn)狀態(tài)。采用微機(jī)電（MEMS）三軸加速度傳感器，安裝位置按照GB/T 5599-1985的規(guī)定置于車體上心盤內(nèi)側(cè)縱向1000mm內(nèi)中梁下蓋板上。

4.2 超、偏載監(jiān)測(cè)

參考《鐵路貨車超偏載檢測(cè)裝置檢定規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，彈簧的靜撓度可間接反映車輛的超、偏載。貨運(yùn)車輛有前后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架，共有4組二系承載彈簧組，分別位于車輛對(duì)稱的四個(gè)方向。位移傳感器安裝在車體前后轉(zhuǎn)向架的搖枕與二系彈簧托梁之間，測(cè)定4組二系承載彈簧組壓縮量變化。在動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，監(jiān)測(cè)彈簧撓度的傳感器安裝于搖枕和側(cè)架的彈簧承臺(tái)部位，采用高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的激光測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)彈簧伸縮測(cè)量。

4.3 空氣制動(dòng)系統(tǒng)異常監(jiān)測(cè)

空氣制動(dòng)異常監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能改善列車運(yùn)行品質(zhì)，保障列車行車安全及運(yùn)輸秩序，消除技檢作業(yè)中對(duì)制動(dòng)故障的誤檢、漏檢，避免列車帶故障運(yùn)行;能實(shí)時(shí)掌握制動(dòng)系統(tǒng)的性能狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除制動(dòng)系統(tǒng)故障，提高列車運(yùn)輸效率，保證運(yùn)行安全;在長(zhǎng)期積累監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)，總結(jié)和探索車輛制動(dòng)部件故障規(guī)律，逐步實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警和預(yù)報(bào)，為實(shí)現(xiàn)狀態(tài)修提供技術(shù)支撐，避免“過(guò)度修”，進(jìn)一步提高車輛運(yùn)用效率和效益。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)分析車輛各制動(dòng)管系壓力變化及列車中前后車輛的管系壓力數(shù)據(jù)，能實(shí)時(shí)判斷出意外緊急、列車管漏泄、自然制動(dòng)、緩解不良、自然緩解等10余項(xiàng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)故障，提升運(yùn)行品質(zhì)、保障行車安全。

4.4 轉(zhuǎn)向架監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

4.4.1 軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)

我國(guó)絕大部分鐵路貨車采用承載鞍與軸承連接，其外圈外露，因此采用了外探方式進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，即5T系統(tǒng)。在5T系統(tǒng)中，有兩個(gè)系統(tǒng)是針對(duì)軸承進(jìn)行監(jiān)測(cè)的。THDS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軸承溫度，TADS系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軸承異音。這些外探監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不可能遍布整個(gè)線路，存在監(jiān)測(cè)盲點(diǎn)，如THDS每隔30km左右設(shè)置1個(gè)。車載軸承監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步保障車輛運(yùn)行安全。

對(duì)照5T系統(tǒng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)點(diǎn)，車載軸承狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)軸溫和異音。其中，軸溫探測(cè)采用非接觸式。根據(jù)我國(guó)既有三大件式鑄鋼轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，相對(duì)比較合適的監(jiān)測(cè)點(diǎn)可考慮在側(cè)架導(dǎo)框、承載鞍、擋鍵等部位。

異音監(jiān)測(cè)擬采用寬動(dòng)態(tài)范圍的拾音傳感器，采集系統(tǒng)對(duì)其采用高速數(shù)據(jù)采集和特征值計(jì)算分析。

4.4.2 閘瓦狀態(tài)監(jiān)測(cè)

閘瓦狀態(tài)監(jiān)測(cè)主要分兩個(gè)部分，一是閘瓦磨耗限度、熔渣夾渣等外觀情況，二是判斷緩解不良。閘瓦磨耗限度、熔渣夾渣等擬采用串口視覺(jué)傳感器，定時(shí)采集閘瓦圖片信息實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)。緩解不良時(shí)，輪瓦會(huì)貼靠在一起產(chǎn)生磨耗，可導(dǎo)致車輪和閘瓦溫度上升，考慮采用溫度監(jiān)測(cè)方法判斷。傳感器的安裝部位均考慮在側(cè)架滑槽部位。

4.4.3 貨車車輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、列車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

車載健康狀態(tài)分析與評(píng)估系統(tǒng)即為列車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，部署在機(jī)車上，主要實(shí)現(xiàn)車輛關(guān)鍵設(shè)備及零部件的實(shí)時(shí)故障檢測(cè)等功能。列車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)依據(jù)原始數(shù)據(jù)的分布式采集，進(jìn)行數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)清洗和特征提取等。原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量大，將通過(guò)車載WiFi傳送到車頭監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，然后采用定期拷貝下載的方式，將數(shù)據(jù)接入地面故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺(tái)中。應(yīng)用層將根據(jù)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)單車監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)警、模型管理、故障診斷、故障分析等。

4.5 車內(nèi)和車地?zé)o線通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)包括車內(nèi)通信和車地通信。車內(nèi)通信為機(jī)車與各車輛之間的通信，車地通信為機(jī)車與遠(yuǎn)程管理平臺(tái)之間高速數(shù)據(jù)通信。根據(jù)采集數(shù)據(jù)對(duì)無(wú)線傳輸?shù)男枨?，無(wú)線通信系統(tǒng)分為窄帶通信系統(tǒng)和寬帶通信系統(tǒng)，窄帶通信系統(tǒng)采用LoRa，寬帶通信系統(tǒng)采用WIFI，考慮到貨車場(chǎng)景，采用定向天線技術(shù)?？紤]到通信系統(tǒng)為其它系統(tǒng)提供可擴(kuò)展的通信需求，研究開發(fā)可擴(kuò)展的幀協(xié)議。

4.5.1 基于WIFI Direct的車載自組網(wǎng)

每節(jié)車輛均設(shè)置匯聚節(jié)點(diǎn)，將各節(jié)車輛中多個(gè)傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)通過(guò)WIFI鏈路匯聚到每節(jié)車輛的匯聚點(diǎn)，聚集點(diǎn)再將這些數(shù)據(jù)傳到車頭，利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，或者緩存在機(jī)車存儲(chǔ)設(shè)備中，待列車進(jìn)入車站再進(jìn)行統(tǒng)一下載。

各節(jié)車輛內(nèi)的傳感器配備傳統(tǒng)的WIFI模塊，直接接入到匯聚節(jié)點(diǎn)中，將實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)上傳到匯聚點(diǎn)。每個(gè)匯聚點(diǎn)安裝WIFI Direct模塊，WIFI Direct技術(shù)允許無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無(wú)需通過(guò)無(wú)線路由器即可相互連接，實(shí)現(xiàn)信息的傳輸及共享。每個(gè)匯聚點(diǎn)的WIFI Direct模塊一方面充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，將各個(gè)車輛傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，另一方面則通過(guò)自組織網(wǎng)絡(luò)的形式彼此相連，將匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)一步傳到機(jī)車。

4.5.2 基于LoRa星型組網(wǎng)的車載通信

列車上的傳感器配備LoRa通信模塊，它們通過(guò)LoRa星型網(wǎng)的形式，接入到車載LoRa網(wǎng)關(guān)，將傳感器采集的重要狀態(tài)信息實(shí)時(shí)傳到車頭。

4.5.3 車地通信方案

在4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳的線路或者區(qū)間，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)特點(diǎn)不同選擇不同傳輸方式。車載PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要分為原始數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中原始數(shù)據(jù)為車載PHM系統(tǒng)狀態(tài)感知部分采集的車輛關(guān)鍵系統(tǒng)及零部件等的溫度、風(fēng)壓、振動(dòng)加速度等物理量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，但對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高，因此在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋欠佳的路段可以暫時(shí)將數(shù)據(jù)緩存在車載存儲(chǔ)系統(tǒng)中。狀態(tài)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)車載PHM系統(tǒng)處理后提取而來(lái)，包含車輛狀態(tài)信息、預(yù)警報(bào)警信息、故障信息等。這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高，可以通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)將其實(shí)時(shí)傳回地面PHM平臺(tái)。

4.6 地面故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)

4.6.1 地面故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

地面故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)主要包括云計(jì)算+大數(shù)據(jù)平臺(tái)、應(yīng)用平臺(tái)兩部分。作為地面故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的平臺(tái)支撐，云計(jì)算平臺(tái)層接收智能感知采集系統(tǒng)采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析，為上層大數(shù)據(jù)平臺(tái)和應(yīng)用系統(tǒng)提供統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，包括計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源。除了車載狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)外，大數(shù)據(jù)平臺(tái)還采集包括車輛制造數(shù)據(jù)、5T監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)巡視數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)等地面數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)范化、集中管理、持續(xù)積累以及跨專業(yè)數(shù)據(jù)共享，提供大數(shù)據(jù)智能分析的基礎(chǔ)能力集，集中存儲(chǔ)分析模型的運(yùn)行結(jié)果數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)挖掘及分析應(yīng)用的各類智能分析模型，為后續(xù)更多的智能分析數(shù)據(jù)應(yīng)用提供支持。

4.6.2 故障預(yù)測(cè)與健康管理閉環(huán)管理流程的實(shí)現(xiàn)

在地面故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)的研究、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中，如何構(gòu)建各類智能分析模型，如何應(yīng)用模型來(lái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障預(yù)測(cè)以及健康管理各類功能，如何實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)與健康管理的閉環(huán)管理都是研究的重點(diǎn)。地面故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)各類用戶在故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)管理流程中的核心操作，通過(guò)智能分析模型構(gòu)建、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、故障預(yù)測(cè)、健康管理及運(yùn)維決策等五個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)測(cè)與健康管理的閉環(huán)管理。

5? 結(jié)束語(yǔ)

建議進(jìn)一步針對(duì)鐵路貨運(yùn)的特殊性，開展貨車安全監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的定義和評(píng)價(jià)，車地?zé)o線信息傳輸、智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成定制和現(xiàn)車運(yùn)行試驗(yàn)等研究工作，提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。

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