地鐵列車客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的應(yīng)用*

韓繼君

(中車長春軌道客車股份有限公司城鐵客車業(yè)務(wù)部，130062，長春//高級工程師)

在地鐵實際運(yùn)營過程中，車門系統(tǒng)的開啟及關(guān)閉頻率極高，加之受到乘客倚靠等外部因素的影響，客室車門會產(chǎn)生較高的故障率，甚至引起清客事件等安全事故，存在一定的安全隱患。但目前，地鐵列車客室門的故障維修過程，不能對故障及安全隱患進(jìn)行預(yù)測和預(yù)警，且故障發(fā)生后亦不能及時獲得正確的解決方案。由于故障目標(biāo)不明確、普查工作量巨大，容易造成誤判，給現(xiàn)有的排查工作與未來的維護(hù)工作帶來了隱患。因此，提前預(yù)判故障發(fā)生、提前解決或修正的主動式故障檢測或消除的技術(shù)及服務(wù)亟待研發(fā)。

文獻(xiàn)[1]以轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵軸承的可靠性監(jiān)測與故障預(yù)警作為案例，對車載設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測。文獻(xiàn)[2]為了保證列車的正常安全行駛，對受電弓的狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)控分析。而在整個車輛的動力牽引系統(tǒng)中，監(jiān)控與智能診斷也有頗多研究[3-5]。此外，作為同樣關(guān)鍵的列車制動系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷技術(shù)也逐漸受到重視[6-7]。但對于地鐵列車車門系統(tǒng)，目前國內(nèi)還沒有非常成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用。為此，本文擬討論地鐵列車客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。

1 地鐵列車客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)方案

地鐵列車客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)通過實時監(jiān)測電機(jī)、門控器(用于電信號的采集)及鎖閉機(jī)構(gòu)動作(用于圖像的采集)的工作情況和工作參數(shù)，通過智能故障分析手段，預(yù)測門系統(tǒng)的亞健康狀態(tài)，在門系統(tǒng)未進(jìn)入故障時就提前檢修和排除亞健康問題，進(jìn)而提高客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)可靠性。

1.1 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)架構(gòu)

客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)由車載監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)中心診斷服務(wù)平臺及客戶端等3大部分構(gòu)成?？褪议T遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1) 車載監(jiān)測設(shè)備。車載監(jiān)測設(shè)備(見圖2 )安裝于地鐵列車的車廂內(nèi)，包含智能門控器和車載以太網(wǎng)設(shè)備。其中，列車監(jiān)控范圍內(nèi)采集到的所有信息通過公共移動通信網(wǎng)絡(luò)最終傳遞至地鐵運(yùn)營維護(hù)數(shù)據(jù)中心服務(wù)平臺，平臺對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一處理、綜合管理。

圖2 車載監(jiān)測設(shè)備的以太網(wǎng)組網(wǎng)圖

2) 分?jǐn)?shù)據(jù)中心。分?jǐn)?shù)據(jù)中心有獨立的公網(wǎng) IP (互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)地址。主要提供所有在線運(yùn)行客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的故障判斷與診斷、車載設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理、客戶端的遠(yuǎn)程訪問門戶等功能。

3) 地鐵用戶數(shù)據(jù)中心診斷服務(wù)平臺。該平臺主要由數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器組成。

4) 客戶端?？蛻舳税_式 PC 客戶端、移動終端的客戶端等。

1.2 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)硬件實施方案

選取上海軌道交通某線路上的1列列車進(jìn)行改造，具體硬件改造分為調(diào)整客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)、增加客室門開門到位檢測開關(guān)及調(diào)整門控器關(guān)閉開關(guān)端口等3個部分。具體硬件改造方案如下：

1.2.1 調(diào)整客室門以太網(wǎng)架構(gòu)

客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)需基于大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，該系統(tǒng)作為實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布A(chǔ)，其網(wǎng)絡(luò)的帶寬直接影響到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿芏群皖l率。而受限于當(dāng)前車輛的以太網(wǎng)接口資源，目前客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)中每節(jié)車只有兩個主門接入車輛以太網(wǎng)中，8個從門并未接入以太網(wǎng)中。為了更加快速實時地傳輸客室門的數(shù)據(jù)，調(diào)整當(dāng)前客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的以太網(wǎng)架構(gòu)，令所有客室門均接入整個車輛的以太網(wǎng)絡(luò)中，而不是只有主門才能接入以太網(wǎng)中。這樣就可以大大加快數(shù)據(jù)的傳輸速度，增加數(shù)據(jù)的采樣密度，從而可以更好地進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的分析處理。

1.2.1.1 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)說明

客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(見圖3)中，每節(jié)車廂均包含10個門控器，門控器共分為兩種：①主門控器：配置以太網(wǎng)、MVB(多功能車輛總線) 和RS485 網(wǎng)絡(luò)接口 (門1—門2)；②非主門控器：配置RS485 網(wǎng)絡(luò)接口 (門3—門8)。

圖3 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2.1.2 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)說明

客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(見圖4)只針對以太網(wǎng)部分，不改變原有的MVB+RS485的網(wǎng)絡(luò)部分。在每1節(jié)車廂中增加1個以太網(wǎng)交換機(jī)。每節(jié)車廂的兩個主門不再直接接入原有車輛的交換機(jī)中，而是將該車廂中所有10 個客室門全部接入到新增交換機(jī)中。

圖4 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2.2 增加車門開門到位檢測開關(guān)

目前，列車客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的門頁位置由軟件通過檢測電機(jī)運(yùn)行時的反向電動勢的大小計算得出。而反向電勢的大小受到電機(jī)本身電氣特性和門控器內(nèi)部相應(yīng)的電動勢檢測模塊的影響。當(dāng)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障或者門控器內(nèi)部出現(xiàn)故障時，有可能會引起門頁位置計算不準(zhǔn)確的問題。增加客室門開門到位檢測開關(guān)后，通過記錄每次客室門全開門位置檢測開關(guān)激活時的門頁位置數(shù)據(jù)，對比差異提前預(yù)警。

1.2.3 調(diào)整門控器關(guān)閉開關(guān)端口

目前，列車客室門診斷系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)是由門控器的數(shù)字量輸入端口進(jìn)行檢測。當(dāng)該端口電壓大于DC 10 V 時，門控器判斷為開關(guān)激活；當(dāng)該端口電壓小于DC 5 V 時，門控器判斷為開關(guān)釋放。由于接入的是數(shù)字量輸入端口，門控器只能檢測該信號的高低電平，但并不能檢測到具體的電壓值。調(diào)整到模擬量輸入端口后，門控器可以在檢測開關(guān)激活狀態(tài)的同時記錄該輸入端口檢測到的具體電壓值。通過對該類電壓值進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的收集和處理，學(xué)習(xí)其特征值。當(dāng)輸入電壓偏離特征值時，預(yù)防性地判斷該開關(guān)的觸點接觸電阻是否發(fā)生變化，從而對開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警。

2 客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下幾個具體功能：

2.1 關(guān)閉開關(guān)和鎖閉開關(guān)數(shù)據(jù)分析

當(dāng)客室門從鎖閉位置向開門位置運(yùn)動時，首先鎖閉開關(guān)會被釋放，然后關(guān)閉開關(guān)被釋放。對于同一個客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)而言，這兩個開關(guān)之間的釋放時間差值應(yīng)該保持在一個固定的范圍內(nèi)。通過大量的針對該時間差數(shù)據(jù)的收集和存儲，對該時間差的特性值進(jìn)行學(xué)習(xí)。當(dāng)該時間差值不小于其特征時間差值時，可以根據(jù)發(fā)生偏差的頻次進(jìn)行異常部件的預(yù)診斷。

當(dāng)單次開關(guān)釋放時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下可能：①開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機(jī)構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；③關(guān)閉開關(guān)或鎖閉開關(guān)發(fā)生釋放動作不良的故障；④電機(jī)發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大。

當(dāng)連續(xù)發(fā)生多次(根據(jù)用戶需求設(shè)定)的開關(guān)釋放時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下可能：①關(guān)閉開關(guān)或鎖閉開關(guān)發(fā)生釋放動作不良的故障；②機(jī)構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；③機(jī)構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致手動推拉門力增大；④電機(jī)發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大；⑤開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件。

2.2 關(guān)閉開關(guān)和全開門位置檢測開關(guān)數(shù)據(jù)分析

對同一個客室門遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)而言，從關(guān)閉開關(guān)釋放到全開門位置開關(guān)被激活之間的時間差值應(yīng)該保持在一個固定的范圍內(nèi)。通過大量的針對該時間差值數(shù)據(jù)的收集和存儲，可以對該時間差值的特性值進(jìn)行學(xué)習(xí)。當(dāng)該時間差值不小于其特征時間差值時，可以根據(jù)發(fā)生差異的頻次進(jìn)行異常部件的預(yù)診斷。

當(dāng)發(fā)生單次的關(guān)閉開關(guān)釋放到全開門位置開關(guān)被激活之間的時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下的可能：①開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機(jī)構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；③關(guān)閉開關(guān)釋放動作不良的故障或全開門位置開關(guān)激活動作不良故障；④電機(jī)發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大。

當(dāng)連續(xù)發(fā)生多次(根據(jù)用戶需求設(shè)定)的關(guān)閉開關(guān)釋放到全開門位置開關(guān)被激活之間的時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下的可能：①關(guān)閉開關(guān)或鎖閉開關(guān)發(fā)生釋放動作不良的故障；②機(jī)構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；③機(jī)構(gòu)調(diào)整后，尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致手動推拉門力增大；④電機(jī)發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大；⑤開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件。

2.3 實時電流數(shù)據(jù)分析

通過采集并記錄客室門開門方向和關(guān)門方向的實時電流值，并同時記錄每一個電流值采樣點的門頁位置信息，則可以還原開門過程和關(guān)門過程的電流與位置關(guān)系曲線。通過大量針對該電流數(shù)據(jù)的收集和存儲，可以對每個車門的開關(guān)門特征電流曲線進(jìn)行學(xué)習(xí)。當(dāng)某一區(qū)間的電流值與特征值發(fā)生偏差時，可以根據(jù)發(fā)生差異的頻次進(jìn)行異常部件的預(yù)診斷。

當(dāng)發(fā)生單次單區(qū)間或單次多區(qū)間開門電流值大于該特征電流時，可判斷存在以下可能：①開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機(jī)構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件。

當(dāng)連續(xù)發(fā)生多次同一區(qū)間內(nèi)的開門電流值大于該特征電流時，可以判斷存在以下的可能：①機(jī)構(gòu)開門方向某個位置存在一定的干涉，導(dǎo)致開門時在該位置附近阻力增大，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機(jī)構(gòu)調(diào)整后，尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致手動推拉門力在某個位置增大；③開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件。

當(dāng)連續(xù)發(fā)生多次多區(qū)間的開門電流值大于該門的特征電流時，可以判斷存在以下可能：①機(jī)構(gòu)開門方向多個位置或整個開門行程都存在一定的干涉，導(dǎo)致開門時阻力增大，但又未達(dá)到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機(jī)構(gòu)調(diào)整后，尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致多個位置或整個開門行程的手動推拉門力變大；③門控器電流檢測回路故障，導(dǎo)致電流值異常。

2.4 關(guān)閉開關(guān)和全開門位置檢測開關(guān)信號電壓數(shù)值數(shù)據(jù)分析

將關(guān)閉開關(guān)的信號檢測端口由門控器的數(shù)字量端口調(diào)整到模擬量端口后，可以通過門控器內(nèi)部的AD(模擬量數(shù)字量) 模塊對該信號的實際電壓值進(jìn)行檢測。該信號的驅(qū)動電源來自門控器提供的標(biāo)準(zhǔn)DC 24 V 電壓。理論上，當(dāng)關(guān)閉開關(guān)觸點的接觸電阻正常時，門控器檢測到的電壓值也應(yīng)該在DC 24 V左右。通過大量針對該信號電壓數(shù)據(jù)的收集和存儲，可以對該信號的特征電壓值進(jìn)行學(xué)習(xí)。

當(dāng)發(fā)生連續(xù)多次設(shè)定值以上的檢測電壓值小于16.8 V(暫定24 V×0.7)時，則判斷該關(guān)閉開關(guān)觸點發(fā)生異常。可能的原因如下：①觸點氧化，導(dǎo)致接觸電阻增大；②觸點連接不穩(wěn)定，導(dǎo)致接觸電阻增大。

3 結(jié)語

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，在線運(yùn)營地鐵列車的不斷增加,如何提高運(yùn)營維護(hù)效率、降低成本、保障運(yùn)營安全性成為車輛制造企業(yè)研究的重點。作為與列車車廂內(nèi)旅客安全息息相關(guān)的系統(tǒng)，門系統(tǒng)在列車運(yùn)營時由于頻繁使用，產(chǎn)生故障的概率大大增加?？褪议T遠(yuǎn)程診斷系統(tǒng)的應(yīng)用研究對提高城市軌道交通的運(yùn)輸效率、降低設(shè)備的運(yùn)營維護(hù)成本、提高地鐵列車的運(yùn)營安全性具有重要意義。