地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用探究

孫寧

摘 要：基于傳感、通訊以及計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)影響地鐵車輛運(yùn)行安全的關(guān)鍵參數(shù)，分析車輛輪對(duì)、受電弓以及軸承等部位有無故障風(fēng)險(xiǎn)并自動(dòng)發(fā)出預(yù)警信息，為地面控制中心的管理人員提供決策信息支持，從而保障車輛運(yùn)行安全、優(yōu)化地鐵列車的運(yùn)維管理。本文首先闡釋了地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)及軟硬件構(gòu)成，進(jìn)而介紹了其基本架構(gòu)以及各個(gè)功能模塊的技術(shù)原理和安裝方案，并且探討了數(shù)據(jù)采集分析以及系統(tǒng)管理軟件的研發(fā)，分析了在系統(tǒng)應(yīng)用過程中應(yīng)如何采取合理的運(yùn)維措施。

關(guān)鍵詞：在線監(jiān)測(cè);系統(tǒng)結(jié)構(gòu);功能模塊;地鐵車輛

0 引言

地鐵車輛高速運(yùn)行于地下密閉空間，車輪與鋼軌、受電弓與接觸網(wǎng)以及走行部零配件之間都必須保持精密的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，才能夠保證列車的穩(wěn)定和安全運(yùn)行。而要想準(zhǔn)確、及時(shí)掌握相關(guān)信息并對(duì)安全態(tài)勢(shì)做出客觀評(píng)價(jià)，必須對(duì)地鐵車輛行駛狀態(tài)下的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行采集和分析，所以有必要設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便動(dòng)態(tài)獲取和分析輪對(duì)、走行部以及受電弓等的幾何形狀、影像以及聲音等數(shù)據(jù)和信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛運(yùn)行故障的預(yù)測(cè)、識(shí)別以及預(yù)警。

1 地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)運(yùn)行中的地鐵車輛進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，需要通過設(shè)置在軌道道床、隧道壁以及鋼軌上的傳感裝置完成信息采集，并且依托無線通信以及光線網(wǎng)絡(luò)建立其與地面探測(cè)站、控制中心之間的信息交互，運(yùn)用數(shù)據(jù)分析軟件完成信息處理，根據(jù)需要發(fā)布故障預(yù)警或者面向管理人員提供列車運(yùn)行狀態(tài)的信息查詢服務(wù)。

1.1 基于傳感技術(shù)動(dòng)態(tài)采集車輛運(yùn)行相關(guān)參數(shù)

根據(jù)地鐵車輛行駛狀態(tài)下各重點(diǎn)監(jiān)測(cè)對(duì)象的溫度等參數(shù)，可以基于算法研發(fā)完成對(duì)輪對(duì)等核心部件狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析和評(píng)價(jià)。而運(yùn)用不同技術(shù)原理制造的各類傳感裝置可以動(dòng)態(tài)感知相關(guān)信息并將其傳輸至數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，目前市場(chǎng)上有適用于在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各類傳感裝置，既有能夠勝任聲音、速度等物理學(xué)參數(shù)的采集和上傳的產(chǎn)品，也有基于物理場(chǎng)檢測(cè)并可以計(jì)算出所需參數(shù)以及繪制圖形的集成化解決方案。但每一類產(chǎn)品在靈敏度、信號(hào)分辨率以及性能的穩(wěn)定性方面都存在明顯差異，在地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，需要針對(duì)傳感裝置擬安裝環(huán)境的特點(diǎn)以及系統(tǒng)的運(yùn)行要求進(jìn)行選擇。目前應(yīng)用最多的是溫度、聲音傳感器和圖像采集與識(shí)別裝置。

1.2 通過數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)車輛運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行故障預(yù)警

布設(shè)于地鐵線路固定地點(diǎn)的傳感裝置采集到的信息通常為數(shù)字、模擬信號(hào)以及影像，要想從中提取出表征監(jiān)測(cè)對(duì)象狀態(tài)的信息和數(shù)據(jù)，必須運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)其進(jìn)行處理和分析，才能夠通過與數(shù)據(jù)庫當(dāng)中信息的匹配，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)預(yù)測(cè)以及故障預(yù)警[1]。在目前廣為應(yīng)用的地鐵車輛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)分析和處理軟件被安裝于地面探測(cè)站的主機(jī)當(dāng)中，分別在前置機(jī)完成信號(hào)解譯、轉(zhuǎn)換并在后置機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，再將分析結(jié)果上傳至控制中心以及根據(jù)需要發(fā)布預(yù)警。

1.3 為優(yōu)化線路運(yùn)營(yíng)和車輛運(yùn)維提供信息支持

利用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)地鐵車輛故障預(yù)警的同時(shí)，也可以基于數(shù)據(jù)庫構(gòu)建和數(shù)據(jù)分析優(yōu)化地鐵線路運(yùn)營(yíng)與車輛運(yùn)維。首先，通過對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所獲取的信息的深入挖掘，可以讓線路運(yùn)營(yíng)管理單位對(duì)運(yùn)營(yíng)安全進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，掌握故障發(fā)生規(guī)律、車輛運(yùn)維數(shù)據(jù)，從而在設(shè)備采購、升級(jí)以及制定線路運(yùn)營(yíng)規(guī)劃的過程中優(yōu)化決策。其次，可以利用線上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)車輛軸承、走行部等關(guān)鍵零部件的使用壽命，并且制定前瞻性的維修保養(yǎng)計(jì)劃，降低地鐵列車的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)的基本架構(gòu)以及軟硬件構(gòu)成

根據(jù)地鐵列車在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和功能要求，硬件系統(tǒng)中主要包含了服務(wù)器、終端監(jiān)視器、探測(cè)站的主機(jī)及其輔助設(shè)備以及各類傳感器與探測(cè)裝置，而軟件系統(tǒng)主要分為探測(cè)站主機(jī)中運(yùn)行的信號(hào)轉(zhuǎn)換與數(shù)據(jù)分析軟件、控制中心服務(wù)器中的系統(tǒng)管理軟件兩個(gè)部分，后者兼具上傳數(shù)據(jù)的處理、故障分析、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建以及面向系統(tǒng)用戶的服務(wù)功能，通過不同功能模塊完成地鐵車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)管理、用戶登錄授權(quán)與身份認(rèn)證以及系統(tǒng)自身運(yùn)行狀況的監(jiān)控[2]。而系統(tǒng)的基本架構(gòu)包含了圖1所示的三個(gè)物理層，其中現(xiàn)場(chǎng)傳感層的功能是完成監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息感知與數(shù)據(jù)檢測(cè)，利用各類探測(cè)、傳感裝置獲取高速通過的地鐵車輛各個(gè)被監(jiān)測(cè)部位的參數(shù)，并且將信息上傳到探測(cè)站當(dāng)中的前置機(jī)。探測(cè)站是地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中間層，主要由信號(hào)輸入輸出模塊、電源以及前置、后置機(jī)構(gòu)成，基于軟件運(yùn)行完成信息處理以及故障預(yù)警，并且與其它兩個(gè)物理層之間分別保持雙向通訊聯(lián)系。而位于控制中心的數(shù)據(jù)服務(wù)管理層則主要完成數(shù)據(jù)的分類存儲(chǔ)、面向用戶提供查詢服務(wù)以及發(fā)布相關(guān)信息，包括地鐵線路運(yùn)營(yíng)管理所需的區(qū)域車輛實(shí)時(shí)位置、編號(hào)等方面的內(nèi)容。

3 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各功能模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象將地鐵車輛的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的子系統(tǒng)，并且實(shí)施模塊化的設(shè)計(jì)，可以提高其可擴(kuò)展性并且簡(jiǎn)化系統(tǒng)的運(yùn)維。根據(jù)目前地鐵線路運(yùn)行過程中車輛故障類型與影響因素的特點(diǎn)，可以設(shè)置如圖2所示的五個(gè)基礎(chǔ)功能模塊，并且為滿足系統(tǒng)信息處理和參數(shù)計(jì)算的需要，加設(shè)車號(hào)識(shí)別與列車行駛速度測(cè)量模塊。

3.1 輪對(duì)廓形檢測(cè)模塊

地鐵車輛的輪對(duì)變形、磨損會(huì)增加列車運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，因此采集輪徑、輪緣寬度等數(shù)據(jù)并且進(jìn)行處理，還原出輪對(duì)的廓形曲線并進(jìn)行進(jìn)一步的分析計(jì)算，可以綜合評(píng)定其工況并判斷是否需要采取運(yùn)維措施。為了實(shí)現(xiàn)這一監(jiān)測(cè)模塊的功能，應(yīng)選擇集成了高速攝像頭、激光測(cè)距儀的探測(cè)裝置，將其對(duì)稱布置在兩條軌道的內(nèi)外側(cè)道床，在列車輪對(duì)通過監(jiān)測(cè)范圍時(shí)，可以從車輪內(nèi)外兩側(cè)以及前后兩個(gè)方向分別完成各項(xiàng)幾何參數(shù)的測(cè)量和采集，因此共需要安裝8個(gè)探測(cè)裝置，前后間距控制在20 m左右。

3.2 平輪探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)及安裝

由于地鐵車輛在運(yùn)行過程中需要頻繁啟動(dòng)和剎車，在制動(dòng)過程中會(huì)出現(xiàn)滑行現(xiàn)象，從而造成輪對(duì)外緣局部過度磨損并形成表面瘢痕，從而破壞圓滑過渡的輪廓曲線，這一現(xiàn)象也被稱為踏面擦傷。當(dāng)擦傷達(dá)到一定程度，就會(huì)導(dǎo)致車輛運(yùn)行中的振動(dòng)并影響軸承等關(guān)鍵零部件的使用壽命，增加故障發(fā)生概率。而平輪探測(cè)模塊的功能就是探測(cè)和識(shí)別踏面擦傷并評(píng)估是否需要進(jìn)行維修，所以需要完成定性與定量的信息分析和處理[3]。為了保障探測(cè)結(jié)果的可靠性應(yīng)選擇8個(gè)高靈敏度與分辨率的加速度傳感器，對(duì)稱緊固在兩條軌道的外側(cè)，感應(yīng)踏面擦傷部位通過時(shí)形成的周期性振動(dòng)波，進(jìn)而通過頻譜分析完成定性定量分析。

3.3 走行部在線監(jiān)測(cè)模塊

地鐵車輛的走行部包括了齒輪箱等傳動(dòng)部件，在列車高速運(yùn)行過程中承受著零配件之間的摩擦、機(jī)械振動(dòng)以及沖擊，因此較易出現(xiàn)緊固、連接件松動(dòng)等問題，影響車輛的平穩(wěn)和安全運(yùn)行。針對(duì)這一隱患發(fā)生和發(fā)展的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)走行部的異響檢測(cè)模塊，在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的地鐵隧道壁兩側(cè)對(duì)稱布置2個(gè)聲音探測(cè)裝置，采集走行部通過時(shí)的聲音數(shù)據(jù)并傳至探測(cè)站，由探測(cè)站軟件分析有無表征行走部故障的異響。

3.4 受電弓異響探測(cè)與磨損監(jiān)測(cè)

受電弓和接觸網(wǎng)之間在地鐵車輛行進(jìn)過程中需要保持精密的接觸關(guān)系，才能夠穩(wěn)定的為車輛供電，保障線路運(yùn)營(yíng)以及供配電設(shè)施的安全。而受電弓與接觸線相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)因振動(dòng)、磨損等原因出現(xiàn)接觸不良等問題，為了在線檢測(cè)和評(píng)價(jià)弓網(wǎng)關(guān)系，可以首先在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的隧道壁上接近受電弓的位置布置2個(gè)聲音傳感裝置，其原理與行走部異響探測(cè)相同。其次，可利用無損探傷原理使用激光探測(cè)器獲取圖像資料，分析受電弓滑板等關(guān)鍵零部件有無裂紋等缺陷并評(píng)估其磨損程度。

3.5 軸承溫度檢測(cè)模塊

軸承溫度變化能夠表征地鐵車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，當(dāng)溫度異常升高時(shí)往往意味著潤(rùn)滑不良或零件損壞等問題，如若不及時(shí)維護(hù)則易導(dǎo)致車輛故障。所以在設(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，需要設(shè)置軸承溫度的檢測(cè)分析模塊。為了能夠基于地面監(jiān)測(cè)區(qū)域的探測(cè)裝置感應(yīng)行駛中的車輪部位軸溫參數(shù)，在地鐵軌道兩側(cè)分別安裝一個(gè)紅外溫度傳感器，當(dāng)列車經(jīng)過時(shí)可以直接獲取車輪軸箱的溫度數(shù)據(jù)并上傳給探測(cè)站服務(wù)器，由軟件系統(tǒng)分析軸溫變化有無異常，并在必要時(shí)發(fā)出警示信息。

3.6 車輛行駛速度檢測(cè)與車號(hào)識(shí)別輔助模塊

車號(hào)識(shí)別和車輛行駛速度檢測(cè)為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫管理與故障分析、參數(shù)計(jì)算提供了關(guān)鍵信息。其中的車號(hào)識(shí)別模塊應(yīng)用的是射頻識(shí)別技術(shù)，在軌道道床布置探測(cè)天線，識(shí)別列車前后端車廂下部的RFID標(biāo)簽即可在系統(tǒng)中匹配列車編號(hào)[4]。而行駛速度檢測(cè)基于2個(gè)布置于軌道沿線、間距固定的傳感器，感知、記錄車輪先后經(jīng)過的時(shí)間點(diǎn)便可以計(jì)算出車輛行駛速度，一方面可以通過在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制中心面向管理網(wǎng)絡(luò)發(fā)布實(shí)時(shí)信息，供管理人員查詢和參考。另一方面則作為在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理軟件計(jì)算、分析車輪幾何參數(shù)、踏面擦傷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

4 軟件研發(fā)及系統(tǒng)運(yùn)維

地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件也有多個(gè)功能模塊，分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)庫管理以及系統(tǒng)管理等功能，運(yùn)行于探測(cè)站控制層和數(shù)據(jù)服務(wù)管理層的服務(wù)器，既相互獨(dú)立又需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和保持實(shí)時(shí)通訊。其中探測(cè)站控制層的軟件主要完成信息的識(shí)別和分析，同時(shí)控制這一物理層的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)。而數(shù)據(jù)庫以及系統(tǒng)管理軟件則實(shí)現(xiàn)了故障分析預(yù)警、生成報(bào)表以及信息發(fā)布功能，基于SQL數(shù)據(jù)庫軟件平臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的功能開發(fā)。此外，為了保障在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，應(yīng)針對(duì)各物理層的運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)制定運(yùn)維措施，對(duì)于地面監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)布置的探測(cè)裝置進(jìn)行必要的保養(yǎng)與維護(hù)，并且利用防火墻與網(wǎng)絡(luò)安全監(jiān)測(cè)軟件保障系統(tǒng)的通訊安全。

5 結(jié)束語

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠采集高速運(yùn)行狀態(tài)下地鐵車輛的重要參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)易發(fā)故障的預(yù)測(cè)和診斷，為地鐵線路安全運(yùn)營(yíng)提供了有力支持。而隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，給實(shí)施更加全面的信息采集和數(shù)據(jù)處理創(chuàng)造了條件，未來的地鐵車輛在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)精度、故障識(shí)別和預(yù)警能力將會(huì)不斷得到提高和完善。

參考文獻(xiàn)：

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