軌道交通故障診斷體系的應用研究

李海靜 王志

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031）

0.引言

在新時代發(fā)展進程中，我國的軌道交通建設水平已經(jīng)實現(xiàn)了飛速的突破，不僅是在覆蓋里程數(shù)還是資源運輸體量等方面已經(jīng)收獲了更高的水平，甚至會在一定程度上全面推進各地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展水平。如果軌道交通運行期間出現(xiàn)故障也會受到故障、監(jiān)測難度大、故障維修與解決困難等多方面因素的影響，導致軌道交通的運行狀況出現(xiàn)停滯狀態(tài)。對此本文針對軌道交通故障診斷系統(tǒng)的應用進行專項研究，希望能夠通過現(xiàn)代化的新型技術手段對軌道交通的安全運轉提供重要保障。

1.故障診斷體系的系統(tǒng)架構

在針對當前的軌道交通車輛進行故障排查與診斷時，需要綜合應用分布式控制技術和通信網(wǎng)絡技術等，主要采取多功能車輛總線的技術形式，對軌道交通車輛的信號進行實時傳輸與有效控制[1]。如圖1所示，可以對當前的軌道交通車輛運轉情況進行信息數(shù)據(jù)的實時采集，數(shù)據(jù)采集單元（DRU）、事件記錄儀（ERM）、多功能車輛總線（MVB。）數(shù)據(jù)采集單元可以直接在當前的車輛總線中進行設備記錄的實時采集和存儲，特別是設備的運行狀態(tài)和故障信息，而事件記錄儀可以在軌道交通車輛運行過程中的各類重要事件進行有效存儲，通過多種類型的故障診斷軟件進行數(shù)據(jù)分析與處理[2]?，F(xiàn)有的軌道交通故障診斷體系可以通過多功能車輛總線直接接入車輛網(wǎng)絡中，實現(xiàn)與多個控制單元之間的數(shù)據(jù)交換，如中央控制、空調等子設備單元等等，隨后需要通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與電腦終端的連接，便于對現(xiàn)有信息和數(shù)據(jù)進行有效維護與分析診斷[3]。

圖1 故障診斷體系的系統(tǒng)架構

2.故障診斷體系的軟件實現(xiàn)

故障診斷體系的數(shù)據(jù)采集軟件和車輛記錄儀在軟件環(huán)境等方面有一定差異。當整體軌道交通故障診斷系統(tǒng)上電之后，可以直接收到多功能車輛總線所傳達出的數(shù)據(jù)，并將其直接存儲于固定內存之中，而其他需要發(fā)送的數(shù)據(jù)也可以通過多功能車輛總線進行傳達，實現(xiàn)有效通信。數(shù)據(jù)采集單元主要搭載 VX Works操作系統(tǒng)，并將其控制系統(tǒng)和底層通用功能進行充分發(fā)揮，與此同時配套應用PLC自動化控制系統(tǒng)進行任務創(chuàng)建，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集單元的文件解析和有效執(zhí)行。事件記錄儀主要應用 Linux操作系統(tǒng)，實現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的有效通信，特別是對于故障事件相關內容進行底層通用參數(shù)的交接，確保軟件運行能夠有更加全面的數(shù)據(jù)參考。例如，某地建設地鐵所應用的列車控制系統(tǒng)CBTC，主要采取列車-地間連續(xù)化的傳輸與命令形式，確保列車位置信息以及相關移動授權命令可以對有軌列車進行自動化控制，現(xiàn)有的系統(tǒng)中主要涵蓋了列車防護ATP系統(tǒng)，計算機聯(lián)鎖CI系統(tǒng)以及自動列車駕駛ATO系統(tǒng)和自動列車監(jiān)督ATS系統(tǒng)等等。在運行過程中信號系統(tǒng)所出現(xiàn)的故障主要為自動列車監(jiān)督ATS系統(tǒng)設備故障、軌旁設備故障以及車載設備、通信設備故障等多種類型。

根據(jù)現(xiàn)有的軟件功能，如圖2所示軟件流程可以將其具體劃分為通信模塊、初始化模塊、底層驅動模塊以及數(shù)據(jù)采集單元自檢模塊、記錄模塊等。其中初始化模塊主要負責對不同設備和儀器進行初始化，避免程序出現(xiàn)跑分問題。在通訊模塊中需要基于當前的通訊協(xié)議，完成端口參數(shù)的具體配置驅動模塊，需要對當前的軟件操作系統(tǒng)進行有效接口驅動，同時對當前的文件記錄進行留存。數(shù)據(jù)采集功能的自檢模塊則需要在上電啟動狀態(tài)之下進行全面自檢，判斷系統(tǒng)任務的運行狀態(tài)是否正常，同時確保監(jiān)視任務能夠保持良好，如果在此期間發(fā)現(xiàn)異常問題要立即進行報錯，并對現(xiàn)有的系統(tǒng)進行重新啟動。最后在文件記錄模塊中則需要對當前軌道交通車輛的運行情況和關鍵事件進行存儲和記錄，確保診斷軟件能夠對其進行深入的分析與故障排查[4]。

圖2 軟件流程圖

3.故障診斷與數(shù)據(jù)分析應用

軌道交通故障診斷體系的應用，最關鍵的要素在于故障診斷以及數(shù)據(jù)的分析，因此可以從通信接口、故障診斷以及運行數(shù)據(jù)分析3個層面進行應用與論證。

3.1 通訊接口細節(jié)處理

在通訊接口方面，當前軌道交通車輛在運行過程中需要對現(xiàn)有的信息和數(shù)據(jù)內容進行數(shù)據(jù)分析，并通過以太網(wǎng)與電腦終端接口進行連接，也可以通過不同類型的車載設備搭載無線通訊模塊進行2個數(shù)據(jù)采集模塊與服務器之間的無線通信。而應用車載無線設備也要實時保證周邊無線網(wǎng)絡的暢通，軌道交通車輛回庫之后需要對現(xiàn)有的車載無線設備進行全面的檢查，讓其直接連接無線局域網(wǎng)絡，及時更新和自動傳輸車輛的歷史故障問題、現(xiàn)如今的運行狀態(tài)情況、并將相關數(shù)據(jù)文件直接傳輸給指定的服務器之中，地面系統(tǒng)的服務器則專業(yè)收集不同數(shù)據(jù)單元內容，并通過無線設備所傳送的故障信息和運行狀態(tài)對其進行分類與評估。在此期間可以應用圖表的形式直接導入數(shù)據(jù)庫，操作人員可以直接對現(xiàn)有的故障信息和運行數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，進行遠程網(wǎng)頁訪問，讓其能夠形成更加連貫直觀的曲線或圖形等等，明確分類以及軌道交通車輛故障診斷的情況，方便用戶進行故障評估，為后期的運行與維護奠定良好的決策基礎。與此同時，可以讓車輛段的具體管理人員通過服務軟件對當前的軌道交通車輛運行情況和故障發(fā)生情況開展實時監(jiān)控，注重實時監(jiān)控過程中各類信息數(shù)據(jù)與車輛以往的數(shù)據(jù)內容進行對比分析。其中可以應用更加專業(yè)的故障診斷與分析軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元的有效銜接，積極記錄不同類型的車輛故障，并將相關數(shù)據(jù)直接導出到電腦終端系統(tǒng)之中，以便相關工作人員能夠準確及時地了解車輛故障信息和運行狀態(tài)。

在前文中提到的列車控制CBTC控制系統(tǒng)中，曾經(jīng)發(fā)生地鐵運營調度通訊故障的問題，這主要是由于地鐵運營調度OCC與外圍系統(tǒng)主要采取雙通道通信的形式，如果應用單一通道則并不會影響系統(tǒng)的正常工作。但是信息通道的故障也會導致中心ATS自動列車監(jiān)督系統(tǒng)失去其應有的功能，而轉為降級模式的控制方法和控制形式。針對于此，可以將本地ATS系統(tǒng)切換為主ATS狀態(tài)，應用TTP服務器對當前的列車時刻表、停站時間等進行再次加載和計算，轉變車次信號等，自動安排PRC服務器的自主化運行功能。

3.2 故障診斷逐級劃分

在故障診斷階段，可以在現(xiàn)有的軌道交通故障診斷體系中，將具體的故障類型劃分為3個等級，如果現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)體系檢測出故障問題，也可以根據(jù)不同的級別做好相關動作。例如，一級的信息為關鍵要素故障診斷信息，主要指的是對軌道交通車輛當前的運營與服務造成了嚴重的影響，此類事故風險較大，需要第一時間采取處理措施；二級信息體現(xiàn)為次要信息，指的是在列車運行和服務過程中并不會造成更加明顯影響的事故或不故障類型，在軌道交通車輛返回車輛段之后對其進行一定的處理和故障解決；三級信息主要為常規(guī)信息等，并不會對軌道交通車輛的運營與服務造成影響，故障發(fā)生影響相對較小，可以直接在日常檢修與維護中進行有效的解決與排除。

以城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障為例，在發(fā)生控制閥故障時往往可愛，從閥體、執(zhí)行結構、附件3個角度進行故障的專項分析，見表1，深入探究故障發(fā)生原因。在實際應用故障診斷體系時，可以通過8通道的動態(tài)數(shù)據(jù)采集卡以及振動加速度傳感器和聲壓傳感器進行控制閥運行信號的實時采集，但不容忽視的是在軌道車輛運行過程中制動系統(tǒng)的工作環(huán)境相對復雜，周邊噪聲相對較大，在一定程度上影響了故障自動化診斷的精準度，可以應用EMD算法降低噪聲含量，實現(xiàn)控制閥信號的有效降噪和診斷。

表1 城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)控制閥故障系統(tǒng)劃分

3.3 故障診斷實時監(jiān)控

在針對現(xiàn)有的運行數(shù)據(jù)進行分析時可以通過Web Tip軟件進行實現(xiàn)，該軟件可以分為系統(tǒng)維護工具以及數(shù)據(jù)監(jiān)視工具2大類型，在系統(tǒng)維護工具中可以直接導入相關數(shù)據(jù)庫文件，并按照已有的需求對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的格式進行一定解析。而數(shù)據(jù)監(jiān)視工具更加強調了在線實時化的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，可以通過表格或曲線等多種直觀有效的方式，對虛擬數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進行直觀分析與考量[5]。

4.故障診斷體系的管理途徑

當前我國現(xiàn)有的軌道交通故障診斷體系在應用方面更加科學，綜合技術水平更加廣泛。例如在實際監(jiān)測過程中可以綜合應用振動監(jiān)測技術，配以和現(xiàn)有的軌道交通故障診斷系統(tǒng)進行運行信號的收集和異常點位數(shù)據(jù)的預警和整理，在此過程中需要綜合應用聲波傳遞技術、信號發(fā)射技術等，最后進一步應用共振解調技術，實現(xiàn)對現(xiàn)有設備的統(tǒng)一應用。同時不斷優(yōu)化核心應用技術，讓當前的軌道交通故障診斷體系能夠充分發(fā)揮其應有的價值。針對于此，需要在故障診斷體系運行過程中，對不同類型的細微振動進行第一時間捕捉，要全面了解軌道交通車輛當前的振動頻率、不同類型的運行狀況、振幅等差異問題，確保能夠及時分析故障條件之下的振動異常，第一時間給出預警信息。

5.結語

在軌道交通車輛的運行過程中故障診斷尤為重要，而故障診斷體系的應用也直接關系到車輛運行的狀態(tài)。為此，要加強對軌道交通車輛運行狀態(tài)和故障的診斷與排除，進一步降低人力物力成本，提高工作效率，希望本文能為我國軌道交通故障的有效診斷和解決提供參考。