軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

蔡龍龍，陳家福，鐘星魁

（泉州中車唐車軌道車輛有限公司，福建泉州 362122）

0 引言

隨著城市軌道交通的發(fā)展，支撐安全運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)業(yè)務(wù)不斷增加，迫切需要將列車運(yùn)行狀態(tài)、故障等信息可靠的傳輸?shù)降孛?，方便地面運(yùn)營(yíng)維護(hù)人員及時(shí)了解車輛運(yùn)行狀態(tài)［1-2］。

國(guó)內(nèi)外軌道交通企業(yè)都在積極研究有關(guān)的安全保障、系統(tǒng)效能提升、系統(tǒng)可持續(xù)等技術(shù)的研究和示范應(yīng)用。葡萄牙Nomad公司的RCM 360 系統(tǒng)，運(yùn)用基于設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)的智能運(yùn)維技術(shù)，使設(shè)備可靠性提升30%，設(shè)備利用率提升20%，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

上海地鐵聯(lián)合各子系統(tǒng)供應(yīng)商打造了車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)、軌旁綜合檢測(cè)系統(tǒng)、維護(hù)管理系統(tǒng)、車輛維護(hù)專家系統(tǒng)的智慧管理系統(tǒng)，建有智能運(yùn)維大數(shù)據(jù)平臺(tái)、智能運(yùn)維平臺(tái)R.I.S.E、車輛檢測(cè)系統(tǒng)IOR、360 環(huán)視檢修系統(tǒng)、點(diǎn)巡檢系統(tǒng)、DCC調(diào)度系統(tǒng)等，使人車比下降20%，車輛可用率提升3%，MDBSF 很快達(dá)到200 000 km（原為50 000 km），但缺少故障耦合分析、節(jié)能優(yōu)化、智能決策。

廣州地鐵建立了以在途運(yùn)行監(jiān)測(cè)、軌旁智能檢測(cè)、場(chǎng)段檢修監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析評(píng)估（可靠性分析）、過(guò)程評(píng)估（LCC）、專家系統(tǒng)為核心功能的智能運(yùn)維系統(tǒng)。車輛正線故障0.021 件/萬(wàn)車·千米，故障率遠(yuǎn)低于線網(wǎng)0.099 件/萬(wàn)車·千米的平均水平。

德國(guó)多特蒙德鐵路中心集合運(yùn)維維護(hù)設(shè)備與數(shù)字化服務(wù)，高效和智慧地組織，響應(yīng)快速和專業(yè)，以盡可能縮短車輛的停駛時(shí)間為運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)分析，達(dá)到99%以上出車率。

軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)是一套支持列車運(yùn)營(yíng)檢修維護(hù)的綜合性的運(yùn)維系統(tǒng)平臺(tái)，主要功能是依靠列車MVB通信網(wǎng)絡(luò)及以太網(wǎng)信息網(wǎng)，借助無(wú)線傳輸通道實(shí)現(xiàn)車輛各子系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及詳細(xì)參數(shù)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)一落地。地面搭建綜合監(jiān)控分析平臺(tái)，通過(guò)瀏覽器便可實(shí)現(xiàn)車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障自動(dòng)報(bào)警、運(yùn)行參數(shù)趨勢(shì)分析以及綜合性健康管理分析等功能，從而為列車運(yùn)行提供遠(yuǎn)程專家技術(shù)支持和遠(yuǎn)程診斷［3-8］。

1 總體架構(gòu)

軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)主要由車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、車地?zé)o線傳輸系統(tǒng)（借助地面PIS WLAN 無(wú)線通道）、地面系統(tǒng)平臺(tái)組成（如圖1 所示）。

圖1 專家診斷系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括車輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其他車載子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成，專家診斷系統(tǒng)車載設(shè)備主要為專家系統(tǒng)車載主機(jī)單元（ESU）與以太網(wǎng)交換機(jī)構(gòu)成，ESU依靠以太網(wǎng)交換機(jī)組建的以太網(wǎng)維護(hù)信息網(wǎng)獲取列車上各個(gè)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)，然后借助地面PIS WLAN 無(wú)線傳輸通道實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)落地。

地面系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，通過(guò)瀏覽器可實(shí)現(xiàn)車輛各個(gè)子系統(tǒng)的狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、故障自動(dòng)報(bào)警、故障分析、故障診斷、故障應(yīng)急處理及檢修處理意見推送、故障統(tǒng)計(jì)等功能，從而為列車運(yùn)行提供遠(yuǎn)程專家技術(shù)支持和遠(yuǎn)程診斷。

1.1 車載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

車載系統(tǒng)通過(guò)部署車輛數(shù)據(jù)采集處理與發(fā)送網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)的分布式采集、本地存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)融合、清洗和特征提取等功能。同時(shí)將數(shù)據(jù)以規(guī)范的格式借助地面PIS WLAN 無(wú)線通道下傳至地面系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)子系統(tǒng)及關(guān)鍵部件狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、故障預(yù)警及健康評(píng)估等功能。

ESU設(shè)備作為專家系統(tǒng)車載主機(jī)單元，全列車頭尾端各配置一臺(tái)，一路MVB 接口接入到TCMS 的MVB 網(wǎng)絡(luò)，一路以太網(wǎng)接口接入到以太網(wǎng)維護(hù)信息網(wǎng)。車載網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖2 所示，包括牽引、輔助系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、走行部、弓網(wǎng)檢測(cè)、蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)、列車控制與管理系統(tǒng)、邏輯控制單元、旅客信息系統(tǒng)、煙火報(bào)警系統(tǒng)、障礙物檢測(cè)系統(tǒng)等。

圖2 車載專家系統(tǒng)與車輛子系統(tǒng)連接拓?fù)鋱D

1.2 地面系統(tǒng)平臺(tái)

專家診斷地面系統(tǒng)平臺(tái)，包括服務(wù)專用機(jī)、防火墻、交換機(jī)硬件設(shè)備。整個(gè)地面系統(tǒng)平臺(tái)按照單線路項(xiàng)目配置需求，部署地面平臺(tái)，主要功能包括：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)提取功能、分段數(shù)據(jù)檢索功能、數(shù)據(jù)聚合功能、系統(tǒng)數(shù)據(jù)應(yīng)用功能。系統(tǒng)具體部署結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 地面系統(tǒng)平臺(tái)部署結(jié)構(gòu)

為實(shí)現(xiàn)雙機(jī)熱備冗余切換，系統(tǒng)配置了2 臺(tái)主從服務(wù)專用機(jī)，在2 臺(tái)服務(wù)專用機(jī)分別搭建一套完整的地面平臺(tái)，每套都能夠獨(dú)立的接收、解析數(shù)據(jù)。服務(wù)專用機(jī)可配置各自獨(dú)立的虛擬IP 地址，對(duì)外擁有統(tǒng)一的IP 地址，當(dāng)其中一臺(tái)服務(wù)專用機(jī)服務(wù)宕機(jī)的時(shí)候，可自動(dòng)切換備用機(jī)，保證平臺(tái)正常運(yùn)行。

2 系統(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)功能配合

依托列車控制網(wǎng)絡(luò)和車地通信網(wǎng)絡(luò)，車載無(wú)線傳輸主機(jī)將參與專家診斷系統(tǒng)的車載部件發(fā)送的實(shí)時(shí)報(bào)文和離線數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)后轉(zhuǎn)發(fā)至地面專家診斷系統(tǒng)平臺(tái)。地面專家診斷系統(tǒng)平臺(tái)根據(jù)功能定義，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、分析處理和展示。各子系統(tǒng)配合專家診斷系統(tǒng)至少完成以下功能：

（1）系統(tǒng)或設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程應(yīng)急響應(yīng)支持；

（2）列車遠(yuǎn)程故障診斷、故障統(tǒng)計(jì)分析、故障維護(hù)指導(dǎo)建議；

（3）系統(tǒng)健康診斷評(píng)估及故障預(yù)警；

（4）專家知識(shí)庫(kù)；

（5）整車統(tǒng)計(jì)分析、能耗管理；

（6）信息推送顯示及報(bào)表自動(dòng)生成；

（8）車輛履歷管理；

（9）備品備件管理。

在系統(tǒng)性能要求方面，專家診斷系統(tǒng)關(guān)鍵部件故障診斷準(zhǔn)確率≥95%，并且專家診斷系統(tǒng)關(guān)鍵部件預(yù)警診斷準(zhǔn)確率≥85%。

2.2 子系統(tǒng)接口數(shù)據(jù)要求

為實(shí)現(xiàn)健康管理故障檢修支持，車輛各個(gè)子系統(tǒng)提供但不限于以下信息：

（1）提供系統(tǒng)的具體故障信息，包括故障名稱、描述、等級(jí)、位置、所屬系統(tǒng)等；

（2）提供該故障信息所關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)清單，即診斷該故障所用到的所有信號(hào)，或者該故障發(fā)生的所有可能原因，必要時(shí)須提供子系統(tǒng)內(nèi)部故障診斷邏輯說(shuō)明文件；

（3）提供該故障可能導(dǎo)致的系統(tǒng)動(dòng)作說(shuō)明，如設(shè)備封鎖、隔離、關(guān)斷等；

（4）提供本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口關(guān)系說(shuō)明；

(3)能夠促進(jìn)醫(yī)療業(yè)的發(fā)展。醫(yī)療行業(yè)與人們的生活聯(lián)系十分密切，關(guān)系著人們的健康問(wèn)題。大多數(shù)先進(jìn)的醫(yī)療設(shè)備的價(jià)格都十分昂貴，對(duì)于普通的大眾來(lái)說(shuō)，要一次性付清完成全部金額的交易存在很大困難。而融資租賃不需要購(gòu)買者一次性將所有金額付清，風(fēng)險(xiǎn)小，解決了廣大購(gòu)買者的后顧之憂，加快了醫(yī)療業(yè)的持續(xù)發(fā)展，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)。

（5）提供所有故障的正線應(yīng)急處置建議和檢修維修建議；

（6）為滿足車輛健康預(yù)警功能，則在基于上述數(shù)據(jù)要求的基礎(chǔ)上，要求各子系統(tǒng)盡可能多地提供各類趨勢(shì)數(shù)據(jù)信息，如溫度，濕度，電壓、電流等信息。系統(tǒng)的RAMS、LCC等相關(guān)信息也應(yīng)提供給專家診斷系統(tǒng)。

2.3 傳輸方式

正線實(shí)時(shí)傳輸，列車在行駛過(guò)程中，車載TCMS 系統(tǒng)及各子系統(tǒng)通過(guò)TCMS 網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)內(nèi)的所有數(shù)據(jù)（實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）傳輸給車載專家診斷系統(tǒng)設(shè)備，并通過(guò)無(wú)線通道實(shí)時(shí)發(fā)送到地面專家診斷系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)器。

本地?cái)?shù)據(jù)到庫(kù)傳輸（離線傳輸），回到車輛段后，車載專家診斷系統(tǒng)主機(jī)將TCMS 及其他子系統(tǒng)本地存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)（離線數(shù)據(jù)）通過(guò)庫(kù)內(nèi)車地?zé)o線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到地面專家診斷系統(tǒng)平臺(tái)服務(wù)器。

2.4 關(guān)鍵子系統(tǒng)

2.4.1 走行部監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

走行部檢測(cè)系統(tǒng)的作用是車輛轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵部件缺陷監(jiān)測(cè)及鋼軌狀態(tài)監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)車輛轉(zhuǎn)向架的軸箱軸承、電機(jī)軸承、齒輪箱軸承、齒輪及踏面等部位的故障以及鋼軌磨耗狀態(tài)。在車輛脫軌監(jiān)測(cè)方面，通過(guò)對(duì)軸箱振動(dòng)、沖擊信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析，可在車輛發(fā)生脫軌時(shí)迅速報(bào)警，并將報(bào)警信息持續(xù)不間斷地輸出到車輛控制系統(tǒng)，由車輛觸發(fā)緊急制動(dòng)［9-10］。主要功能如下：

（1）脫軌監(jiān)測(cè)：通過(guò)對(duì)軸箱的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)車輛脫軌監(jiān)測(cè)及緊急制動(dòng)觸發(fā)；

（2）齒輪、軸承及踏面監(jiān)測(cè)：通過(guò)對(duì)軸箱、齒輪箱及電機(jī)中軸承的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)軸承健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警并反饋。故障監(jiān)測(cè)范圍應(yīng)包括：溫度異常、內(nèi)圈故障、外圈故障、滾動(dòng)體故障、保持架故障、齒輪故障、軸承故障及踏面異常等；

（3）鋼軌監(jiān)測(cè)：通過(guò)監(jiān)控軸箱的振動(dòng)等參數(shù)，具備故障定位功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的在線實(shí)時(shí)診斷，對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行預(yù)警并反饋。監(jiān)測(cè)范圍包括：軌道波磨、異常振動(dòng)等；

（4）分級(jí)預(yù)報(bào)警：具備軸承故障、踏面故障及軌道故障的在線智能診斷與異常判別功能，可對(duì)故障進(jìn)行分級(jí)報(bào)警，對(duì)應(yīng)分級(jí)運(yùn)用維修指導(dǎo)；

（5）系統(tǒng)具備報(bào)警信息通過(guò)以太網(wǎng)傳輸至車輛專家診斷系統(tǒng)的功能。

走行部檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)布置在轉(zhuǎn)向架上的傳感器、安裝在車輛上的前置處理器及綜合診斷儀，在不影響車輛正常運(yùn)行的同時(shí)，實(shí)時(shí)獲取各轉(zhuǎn)向架待測(cè)部件的運(yùn)行及健康狀態(tài)，通過(guò)內(nèi)置于綜合診斷儀的系統(tǒng)軟件分析診斷判別后，輸出車輛運(yùn)行狀態(tài)的診斷結(jié)果。該診斷結(jié)果可實(shí)時(shí)顯示于司機(jī)室或地面控制中心的專家診斷系統(tǒng)，提供科學(xué)可靠的車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中脫軌報(bào)警指令可觸發(fā)車輛緊急制動(dòng)，極大地保證了車輛運(yùn)行安全。系統(tǒng)診斷數(shù)據(jù)或指令還可為車輛的維修提供科學(xué)的指導(dǎo)意見，節(jié)省檢修時(shí)間并降低檢修成本。

2.4.2 弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)利用紅外成像技術(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)受電弓及接觸網(wǎng)溫度數(shù)據(jù)，利用雙目視覺技術(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)幾何參數(shù)，利用紫外探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)燃弧檢測(cè)，利用圖像識(shí)別技術(shù)識(shí)別受電弓結(jié)構(gòu)異常，利用非接觸式圖像識(shí)別測(cè)量技術(shù)測(cè)量受電弓的弓網(wǎng)接觸力和硬點(diǎn)，從而及時(shí)挖掘弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行缺陷及故障隱患信息，實(shí)現(xiàn)弓網(wǎng)在線檢測(cè)能力，以及弓網(wǎng)缺陷在線報(bào)警功能，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)弓網(wǎng)故障，通過(guò)對(duì)于弓網(wǎng)故障的快速定位，減少因地鐵弓網(wǎng)故障導(dǎo)致的重大事故發(fā)生，提高地鐵線路運(yùn)營(yíng)安全性，為城市軌道列車運(yùn)行提供有力支持保障。系統(tǒng)還對(duì)大量的弓網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，為弓網(wǎng)檢修人員檢修弓網(wǎng)系統(tǒng)提供有效的指導(dǎo)數(shù)據(jù)［11-13］。

弓網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由車頂設(shè)備、車內(nèi)設(shè)備及車底設(shè)備等構(gòu)成。其中，高配方案車頂由應(yīng)力檢測(cè)模塊、接觸網(wǎng)幾何參數(shù)檢測(cè)模塊、受電弓碳滑條磨耗檢測(cè)模塊、弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)模塊、弓網(wǎng)接觸點(diǎn)溫度檢測(cè)模塊、受電弓結(jié)構(gòu)異常檢測(cè)模塊、懸掛裝置檢測(cè)模塊、視頻監(jiān)測(cè)模塊等組成。簡(jiǎn)配方案車頂由弓網(wǎng)燃弧檢測(cè)模塊、弓網(wǎng)接觸點(diǎn)溫度檢測(cè)模塊、視頻監(jiān)測(cè)模塊等組成［14-15］。

2.4.3 蓄電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

蓄電池在線監(jiān)測(cè)主要是對(duì)蓄電池組進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)管理，檢測(cè)蓄電池組的電壓、充放電電流、溫度并根據(jù)參數(shù)對(duì)電池組進(jìn)行過(guò)充、過(guò)溫等實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，同時(shí)根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算蓄電池組的剩余容量、分析蓄電池組的健康情況，對(duì)蓄電池故障進(jìn)行預(yù)判。蓄電池在線監(jiān)測(cè)具備自診斷功能，可在運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)檢測(cè)自身設(shè)備故障，并輸出自診斷結(jié)果。蓄電池在線監(jiān)測(cè)能夠通過(guò)MVB通信將蓄電池組實(shí)時(shí)信息發(fā)送給車輛TCMS。

3 結(jié)束語(yǔ)

軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)根據(jù)在途車輛綜合監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)獲取列車狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車輛及系統(tǒng)部件的遠(yuǎn)程狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)故障診斷，形成故障診斷知識(shí)庫(kù)。針對(duì)不同的故障內(nèi)容，提供恰當(dāng)?shù)墓收咸幚泶胧┙o檢修人員，協(xié)助檢修人員查找并快速解決故障。通過(guò)規(guī)則引擎，形成狀態(tài)預(yù)警知識(shí)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)閾值預(yù)警、突變預(yù)警、趨勢(shì)預(yù)警和模型預(yù)警功能。并且專家診斷系統(tǒng)可以運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)包括牽引、制動(dòng)、空調(diào)等關(guān)鍵部件或系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行定性評(píng)估，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)、子系統(tǒng)、關(guān)鍵部件健康評(píng)估排名顯示、健康評(píng)估趨勢(shì)和評(píng)估結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖形化顯示功能。