車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測技術(shù)研究與應(yīng)用

杜縱縱，段龍杰，秦棟，穆廣友，吳浚豪，3

（1.上海軌道交通檢測認證（集團）有限公司，上海 200434；2.北京京城地鐵有限公司，北京 101312；3.同濟大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

0 引言

我國城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，目前城市軌道交通車輛保有量超過30 000 列，車輛運營維護與安全檢測需求快速增長，需要定期對車輛部件進行檢測，并保證檢測質(zhì)量和頻率，及時發(fā)現(xiàn)、處理已經(jīng)出現(xiàn)及潛在故障，以杜絕安全隱患。

城市軌道車輛智慧運維研究以車輛設(shè)備故障預(yù)測與健康管理技術(shù)為基礎(chǔ)，將車輛關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件的運行狀態(tài)和剩余壽命與運營生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行有效結(jié)合分析，實現(xiàn)以故障為導(dǎo)向的被動維修方式和計劃維修方式向以車輛全生命周期健康狀態(tài)為導(dǎo)向的狀態(tài)維修方式轉(zhuǎn)變，達到提高列車運行突發(fā)故障的應(yīng)急處理能力、提高車輛維修效率、提高車輛的可靠性和使用率、降低車輛全生命周期維護成本的目的。

城軌車輛作為乘客的載體，其安全性、穩(wěn)定性和可靠性需要良好的維護系統(tǒng)支持。應(yīng)對車輛進行全生命周期維修研究、了解車輛在使用期間的性能和故障規(guī)律。劉忠俊等［1］對地鐵車輛全生命周期維修策略研究，了解其故障規(guī)律，對地鐵車輛故障特點以及車輛維修模式和特點進行分析；王朋［2］分析地鐵車輛智能檢修的重要意義和主要功能需求，并介紹了智能檢修系統(tǒng)的組成。

由于城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護檢測項點多、作業(yè)時間周期短、任務(wù)重，目前仍采用傳統(tǒng)派遣大量檢修人員進行重復(fù)性安全檢測的作業(yè)模式，導(dǎo)致車底、車側(cè)等部位的安全檢測作業(yè)存在很大的人員安全隱患［3］。同時傳統(tǒng)的檢測模式存在信息傳遞不及時、數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確、檢測結(jié)果受人為因素影響大等諸多問題［4］，其作業(yè)質(zhì)量與效率難以匹配城市軌道交通快速發(fā)展的需求，無法形成標(biāo)準(zhǔn)化安全檢測模式，逐步成為制約城市軌道交通持續(xù)發(fā)展的因素，亟待進行城市軌道交通車輛運維檢測服務(wù)行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級。

1 系統(tǒng)技術(shù)框架

車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)框架見圖1。

圖1 車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)框架

1.1 車輛結(jié)構(gòu)無損檢測

車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)對車輛結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評估以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)該理論計算框架，需要獲取車輛結(jié)構(gòu)中存在缺陷（裂紋、氣孔、未熔透、未焊透等）的結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此需要對車輛結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置，特別是關(guān)鍵焊縫結(jié)構(gòu)開展無損檢測，為服役結(jié)構(gòu)評估計算提供缺陷參數(shù)的依據(jù)。

傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)及局限性見表1。

表1 傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)及局限性

因傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)存在局限性，還應(yīng)運用遠場渦流設(shè)備對傳統(tǒng)無損檢測技術(shù)進行補充，遠場渦流探頭原理見圖2。

圖2 遠場渦流探頭原理圖

1.2 車輛結(jié)構(gòu)強度分析

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，評估車輛狀態(tài)、預(yù)測結(jié)構(gòu)故障需要載荷數(shù)據(jù)（載荷譜）。邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時需要針對性獲取車輛薄弱部位的載荷數(shù)據(jù)。目前有限元分析是確定車輛結(jié)構(gòu)薄弱部位最便捷且效果較好的方法。

文獻［5］和文獻［6］對車體、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)靜強度及疲勞強度計算，車體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析見圖3。通過加載相應(yīng)的運行工況進行有限元仿真計算，依據(jù)計算結(jié)果，從關(guān)鍵工況中選取危險點，確定車輛結(jié)構(gòu)強度薄弱部位，為監(jiān)測系統(tǒng)提供測點布置依據(jù)。

圖3 車體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

1.3 邊緣計算在線監(jiān)測

車輛結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)為獲取有效的載荷數(shù)據(jù)，通常要求對幾十甚至上百通道的傳感器進行不低于500 Hz的實時采樣，如此大的數(shù)據(jù)帶寬、數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。為實現(xiàn)監(jiān)測系統(tǒng)快速且實時采集、處理、傳輸、計算功能，必須在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中結(jié)合邊緣計算技術(shù)，進行二次開發(fā)。

通過數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器、應(yīng)變片等設(shè)備，邊緣計算模塊從關(guān)鍵位置監(jiān)測數(shù)據(jù)中提取對損傷敏感的關(guān)鍵參數(shù)，對系統(tǒng)進行純健康模式的訓(xùn)練，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回歸、預(yù)測和分類，掌握車輛運用狀態(tài)下參數(shù)的分布情況。

邊緣計算在線監(jiān)測具有以下特點和優(yōu)勢：

（1）相較于傳統(tǒng)的車輛動應(yīng)力測試，邊緣計算對車輛結(jié)構(gòu)狀態(tài)評估傳輸和響應(yīng)速度更快。

（2）可部分擺脫網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制約，可解決傳統(tǒng)云端計算數(shù)據(jù)傳輸帶寬高、實時性較強的缺點，使車輛實時監(jiān)測和評估成為可能。

（3）邊緣計算的可擴展性和彈性很強，在車輛服役的不同階段可以根據(jù)需求增加監(jiān)測系統(tǒng)的傳感節(jié)點。

邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)見圖4。其中，SR1、SR2為5G天線用于車地數(shù)據(jù)輔助通信，SR3、SR4為邊緣計算模塊用于部署邊緣計算模型，SR5、SR6 為數(shù)據(jù)采集儀用于車輛結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，SR7、SR8 為傳感器用于感知車輛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，SL1～SL4為千兆以太網(wǎng)線纜（帶屏蔽層）用于車地數(shù)據(jù)傳輸，SL5、SL6 為應(yīng)變片信號電纜，SL7、SL8 為天線電纜，SL9、SL10 為加速度信號電纜。

圖4 邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)

1.4 斷裂力學(xué)材料試驗

斷裂力學(xué)可以對有缺陷的金屬結(jié)構(gòu)進行剩余強度和壽命及探傷周期的評估與預(yù)測，可解決傳統(tǒng)名義應(yīng)力方法無法解釋和難以解決的重大工程裝備失效破壞的內(nèi)在機理、可大幅減少惡性事故的發(fā)生，形成一系列公認的服役評估規(guī)范，如英國的BS 7910：2019《Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures》［7］和我國的GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》。同時，基于斷裂力學(xué)的損傷容限也相繼被國際、國內(nèi)和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)吸納，被普遍認為是繼名義應(yīng)力方法后下一代重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計與服役評估的先進方法。

目前，斷裂力學(xué)已在化工機械、核電管道、航空航天、遠洋船舶、深海艦船等關(guān)系國防和經(jīng)濟戰(zhàn)略安全領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并最終形成一種有別于傳統(tǒng)疲勞評估理論的新方法，得到工程界的廣泛認可［8］。

基于母材與焊接接頭的斷裂力學(xué)性能參數(shù)是控制車輛結(jié)構(gòu)裂紋的關(guān)鍵因素之一，因此有必要引入材料斷裂力學(xué)性能分析試驗方法，進行焊縫斷裂韌性試驗以及焊縫裂紋擴展速率試驗。斷裂韌性是在疲勞載荷作用下，材料對于斷裂顯示的阻抗值，對于估算裂紋體疲勞壽命有重要作用；疲勞裂紋擴展速率是在疲勞載荷作用下，裂紋長度a隨循環(huán)周次N的變化率，反映裂紋擴展速度，對估算裂紋體疲勞壽命有重要作用，該試驗結(jié)果為車輛結(jié)構(gòu)壽命計算提供參數(shù)輸入。

通過檢查關(guān)鍵結(jié)構(gòu)力學(xué)性能并進行參數(shù)校驗，可以為后續(xù)缺陷原因分析和疲勞計算提供數(shù)據(jù)支撐。

1.5 基于斷裂力學(xué)車輛結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評估

根據(jù)BS 7910：2019 標(biāo)準(zhǔn)，引入針對缺陷的斷裂力學(xué)疲勞分析方法，對車輛結(jié)構(gòu)進行壽命預(yù)測。

基于斷裂力學(xué)方法，研究裂紋的擴展過程，同時考慮脆性斷裂與塑性失穩(wěn)風(fēng)險，以材料、結(jié)構(gòu)、缺陷、應(yīng)力參數(shù)為基礎(chǔ)，定量計算裂紋擴展，綜合評價結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，斷裂力學(xué)服役評估技術(shù)方案見圖5。在各項計算過程中均做出保守性假設(shè)，可確保服役分析的安全性［9］。

圖5 斷裂力學(xué)服役評估技術(shù)方案

2 系統(tǒng)設(shè)計

車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測裝備由感知層、采集層、計算層、傳輸層4個部分組成。設(shè)備通過傳感器感知車輛結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集儀采集記錄產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，邊緣計算模塊根據(jù)關(guān)鍵位置的監(jiān)測數(shù)據(jù)確定關(guān)鍵參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)回歸、預(yù)測和分類，并對結(jié)構(gòu)進行服役狀態(tài)評估，最后通過EUTH 或5G 將計算結(jié)果傳送至數(shù)據(jù)中心，車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)組成見圖6。

圖6 車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)應(yīng)用泛在感知、邊緣計算、多元耦合等智能技術(shù)，從全生命周期視角跟蹤車輛結(jié)構(gòu)的服役安全，確定車輛結(jié)構(gòu)（車體和轉(zhuǎn)向架）缺陷的實際狀態(tài)，對可能造成的隱患進行實時監(jiān)測和預(yù)警，最終實現(xiàn)軌道交通車輛智能維護下的預(yù)測性狀態(tài)修［10］。

3 系統(tǒng)部署與應(yīng)用

3.1 裝車方案

系統(tǒng)以北京某地鐵線路為應(yīng)用對象，開展監(jiān)測系統(tǒng)的部署和典型應(yīng)用。示例車體及轉(zhuǎn)向架見圖7。

圖7 示例車體及轉(zhuǎn)向架（涂黑部分）

監(jiān)測對象包含1 節(jié)頭車、1 節(jié)中間車的車體和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，主要硬件設(shè)備包含傳感器（應(yīng)變片、加速度計）、邊緣計算主機、數(shù)據(jù)采集儀、信號線等，需要向車下監(jiān)測設(shè)備提供電源，應(yīng)變片貼片位置需要脫漆處理。

現(xiàn)場設(shè)備安裝部署見圖8。

圖8 現(xiàn)場設(shè)備安裝部署

基于Labview 開發(fā)了車載數(shù)據(jù)處理軟件和地面服務(wù)器客戶端軟件，車載數(shù)據(jù)處理軟件可對采集到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、加速度數(shù)據(jù)進行實時處理，得到關(guān)鍵位置應(yīng)力譜、結(jié)構(gòu)損傷敏感參數(shù)等預(yù)警信息；通過地面客戶端軟件的斷裂力學(xué)評估模型可階段性的對車輛結(jié)構(gòu)進行服役評估。軟件界面見圖9。

圖9 軟件界面

3.2 監(jiān)測周期與系統(tǒng)維護

監(jiān)測工作配合車輛的廠修工作開展，每次廠修前后各監(jiān)測半年時間，以對比廠修前后的車輛結(jié)構(gòu)服役一致性，以及不同服役階段的車輛結(jié)構(gòu)健康履歷信息。

（1）可靠性：應(yīng)變片的固定一般使用快干膠進行粘接，封裝膠水進行防護，使用膠水的性能直接影響應(yīng)變片是否容易脫落和可靠性。采用HBM 專門為粘貼應(yīng)變片和封裝開發(fā)的專業(yè)膠水、專業(yè)粘接工藝，可使應(yīng)變片可靠工作3年以上。

（2）耐久性：HBM 應(yīng)變片加載周期高達1 億次，依據(jù)累計損傷理論，通常軌道車輛循環(huán)載荷超過1 000 萬次視為“無限壽命”，因此應(yīng)變片自身的壽命可以滿足長期監(jiān)測的要求。

4 試驗與數(shù)據(jù)分析

結(jié)合1.1—1.4節(jié)中所述技術(shù)獲取的該地鐵列車材料參數(shù)、缺陷情況、正線運營獲取的動應(yīng)力等數(shù)據(jù)，對車輛結(jié)構(gòu)進行服役安全評估，實際案例分析路線見圖10。

圖10 實際案例分析路線

以車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)在某地鐵中的實際應(yīng)用為例，通過車體結(jié)構(gòu)強度有限元分析及車輛結(jié)構(gòu)無損檢測獲取車體結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合經(jīng)驗進行動應(yīng)力測試布點，以測試車輛正式運營狀態(tài)編組，在該車輛實際運營線路上進行動應(yīng)力監(jiān)測?，F(xiàn)場試驗后，將采集數(shù)據(jù)進行去零漂、去毛刺、數(shù)據(jù)濾波等處理，運用雨流計數(shù)法進行計數(shù)統(tǒng)計，編制成應(yīng)力譜［9］。

將材料分析試驗所得材料力學(xué)性能參數(shù)及雨流計數(shù)統(tǒng)計應(yīng)力譜作為數(shù)據(jù)輸入，依照BS 7910：2019進行壽命預(yù)測評估。

BS 7910：2019 中，采用Paris 公式計算裂紋擴展〔見式（1）〕。

式中：a為裂紋尺寸；N為循環(huán)次數(shù)；A、m為焊縫材料固有參數(shù)，ΔK為應(yīng)力強度因子變化范圍。

根據(jù)BS 7910：2019中7.3.3節(jié)，計算裂紋擴展的失效評定曲線。根據(jù)FAC 曲線函數(shù)式〔見式（2）〕，代入材料參數(shù)，繪制FAC曲線（見圖11）。

圖11 FAC曲線

式中：Lr為載荷比。

根據(jù)上述裂紋擴展公式及失效評定圖，可以對車輛結(jié)構(gòu)進行壽命預(yù)測。

該地鐵車輛車體端墻上門角焊縫結(jié)構(gòu)1 處缺陷的壽命預(yù)測評估結(jié)果見圖12。從圖12 中可知，當(dāng)裂紋擴展至3.19 mm 時，評估點位于評定線外，表明該缺陷可能會發(fā)生斷裂失效，此時的裂紋擴展壽命為22.8 年。車體設(shè)計壽命30 年（按每年100 000 km 進行設(shè)計），后續(xù)應(yīng)重點關(guān)注該測點區(qū)域，并及時采取補強措施。

圖12 壽命預(yù)測評估結(jié)果

5 結(jié)束語

超大城市軌道交通智慧運維對車輛車體、走行部關(guān)鍵承載部件的服役安全提出新要求，在傳統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)無損檢測、車輛結(jié)構(gòu)強度分析的基礎(chǔ)上，提出將斷裂力學(xué)理論與邊緣計算技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建的基于斷裂力學(xué)的車輛結(jié)構(gòu)邊緣計算在線監(jiān)測系統(tǒng)，分析相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容和創(chuàng)新點?；诖讼到y(tǒng)，可對車輛關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)進行在線監(jiān)測和服役安全性評估，跟蹤車輛結(jié)構(gòu)全生命周期的服役安全，建立車輛結(jié)構(gòu)健康履歷，為車輛結(jié)構(gòu)全生命周期的維護、保養(yǎng)和延壽提供數(shù)據(jù)支撐。