基于物聯(lián)網的城軌機電設備智能診斷系統(tǒng)的設計與研究

宗彩樂 岳 強

（柳州鐵道職業(yè)技術學院，柳州 545616）

目前，我國城軌交通已經運營60 余年，運營水平得到了較大提高。隨著信息技術與集成電路的快速發(fā)展，智慧城軌的要求越來越高，尤其對車站機電設備的運維水平提出了更高的要求。在各大城市地鐵線路網格化運營后，對車站的機電設備智能化運維要求越來越高，上海地鐵、成都地鐵等一直在開展智慧化運維探索。如何有效利用云計算、移動互聯(lián)網和物聯(lián)網等實現(xiàn)地鐵車站設備的智能管理與智慧運維，一直是現(xiàn)階段急需解決的問題。目前，城軌機電設備主要分為暖通機組、站臺門設備和電扶梯設備，而開發(fā)設計機電設備智能診斷系統(tǒng)是智慧城軌的重要內容。文章所研究的城軌機電設備主要指扶梯與暖通機組等大型設備，通過設計一款基于物聯(lián)網的智能診斷系統(tǒng)，可以有效檢測車站的主要機電設備，并實現(xiàn)智慧運維，同時起到降本固效的作用。

1 硬件系統(tǒng)搭建

1.1 系統(tǒng)介紹

硬件系統(tǒng)是智能診斷系統(tǒng)的重要組成部分[1]。結合系統(tǒng)設備的主要功能，診斷系統(tǒng)的硬件設計主要分為3 個部分：一是數(shù)據(jù)采集設備，包括機電設備專用數(shù)據(jù)采集器、加速度振動傳感器、紅外溫度傳感器、電流傳感器、通信接口設備、數(shù)據(jù)采集箱、接線箱和安裝附件等；二是車站級局域網絡設備，主要有交換機、光電轉換器、光纜終端盒、光纜尾纖和網絡跳線等；三是智能診斷系統(tǒng)設備和應用管理設備，包括車站風機與扶梯智能診斷服務器、診斷軟件、服務器設備控制器、磁盤陣列、顯示終端、設備機柜和電源設備等[2]。

1.2 平臺搭建

硬件平臺的搭建對于整個診斷系統(tǒng)的整體性能、開發(fā)成本、運行穩(wěn)定性起到了決定性作用，無論是內部的電機控制卡、電源模塊還是傳感器信號轉換模塊，都有很多可供選擇的成熟產品[3]。因此，主要采用硬件模塊拼裝的方式，自主開發(fā)各模塊的通信連接程序來完成硬件系統(tǒng)的搭建。硬件系統(tǒng)整體搭建如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)搭建圖

2 軟件系統(tǒng)搭建

2.1 系統(tǒng)介紹

軟件系統(tǒng)是智能診斷系統(tǒng)的“大腦”，對于系統(tǒng)的穩(wěn)定性起決定性作用。軟件系統(tǒng)的設計主要圍繞“一網三層”開展，一網即維保網，由無線網絡和有線網絡兩部分組成，其中無線網絡主要解決非接觸式檢測數(shù)據(jù)的靈活接入，有線網絡解決檢測數(shù)據(jù)的長距離回傳。

2.2 系統(tǒng)設計

2.2.1 網絡系統(tǒng)

網絡系統(tǒng)主要通過Socket 訪問正確的網際互連協(xié)議（Internet Protocol，IP）地址和端口號與路由器連接，產生Socket 對象和樹莓派實現(xiàn)通信[4]。上位機Android 安裝包（Android Package，APK）程序的開發(fā)步驟如下。首先，搭建Android 開發(fā)環(huán)境，通過安卓手機進行實時控制。其軟件主要由Java 語言編寫，因此需先下載Java 開發(fā)工具包（Java Development Kit，JDK）和開發(fā)Java 軟件的開發(fā)環(huán)境Eclipse。其次，通信連接。上位機控制程序和下位機程序需要實現(xiàn)通信鏈路的雙向連接。最后，編寫程序代碼并將其打包成可在Android 設備上運行的APK 文件。經過上述3 個步驟編好上位機程序后，點擊客戶端圖標，軟件運行并跳入主界面。在主界面點擊“連接登錄”和“機器控制”按鈕，分別跳入對應界面。在登錄界面輸入樹莓派的用戶名、密碼并配置好IP 和端口號后，點擊“連接”按鈕。連接成功后，用戶可以基于此軟件的源碼添加其他功能進行控制。

2.2.2 邏輯功能

邏輯功能主要以云計算數(shù)據(jù)中心為基礎分析系統(tǒng)設計[5]，分為以下3 層。

第一，數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層主要由各機電設備數(shù)據(jù)采集器構成，實現(xiàn)各監(jiān)測參數(shù)的實時采集、濾波、放大等功能，為智能診斷系統(tǒng)提供底層數(shù)據(jù)。

第二，應用服務層。該層分析與處理數(shù)據(jù)處理層提供的數(shù)據(jù)，通過響應客戶指令完成對數(shù)據(jù)庫的相關操作，從而提供系統(tǒng)的智能診斷應用功能。

第三，人機接口層。該層用于處理人機操作接口，通過車站級故障診斷器獲取數(shù)據(jù)，在車站監(jiān)控終端上顯示人機界面，完成各種監(jiān)控操作。數(shù)據(jù)應按照分級進行保存，共可分為4 級，每級有不同的保存時間。同時，按照智能存儲策略對歷史數(shù)據(jù)進行優(yōu)化存儲，數(shù)據(jù)的存儲間隔不大于20 s。數(shù)據(jù)存儲的時間長度可根據(jù)用戶需要進行自定義，但一般不少于15 d。對于采集的振動、溫度等模擬量報警數(shù)據(jù)永久存儲。數(shù)據(jù)的處理主要通過檢測數(shù)據(jù)回傳，以云計算數(shù)據(jù)中心基礎設施作為物理層，支撐起邏輯功能。

2.3 系統(tǒng)分析

該系統(tǒng)在面向車站機電各專業(yè)的在線檢測中，采取實時監(jiān)測的方式。在滿足軟件運行的軟硬件性能要求和網絡要求的條件下，對該系統(tǒng)進行分析測試。本測試采用的車站機電設備為自動扶梯設備，通過對扶梯內部軸承等設置監(jiān)測點進行實時數(shù)據(jù)監(jiān)測。

2.3.1 系統(tǒng)余量

第一，軟件余量。系統(tǒng)軟件屬于模塊化設計，單個模塊故障不會引起數(shù)據(jù)的丟失和系統(tǒng)的癱瘓。實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫的配置余量為20%以上，并具有100%的擴展能力。

第二，硬件余量。相同設備的硬件配置如計算機內存、磁盤容量、通信端口、接線端子等，在滿足系統(tǒng)性能指標的基礎上留有20%的余量，并具有擴展能力。

2.3.2 設備狀態(tài)在線監(jiān)測、顯示及報警功能

通過中心級服務器調用車站級功能，車站級系統(tǒng)可查看各站電扶梯的實時或歷史檢測參數(shù)，且具備各站電扶梯檢測數(shù)據(jù)處理功能，可修改檢測參數(shù)，現(xiàn)場用筆記本或者其他設備查看和分析診斷故障。另外，車站級系統(tǒng)可以對電扶梯的狀態(tài)進行在線監(jiān)測（電梯僅傳輸自身的狀態(tài)及故障信息），實時顯示各監(jiān)測數(shù)據(jù)及報警信息，實現(xiàn)設備早期異常的報警和故障診斷。

2.3.3 趨勢分析

趨勢分析主要是通過測點趨勢圖、測點波形圖和測點頻譜圖有效完成設備特征類型的檢測分析。其中：測點趨勢圖橫坐標可以顯示時間，縱坐標可以顯示測點特征值；測點波形圖橫坐標和縱坐標分別表示時間和幅值；測點頻譜圖橫坐標顯示頻率，縱坐標顯示幅值，坐標值刻度可手動調整，也可根據(jù)圖形變化自動調整至合適大小。特征類型主要有加速度特征類型和速度特征類型，其中：加速度特征類型包括加速度峰值、加速度高頻、加速度低頻、加速度波形峭度、速度有效值和通頻值；速度特征類型包括通頻有效值、1 倍頻有效值、2 倍頻有效值、3 倍頻有效值、1/2 倍頻有效值和殘振有效值。

3 研究成果

3.1 設備精準維保

通過智能診斷系統(tǒng)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸，可以對設備進行有效監(jiān)管。一方面，該系統(tǒng)降低了運營公司每日巡視巡檢的成本，并優(yōu)化了巡檢內容；另一方面，通過該系統(tǒng)可以提升狀態(tài)維修規(guī)程間隔，起到降本固效的作用。

3.2 提升智能化水平

該系統(tǒng)除了可以應用于機電設備，還可以通過數(shù)據(jù)修改同步檢測供電系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)等，具有較高的智能化水平。各個系統(tǒng)的有效利用可以進一步減少人工作業(yè)，降低安全風險，提升設備維修效率。

3.3 預警保障

該系統(tǒng)具有變工況預警功能，可根據(jù)設備不同負荷下的實際工作狀態(tài)設置不同的報警線。該系統(tǒng)還具有解決重復報警的技術，當某個特征值不斷超過報警線時，不會反復發(fā)送報警信息，提高了設備診斷的有效性。

3.4 具體應用

診斷系統(tǒng)可以監(jiān)測主要部件，記錄監(jiān)測參數(shù)的運行趨勢及波形并進行存儲，集成自動診斷專家系統(tǒng)。例如，針對扶梯寬頻時變振動信號，支持采用小波、短時傅里葉變換（Short Time Fourier Transform，STFT）進行時頻CT 分析，并進行信號增強CT 分析，實時區(qū)分機械沖擊信號和寬帶噪聲信號。根據(jù)監(jiān)測參數(shù)變化特征判斷部件運行狀態(tài)，在參數(shù)趨勢惡化時及時進行報警并給出故障結論，為設備維護提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

故障診斷專家系統(tǒng)模塊，如圖2 所示。該系統(tǒng)可對自動扶梯的常見故障進行智能診斷，預警并給出故障原因。它可以分析診斷設備的典型故障，包括自動扶梯轉子故障（不平衡、不對中）、地腳螺栓松動故障、齒輪故障（斷齒、咬合、點蝕）、軸承故障（內圈磨損、外圈磨損、保持架磨損）、扶手帶溫度超標以及制動距離超標等。它還具有案例管理功能，可將已有的故障案例進行審核、整理并錄入系統(tǒng)，便于以后將發(fā)生的設備故障和案例庫中的設備故障進行對比、參考。

圖2 故障診斷專家系統(tǒng)模塊

以機電設備中水泵的多狀態(tài)檢測為例，主要收集車站水泵與網絡通信、水位、水泵運行的點位檢測數(shù)據(jù)，按照不同的等級將水泵警報劃分為3 類，主要為一級警報（紅色）、二級警報（橙色）和三級警報（黃色）。通過數(shù)據(jù)的有效采集和分析，可以對車站的水泵運行狀態(tài)、水位高度、水泵的通信狀態(tài)進行實時有效檢測，快速處理各類通信故障及水位高度超過極限的狀態(tài)，有效保證了維保質量。

4 結語

以城軌機電設備為例，設計和研究以物聯(lián)網為基礎的智能檢測系統(tǒng)。通過有效聯(lián)動可以提高維保質量和運營服務水平，同時推進城軌維保信息化與智能化的融合，為智慧交通、智能運維打下堅實的基礎，實現(xiàn)了降本、提質、增效、節(jié)能的目標。