地鐵車輛智能化關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用

査小菲

摘 要：地鐵車輛智能化技術(shù)以全息化列車狀態(tài)感知和動態(tài)數(shù)字化運行環(huán)境為基礎(chǔ)，以信息智能處理與交互為支撐，具有自檢測、自診斷、自決策能力。通過對地鐵車輛走行部、車門、牽引/輔助、網(wǎng)絡(luò)等直接影響行車安全的關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備運營狀態(tài)進行實時數(shù)據(jù)采集，并通過“車-地”多通道無線傳輸網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心，結(jié)合專家診斷系統(tǒng)故障模型對比分析，從而給出系統(tǒng)預(yù)警和報警信息，為車輛運營管理人員提供直觀的車輛實時數(shù)據(jù)，同時，關(guān)鍵設(shè)備的亞健康預(yù)警功能和智能檢修預(yù)報功能，最終也為實現(xiàn)地鐵車輛“狀態(tài)修”提供可行的參考方案。本文主要介紹該方案的設(shè)計與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；智能化；數(shù)據(jù)采集；無線傳輸；狀態(tài)修；亞健康；智能檢修

中圖分類號：U266.256 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）06-0037-04

1 研究的意義和目的

地鐵車輛作為運送乘客的主要載體，對其自身的可靠性及維修保障工作提出了非常高的要求。要想滿足這些要求首要是及時掌握地鐵車輛的運用狀態(tài)，然而目前車輛維修人工化程度較高，如列車運行及故障數(shù)據(jù)是單獨存儲在列車監(jiān)控系統(tǒng)（TIMS）中，存在數(shù)據(jù)不全面的缺點，而且需人工下載查看、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需人工進行測量和分析等。地鐵車輛智能化的概念應(yīng)運而生，豐富的車輛數(shù)據(jù)智能化采集、傳輸和分析能夠大大節(jié)省人力成本，同時也提高列車安全性和可靠性。

根據(jù)某地鐵現(xiàn)有線路的建設(shè)和運用經(jīng)驗，以實現(xiàn)現(xiàn)有地鐵車輛關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)備智能化遠程監(jiān)控和故障預(yù)警功能為研究目標，搭建一個以車輛信息采集技術(shù)為基礎(chǔ)、多制式車地單向信息傳輸技術(shù)為途徑、地面組建數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析技術(shù)為終端的地鐵車輛智能化系統(tǒng)平臺，通過本系統(tǒng)，更加全面、更加系統(tǒng)的掌控車輛運行狀態(tài)，達到在線故障預(yù)警、合理采取應(yīng)急措施，車輛關(guān)鍵部件的檢修方式實現(xiàn)“狀態(tài)修”，節(jié)省車輛運營人力成本，同時也提高列車安全性和可靠性。

2 總體方案

智能化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、智能決策與評價技術(shù)和面向服務(wù)架構(gòu)技術(shù)，系統(tǒng)總體方案架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)主要分硬件改造和軟件功能調(diào)試兩部分，硬件改造包括對車門控制器、走形部軸端、齒輪箱、車載以太網(wǎng)設(shè)備改造，以及在車輛段庫內(nèi)EWLM波導(dǎo)管天線、多格式數(shù)據(jù)分析服務(wù)器布置、前臺顯示工作站等設(shè)備改造。軟件功能調(diào)試包括車載設(shè)備數(shù)據(jù)采集功能、車地?zé)o線多模式單向傳輸功能、地面服務(wù)器數(shù)據(jù)挖掘、建模、健康分析和智能決策評判功能、以及面向服務(wù)構(gòu)架的智能化分析平臺安全性、穩(wěn)定性功能驗證。

列車將采集的列車數(shù)據(jù)（TCMS數(shù)據(jù)、事件記錄儀數(shù)據(jù)、新增車門狀態(tài)數(shù)據(jù)、新增走行部診斷數(shù)據(jù)等）通過車載無線傳輸通道發(fā)送到地面專家分析服務(wù)器，完成數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)趨勢分析、故障等級分類、統(tǒng)計和健康評估。

3 車載數(shù)據(jù)采集

3.1 車門智能診斷系統(tǒng)

目前地鐵車輛門控器只能輸出已產(chǎn)生的顯性故障結(jié)果，缺乏故障發(fā)生前的異常工作狀態(tài)的分析判斷。門控器故障信息通過MVB總線上傳給車輛TCMS并在司機室的屏幕上顯示、還可以通過門控器的LED指示燈顯示。故障數(shù)據(jù)只能在列車入庫后人工下載，維護人員依據(jù)經(jīng)驗逐個門進行日常檢查和簡單故障判斷。

車門智能診斷系統(tǒng)通過更換智能門控器實時監(jiān)測電機、門控器（電信號采集）以及鎖閉機構(gòu)的動作情況和工作參數(shù)，并通過車載以太網(wǎng)實時上傳地面服務(wù)器，通過系統(tǒng)的故障規(guī)則知識庫智能化判斷當(dāng)前的車門是否產(chǎn)生了故障或進入亞健康狀態(tài)，車門系統(tǒng)架構(gòu)拓撲關(guān)系見圖2。在門系統(tǒng)沒有進入故障時就提前檢修和排除亞健康問題，大大降低故障的發(fā)生率，尤其是大大減少無法電動關(guān)門、開不到位、三秒不解鎖等常見故障，有效的提高了門系統(tǒng)的運行可靠性。一旦判斷該門系統(tǒng)存在故障或進入亞健康狀態(tài)，系統(tǒng)會及時推送信息（包含問題現(xiàn)象、原因和解決方案）給對應(yīng)的維修人員，通知該人員及時處理問題，降低了地鐵運營過程中突發(fā)故障產(chǎn)生的運營成本。

3.2 走行部智能診斷系統(tǒng)

走行部智能診斷系統(tǒng)是一種走行部安全監(jiān)測裝備，通過安裝在走行部關(guān)鍵部件上的復(fù)合傳感器，傳感器安裝位置見圖3，同時監(jiān)測沖擊、振動、溫度3個物理量，并通過基于廣義共振與共振解調(diào)的故障診斷技術(shù)，實現(xiàn)走行部關(guān)鍵部件（軸箱軸承、齒輪箱軸承、齒輪、車輛踏面、鋼軌）的車載在線實時診斷，對于故障實現(xiàn)早期預(yù)警和分級報警，準確指導(dǎo)車輛的運用和維修。另外還能對軌道波磨區(qū)段進行分析及精確定位，為軌道的及時打磨提供依據(jù)，且能實現(xiàn)分級報警，系統(tǒng)邏輯關(guān)系見圖4。

3.3 關(guān)鍵空開、控制繼電器動作次數(shù)

各系統(tǒng)供電空開、控制繼電器吸合動作次數(shù)通過TCMS進行記錄，結(jié)合繼電器產(chǎn)品說明中的使用壽命，為繼電器的預(yù)防性維修提供指導(dǎo)。

3.4 TCMS數(shù)據(jù)

地鐵車輛列車控制及監(jiān)控系統(tǒng)事件記錄儀記錄收集的車輛各子系統(tǒng)的故障數(shù)據(jù)和事件數(shù)據(jù)下傳、分析及顯示。

4 車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

車載數(shù)據(jù)通過列車新增的一套以太網(wǎng)進行采集，主要由列車各子系統(tǒng)智能化檢測設(shè)備、以太網(wǎng)交換機、數(shù)據(jù)記錄儀、網(wǎng)絡(luò)智能控制單元、認證智能控制器、車載無線數(shù)據(jù)傳輸模塊及車載天線組成，列車級骨干網(wǎng)為千兆以太網(wǎng)，各車廂為百兆以太網(wǎng)。車載以太網(wǎng)的拓撲圖5所示。

車各車廂的子系統(tǒng)智能化設(shè)備與本車以太網(wǎng)交換機相連，并按照協(xié)議傳送本系統(tǒng)相關(guān)狀態(tài)信息和故障信息等，再通過各車廂的以太網(wǎng)交換機將整列車的信息數(shù)據(jù)由認證智能控制單元，經(jīng)車載無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和天線傳輸?shù)降孛娣?wù)器。

5 車載數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)

列車在正線主要對TCMS故障數(shù)據(jù)、車門診斷數(shù)據(jù)、走行部診斷數(shù)據(jù)等進行傳輸，此數(shù)據(jù)量較小故采用3G/4G公用通訊網(wǎng)絡(luò)進行車地?zé)o線數(shù)據(jù)傳輸。列車將搜集的數(shù)據(jù)通過車載無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊與地面的以太網(wǎng)交換機相連接，實現(xiàn)列車與地面之間的車地?zé)o線數(shù)傳，將列車信息至指定地面管理服務(wù)器，并由車輛故障信息管理服務(wù)器完成故障的分類、統(tǒng)計和評估。

列車在庫內(nèi)要傳輸事件記錄儀數(shù)據(jù)，事件記錄儀數(shù)據(jù)量較大，故采用穩(wěn)定可靠性強、抗干擾能力強、傳輸速度快的波導(dǎo)無線局域網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，見圖6。

6 面向服務(wù)的地面專家分析系統(tǒng)

地面專家分析系統(tǒng)主要由地面服務(wù)器、地面信號接收裝置和客戶端組成，具體見圖7。地面信息收裝置收到的列車下傳的數(shù)據(jù)信息，并通過數(shù)據(jù)服務(wù)器中“故障建模對比、健康分析和智能決策評判”服務(wù)程序?qū)?shù)據(jù)進行處理和存儲。客戶端計算機通過安裝好的應(yīng)用軟件可對地面服務(wù)器存儲的列車數(shù)據(jù)進行查詢并分析數(shù)據(jù)，具體見圖7，圖8。

7 結(jié)語

目前某地鐵已經(jīng)完成1列車的智能化車載設(shè)備及地面設(shè)備安裝及應(yīng)用，對指導(dǎo)車輛運行和維修、提高地鐵運營的可靠性和安全性有巨大的幫助，同時也對后期新線建設(shè)有著十分重大的指導(dǎo)意義。

參考文獻

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