動車組轉向架智能監(jiān)控分析平臺研究

于　闖　高明亮　邵俊捷　孔　風

（中車長春軌道客車股份有限公司檢修研發(fā)部，130062，長春∥第一作者，工程師）

隨著我國國民經濟持續(xù)快速增長，工業(yè)化、市場化、城鎮(zhèn)化的進程加快，鐵路運輸需求量不斷增加，軌道交通裝備故障處理與維修工作的重要性也日益凸顯。目前，鐵路動車組轉向架的維修模式正逐步由傳統(tǒng)的“計劃維修”向“狀態(tài)維修”轉化。現(xiàn)行的維修策略是：以預防維修為前提，逐步實現(xiàn)狀態(tài)維修、換件維修和主要部件的集中維修。實現(xiàn)維修模式的轉化關鍵是在轉向架關鍵零部件性能退化規(guī)律的基礎上，對其健康狀態(tài)及故障進行有效的趨勢分析和預測，充分利用零部件的有效工作壽命，保證較高的無故障工作時間，避免“計劃維修”的維修不足和維修過剩的缺點，降低產品在線故障率和維護成本，提高產品可用性和安全性。

轉向架關鍵系統(tǒng)智能監(jiān)控與分析平臺bogie intelligent monitoring and analysis platform（BIMA）是綜合利用現(xiàn)代信息技術、人工智能技術的最新研究成果而提出的一種狀態(tài)管理工具，也是一種預測系統(tǒng)故障可能性并及時采取適當維護措施（視情維修）的手段，一般具備故障檢測、故障診斷、故障預測，以及健康管理和部件壽命追蹤等功能。目前，BIMA的研究及應用大部分集中在故障診斷與專家支持系統(tǒng)層面。通過轉向架關鍵系統(tǒng)監(jiān)控與分析技術在轉向架上的運用，可有效降低車輛故障率、降低企業(yè)運維成本、提升企業(yè)快速響應能力、提升狀態(tài)檢修能力，以及增加企業(yè)服務型收益占比。

1　BIMA功能

BIMA利用人工智能技術、多參數融合診斷、大數據管理分析、轉向架系統(tǒng)故障機理分析、網絡信息傳輸等技術手段，在不影響轉向架系統(tǒng)功能的前提下，通過增加傳感器等硬件設備，實現(xiàn)對轉向架系統(tǒng)智能化的故障預測與健康管理。動車組BIMA的總體框圖如圖1所示，主要由轉向架車載BIMA系統(tǒng)、轉向架地面感知系統(tǒng)、車地數據傳輸系統(tǒng)、轉向架地面BIMA系統(tǒng)等部分組成。

1.1　轉向架車載BIMA系統(tǒng)

圖1　動車組BIMA系統(tǒng)總體架構

采用分布式結構，感知從轉向架零部件級到系統(tǒng)級的相關信息，完成實時數據融合、整理、特征提取及存儲等工作。根據處理后的轉向架狀態(tài)特征，轉向架車載BIMA系統(tǒng)基于車載智能鏡像模型，實現(xiàn)對列車狀態(tài)的透明化管理與分析，包括故障診斷、故障預警、健康評估、性能預測和智能決策，并將診斷結果、評估結果、預測結果和決策信息反饋到轉向架地面BIMA系統(tǒng)。

1.2　轉向架地面感知系統(tǒng)

轉向架地面感知系統(tǒng)感知地面設施、部分車輛系統(tǒng)或部件、環(huán)境氣候等信息，整合安全監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)等外部系統(tǒng)數據，向轉向架地面BIMA系統(tǒng)發(fā)送信息。

1.3　車地數據傳輸系統(tǒng)

數據記錄與發(fā)送器（ERM）在動車組頭車和尾車各配置1個。ERM通過多功能車輛總線（MVB）接口連接到列車總線。從MVB獲取列車實時狀態(tài)數據及故障數據，頭車和尾車ERM的3G/4G/WIFI板卡分別通過饋線與放置于各自車頂的車載天線相連接，實現(xiàn)正線數據實時上傳。

1.4　轉向架地面BIMA系統(tǒng)

該系統(tǒng)接收來自轉向架車載BIMA系統(tǒng)和地面感知系統(tǒng)的實時及非實時數據、日常檢修及高級修等運維數據，以及工廠內部的制造和設計數據、人工錄入數據、仿真試驗數據。對以上數據進行整理、轉換、存儲之后，基于已構建的地面智能鏡像模型，按照不同的流程對實時數據流進行處理，實現(xiàn)轉向架系統(tǒng)集群到關鍵零部件集群的故障預測與健康管理。同時，利用認知計算和大數據挖掘等智能算法對非實時數據進行知識挖掘，優(yōu)化智能鏡像模型性能。轉向架地面BIMA系統(tǒng)的應用平臺則基于上述分析結果對轉向架進行狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、故障分析、故障預警、故障預測、健康評估、運維決策等工作，并向用戶和主機廠/制造商進行信息推送。

2　故障分析與狀態(tài)監(jiān)測

2.1　確定研究對象

通過對HXD2系列、HXN3系列、HXD3系列機車，以及 CRH1系列、CRH2系列、CRH3系列、CRH5系列動車組的轉向架系統(tǒng)在線故障統(tǒng)計，得到轉向架關鍵零部件故障分布狀況，如表1所示。

由表1可知，隨著軌道車輛硬件技術的升級和維保質量的提高，轉向架關鍵部件故障頻次有所降低，但每年的故障次數依然較高。如何實現(xiàn)零故障以及故障的提前預測、健康診斷是研究的關鍵。因此，本文選取轉向架系統(tǒng)發(fā)生頻次較高的關鍵部件（輪對、軸箱裝置、齒輪箱、牽引電機、懸掛裝置）作為研究對象，對其進行故障分析，以期實現(xiàn)提前預警和隱患排除，從而提高產品的使用可靠性和安全性。

2.2　輪對及軸箱裝置

軸箱裝置作為動車組轉向架系統(tǒng)的重要支承部件，將輪對和構架連接在一起，起著承載、減磨、降阻的作用，其運轉狀況、動力學性能及使用壽命對動車組安全穩(wěn)定高效地運行有著至關重要的影響。

表1　轉向架關鍵零部件故障統(tǒng)計表

輪對是車輛重要的走行部件，是保證動車組能夠快速、安全運輸的關鍵因素。車輪外形出現(xiàn)不同形式的磨耗，會導致列車運行時振動異常、噪聲增大，影響列車運行的平穩(wěn)性，降低乘車舒適度。在轉向架軸箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對軸箱軸承、輪對結構損傷的故障診斷與健康預測。

2.3　齒輪箱及牽引電機

動車組在行進過程中，牽引電機的性能直接影響列車的動力品質和能耗。牽引電機由于布置在車輛底部，其工作環(huán)境惡劣，負載變換頻繁。齒輪箱作為重要的傳動裝置，其安全穩(wěn)定性直接影響動車組的運行可靠性。其結構復雜，運行條件比較惡劣。在轉向架齒輪箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對齒輪箱軸承、齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷與健康預測。

2.4　懸掛裝置

減振和隔振裝置主要由各型減振器和空氣彈簧組成，安裝于車輛的懸掛系統(tǒng)中。在構架和部分車體上安裝診斷加速度傳感器，可實現(xiàn)對車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及振動傳遞和耦合關系的診斷與預測（見圖2）。

圖2　動車組BIMA系統(tǒng)傳感器布置

基于采集到的溫度及振動加速度原始數據，并經過濾波等預處理后，采用時域、頻域、時頻域以及現(xiàn)代信號分析手段，通過對提取軸承故障和健康狀態(tài)特征參數（包絡譜、奇異指數、溫升等）、輪對結構損傷和健康狀態(tài)特征參數（特征頻率、沖擊幅值等）、齒輪傳動系統(tǒng)故障和健康狀態(tài)特征參數（嚙合頻率、諧波特征等）、整車穩(wěn)定性和平穩(wěn)性指標、車輛振動傳遞和耦合指標等，實現(xiàn)對轉向架系統(tǒng)關鍵部件的實時故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測。

3　BIMA實施方案

3.1　數據采集和輸入

轉向架車載BIMA系統(tǒng)及監(jiān)測方案以車輛安全性和穩(wěn)定性為監(jiān)控重點，盡可能利用較少的感知設備獲取必要的監(jiān)測信息。即：在對車輛運用和維修的實際狀況基礎上，合理地選擇和優(yōu)化研究對象、測點位置、技術參數和安裝方式。在轉向架軸箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對軸箱軸承、輪對結構損傷的故障診斷與健康預測；在齒輪箱上安裝溫度、振動加速度復合傳感器，實現(xiàn)對齒輪箱軸承、齒輪傳動系統(tǒng)的故障診斷與健康預測；在構架和車體上安裝診斷加速度傳感器，實現(xiàn)對車輛穩(wěn)定性、平穩(wěn)性以及振動傳遞和耦合關系的診斷與預測。轉向架車載BIMA系統(tǒng)安裝方案如表2和表3所示。

表2　車載BIMA安裝方案

表3　BIMA傳感器類型及用途

3.2　數據傳輸

由于衛(wèi)星通信的總體費用較高，因此利用2G/3G/4G網絡進行數據實時傳輸是一種有效可行的辦法。由于目前3G/4G網絡還沒有實現(xiàn)全覆蓋，因此，在沒有4G信號的地方，系統(tǒng)將自動切換到3G網絡模式。如果3G網絡也沒有信號，系統(tǒng)將自動切換到2G網絡模式，以保證系統(tǒng)與地面BIMA系統(tǒng)之間的數據傳輸穩(wěn)定。

BIMA系統(tǒng)數據處理單元可完成參數設置、數據采集、數據計算等功能，并將計算結果與內部特征信息數據庫中數據進行對比，生成故障信息記錄并存儲，通過數據存儲模塊實現(xiàn)與整車車載BIMA系統(tǒng)的數據傳輸。數據處理單元同時具備參數設置和在線升級功能。車載預警診斷軟件集成于車載硬件單元，可實現(xiàn)在線預警診斷，具備系統(tǒng)參數設置及在線特征量的實時計算、分析、預警、診斷、存儲等功能。數據傳輸系統(tǒng)拓撲結構如圖3所示。

3.3　服務器配置

基于BIMA工作需求，配置9臺服務器，其中應用服務器和數據庫服務器部署在內網并可以采用虛機實現(xiàn)。另外，需單獨配置一臺接口服務器用于內外網數據交換。BIMA分流服務器配置如表4所示。

3.4　軟件功能實現(xiàn)

3.4.1狀態(tài)顯示

實時狀態(tài)顯示：軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機運行實時數據顯示，包括電機軸承溫度、振動狀態(tài)、軸箱軸承溫度以及電機運行總時間。

圖3　動車組BIMA數據傳輸系統(tǒng)拓撲結構圖

表4　BIMA服務器配置

歷史數據顯示：符合過濾條件、在某一歷史時間段的軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機狀態(tài)的顯示。

數據對比：符合過濾條件的軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機的數據對比。

3.4.2故障預報

故障信息顯示：包括故障發(fā)生時間、車號、電機編號、故障狀態(tài)等信息。

故障閾值設置：管理員根據平臺自完善功能推薦值，對判斷閾值進行更新設置。

3.4.3故障診斷

診斷及結果輸出：顯示平臺根據專家?guī)旖o出的故障診斷結果及處理建議。

專家遠程診斷：列出所有的專家信息，并根據故障報警信息自動給出推薦人選。

故障信息導入、故障報告、分析和糾正措施系統(tǒng)（FRACAS）系統(tǒng)：羅列出新發(fā)生的報警故障，由FRACAS系統(tǒng)錄入人員確定發(fā)起故障處理流程。

故障處理庫更新：根據歷史故障處理結果，更新平臺中故障處理意見。

3.4.4故障統(tǒng)計

運行數據統(tǒng)計：根據過濾條件，對軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機運行數據進行統(tǒng)計分析。

檢修數據統(tǒng)計：根據過濾條件，對軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機檢修數據進行統(tǒng)計分析。

可靠性數據統(tǒng)計：根據過濾條件，可計算軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機平均故障間隔時間（MTBF）、故障率（λ）及平均故障修理時間（MTTR）等可靠性參數。

3.4.5狀態(tài)評估

單臺狀態(tài)評估：根據軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機特征量的檢測值，與專家?guī)熘虚撝当容^，對轉向架健康狀態(tài)進行評估，包括檢修前和檢修后狀態(tài)。

狀態(tài)對比：符合過濾條件的牽引電機數據對比。

3.4.6壽命預測

健康趨勢：顯示所選轉向架歷次健康評估結果，得到健康狀態(tài)趨勢圖。

壽命預測：根據特征量檢測結果及健康趨勢圖，與壽命衰退曲線對比，預測部件剩余壽命。

3.4.7運維決策

修程推薦：根據構架、齒輪箱、牽引電機、懸掛系統(tǒng)的狀態(tài)評估、平穩(wěn)性以及壽命預測結果，由轉向架專家給出推薦修程。

BIMA系統(tǒng)可以支持各類用戶所使用的終端經過企業(yè)應用網關訪問監(jiān)控系統(tǒng)的各類應用。監(jiān)控系統(tǒng)應用服務器和數據庫服務器通過核心交換機與大數據服務器相連接，對狀態(tài)和故障數據進行監(jiān)控，對故障數據進行分析和匯總。BIMA系統(tǒng)數據服務器采用集群方式支持水平容量擴展。

3.5　數據應用

車輛狀態(tài)數據、運行數據和監(jiān)控數據實時地通過車地傳輸裝置經2G/3G/4G網絡傳輸方式傳送到轉向架地面BIMA系統(tǒng)，BIMA對數據進行數據整理、分析和處理后形成應用展示圖。圖4為BIMA系統(tǒng)軸箱軸承、齒輪箱、牽引電機的溫度狀態(tài)顯示，圖5為BIMA系統(tǒng)平穩(wěn)性狀態(tài)顯示圖。

圖4　動車組BIMA溫度狀態(tài)顯示

圖5　動車組BIMA平穩(wěn)性狀態(tài)顯示

4　結語

本文所研究的BIMA系統(tǒng)僅僅實現(xiàn)了故障診斷與分析的部分功能，后續(xù)還需要進行深入的研究，使BIMA系統(tǒng)能夠應用到軌道交通車輛其他子系統(tǒng)和部件之中，以及整車性能分析上。

BIMA系統(tǒng)正式啟用后，需要進行性能測試和準確性評估。由于我國尚沒有制定出軌道交通車輛健康預測與故障管理規(guī)范標準，因此，通過國內軌道車輛BIMA系統(tǒng)的使用情況，可為制定符合我國國情的軌道車輛轉向架數據采集、傳輸、故障診斷、狀態(tài)評估、壽命預測等標準提供數據支持。

［1］文永亮，歐陽瑞璟，王艷秋.城市軌道交通列車實時無線傳輸技術的應用［J］.城市軌道交通研究，2017（2）：97.

［2］袁志宏.工業(yè)以太網在城市軌道交通傳輸系統(tǒng)中的應用前景［J］.都市快軌交通，2005，18（2）：8.

［3］任利惠，程祖國，趙洪倫.動車轉向架構架齒輪箱吊座應變疲勞壽命研究［J］.城市軌道交通研究，2001（4）：30.