受電弓智能在線監測系統

魏源

摘 要：智能在線監測受電弓的出現必將極大地促進了鐵路運營管理的提升，然而在研發過程中需要解決各種問題，需要硬件、軟件及其專項研發人員等同心協力完成研發工作。因此，本文重點分析了研發受電弓智能在線監測系統的意義、軟硬件支持以及目標和風險。

關鍵詞：受電弓智能在線監測系統;傳感器;PHM平臺

1 概述

1.1 背景

隨著我國“十三五”計劃與“智能制造2025”戰略的推行，軌道行業正在向制造自動化、運維智能化、能耗綠色化方向進行快速變革。此時公眾安全和降低運維成本意識的增強，鐵路系統的安全性、可靠性、運行效率與客戶滿意度也面臨著巨大挑戰，特別是以美國智能運維中心（IMS）、GE等提出智能化運維概念以來，業內對軌道系統設備運行、維護智能化的需求正變得愈發強烈。故障預測與健康管理（Prognosis and Health Management，簡稱PHM）在各系統、子系統的部署實現已經提上日程。我國軌道交通技術的不斷突破、快速發展，由中國鐵路總公司牽頭研制的復興號順利投入運營，標志我國在高速鐵路眾多相關行業領域上取得重大突破。但是其中高速受電弓產品和技術還主要依賴于進口技術，且由于受電弓弓頭所用的碳滑板材料接觸壓降大，機械磨耗和能耗嚴重，為了滿足高鐵速度不斷提升的需求，急需研發具有自主知識產權的高速受電弓產品，同時通過智能監控與PHM技術，在線監控弓網質量。

1.2 目標

總體目標在于賦予受電弓在線監測防護的能力，實現對受電弓及接觸網的實時監測，提高列車運行的安全性，降低人工材料等維護成本，實現智能化輸電。主要目標包括：（1）在線監控弓網質量，采集并在時空維度上記錄相關數據;（2）對多傳感器信號融合分析，評價受電弓、接觸網健康狀態;（3）實現弓網健康信息的車載通信、車地通信;（4）于地面服務器實現受電弓、接觸網綜合健康狀態統計與分析。

1.3 意義

該項目的意義主要體現在幾個方面：（1）安全性運維能力：提高受電弓、接觸網的可靠性監測，及時準確發現弓網健康問題的時空特性，提升列車受流安全性，提升綜合運維能力。（2）技術積累：培養相關技術人員，增強基于狀態修（CBM）與預測修（PM）理念的智能列車維保技術能力，積累多傳感器數據采集及融合分析的技術能力。（3）數據積累：為產品功能性能優化、健康管理、預測性維護與智能運維能力的持續提升，提供數據與經驗積累。

2 總體技術方案

對受電弓的智能在線監測系統總體方案如圖1所示。

原始信號從傳感器處獲取，通過“數采系統”進行模數轉換與信號預處理，最后與位置、時間信息統一標定。形式統一后的數據由數采系統送入車載計算平臺，進行進一步的信號處理和數據處理。其中數據處理主要是針對多元數據進行計算分析，得到受流質量、弓網故障的評價。車載計算平臺的數據存儲使用循環復寫方式實現，其中故障數據應長期保存，直至被管理員刪除。原始數據和分析結果存于本地，以循環復寫方式實現，上傳數據僅包含分析結果或特征量，以減小上傳帶寬負載。車載計算平臺軟件以B/S（瀏覽器-服務器）的方式實現，可通過瀏覽器訪問車載PHM平臺，實現控制、實時監控與歷史數據查詢。地面服務端收集多個列車、多個受電弓的信息，實時顯示當前的狀態信息，后臺運算、統計并顯示受電弓健康狀態。地面服務端將存儲相關數據并進行綜合分析，通過車輛信息融合同一線路的接觸網健康狀態，從而形成地理位置上的接觸網健康狀態評價。地面服務通過對同一受電弓，同一段接觸網的長期監控，掌握其狀態漸變模式，并通過算法對主要故障模式進行預警[1]。

3 硬件

3.1 傳感器

由于受電弓所處高壓、大電流環境，傳感器及信號線的安裝布置應具備一定的抗干擾與安全保護能力，以免損傷精密的數采板卡與電路。電壓、電流溫度傳感器安裝于車廂頂部，加速傳感器安裝于碳滑板、車廂頂部、車廂底部位置，壓力傳感器安裝于碳滑板固定的4個點，速度傳感器安裝于車廂底部，主要安裝位置如圖2-圖4所示。

3.2 車載PHM平臺

車載PHM設備外形結構采用4U84HP機箱，器板卡、5張PHM板卡、1張無線通信板卡、1張MVB通訊板卡、2張數據采集AD板卡和2張電源板卡組成。4U機箱除去3U用作板卡裝配位置外，底部1U用作機箱散熱風扇裝配位置。

4 軟件

4.1 車載端軟件

車載端軟件整體框架如圖5所示。

數據從采集系統，列車指令中獲得，后臺軟件運行與Java服務端，算法運行于Flask服務端，顯示控制則通過前端Web頁面完成。車載軟件以B/S方式實現，車載服務的功能劃分為3個層次，包括界面層、業務層和通信層。界面層展示軟件的功能接口，包括主界面框架、實時監控界面、故障管理界面、數據管理界面、日志管理界面、系統設置界面。業務層主要負責響應界面操作，將界面操作轉化為指令發送出去，接收報文數據，顯示到界面上。通信層負責和后端通信，前端模塊負責與前端通信，響應前端請求，將前端需要的數據發送出去。同時，實時上傳報文數據給前端。地面端模塊負責和地面端通信，響應地面端的請求，將地面端需要的數據發送出去。實時上傳報文數據給地面端，通信功能基于MQTT協議。數采模塊包括數采控制和信號預處理，調用數采硬件及預處理資源完成對受電弓傳感器數據的同步、采集、預處理并將數據給內部總線。內部總線負責分發報文數據，在模塊間傳輸指令信息和數據。數據存儲模塊負則將內部總線分發來的數據按照時間分類存儲到文件系統中，也可以根據前端或地面端的需求將數據讀出上傳。故障數據模塊負責分析內部總線發來的報文數據、調用故障識別算法、獲取受流質量、弓網故障結果數據并存儲。日志模塊負責記錄系統的關鍵信息，并按照天為單位存儲數據[2]。

4.2 地面端軟件

地面端軟件運行于地面服務器中，實現多個受電弓監測數據的收集、分析、處理、存儲和查詢。軟件主要由前端服務、后端服務、數據服務組成，其中，數據服務是搭建在 Hadoop框架及其多個組件上，作為一個可靠、高效、可伸縮的平臺，實現整車數據分布式存儲、海量數據查詢及統計等功能，大數據平臺技術架構分為：數據接入層、數據管理層、數據服務層，另外MySQL在系統中扮演配置存儲的角色，對整個平臺的配置進行持久化保存。

（1）數據接入層。數據接入模塊采用直接上傳模式，可以對設備試驗的過程數據進行讀取，并且將讀取的數據進行解析，數據通過Kafka分布式數據處理平臺存儲到HDFS中。當數據量增大時，可以通過橫向擴展Kafka集群節點的方式對系統進行擴容，提高整個系統的數據處理能力。（2）數據管理層。數據管理層作為整個大數據平臺的核心，使用了多種組件，達到海量數據存儲、數據管理、任務調度及管理等目標。Zookeeper管理集群的數據命名、狀態同步、集群管理、配置同步等。所有的任務將在Yarn上執行，同時使用Oozie管理執行中的任務。HBase是一個建立在HDFS之上，提供對大規模數據的隨機、實時讀寫訪問接口，通常和Hive一起使用。（3）數據服務層。使用Hive接口訪問HBase或HDFS中的數據，提供了靈活的接口對數據進行查詢，用戶可以提取任意車輛數據到應用層。（4）配置存儲MySQL在大數據平臺中用來存儲配置信息，例如Hive生成的內部表或者外部表，對應的表結構信息、存儲路徑等信息就會存放在MySQL中。

5 技術指標

（1）能采集、存儲、管理基于時間、空間標記的各傳感器數據;（2）可顯示、查詢弓網實時、歷史、故障狀態;（3）備列車信號交互、車地信息交互能力;（4）能識別弓網異常、預測弓網故障;（5）能評價受流質量、計算功率功耗;（6）地面端應采用大數據處理架構，能收集、處理并統計、顯示多個受電弓、接觸網的狀態。

6 項目風險分析

（1）主要傳感器安裝分布于受電弓附近，電壓高、電流大，需防止電損壞;（2）位于受電弓上的壓力、加速度等傳感器信號線較長，信號易受到振動干擾，影響判斷;（3）故障模擬與故障數據采集不易，基于數據驅動的算法能力提升受到阻礙。

參考文獻

[1] 陳國，劉志剛.淺談高速檢測列車的弓網檢測技術[J].機電工程技術，2008（5）：39-41+55+114.

[2] 劉凱，費耀平，劉應龍.弓網監測系統的設計與實現[J].計算機測量與控制，2006（5）：600-602.