鐵路貨車智能監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及探討

王毅 陸強 祝笈 周炯

摘要：綜述了國內(nèi)外鐵路PHM技術(shù)研究的現(xiàn)狀，提出我國鐵路貨車智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計目標及建議，并進行關(guān)鍵技術(shù)研究及探討。

關(guān)鍵詞：鐵路貨車;智能監(jiān)測;技術(shù)研究

0? 引言

為了實現(xiàn)“中國制造2025”提出的信息化與工業(yè)化深度融合的目標，迫切需要研究新型的鐵路貨運運行安全監(jiān)控與保障技術(shù)。國際重載協(xié)會（IHHA）指出：未來世界重載技術(shù)將進一步向智能化、數(shù)字化方向發(fā)展，2017年國際重載大會首次提出了“國際重載4.0”理念，即搭建現(xiàn)代化數(shù)字網(wǎng)絡(luò)平臺，廣泛應用傳感器、大數(shù)據(jù)計算、信息通信、人工智能等技術(shù)，大幅提升貨運技術(shù)裝備智能化水平，提高運輸效率、安全性。

1? 國內(nèi)外現(xiàn)狀

PHM技術(shù)的起源可以追溯到上世紀50年代，從最初的可靠性分析、故障分析、系統(tǒng)監(jiān)測逐步發(fā)展到后來的機內(nèi)測試、飛行器健康監(jiān)控、綜合系統(tǒng)健康管理再到現(xiàn)在的故障預測與健康管理PHM。20世紀70年代PHM技術(shù)初步應用于A-7E的發(fā)動機監(jiān)控系統(tǒng)。20世紀90年代末，美軍又把PHM技術(shù)應用到F-35聯(lián)合戰(zhàn)斗機項目。2005年11月，美國國家航天局舉辦了首屆國際宇航“綜合系統(tǒng)健康工程和管理”論壇。2009年，國際PHM學會成立，PHM技術(shù)獲得世界主流認可并建立PHM相關(guān)標準。PHM技術(shù)在軍事領(lǐng)域獲得廣泛應用的同時，其在民用領(lǐng)域應用也獲得巨大傳播。美國波音公司已經(jīng)在波音777等客機上采用PHM技術(shù)，有效提高了客機的可靠性和維修效率。

國內(nèi)關(guān)于PHM的研究起步相對較晚，但發(fā)展迅速，己在一些領(lǐng)域取得了較好成果。中國鐵道科學研究院的錢坤將PHM技術(shù)應用到高速道岔，并對應用難點進行了詳細分析。北京航空航天大學的孫博等人對PHM技術(shù)的發(fā)展及應用現(xiàn)狀進行了綜述。西南交通大學的羅鳴州建立了高鐵牽引供電的PHM監(jiān)測平臺，實現(xiàn)了設(shè)備監(jiān)測信息的高效利用。

而在軌道交通領(lǐng)域，PHM的研究才剛剛起步。德國、法國、加拿大、美國等鐵路公司正在應用或開展故障預測與健康管理技術(shù)研究，主要是針對機車開發(fā)的安全性監(jiān)測系統(tǒng)，以降低車輛運維成本，提高可用性。這些系統(tǒng)普遍具備車輛狀態(tài)監(jiān)測、故障遠程報警、故障專家診斷等功能。尤其是美國GE公司的RM&D系統(tǒng)，具備實時監(jiān)測異常數(shù)據(jù)、自動故障診斷、部件剩余壽命預測和智能維修建議等功能。目前國內(nèi)機車遠程監(jiān)測與診斷系統(tǒng)（CMD）已經(jīng)開始建設(shè)，動車組都安裝了遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)（WTDS）。為保障動車組安全可靠運營，提高檢修效率，鐵路局和主機企業(yè)各自開發(fā)了動車組數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺、檢修平臺、健康管理與運維決策平臺，實現(xiàn)了車輛運行狀態(tài)的監(jiān)測、故障預警、故障分析、故障診斷及檢修支持等功能。

2? 主要研究目標

在貨車轉(zhuǎn)向架上安裝貨車安全運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在車輛上安裝車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，在機車上安裝車載PHY監(jiān)測終端，建立地面PHY監(jiān)測軟件平臺。通過車載和地面系統(tǒng)的構(gòu)建實現(xiàn)貨車運行中狀態(tài)信息的全監(jiān)測，實現(xiàn)“狀態(tài)修”的目的，并提供規(guī)范化和標準化的服務(wù)，讓車輛更安全且高效地運營。滿足智慧監(jiān)測、智慧診斷和智慧運維服務(wù)等運維需求，實現(xiàn)現(xiàn)有運維服務(wù)體系的創(chuàng)新和提升。

3? 創(chuàng)新點

鐵路貨車故障預測與健康管理創(chuàng)新點體現(xiàn)在：

①研發(fā)建立車內(nèi)標準窄、寬帶通信系統(tǒng)，提供可靠的、可擴展的車車之間通信。解決現(xiàn)有車車通信的通信可靠性、自由編組后的自動組網(wǎng)、多種設(shè)備的協(xié)議不統(tǒng)一等問題。

②研究開發(fā)貨運車載綜合監(jiān)測系統(tǒng)。研究開發(fā)車輛運行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、車體狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架監(jiān)測系統(tǒng)、空氣制動監(jiān)測系統(tǒng)。采用多傳感器技術(shù)、高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)、低功耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模式識別技術(shù)，對軌道、車輛關(guān)鍵部件定位識別和異常分析判決，實現(xiàn)貨運的車載綜合檢測，提升車輛安全運營能力。

③研究貨車的故障預測與健康管理智能分析模型。通過大數(shù)據(jù)、云計算、機器學習等先進技術(shù)對采集的重載貨車狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行智能分析和挖掘，構(gòu)建專家?guī)欤⒔】翟u估模型、故障預測模型、維修決策模型，用于實現(xiàn)系統(tǒng)的健康監(jiān)測、預測預警以及運維決策的核心功能。

④構(gòu)建基于狀態(tài)修的貨車的智能化運維管理體系。引入故障預測與健康管理技術(shù)，利用盡可能少的監(jiān)測數(shù)據(jù)，借助故障預測與健康管理智能分析模型，由傳統(tǒng)的基于傳感器診斷轉(zhuǎn)向基于智能預測和診斷，促進狀態(tài)修取代周期修和故障修的進程，可以縮短車輛檢修時間，提高車輛檢修效率，提高車輛利用率，降低檢修維護成本。

4? 關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 車輛運行平穩(wěn)性和蛇形失穩(wěn)監(jiān)測

根據(jù)GB/T 5599-1985規(guī)定，貨車的運行平穩(wěn)性采用車體最大振動加速度和平穩(wěn)性指標來表示。新造貨車的平穩(wěn)性指標應達到GB/T 5599-1985的良好標準，即橫向及垂向平穩(wěn)性指標應低于4.0，車體橫向和垂向最大振動加速度應分別小于0.5g和0.7g。

根據(jù)AAR M-976標準中空車Hunting試驗的要求，采用橫向加速度峰-峰值（限度值為≤1.5g）和標準差（限度值為≤0.13g）來描述車輛的蛇形失穩(wěn)狀態(tài)。采用微機電（MEMS）三軸加速度傳感器，安裝位置按照GB/T 5599-1985的規(guī)定置于車體上心盤內(nèi)側(cè)縱向1000mm內(nèi)中梁下蓋板上。

4.2 超、偏載監(jiān)測

參考《鐵路貨車超偏載檢測裝置檢定規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，彈簧的靜撓度可間接反映車輛的超、偏載。貨運車輛有前后兩個轉(zhuǎn)向架，共有4組二系承載彈簧組，分別位于車輛對稱的四個方向。位移傳感器安裝在車體前后轉(zhuǎn)向架的搖枕與二系彈簧托梁之間，測定4組二系承載彈簧組壓縮量變化。在動力學試驗中，監(jiān)測彈簧撓度的傳感器安裝于搖枕和側(cè)架的彈簧承臺部位，采用高動態(tài)響應的激光測距傳感器實現(xiàn)彈簧伸縮測量。

4.3 空氣制動系統(tǒng)異常監(jiān)測

空氣制動異常監(jiān)測系統(tǒng)能改善列車運行品質(zhì)，保障列車行車安全及運輸秩序，消除技檢作業(yè)中對制動故障的誤檢、漏檢，避免列車帶故障運行;能實時掌握制動系統(tǒng)的性能狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)并排除制動系統(tǒng)故障，提高列車運輸效率，保證運行安全;在長期積累監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用大數(shù)據(jù)挖掘和分析技術(shù)，總結(jié)和探索車輛制動部件故障規(guī)律，逐步實現(xiàn)故障預警和預報，為實現(xiàn)狀態(tài)修提供技術(shù)支撐，避免“過度修”，進一步提高車輛運用效率和效益。

系統(tǒng)監(jiān)測分析車輛各制動管系壓力變化及列車中前后車輛的管系壓力數(shù)據(jù)，能實時判斷出意外緊急、列車管漏泄、自然制動、緩解不良、自然緩解等10余項空氣制動系統(tǒng)故障，提升運行品質(zhì)、保障行車安全。

4.4 轉(zhuǎn)向架監(jiān)測項目

4.4.1 軸承狀態(tài)監(jiān)測

我國絕大部分鐵路貨車采用承載鞍與軸承連接，其外圈外露，因此采用了外探方式進行狀態(tài)監(jiān)測，即5T系統(tǒng)。在5T系統(tǒng)中，有兩個系統(tǒng)是針對軸承進行監(jiān)測的。THDS系統(tǒng)監(jiān)測軸承溫度，TADS系統(tǒng)監(jiān)測軸承異音。這些外探監(jiān)測系統(tǒng)不可能遍布整個線路，存在監(jiān)測盲點，如THDS每隔30km左右設(shè)置1個。車載軸承監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對軸承運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，進一步保障車輛運行安全。

對照5T系統(tǒng)監(jiān)測項點，車載軸承狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測軸溫和異音。其中，軸溫探測采用非接觸式。根據(jù)我國既有三大件式鑄鋼轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點，相對比較合適的監(jiān)測點可考慮在側(cè)架導框、承載鞍、擋鍵等部位。

異音監(jiān)測擬采用寬動態(tài)范圍的拾音傳感器，采集系統(tǒng)對其采用高速數(shù)據(jù)采集和特征值計算分析。

4.4.2 閘瓦狀態(tài)監(jiān)測

閘瓦狀態(tài)監(jiān)測主要分兩個部分，一是閘瓦磨耗限度、熔渣夾渣等外觀情況，二是判斷緩解不良。閘瓦磨耗限度、熔渣夾渣等擬采用串口視覺傳感器，定時采集閘瓦圖片信息實現(xiàn)監(jiān)測。緩解不良時，輪瓦會貼靠在一起產(chǎn)生磨耗，可導致車輪和閘瓦溫度上升，考慮采用溫度監(jiān)測方法判斷。傳感器的安裝部位均考慮在側(cè)架滑槽部位。

4.4.3 貨車車輛狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、列車監(jiān)測系統(tǒng)

車載健康狀態(tài)分析與評估系統(tǒng)即為列車監(jiān)測系統(tǒng)，部署在機車上，主要實現(xiàn)車輛關(guān)鍵設(shè)備及零部件的實時故障檢測等功能。列車監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)原始數(shù)據(jù)的分布式采集，進行數(shù)據(jù)本地存儲、實時數(shù)據(jù)清洗和特征提取等。原始監(jiān)測數(shù)據(jù)由于數(shù)據(jù)量大，將通過車載WiFi傳送到車頭監(jiān)測系統(tǒng)中，然后采用定期拷貝下載的方式，將數(shù)據(jù)接入地面故障預測與健康管理系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)平臺中。應用層將根據(jù)數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)單車監(jiān)測、健康評估、故障預警、模型管理、故障診斷、故障分析等。

4.5 車內(nèi)和車地無線通信系統(tǒng)

通信系統(tǒng)包括車內(nèi)通信和車地通信。車內(nèi)通信為機車與各車輛之間的通信，車地通信為機車與遠程管理平臺之間高速數(shù)據(jù)通信。根據(jù)采集數(shù)據(jù)對無線傳輸?shù)男枨螅瑹o線通信系統(tǒng)分為窄帶通信系統(tǒng)和寬帶通信系統(tǒng)，窄帶通信系統(tǒng)采用LoRa，寬帶通信系統(tǒng)采用WIFI，考慮到貨車場景，采用定向天線技術(shù)。考慮到通信系統(tǒng)為其它系統(tǒng)提供可擴展的通信需求，研究開發(fā)可擴展的幀協(xié)議。

4.5.1 基于WIFI Direct的車載自組網(wǎng)

每節(jié)車輛均設(shè)置匯聚節(jié)點，將各節(jié)車輛中多個傳感器采集到的原始數(shù)據(jù)通過WIFI鏈路匯聚到每節(jié)車輛的匯聚點，聚集點再將這些數(shù)據(jù)傳到車頭，利用4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器，或者緩存在機車存儲設(shè)備中，待列車進入車站再進行統(tǒng)一下載。

各節(jié)車輛內(nèi)的傳感器配備傳統(tǒng)的WIFI模塊，直接接入到匯聚節(jié)點中，將實時采集數(shù)據(jù)上傳到匯聚點。每個匯聚點安裝WIFI Direct模塊，WIFI Direct技術(shù)允許無線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無需通過無線路由器即可相互連接，實現(xiàn)信息的傳輸及共享。每個匯聚點的WIFI Direct模塊一方面充當網(wǎng)關(guān)，將各個車輛傳感器的數(shù)據(jù)進行匯聚，另一方面則通過自組織網(wǎng)絡(luò)的形式彼此相連，將匯聚的數(shù)據(jù)進一步傳到機車。

4.5.2 基于LoRa星型組網(wǎng)的車載通信

列車上的傳感器配備LoRa通信模塊，它們通過LoRa星型網(wǎng)的形式，接入到車載LoRa網(wǎng)關(guān)，將傳感器采集的重要狀態(tài)信息實時傳到車頭。

4.5.3 車地通信方案

在4G/5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳的線路或者區(qū)間，可以根據(jù)采集數(shù)據(jù)特點不同選擇不同傳輸方式。車載PHM系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要分為原始數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，其中原始數(shù)據(jù)為車載PHM系統(tǒng)狀態(tài)感知部分采集的車輛關(guān)鍵系統(tǒng)及零部件等的溫度、風壓、振動加速度等物理量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量較大，但對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求不高，因此在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋欠佳的路段可以暫時將數(shù)據(jù)緩存在車載存儲系統(tǒng)中。狀態(tài)數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)經(jīng)過車載PHM系統(tǒng)處理后提取而來，包含車輛狀態(tài)信息、預警報警信息、故障信息等。這些數(shù)據(jù)實時性要求較高，可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將其實時傳回地面PHM平臺。

4.6 地面故障預測與健康管理系統(tǒng)

4.6.1 地面故障預測與健康管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能設(shè)計

地面故障預測與健康管理系統(tǒng)主要包括云計算+大數(shù)據(jù)平臺、應用平臺兩部分。作為地面故障預測與健康管理系統(tǒng)的平臺支撐，云計算平臺層接收智能感知采集系統(tǒng)采集到的海量數(shù)據(jù)進行整合分析，為上層大數(shù)據(jù)平臺和應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，包括計算資源和存儲資源。除了車載狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)外，大數(shù)據(jù)平臺還采集包括車輛制造數(shù)據(jù)、5T監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場巡視數(shù)據(jù)以及環(huán)境數(shù)據(jù)等地面數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)平臺實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的規(guī)范化、集中管理、持續(xù)積累以及跨專業(yè)數(shù)據(jù)共享，提供大數(shù)據(jù)智能分析的基礎(chǔ)能力集，集中存儲分析模型的運行結(jié)果數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)挖掘及分析應用的各類智能分析模型，為后續(xù)更多的智能分析數(shù)據(jù)應用提供支持。

4.6.2 故障預測與健康管理閉環(huán)管理流程的實現(xiàn)

在地面故障預測與健康管理系統(tǒng)的研究、設(shè)計和實現(xiàn)中，如何構(gòu)建各類智能分析模型，如何應用模型來實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、故障預測以及健康管理各類功能，如何實現(xiàn)故障預測與健康管理的閉環(huán)管理都是研究的重點。地面故障預測與健康管理系統(tǒng)各類用戶在故障預測與健康管理系統(tǒng)管理流程中的核心操作，通過智能分析模型構(gòu)建、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估、故障預測、健康管理及運維決策等五個階段，實現(xiàn)故障預測與健康管理的閉環(huán)管理。

5? 結(jié)束語

建議進一步針對鐵路貨運的特殊性，開展貨車安全監(jiān)測標準的定義和評價，車地無線信息傳輸、智能監(jiān)測系統(tǒng)集成定制和現(xiàn)車運行試驗等研究工作，提升系統(tǒng)的安全性和可靠性。

參考文獻：

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