地鐵車輛綜合監測預警系統研究

董偉，楊曙，蔡艷

（1.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100000；2. 云南京建軌道交通投資建設有限公司，昆明650000）

1 引言

現有的地鐵車輛故障檢修系統多是針對地鐵車輛的牽引系統、制動系統、輔助系統等，對于地鐵車輛關鍵部件的實時監測和故障預警的相關研究相對較少。因此，提出地鐵車輛綜合監測預警系統的架構設計，對實現列車關鍵部件、系統和車輛整體的監控評估與管理有極為重要的現實意義。

2 項目需求性分析

以昆明市城市軌道交通4 號線城軌列車為項目載體進行項目需求分析，最終確定地鐵車輛綜合監測預警系統需要具備以下功能：（1）地鐵車輛行進中，實現列車軸箱、齒輪箱、牽引電機安全狀態的時頻域監測和故障在途預警，實現實時掌握車輛健康狀態；（2）通過實時監測技術和大數據分析技術，預防和發現地鐵車輛潛在故障，并及時采用應對措施；（3）基于大數據技術，實現運維管理大數據化，并采用RAMS 技術；（4）實現地鐵車輛行進中的即時安全管理，即結合大數據分析技術實現地鐵車輛運行狀態的實時監測和預警，確保地鐵車輛行進中的安全性水平。

3 地鐵車輛綜合監測預警系統架構

3.1 車載感知系統

車載感知子系統主要由車輛狀態智能提取診斷主機、前置處理器、軸箱傳感器、齒輪箱傳感器、牽引電機傳感器、軸端轉速數字轉換單元以及配套線路組成。在車載感知系統中，傳感器會通過專用屏蔽信號電纜同設備間內部的車載狀態智能診斷設備相連接，除傳感器以外，其他設備和系統之間會通過1G工業以太網相連[1]。在設計中，車載感知系統主要通過傳感器設備實時采集地鐵車輛走行部關鍵部件的數據信息，然后通過以太網接入TCMS 系統中地鐵車輛牽引、制動、輔助、車門等系統的實際工作狀態數據，最終對所有數據信息進行快速處理、診斷與存儲。

3.2 車地無線傳輸系統

在地鐵車輛綜合監測預警系統中，車地無線傳輸系統主要負責將地鐵車輛的健康狀態信息和故障預警信息實時、可靠地傳遞給地面維保生產管理系統，進而實現地鐵車輛行進中的走行部等部件和牽引、制動等系統的實時信息監測、預警效果。所有數據信息均會通過LTE 網絡進行傳輸。

3.3 維保生產管理系統

地鐵車輛綜合監測預警系統中的維保生產管理子系統主要由車輛在線狀態監測預警展示系統、車輛系統與關鍵部件狀態隱患挖掘系統和數據服務中心構成，且為能夠有效保障各系統的實際運行效果，在設計中還采用了標準19in（48.26cm）機架服務器、Internet 防火墻、交換機、設備機柜及配套電纜等設備，可以滿足維保生產管理子系統的運行要求。

4 系統部署

4.1 車載系統設備部署

在車載系統設備的部署過程中，需要在傳統的地鐵車輛上增設車輛狀態智能提取診斷主機、前置處理器等主體設備；軸箱復合傳感器、齒輪箱復合傳感器、電機復合傳感器、軸端轉速數字轉換單元等傳感器設備；列車狀態傳感網等網絡設備。其中軸箱復合傳感器、齒輪箱復合傳感器、電機復合傳感器中的電機振動傳感器會部署在地鐵車輛的車廂中，實時監測、收集各設備在地鐵車輛行進中的數據信息；車輛狀態智能提取診斷主機部署在各車廂中，負責對傳感器所收集到的數據信息進行智能提取診斷；前置處理器同樣會部署在各車廂中，負責對傳感器所收集到的信息進行初步分析處理。

4.2 維保生產管理系統設備部署

維保生產管理系統在部署中需要同時部署地面通信網關和地面數據挖掘與展示預警系統、網絡化維保系統的云計算平臺。本項目列車在行進過程中，列車中的TD-LTE 網絡地面核心交換設備會通過光纖或以太網的方式與地面通信網關實現通信數據交互；系統網絡化維保系統的云計算平臺主要由多臺專業服務器、路由器以及通信線纜組成。

5 關鍵模塊的檢測與分析

5.1 軸承診斷

地鐵車輛綜合監測預警系統中的軸承診斷模塊會通過軸箱溫度、振動、沖擊狀態等數據，完成對地鐵軸箱軸承的實時監測與時頻域分析，達成地鐵軸箱軸承狀態的監測和預警效果。在設計中，軸承診斷模式的主要故障診斷定位功能包括內圈故障、外圈故障、滾動體故障、保持架故障等。軸承診斷模塊收集的數據信息包括有基本信息、軸箱當前狀態信息、歷史狀態信息等，具體包括：（1）基本信息：包括設備的唯一碼、設備型號、生產廠家、生產日期、運營公里數、服役時間等設備相關的基本信息內容；（2）軸箱當前狀態信息：包括軸箱溫度信息、軸箱特征數據信息、軸承診斷樣本分析等，可通過對軸承溫度、震動強度、振動能量等諸多數據的實時分析，實現軸承故障的自動診斷及故障位置定位等效果；（3）歷史狀態：可實現對過往地鐵車輛行進中軸承數據信息的實時查詢，為工作人員合理設置軸承故障預警閾值線提供重要參考。

5.2 齒輪箱

齒輪箱診斷模塊會通過安裝在齒輪箱大小齒輪側的傳感器對地鐵車輛行進中齒輪箱中的大小齒輪的沖擊振動、溫度變化等工作狀態數據進行實時監測與時頻域分析。地鐵車輛綜合監測預警系統可實現對沖擊脈沖法和計算階次跟蹤等方法的改進，結合嚙合頻率及其諧波、振動信號的調制以及邊帶分析等頻譜特征信息，最終實現對齒輪箱工作狀態的實時監測效果。在設計中，齒輪箱振動模塊故障診斷定位功能包括齒輪軸承故障、內外圈故障、滾動體故障、保持架故障、齒輪故障、松動故障等故障內容。齒輪箱診斷模塊收集的數據信息主要包括基本信息、軸箱當前狀態信息、歷史狀態信息等。

5.3 牽引電機

工作過程中，牽引電機診斷模塊會通過安設在牽引電機轉子兩端的傳感器采集電機工作時轉子與轉子軸承的振動、溫度等狀態數據，然后形成頻域故障特征信息，實現牽引電機的實時監測與故障預警效果。設計中，齒輪箱振動模塊故障診斷定位功能包括電機軸承歸屬、內外圈故障、滾動體故障、保持架故障、轉子/定子故障等。牽引電機診斷模塊收集的數據信息主要包括基本信息、軸箱當前狀態信息、歷史狀態信息等。

6 結語

本文以昆明市城市軌道交通4 號線城軌列車為例，完成對地鐵車輛綜合監測預警系統的系統架構、系統部署以及關鍵模塊的理論設計，并在后續測試驗證過程中確定本文所提出的地鐵車輛綜合監測預警系統在實際應用中的有效性和實用性，值得進行普及推廣應用。