軌道交通故障診斷體系的應(yīng)用研究

李海靜 王志

（中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇南京 210031）

0.引言

在新時(shí)代發(fā)展進(jìn)程中，我國的軌道交通建設(shè)水平已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了飛速的突破，不僅是在覆蓋里程數(shù)還是資源運(yùn)輸體量等方面已經(jīng)收獲了更高的水平，甚至?xí)谝欢ǔ潭壬先嫱七M(jìn)各地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。如果軌道交通運(yùn)行期間出現(xiàn)故障也會(huì)受到故障、監(jiān)測難度大、故障維修與解決困難等多方面因素的影響，導(dǎo)致軌道交通的運(yùn)行狀況出現(xiàn)停滯狀態(tài)。對此本文針對軌道交通故障診斷系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行專項(xiàng)研究，希望能夠通過現(xiàn)代化的新型技術(shù)手段對軌道交通的安全運(yùn)轉(zhuǎn)提供重要保障。

1.故障診斷體系的系統(tǒng)架構(gòu)

在針對當(dāng)前的軌道交通車輛進(jìn)行故障排查與診斷時(shí)，需要綜合應(yīng)用分布式控制技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，主要采取多功能車輛總線的技術(shù)形式，對軌道交通車輛的信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸與有效控制[1]。如圖1所示，可以對當(dāng)前的軌道交通車輛運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，數(shù)據(jù)采集單元（DRU）、事件記錄儀（ERM）、多功能車輛總線（MVB。）數(shù)據(jù)采集單元可以直接在當(dāng)前的車輛總線中進(jìn)行設(shè)備記錄的實(shí)時(shí)采集和存儲，特別是設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，而事件記錄儀可以在軌道交通車輛運(yùn)行過程中的各類重要事件進(jìn)行有效存儲，通過多種類型的故障診斷軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理[2]。現(xiàn)有的軌道交通故障診斷體系可以通過多功能車輛總線直接接入車輛網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)與多個(gè)控制單元之間的數(shù)據(jù)交換，如中央控制、空調(diào)等子設(shè)備單元等等，隨后需要通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與電腦終端的連接，便于對現(xiàn)有信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行有效維護(hù)與分析診斷[3]。

圖1 故障診斷體系的系統(tǒng)架構(gòu)

2.故障診斷體系的軟件實(shí)現(xiàn)

故障診斷體系的數(shù)據(jù)采集軟件和車輛記錄儀在軟件環(huán)境等方面有一定差異。當(dāng)整體軌道交通故障診斷系統(tǒng)上電之后，可以直接收到多功能車輛總線所傳達(dá)出的數(shù)據(jù)，并將其直接存儲于固定內(nèi)存之中，而其他需要發(fā)送的數(shù)據(jù)也可以通過多功能車輛總線進(jìn)行傳達(dá)，實(shí)現(xiàn)有效通信。數(shù)據(jù)采集單元主要搭載 VX Works操作系統(tǒng)，并將其控制系統(tǒng)和底層通用功能進(jìn)行充分發(fā)揮，與此同時(shí)配套應(yīng)用PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)創(chuàng)建，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集單元的文件解析和有效執(zhí)行。事件記錄儀主要應(yīng)用 Linux操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)與其他系統(tǒng)之間的有效通信，特別是對于故障事件相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行底層通用參數(shù)的交接，確保軟件運(yùn)行能夠有更加全面的數(shù)據(jù)參考。例如，某地建設(shè)地鐵所應(yīng)用的列車控制系統(tǒng)CBTC，主要采取列車-地間連續(xù)化的傳輸與命令形式，確保列車位置信息以及相關(guān)移動(dòng)授權(quán)命令可以對有軌列車進(jìn)行自動(dòng)化控制，現(xiàn)有的系統(tǒng)中主要涵蓋了列車防護(hù)ATP系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖CI系統(tǒng)以及自動(dòng)列車駕駛ATO系統(tǒng)和自動(dòng)列車監(jiān)督ATS系統(tǒng)等等。在運(yùn)行過程中信號系統(tǒng)所出現(xiàn)的故障主要為自動(dòng)列車監(jiān)督ATS系統(tǒng)設(shè)備故障、軌旁設(shè)備故障以及車載設(shè)備、通信設(shè)備故障等多種類型。

根據(jù)現(xiàn)有的軟件功能，如圖2所示軟件流程可以將其具體劃分為通信模塊、初始化模塊、底層驅(qū)動(dòng)模塊以及數(shù)據(jù)采集單元自檢模塊、記錄模塊等。其中初始化模塊主要負(fù)責(zé)對不同設(shè)備和儀器進(jìn)行初始化，避免程序出現(xiàn)跑分問題。在通訊模塊中需要基于當(dāng)前的通訊協(xié)議，完成端口參數(shù)的具體配置驅(qū)動(dòng)模塊，需要對當(dāng)前的軟件操作系統(tǒng)進(jìn)行有效接口驅(qū)動(dòng)，同時(shí)對當(dāng)前的文件記錄進(jìn)行留存。數(shù)據(jù)采集功能的自檢模塊則需要在上電啟動(dòng)狀態(tài)之下進(jìn)行全面自檢，判斷系統(tǒng)任務(wù)的運(yùn)行狀態(tài)是否正常，同時(shí)確保監(jiān)視任務(wù)能夠保持良好，如果在此期間發(fā)現(xiàn)異常問題要立即進(jìn)行報(bào)錯(cuò)，并對現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行重新啟動(dòng)。最后在文件記錄模塊中則需要對當(dāng)前軌道交通車輛的運(yùn)行情況和關(guān)鍵事件進(jìn)行存儲和記錄，確保診斷軟件能夠?qū)ζ溥M(jìn)行深入的分析與故障排查[4]。

圖2 軟件流程圖

3.故障診斷與數(shù)據(jù)分析應(yīng)用

軌道交通故障診斷體系的應(yīng)用，最關(guān)鍵的要素在于故障診斷以及數(shù)據(jù)的分析，因此可以從通信接口、故障診斷以及運(yùn)行數(shù)據(jù)分析3個(gè)層面進(jìn)行應(yīng)用與論證。

3.1 通訊接口細(xì)節(jié)處理

在通訊接口方面，當(dāng)前軌道交通車輛在運(yùn)行過程中需要對現(xiàn)有的信息和數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并通過以太網(wǎng)與電腦終端接口進(jìn)行連接，也可以通過不同類型的車載設(shè)備搭載無線通訊模塊進(jìn)行2個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊與服務(wù)器之間的無線通信。而應(yīng)用車載無線設(shè)備也要實(shí)時(shí)保證周邊無線網(wǎng)絡(luò)的暢通，軌道交通車輛回庫之后需要對現(xiàn)有的車載無線設(shè)備進(jìn)行全面的檢查，讓其直接連接無線局域網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)更新和自動(dòng)傳輸車輛的歷史故障問題、現(xiàn)如今的運(yùn)行狀態(tài)情況、并將相關(guān)數(shù)據(jù)文件直接傳輸給指定的服務(wù)器之中，地面系統(tǒng)的服務(wù)器則專業(yè)收集不同數(shù)據(jù)單元內(nèi)容，并通過無線設(shè)備所傳送的故障信息和運(yùn)行狀態(tài)對其進(jìn)行分類與評估。在此期間可以應(yīng)用圖表的形式直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫，操作人員可以直接對現(xiàn)有的故障信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)頁訪問，讓其能夠形成更加連貫直觀的曲線或圖形等等，明確分類以及軌道交通車輛故障診斷的情況，方便用戶進(jìn)行故障評估，為后期的運(yùn)行與維護(hù)奠定良好的決策基礎(chǔ)。與此同時(shí)，可以讓車輛段的具體管理人員通過服務(wù)軟件對當(dāng)前的軌道交通車輛運(yùn)行情況和故障發(fā)生情況開展實(shí)時(shí)監(jiān)控，注重實(shí)時(shí)監(jiān)控過程中各類信息數(shù)據(jù)與車輛以往的數(shù)據(jù)內(nèi)容進(jìn)行對比分析。其中可以應(yīng)用更加專業(yè)的故障診斷與分析軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集單元的有效銜接，積極記錄不同類型的車輛故障，并將相關(guān)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)出到電腦終端系統(tǒng)之中，以便相關(guān)工作人員能夠準(zhǔn)確及時(shí)地了解車輛故障信息和運(yùn)行狀態(tài)。

在前文中提到的列車控制CBTC控制系統(tǒng)中，曾經(jīng)發(fā)生地鐵運(yùn)營調(diào)度通訊故障的問題，這主要是由于地鐵運(yùn)營調(diào)度OCC與外圍系統(tǒng)主要采取雙通道通信的形式，如果應(yīng)用單一通道則并不會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。但是信息通道的故障也會(huì)導(dǎo)致中心ATS自動(dòng)列車監(jiān)督系統(tǒng)失去其應(yīng)有的功能，而轉(zhuǎn)為降級模式的控制方法和控制形式。針對于此，可以將本地ATS系統(tǒng)切換為主ATS狀態(tài)，應(yīng)用TTP服務(wù)器對當(dāng)前的列車時(shí)刻表、停站時(shí)間等進(jìn)行再次加載和計(jì)算，轉(zhuǎn)變車次信號等，自動(dòng)安排PRC服務(wù)器的自主化運(yùn)行功能。

3.2 故障診斷逐級劃分

在故障診斷階段，可以在現(xiàn)有的軌道交通故障診斷體系中，將具體的故障類型劃分為3個(gè)等級，如果現(xiàn)有的故障診斷系統(tǒng)體系檢測出故障問題，也可以根據(jù)不同的級別做好相關(guān)動(dòng)作。例如，一級的信息為關(guān)鍵要素故障診斷信息，主要指的是對軌道交通車輛當(dāng)前的運(yùn)營與服務(wù)造成了嚴(yán)重的影響，此類事故風(fēng)險(xiǎn)較大，需要第一時(shí)間采取處理措施；二級信息體現(xiàn)為次要信息，指的是在列車運(yùn)行和服務(wù)過程中并不會(huì)造成更加明顯影響的事故或不故障類型，在軌道交通車輛返回車輛段之后對其進(jìn)行一定的處理和故障解決；三級信息主要為常規(guī)信息等，并不會(huì)對軌道交通車輛的運(yùn)營與服務(wù)造成影響，故障發(fā)生影響相對較小，可以直接在日常檢修與維護(hù)中進(jìn)行有效的解決與排除。

以城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)控制閥故障為例，在發(fā)生控制閥故障時(shí)往往可愛，從閥體、執(zhí)行結(jié)構(gòu)、附件3個(gè)角度進(jìn)行故障的專項(xiàng)分析，見表1，深入探究故障發(fā)生原因。在實(shí)際應(yīng)用故障診斷體系時(shí)，可以通過8通道的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集卡以及振動(dòng)加速度傳感器和聲壓傳感器進(jìn)行控制閥運(yùn)行信號的實(shí)時(shí)采集，但不容忽視的是在軌道車輛運(yùn)行過程中制動(dòng)系統(tǒng)的工作環(huán)境相對復(fù)雜，周邊噪聲相對較大，在一定程度上影響了故障自動(dòng)化診斷的精準(zhǔn)度，可以應(yīng)用EMD算法降低噪聲含量，實(shí)現(xiàn)控制閥信號的有效降噪和診斷。

表1 城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)控制閥故障系統(tǒng)劃分

3.3 故障診斷實(shí)時(shí)監(jiān)控

在針對現(xiàn)有的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)可以通過Web Tip軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，該軟件可以分為系統(tǒng)維護(hù)工具以及數(shù)據(jù)監(jiān)視工具2大類型，在系統(tǒng)維護(hù)工具中可以直接導(dǎo)入相關(guān)數(shù)據(jù)庫文件，并按照已有的需求對現(xiàn)有數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行一定解析。而數(shù)據(jù)監(jiān)視工具更加強(qiáng)調(diào)了在線實(shí)時(shí)化的數(shù)據(jù)監(jiān)控功能，可以通過表格或曲線等多種直觀有效的方式，對虛擬數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行直觀分析與考量[5]。

4.故障診斷體系的管理途徑

當(dāng)前我國現(xiàn)有的軌道交通故障診斷體系在應(yīng)用方面更加科學(xué)，綜合技術(shù)水平更加廣泛。例如在實(shí)際監(jiān)測過程中可以綜合應(yīng)用振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)，配以和現(xiàn)有的軌道交通故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行信號的收集和異常點(diǎn)位數(shù)據(jù)的預(yù)警和整理，在此過程中需要綜合應(yīng)用聲波傳遞技術(shù)、信號發(fā)射技術(shù)等，最后進(jìn)一步應(yīng)用共振解調(diào)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有設(shè)備的統(tǒng)一應(yīng)用。同時(shí)不斷優(yōu)化核心應(yīng)用技術(shù)，讓當(dāng)前的軌道交通故障診斷體系能夠充分發(fā)揮其應(yīng)有的價(jià)值。針對于此，需要在故障診斷體系運(yùn)行過程中，對不同類型的細(xì)微振動(dòng)進(jìn)行第一時(shí)間捕捉，要全面了解軌道交通車輛當(dāng)前的振動(dòng)頻率、不同類型的運(yùn)行狀況、振幅等差異問題，確保能夠及時(shí)分析故障條件之下的振動(dòng)異常，第一時(shí)間給出預(yù)警信息。

5.結(jié)語

在軌道交通車輛的運(yùn)行過程中故障診斷尤為重要，而故障診斷體系的應(yīng)用也直接關(guān)系到車輛運(yùn)行的狀態(tài)。為此，要加強(qiáng)對軌道交通車輛運(yùn)行狀態(tài)和故障的診斷與排除，進(jìn)一步降低人力物力成本，提高工作效率，希望本文能為我國軌道交通故障的有效診斷和解決提供參考。