軌道交通車輛專家診斷系統的分析與應用

蔡龍龍，陳家福，鐘星魁

（泉州中車唐車軌道車輛有限公司，福建泉州 362122）

0 引言

隨著城市軌道交通的發展，支撐安全運營的生產業務不斷增加，迫切需要將列車運行狀態、故障等信息可靠的傳輸到地面，方便地面運營維護人員及時了解車輛運行狀態［1-2］。

國內外軌道交通企業都在積極研究有關的安全保障、系統效能提升、系統可持續等技術的研究和示范應用。葡萄牙Nomad公司的RCM 360 系統，運用基于設備狀態監測的智能運維技術，使設備可靠性提升30%，設備利用率提升20%，取得了巨大的經濟效益。

上海地鐵聯合各子系統供應商打造了車聯網系統、軌旁綜合檢測系統、維護管理系統、車輛維護專家系統的智慧管理系統，建有智能運維大數據平臺、智能運維平臺R.I.S.E、車輛檢測系統IOR、360 環視檢修系統、點巡檢系統、DCC調度系統等，使人車比下降20%，車輛可用率提升3%，MDBSF 很快達到200 000 km（原為50 000 km），但缺少故障耦合分析、節能優化、智能決策。

廣州地鐵建立了以在途運行監測、軌旁智能檢測、場段檢修監測、數據分析評估（可靠性分析）、過程評估（LCC）、專家系統為核心功能的智能運維系統。車輛正線故障0.021 件/萬車·千米，故障率遠低于線網0.099 件/萬車·千米的平均水平。

德國多特蒙德鐵路中心集合運維維護設備與數字化服務，高效和智慧地組織，響應快速和專業，以盡可能縮短車輛的停駛時間為運營目標，通過預測性維護分析，達到99%以上出車率。

軌道交通車輛專家診斷系統是一套支持列車運營檢修維護的綜合性的運維系統平臺，主要功能是依靠列車MVB通信網絡及以太網信息網，借助無線傳輸通道實現車輛各子系統基礎數據及詳細參數分析數據統一落地。地面搭建綜合監控分析平臺，通過瀏覽器便可實現車輛狀態實時監測、故障診斷、故障自動報警、運行參數趨勢分析以及綜合性健康管理分析等功能，從而為列車運行提供遠程專家技術支持和遠程診斷［3-8］。

1 總體架構

軌道交通車輛專家診斷系統主要由車載數據采集系統、車地無線傳輸系統（借助地面PIS WLAN 無線通道）、地面系統平臺組成（如圖1 所示）。

圖1 專家診斷系統總體架構圖

車載數據采集系統主要包括車輛狀態監控系統及其他車載子系統監測系統組成，專家診斷系統車載設備主要為專家系統車載主機單元（ESU）與以太網交換機構成，ESU依靠以太網交換機組建的以太網維護信息網獲取列車上各個監測子系統的實時運行狀態數據和非實時記錄數據，然后借助地面PIS WLAN 無線傳輸通道實現數據落地。

地面系統采用B/S 架構，通過瀏覽器可實現車輛各個子系統的狀態實時監測、故障自動報警、故障分析、故障診斷、故障應急處理及檢修處理意見推送、故障統計等功能，從而為列車運行提供遠程專家技術支持和遠程診斷。

1.1 車載數據采集系統

車載系統通過部署車輛數據采集處理與發送網絡，實現各子系統原始數據的分布式采集、本地存儲、實時數據融合、清洗和特征提取等功能。同時將數據以規范的格式借助地面PIS WLAN 無線通道下傳至地面系統平臺，實現對子系統及關鍵部件狀態進行狀態監視、故障預警及健康評估等功能。

ESU設備作為專家系統車載主機單元，全列車頭尾端各配置一臺，一路MVB 接口接入到TCMS 的MVB 網絡，一路以太網接口接入到以太網維護信息網。車載網絡拓撲圖如圖2 所示，包括牽引、輔助系統、制動系統、車門系統、空調系統、走行部、弓網檢測、蓄電池監控系統、列車控制與管理系統、邏輯控制單元、旅客信息系統、煙火報警系統、障礙物檢測系統等。

圖2 車載專家系統與車輛子系統連接拓撲圖

1.2 地面系統平臺

專家診斷地面系統平臺，包括服務專用機、防火墻、交換機硬件設備。整個地面系統平臺按照單線路項目配置需求，部署地面平臺，主要功能包括：數據存儲功能、數據實時提取功能、分段數據檢索功能、數據聚合功能、系統數據應用功能。系統具體部署結構如圖3 所示。

圖3 地面系統平臺部署結構

為實現雙機熱備冗余切換，系統配置了2 臺主從服務專用機，在2 臺服務專用機分別搭建一套完整的地面平臺，每套都能夠獨立的接收、解析數據。服務專用機可配置各自獨立的虛擬IP 地址，對外擁有統一的IP 地址，當其中一臺服務專用機服務宕機的時候，可自動切換備用機，保證平臺正常運行。

2 系統功能

2.1 系統功能配合

依托列車控制網絡和車地通信網絡，車載無線傳輸主機將參與專家診斷系統的車載部件發送的實時報文和離線數據，經數據采集、數據融合、數據轉發后轉發至地面專家診斷系統平臺。地面專家診斷系統平臺根據功能定義，對這些數據進行解析、分析處理和展示。各子系統配合專家診斷系統至少完成以下功能：

（1）系統或設備狀態監控、遠程應急響應支持；

（2）列車遠程故障診斷、故障統計分析、故障維護指導建議；

（3）系統健康診斷評估及故障預警；

（4）專家知識庫；

（5）整車統計分析、能耗管理；

（6）信息推送顯示及報表自動生成；

（8）車輛履歷管理；

（9）備品備件管理。

在系統性能要求方面，專家診斷系統關鍵部件故障診斷準確率≥95%，并且專家診斷系統關鍵部件預警診斷準確率≥85%。

2.2 子系統接口數據要求

為實現健康管理故障檢修支持，車輛各個子系統提供但不限于以下信息：

（1）提供系統的具體故障信息，包括故障名稱、描述、等級、位置、所屬系統等；

（2）提供該故障信息所關聯的數據清單，即診斷該故障所用到的所有信號，或者該故障發生的所有可能原因，必要時須提供子系統內部故障診斷邏輯說明文件；

（3）提供該故障可能導致的系統動作說明，如設備封鎖、隔離、關斷等；

（4）提供本系統與其他系統的接口關系說明；

(3)能夠促進醫療業的發展。醫療行業與人們的生活聯系十分密切，關系著人們的健康問題。大多數先進的醫療設備的價格都十分昂貴，對于普通的大眾來說，要一次性付清完成全部金額的交易存在很大困難。而融資租賃不需要購買者一次性將所有金額付清，風險小，解決了廣大購買者的后顧之憂，加快了醫療業的持續發展，推動了經濟的快速增長。

（5）提供所有故障的正線應急處置建議和檢修維修建議；

（6）為滿足車輛健康預警功能，則在基于上述數據要求的基礎上，要求各子系統盡可能多地提供各類趨勢數據信息，如溫度，濕度，電壓、電流等信息。系統的RAMS、LCC等相關信息也應提供給專家診斷系統。

2.3 傳輸方式

正線實時傳輸，列車在行駛過程中，車載TCMS 系統及各子系統通過TCMS 網絡將系統內的所有數據（實時數據）傳輸給車載專家診斷系統設備，并通過無線通道實時發送到地面專家診斷系統平臺服務器。

本地數據到庫傳輸（離線傳輸），回到車輛段后，車載專家診斷系統主機將TCMS 及其他子系統本地存儲的數據（離線數據）通過庫內車地無線通信網絡發送到地面專家診斷系統平臺服務器。

2.4 關鍵子系統

2.4.1 走行部監測系統

走行部檢測系統的作用是車輛轉向架關鍵部件缺陷監測及鋼軌狀態監測，主要監測車輛轉向架的軸箱軸承、電機軸承、齒輪箱軸承、齒輪及踏面等部位的故障以及鋼軌磨耗狀態。在車輛脫軌監測方面，通過對軸箱振動、沖擊信號實時監測分析，可在車輛發生脫軌時迅速報警，并將報警信息持續不間斷地輸出到車輛控制系統，由車輛觸發緊急制動［9-10］。主要功能如下：

（1）脫軌監測：通過對軸箱的振動狀態進行實時監測與數據分析，實現車輛脫軌監測及緊急制動觸發；

（2）齒輪、軸承及踏面監測：通過對軸箱、齒輪箱及電機中軸承的振動狀態進行實時監測與數據分析，實現軸承健康狀態監測。對監測結果進行預警并反饋。故障監測范圍應包括：溫度異常、內圈故障、外圈故障、滾動體故障、保持架故障、齒輪故障、軸承故障及踏面異常等；

（3）鋼軌監測：通過監控軸箱的振動等參數，具備故障定位功能，實現對鋼軌的在線實時診斷，對監測結果進行預警并反饋。監測范圍包括：軌道波磨、異常振動等；

（4）分級預報警：具備軸承故障、踏面故障及軌道故障的在線智能診斷與異常判別功能，可對故障進行分級報警，對應分級運用維修指導；

（5）系統具備報警信息通過以太網傳輸至車輛專家診斷系統的功能。

走行部檢測系統通過布置在轉向架上的傳感器、安裝在車輛上的前置處理器及綜合診斷儀，在不影響車輛正常運行的同時，實時獲取各轉向架待測部件的運行及健康狀態，通過內置于綜合診斷儀的系統軟件分析診斷判別后，輸出車輛運行狀態的診斷結果。該診斷結果可實時顯示于司機室或地面控制中心的專家診斷系統，提供科學可靠的車輛運行狀態數據，其中脫軌報警指令可觸發車輛緊急制動，極大地保證了車輛運行安全。系統診斷數據或指令還可為車輛的維修提供科學的指導意見，節省檢修時間并降低檢修成本。

2.4.2 弓網監測系統

弓網監測系統利用紅外成像技術實時檢測受電弓及接觸網溫度數據，利用雙目視覺技術實時測量弓網動態幾何參數，利用紫外探測技術實現燃弧檢測，利用圖像識別技術識別受電弓結構異常，利用非接觸式圖像識別測量技術測量受電弓的弓網接觸力和硬點，從而及時挖掘弓網動態運行缺陷及故障隱患信息，實現弓網在線檢測能力，以及弓網缺陷在線報警功能，能及時發現弓網故障，通過對于弓網故障的快速定位，減少因地鐵弓網故障導致的重大事故發生，提高地鐵線路運營安全性，為城市軌道列車運行提供有力支持保障。系統還對大量的弓網運行動態數據進行統計分析，為弓網檢修人員檢修弓網系統提供有效的指導數據［11-13］。

弓網監測系統由車頂設備、車內設備及車底設備等構成。其中，高配方案車頂由應力檢測模塊、接觸網幾何參數檢測模塊、受電弓碳滑條磨耗檢測模塊、弓網燃弧檢測模塊、弓網接觸點溫度檢測模塊、受電弓結構異常檢測模塊、懸掛裝置檢測模塊、視頻監測模塊等組成。簡配方案車頂由弓網燃弧檢測模塊、弓網接觸點溫度檢測模塊、視頻監測模塊等組成［14-15］。

2.4.3 蓄電池監測系統

蓄電池在線監測主要是對蓄電池組進行自動化檢測管理，檢測蓄電池組的電壓、充放電電流、溫度并根據參數對電池組進行過充、過溫等實現保護功能，同時根據上述數據計算蓄電池組的剩余容量、分析蓄電池組的健康情況，對蓄電池故障進行預判。蓄電池在線監測具備自診斷功能，可在運行過程中實時檢測自身設備故障，并輸出自診斷結果。蓄電池在線監測能夠通過MVB通信將蓄電池組實時信息發送給車輛TCMS。

3 結束語

軌道交通車輛專家診斷系統根據在途車輛綜合監測實時獲取列車狀態數據，實現車輛及系統部件的遠程狀態實時監控，對車輛狀態進行實時故障診斷，形成故障診斷知識庫。針對不同的故障內容，提供恰當的故障處理措施給檢修人員，協助檢修人員查找并快速解決故障。通過規則引擎，形成狀態預警知識庫，實現閾值預警、突變預警、趨勢預警和模型預警功能。并且專家診斷系統可以運用大數據技術，對包括牽引、制動、空調等關鍵部件或系統當前運行狀態進行定性評估，實現系統、子系統、關鍵部件健康評估排名顯示、健康評估趨勢和評估結構構成圖形化顯示功能。