成都地鐵5 號線車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)分析

龔承啟

（成都軌道交通集團有限公司，成都 610000）

近年來，城市軌道交通的飛速發(fā)展，各地區(qū)對地鐵的運營水平和維護能力都提出了更高的要求，而信息化、智能化且自動化程度更高的智慧運維系統(tǒng)為地鐵車輛的穩(wěn)定運行提供了可靠的保障。上海地鐵智能運維系統(tǒng)由車地無線傳輸子系統(tǒng)、軌旁車輛綜合檢測子系統(tǒng)和車輛維護管理信息子系統(tǒng)3 部分組成，并在上海地鐵17 號線取得成功運用[1]。廣州地鐵8 號線采用了車載動力學監(jiān)測系統(tǒng)，可對車輛軸向振動、構架振動和車體振動等走行部進行狀態(tài)監(jiān)測[2]。東莞地鐵的車體360°全車檢測系統(tǒng)能在車輛通過時自動檢測車輛的外表故障、識別車底車頂異物及緊固件松動情況，實現(xiàn)不停車列檢[3]。深圳地鐵利用車輛智慧運維平臺數(shù)據(jù)整合的優(yōu)勢，充分挖掘數(shù)據(jù)的價值，結合用戶實際的需求，有效降低運維成本[4]。

盡管目前各地鐵線路的車輛智慧運維系統(tǒng)種類繁多，但大都存在識別率低、誤報率高和無法完全替代人工等問題。成都地鐵5 號線車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)自2020年初投入使用，能夠?qū)崿F(xiàn)列車的狀態(tài)監(jiān)測、運營數(shù)據(jù)存儲和故障分析等功能，但依然存在對車輛狀態(tài)監(jiān)測不全、智能化程度低等問題，無法有效減少一線員工的檢修負擔，因此，挖掘車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)更多實用功能，優(yōu)化判斷條件，提高車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)的使用率，提升檢修人員正線故障處置效率，有著極為重要的工程意義。

1 成都地鐵5 號線在線監(jiān)測系統(tǒng)簡介

成都地鐵5 號線在線監(jiān)測系統(tǒng)是一套支持列車運營檢修維護的地面軟件系統(tǒng)平臺，主要功能是依靠列車TCMS（Train Control Management System）網(wǎng)絡，并借助4G 無線網(wǎng)絡實現(xiàn)車輛數(shù)據(jù)落地，通過瀏覽器可實現(xiàn)車輛狀態(tài)實時監(jiān)測，故障自動報警等功能，從而為列車運行提供遠程專家技術支持和遠程診斷。在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由車地無線傳輸系統(tǒng)、地面監(jiān)控分析系統(tǒng)平臺組成（圖1）。在線監(jiān)測網(wǎng)站按照功能分可分為列車故障及狀態(tài)實時監(jiān)控、列車故障及異常查詢和數(shù)據(jù)分析及應用3 大版塊。

圖1 成都地鐵車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

1.1 列車故障及狀態(tài)實時監(jiān)控

實時監(jiān)控功能不但可以總覽全部正線運營列車的狀態(tài)，還可以實時觀察某列車的速度、駕駛模式和牽引制動力等信息，通過查詢列車旁路開關狀態(tài)、通信狀態(tài)等功能，實現(xiàn)正線列車的遠程監(jiān)視（圖2）。對于有故障的列車會有語音提示及異常顏色區(qū)分，便于檢修人員快速識別。

圖2 車輛狀態(tài)界面

1.2 列車故障及異常查詢

在線監(jiān)測系統(tǒng)的故障及異常查詢可以實現(xiàn)以下功能。

1）對當前所有列車的故障進行查詢；

2）查詢某列車在規(guī)定時間段內(nèi)的故障；

3）對某個系統(tǒng)的故障進行查詢統(tǒng)計。

該功能不但可以快速獲得列車的故障情況，還便于檢修人員對某些故障進行統(tǒng)計、分析。故障及異常查詢主界面如圖3 所示。

圖3 故障及異常查詢界面

1.3 數(shù)據(jù)分析及應用

列車運營數(shù)據(jù)主要包含：列車運營公里數(shù)、牽引系統(tǒng)能耗、輔助電源系統(tǒng)能耗、電制動時反饋到電網(wǎng)的再生能量及空調(diào)能耗等。列車運行過程中，各個牽引、輔助控制單元分別計算其各自的能耗，并實時將數(shù)據(jù)傳輸至TCMS。TCMS 將各單元能耗累加后顯示在人機交互界面（HMI），傳統(tǒng)的能耗獲取一般需要檢修人員抄錄列車HMI 上的運營數(shù)據(jù)，由專業(yè)技術人員將列車能耗數(shù)據(jù)進行錄入后，再進行統(tǒng)計和分析[5]。

數(shù)據(jù)分析應用模塊通過車地無線系統(tǒng)將列車運營數(shù)據(jù)上傳至在線監(jiān)測網(wǎng)站，可以快速查詢列車的公里數(shù)、牽引輔助能耗等數(shù)據(jù)，并能將數(shù)據(jù)導出以便進行更詳細的統(tǒng)計分析。該功能的運用不僅減少了檢修人員的作業(yè)量，也提高了專業(yè)技術人員對列車運行能耗數(shù)據(jù)分析的效率。

2 重要故障預警功能

在地鐵車輛綜合監(jiān)測預警系統(tǒng)中，車地無線傳輸系統(tǒng)主要負責將地鐵列車的運行狀態(tài)和故障信息實時、可靠地傳遞給地面檢修維保系統(tǒng)，進而實現(xiàn)地鐵車輛牽引、制動等系統(tǒng)的實時信息監(jiān)測和預警效果[6]。隨著地鐵線網(wǎng)化運營對車輛維保的高效、準確提出了更高要求，成都地鐵5 號線在線監(jiān)測系統(tǒng)雖然能夠?qū)α熊囁俣取恳椭苿拥葼顟B(tài)進行有效監(jiān)視，但依然無法滿足大線網(wǎng)運營情況下對列車故障處置高效、快捷的需求，為滿足不斷提升的正線處置效率需求，車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)結合實際運營及維保需求搭建了客室溫度預警、車輛狀態(tài)指示燈預警等多個預警功能，以及車輛I/O 變量顯示等措施，對在線監(jiān)測系統(tǒng)進行優(yōu)化[7]。

2.1 客室溫度過高預警

隨著地鐵運營對乘客舒適性及駕乘體驗提出了更高要求，對空調(diào)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性也提出了更高要求。常規(guī)的地下線路，列車處于陰涼的環(huán)境下，環(huán)境溫度較穩(wěn)定，在客流量相對平均的情況下客室的溫度可保持在一個舒適的狀態(tài)下[8]，但在地鐵運營的高峰期間，地鐵客流會在短時間內(nèi)出現(xiàn)快速上漲，部分客流量大的線路因地鐵車廂內(nèi)乘客擁擠，導致客室溫度上升。

車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)能實時接收電客車車廂內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，并在在線監(jiān)測網(wǎng)頁上對應的界面顯示，但需人工去選擇對應車輛查看某列車的客室溫度，為了能夠?qū)崟r反饋正線車輛空調(diào)的工作狀態(tài)，避免電客車未開空調(diào)或空調(diào)故障等問題造成客室內(nèi)溫度過高，引起乘客投訴，利用在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的客室溫度進行空調(diào)溫度異常預警。當正線運營的列車的客室溫度超過目標設定溫度一定值時，在線監(jiān)測系統(tǒng)會報出語音提示預警，便于檢修人員快速發(fā)現(xiàn)運營列車的客室溫度異常狀況，從而進行快速處理（圖4）。

圖4 空調(diào)預警邏輯

2.2 車輛狀態(tài)指示燈顯示及異常預警

車輛狀態(tài)指示燈是車輛顯示TCMS 系統(tǒng)狀態(tài)、車門關閉情況和制動緩解情況的重要指示功能，上述系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，輕則引起列車晚點，嚴重可能導致列車救援，影響整條線路的運營，由于車輛狀態(tài)指示燈為列車硬線電路構成，大多數(shù)車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)未直接采集，為進一步提高車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)對電客車狀態(tài)判斷的覆蓋面，提高正線故障處置效率，在車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)將列車中的車門全關閉指示燈、制動緩解指示燈、TCMS 正常指示燈和停放制動緩解指示燈進行顯示，并增加車輛狀態(tài)指示燈異常熄滅預警功能。

車輛狀態(tài)指示燈是采用列車繼電器控制燈的亮滅，通過結合電客車實際電路圖和TCMS 系統(tǒng)現(xiàn)有相關指令采集點，最終將車輛指示燈狀態(tài)顯示在在線監(jiān)測網(wǎng)站上，車輛狀態(tài)指示燈最終的顯示效果如圖5 和圖6 所示，當列車狀態(tài)指示燈顯示異常時，在線監(jiān)測系統(tǒng)會有語音提示預警，檢修人員可以快速發(fā)現(xiàn)故障并及時給出處置建議[9]。

圖5 車輛狀態(tài)指示燈顯示界面

圖6 TCMS 指示燈預警邏輯

除了上述預警外，在線監(jiān)測系統(tǒng)還搭建了蓄電池溫度異常預警、列車總風壓力異常預警等共計20 多條預警，上述預警功能完善了在線監(jiān)測系統(tǒng)對列車異常狀態(tài)的監(jiān)視，提升了檢修人員對運營列車故障處置的效率。

2.3 車輛I/O 變量顯示

為了便于檢修人員在列車故障時能夠快速查看不同系統(tǒng)、繼電器及開關的實時狀態(tài)，在線監(jiān)測系統(tǒng)將牽引指令、制動指令、列車激活和開關門等多個變量在網(wǎng)站上進行顯示，通過查看I/O 變量，可快速查找對應部件的實際狀態(tài)，I/O 界面顯示如圖7 所示。

圖7 I/O 變量顯示情況

3 繼電器動作次數(shù)統(tǒng)計

繼電器是地鐵列車電路系統(tǒng)的重要控制部件之一，通常運用于列車激活、牽引制動等重要控制環(huán)節(jié)，是地鐵列車控制電路的“心臟”，如發(fā)生故障，可能造成列車清客甚至救援，嚴重影響整條地鐵線路的運營效率及乘客的出行安排[10]。因此，繼電器的日常維護和更換也是列車檢修的重要項目之一，繼電器的動作次數(shù)是繼電器壽命的重要指標，列車繼電器的更換及維護主要依賴繼電器廠家提供的維護文件，但目前國內(nèi)大多數(shù)地鐵線路對列車運營過程中繼電器的動作次數(shù)缺少有效統(tǒng)計，使得地鐵列車在架修或大修進行繼電器維護時缺少有效依據(jù)。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)的繼電器動作次數(shù)統(tǒng)計功能，可精確地獲得列車繼電器的動作次數(shù)，為列車后期繼電器維護，大架修期間繼電器的更換提供數(shù)據(jù)支撐[11]。

列車TCMS系統(tǒng)對列車大部分關鍵繼電器都進行了采集，通過車地無線功能將相關繼電器變量上傳至在線監(jiān)測網(wǎng)站，可實時記錄采集繼電器的動作化次數(shù)，并進行累積記錄，使得繼電器動作次數(shù)統(tǒng)計成為可能（圖8）。

圖8 繼電器動作次數(shù)統(tǒng)計

4 實時變量分析

地鐵列車故障原因復雜、多樣，部分故障可能是多個系統(tǒng)聯(lián)合誘發(fā)導致，當?shù)罔F列車的故障原因需要結合多個系統(tǒng)、變量或者狀態(tài)分析時，往往需要對電客車故障數(shù)據(jù)進行下載以便進一步分析，目前，地鐵檢修人員主要通過手動方式來下載列車故障數(shù)據(jù)，即用電腦通過有線或無線的連接方式與列車數(shù)據(jù)存儲單元相連，再通過人工操作數(shù)據(jù)下載軟件來實現(xiàn)列車故障數(shù)據(jù)的下載。通常情況下為保證地鐵列車的運營效率，列車故障數(shù)據(jù)的下載需要在運營結束回庫后進行，隨著目前地鐵列車采集變量的增多，數(shù)據(jù)量也進一步增大，人工下載數(shù)據(jù)往往需要花費更長的時間[12]。目前成都地鐵5 號線列車人工進行故障數(shù)據(jù)下載的時間平均為30 min 左右。因此，傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)下載無法滿足地鐵大線網(wǎng)運營條件下，對故障處理實時、高效的要求。

為彌補傳統(tǒng)數(shù)據(jù)下載存在滯后性的缺陷，通過車地無線技術將電客車的速度、駕駛模式和牽引制動指令等信息上傳至在線監(jiān)測系統(tǒng)，如圖9 所示，在線監(jiān)測系統(tǒng)可通過實時采集的變量進行圖像繪制，當列車發(fā)生故障時，檢修人員可結合故障現(xiàn)象將列車相關變量加載并進行波形繪制，實現(xiàn)對列車故障的快速分析，以便對正線運營有故障的列車給予更加精確的處置建議，可以大大降低因?qū)收吓袛噱e誤導致的列車清客或晚點。

圖9 實時變量分析頁面

5 結束語

目前，我國地鐵列車的檢修運維主要依靠計劃檢修和事后維修，即預防修和故障修。但是，通過長期的設備檢修和實踐證明，采用計劃維修的方法，有可能因為檢修中的拆動造成額外的故障從而破壞原有系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時也會消耗大量的人力、物力，造成成本浪費。本文對在線監(jiān)測系統(tǒng)的故障預測及健康管理分析，是維保方式由傳統(tǒng)的預防修、故障修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變，即在線監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測設備在線工作狀態(tài)，依據(jù)設備關鍵部件工作狀態(tài)參數(shù)確定對該部件的維修策略。同時結合現(xiàn)場實際檢修維保需求，在平臺上新搭建了重要故障預警、繼電器動作統(tǒng)計、實時變量分析等功能，大幅度提升了在線監(jiān)測的使用覆蓋面。車輛在線監(jiān)測系統(tǒng)目標是提升設備可靠性、降低勞動強度、優(yōu)化設備檢修和行程組織方式，已成為檢修人員的重要輔助工具[13]。

1）在線監(jiān)測系統(tǒng)的車輛實時監(jiān)控配合重要故障預警功能，對于運營列車出現(xiàn)的異常情況，檢修人員能夠快速識別，提高正線處置效率。

2）列車運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計一方面可精確統(tǒng)計電客車的公里數(shù)、能耗等運營信息，便于技術人員進行后臺分析，同時也代替了檢修人員通過傳統(tǒng)人工錄入電客車數(shù)據(jù)的工作，有效降低了檢修人員的作業(yè)量。

3）繼電器動作次數(shù)統(tǒng)計可有效獲取列車的繼電器動作次數(shù)情況，為列車后期繼電器維護，大架修期間繼電器的更換提供數(shù)據(jù)支撐。

目前，受限于車地無線技術的硬件水平，在線監(jiān)測系統(tǒng)依然存在傳輸數(shù)據(jù)容量有限，部分情況下列車狀態(tài)判斷不夠精確等問題，同時，由于智慧化運維目前正在發(fā)展初期，深度數(shù)據(jù)分析和實際生產(chǎn)應用還存在較大差距[14]，未來，隨著車地無線技術的發(fā)展及5G 技術的推廣應用，列車在線監(jiān)測系統(tǒng)的性能會得到優(yōu)化。

1）利用5G 技術低延時、高可靠性的能力，在線監(jiān)測系統(tǒng)的傳輸速率和存儲數(shù)據(jù)容量可進一步提升，同時支持列車運營數(shù)據(jù)的遠程下載功能[15]。

2）對列車進行深度數(shù)據(jù)挖掘和應用分析，進一步服務生產(chǎn)一線。