車輛結構邊緣計算在線監測技術研究與應用

杜縱縱，段龍杰，秦棟，穆廣友，吳浚豪，3

（1.上海軌道交通檢測認證（集團）有限公司，上海 200434；2.北京京城地鐵有限公司，北京 101312；3.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

0 引言

我國城市軌道交通線網規模不斷擴大，目前城市軌道交通車輛保有量超過30 000 列，車輛運營維護與安全檢測需求快速增長，需要定期對車輛部件進行檢測，并保證檢測質量和頻率，及時發現、處理已經出現及潛在故障，以杜絕安全隱患。

城市軌道車輛智慧運維研究以車輛設備故障預測與健康管理技術為基礎，將車輛關鍵系統、零部件的運行狀態和剩余壽命與運營生產數據進行有效結合分析，實現以故障為導向的被動維修方式和計劃維修方式向以車輛全生命周期健康狀態為導向的狀態維修方式轉變，達到提高列車運行突發故障的應急處理能力、提高車輛維修效率、提高車輛的可靠性和使用率、降低車輛全生命周期維護成本的目的。

城軌車輛作為乘客的載體，其安全性、穩定性和可靠性需要良好的維護系統支持。應對車輛進行全生命周期維修研究、了解車輛在使用期間的性能和故障規律。劉忠俊等［1］對地鐵車輛全生命周期維修策略研究，了解其故障規律，對地鐵車輛故障特點以及車輛維修模式和特點進行分析；王朋［2］分析地鐵車輛智能檢修的重要意義和主要功能需求，并介紹了智能檢修系統的組成。

由于城市軌道交通車輛結構復雜、維護檢測項點多、作業時間周期短、任務重，目前仍采用傳統派遣大量檢修人員進行重復性安全檢測的作業模式，導致車底、車側等部位的安全檢測作業存在很大的人員安全隱患［3］。同時傳統的檢測模式存在信息傳遞不及時、數據記錄不準確、檢測結果受人為因素影響大等諸多問題［4］，其作業質量與效率難以匹配城市軌道交通快速發展的需求，無法形成標準化安全檢測模式，逐步成為制約城市軌道交通持續發展的因素，亟待進行城市軌道交通車輛運維檢測服務行業的智能化轉型升級。

1 系統技術框架

車輛結構邊緣計算在線監測系統技術框架見圖1。

圖1 車輛結構邊緣計算在線監測系統技術框架

1.1 車輛結構無損檢測

車輛結構邊緣計算在線監測系統對車輛結構的狀態評估以斷裂力學理論為基礎，根據該理論計算框架，需要獲取車輛結構中存在缺陷（裂紋、氣孔、未熔透、未焊透等）的結構參數。因此需要對車輛結構關鍵位置，特別是關鍵焊縫結構開展無損檢測，為服役結構評估計算提供缺陷參數的依據。

傳統無損檢測技術及局限性見表1。

表1 傳統無損檢測技術及局限性

因傳統無損檢測技術存在局限性，還應運用遠場渦流設備對傳統無損檢測技術進行補充，遠場渦流探頭原理見圖2。

圖2 遠場渦流探頭原理圖

1.2 車輛結構強度分析

根據斷裂力學理論，評估車輛狀態、預測結構故障需要載荷數據（載荷譜）。邊緣計算在線監測系統采集數據時需要針對性獲取車輛薄弱部位的載荷數據。目前有限元分析是確定車輛結構薄弱部位最便捷且效果較好的方法。

文獻［5］和文獻［6］對車體、轉向架結構靜強度及疲勞強度計算，車體結構有限元仿真分析見圖3。通過加載相應的運行工況進行有限元仿真計算，依據計算結果，從關鍵工況中選取危險點，確定車輛結構強度薄弱部位，為監測系統提供測點布置依據。

圖3 車體結構有限元仿真分析

1.3 邊緣計算在線監測

車輛結構監測系統為獲取有效的載荷數據，通常要求對幾十甚至上百通道的傳感器進行不低于500 Hz的實時采樣，如此大的數據帶寬、數據量，傳統數據采集系統難以實現數據的穩定傳輸。為實現監測系統快速且實時采集、處理、傳輸、計算功能，必須在傳統數據采集系統中結合邊緣計算技術，進行二次開發。

通過數據采集儀、加速度傳感器、應變片等設備，邊緣計算模塊從關鍵位置監測數據中提取對損傷敏感的關鍵參數，對系統進行純健康模式的訓練，實現數據回歸、預測和分類，掌握車輛運用狀態下參數的分布情況。

邊緣計算在線監測具有以下特點和優勢：

（1）相較于傳統的車輛動應力測試，邊緣計算對車輛結構狀態評估傳輸和響應速度更快。

（2）可部分擺脫網絡環境制約，可解決傳統云端計算數據傳輸帶寬高、實時性較強的缺點，使車輛實時監測和評估成為可能。

（3）邊緣計算的可擴展性和彈性很強，在車輛服役的不同階段可以根據需求增加監測系統的傳感節點。

邊緣計算在線監測系統見圖4。其中，SR1、SR2為5G天線用于車地數據輔助通信，SR3、SR4為邊緣計算模塊用于部署邊緣計算模型，SR5、SR6 為數據采集儀用于車輛結構狀態數據采集，SR7、SR8 為傳感器用于感知車輛結構數據，SL1～SL4為千兆以太網線纜（帶屏蔽層）用于車地數據傳輸，SL5、SL6 為應變片信號電纜，SL7、SL8 為天線電纜，SL9、SL10 為加速度信號電纜。

圖4 邊緣計算在線監測系統

1.4 斷裂力學材料試驗

斷裂力學可以對有缺陷的金屬結構進行剩余強度和壽命及探傷周期的評估與預測，可解決傳統名義應力方法無法解釋和難以解決的重大工程裝備失效破壞的內在機理、可大幅減少惡性事故的發生，形成一系列公認的服役評估規范，如英國的BS 7910：2019《Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures》［7］和我國的GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評定》。同時，基于斷裂力學的損傷容限也相繼被國際、國內和地區標準吸納，被普遍認為是繼名義應力方法后下一代重大裝備結構設計與服役評估的先進方法。

目前，斷裂力學已在化工機械、核電管道、航空航天、遠洋船舶、深海艦船等關系國防和經濟戰略安全領域得到了廣泛應用，并最終形成一種有別于傳統疲勞評估理論的新方法，得到工程界的廣泛認可［8］。

基于母材與焊接接頭的斷裂力學性能參數是控制車輛結構裂紋的關鍵因素之一，因此有必要引入材料斷裂力學性能分析試驗方法，進行焊縫斷裂韌性試驗以及焊縫裂紋擴展速率試驗。斷裂韌性是在疲勞載荷作用下，材料對于斷裂顯示的阻抗值，對于估算裂紋體疲勞壽命有重要作用；疲勞裂紋擴展速率是在疲勞載荷作用下，裂紋長度a隨循環周次N的變化率，反映裂紋擴展速度，對估算裂紋體疲勞壽命有重要作用，該試驗結果為車輛結構壽命計算提供參數輸入。

通過檢查關鍵結構力學性能并進行參數校驗，可以為后續缺陷原因分析和疲勞計算提供數據支撐。

1.5 基于斷裂力學車輛結構服役狀態評估

根據BS 7910：2019 標準，引入針對缺陷的斷裂力學疲勞分析方法，對車輛結構進行壽命預測。

基于斷裂力學方法，研究裂紋的擴展過程，同時考慮脆性斷裂與塑性失穩風險，以材料、結構、缺陷、應力參數為基礎，定量計算裂紋擴展，綜合評價結構的剩余使用壽命，斷裂力學服役評估技術方案見圖5。在各項計算過程中均做出保守性假設，可確保服役分析的安全性［9］。

圖5 斷裂力學服役評估技術方案

2 系統設計

車輛結構邊緣計算在線監測裝備由感知層、采集層、計算層、傳輸層4個部分組成。設備通過傳感器感知車輛結構的受力狀態，數據采集儀采集記錄產生的數據，邊緣計算模塊根據關鍵位置的監測數據確定關鍵參數，實現數據回歸、預測和分類，并對結構進行服役狀態評估，最后通過EUTH 或5G 將計算結果傳送至數據中心，車輛結構邊緣計算在線監測系統組成見圖6。

圖6 車輛結構邊緣計算在線監測系統組成

系統應用泛在感知、邊緣計算、多元耦合等智能技術，從全生命周期視角跟蹤車輛結構的服役安全，確定車輛結構（車體和轉向架）缺陷的實際狀態，對可能造成的隱患進行實時監測和預警，最終實現軌道交通車輛智能維護下的預測性狀態修［10］。

3 系統部署與應用

3.1 裝車方案

系統以北京某地鐵線路為應用對象，開展監測系統的部署和典型應用。示例車體及轉向架見圖7。

圖7 示例車體及轉向架（涂黑部分）

監測對象包含1 節頭車、1 節中間車的車體和轉向架結構，主要硬件設備包含傳感器（應變片、加速度計）、邊緣計算主機、數據采集儀、信號線等，需要向車下監測設備提供電源，應變片貼片位置需要脫漆處理。

現場設備安裝部署見圖8。

圖8 現場設備安裝部署

基于Labview 開發了車載數據處理軟件和地面服務器客戶端軟件，車載數據處理軟件可對采集到的結構應力、加速度數據進行實時處理，得到關鍵位置應力譜、結構損傷敏感參數等預警信息；通過地面客戶端軟件的斷裂力學評估模型可階段性的對車輛結構進行服役評估。軟件界面見圖9。

圖9 軟件界面

3.2 監測周期與系統維護

監測工作配合車輛的廠修工作開展，每次廠修前后各監測半年時間，以對比廠修前后的車輛結構服役一致性，以及不同服役階段的車輛結構健康履歷信息。

（1）可靠性：應變片的固定一般使用快干膠進行粘接，封裝膠水進行防護，使用膠水的性能直接影響應變片是否容易脫落和可靠性。采用HBM 專門為粘貼應變片和封裝開發的專業膠水、專業粘接工藝，可使應變片可靠工作3年以上。

（2）耐久性：HBM 應變片加載周期高達1 億次，依據累計損傷理論，通常軌道車輛循環載荷超過1 000 萬次視為“無限壽命”，因此應變片自身的壽命可以滿足長期監測的要求。

4 試驗與數據分析

結合1.1—1.4節中所述技術獲取的該地鐵列車材料參數、缺陷情況、正線運營獲取的動應力等數據，對車輛結構進行服役安全評估，實際案例分析路線見圖10。

圖10 實際案例分析路線

以車輛結構邊緣計算在線監測系統在某地鐵中的實際應用為例，通過車體結構強度有限元分析及車輛結構無損檢測獲取車體結構信息，結合經驗進行動應力測試布點，以測試車輛正式運營狀態編組，在該車輛實際運營線路上進行動應力監測?，F場試驗后，將采集數據進行去零漂、去毛刺、數據濾波等處理，運用雨流計數法進行計數統計，編制成應力譜［9］。

將材料分析試驗所得材料力學性能參數及雨流計數統計應力譜作為數據輸入，依照BS 7910：2019進行壽命預測評估。

BS 7910：2019 中，采用Paris 公式計算裂紋擴展〔見式（1）〕。

式中：a為裂紋尺寸；N為循環次數；A、m為焊縫材料固有參數，ΔK為應力強度因子變化范圍。

根據BS 7910：2019中7.3.3節，計算裂紋擴展的失效評定曲線。根據FAC 曲線函數式〔見式（2）〕，代入材料參數，繪制FAC曲線（見圖11）。

圖11 FAC曲線

式中：Lr為載荷比。

根據上述裂紋擴展公式及失效評定圖，可以對車輛結構進行壽命預測。

該地鐵車輛車體端墻上門角焊縫結構1 處缺陷的壽命預測評估結果見圖12。從圖12 中可知，當裂紋擴展至3.19 mm 時，評估點位于評定線外，表明該缺陷可能會發生斷裂失效，此時的裂紋擴展壽命為22.8 年。車體設計壽命30 年（按每年100 000 km 進行設計），后續應重點關注該測點區域，并及時采取補強措施。

圖12 壽命預測評估結果

5 結束語

超大城市軌道交通智慧運維對車輛車體、走行部關鍵承載部件的服役安全提出新要求，在傳統車輛結構無損檢測、車輛結構強度分析的基礎上，提出將斷裂力學理論與邊緣計算技術相結合構建的基于斷裂力學的車輛結構邊緣計算在線監測系統，分析相關的技術內容和創新點?；诖讼到y，可對車輛關鍵承載結構進行在線監測和服役安全性評估，跟蹤車輛結構全生命周期的服役安全，建立車輛結構健康履歷，為車輛結構全生命周期的維護、保養和延壽提供數據支撐。