軌道交通車輛走行部軸承監控系統的開發

□ 陳怡然

上海電氣集團股份有限公司 中央研究院 上海 200070

1 開發背景

軌道交通車輛走行部軸承是影響軌道交通正常運行的最重要部件之一。走行部軸承若發生故障,輕則導致車輛晚點、停運或清客,重則會影響乘客的生命安全。因此,及時監控走行部軸承的運行狀態,能夠便于運維人員及時發現問題,并制訂相應的維修策略,從而避免車輛發生突發性故障事件,保證乘客和車輛的運輸安全。

現階段對走行部軸承的分析通常局限在實驗室或高校,且僅停留在理論研究階段,并未考慮到車輛實際運行環境對走行部軸承所造成的影響,也沒有形成可以供用戶直接或直觀使用的監控系統,由此用戶很難及時監控到走行部軸承的運行狀態。一旦車輛發生突發故障,用戶可能需要很長時間才能解決故障,車輛的安全保障功能較差,且體驗不好。

筆者開發了一套軌道交通車輛走行部軸承監控系統,包括采集終端模塊、數據傳輸模塊、監控模塊。通過采集終端模塊獲得各走行部軸承在當前時段的運行數據,這些運行數據經過數據傳輸模塊到達監控模塊,當前時段的軸承運行狀態由此顯示在用戶終端上,進而實現對走行部軸承的實時監控。

2 采集終端模塊

采集終端模塊包括復合傳感器和數據運算單元。復合傳感器安裝在車輛各走行部軸承上,數量與走行部軸承的數量相同。復合傳感器在車輛運行過程中實時采集各走行部軸承的運行數據。

復合傳感器由振動傳感器單元、沖擊力傳感器單元、溫度傳感器單元構成,可采集走行部軸承在運行時產生的高頻振動數據、低頻緩變量數據、振動趨勢數據等。其中,高頻振動數據包括振動信號和沖擊數據,低頻緩變量數據包括溫度數據和負載數據。

3 數據傳輸模塊

采集終端模塊的數據可以通過多種方式傳輸給監控模塊,數據傳輸模塊如圖1所示。

第一種,采集終端與移動通信基站可以通過有線或者無線方式連接。移動通信基站接收到采集終端發送的網際協議數據包后,先解析各個網際協議數據包,得到各走行部軸承在當前時段的運行數據,然后基于數據傳輸協議將運行數據通過有線或無線方式發送給監控服務器。

第二種,移動通信基站接收到采集終端所發送的網際協議數據包后,將IP數據包發送給數據解析服務器,通過解析得到各走行部軸承在當前時段的運行數據,再將解析后的運行數據通過有線或無線方式發送給監控服務器。數據解析服務器中至少設置一個按照集群式部署的數據解析節點,服務器接收到各個網際協議數據包后,根據數據解析節點的資源使用情況,將網際協議數據包發送給較為空閑的數據解析節點進行解析。數據解析節點是基于Netty框架開發的節點,Netty框架為JBoss應用服務器提供一個Java開源框架,具有異步、高性能、高可靠性的數據傳輸能力,并可以以秒級的高頻率對安裝在各走行部軸承處的采集模塊所采集到的運行數據進行處理。

第三種,在第二種的基礎上通過數據解析服務器獲得各走行部軸承在當前時段的運行數據后,將運行數據轉換為預設格式,即將每個走行部軸承在當前時段運行數據中的各部分數據按照預先設定的順序進行排列,得到每個走行部軸承在當前時段的運行數據表。數據解析服務器將預設格式的運行數據發送給數據庫服務器,數據庫服務器對其進行備份,之后再將運行數據通過有線或無線方式發送給監控服務器。通過使用數據庫服務器對各走行部軸承在各時段的運行數據進行備份,使管理人員可以隨時從數據庫服務器中獲取各時段的運行數據,從而避免運行數據在數據處理過程中丟失,保證數據的安全性。

4 監控模塊

監控模塊設置多個微服務,包括故障診斷微服務、實時監控微服務、維修建議微服務、配置微服務,具體架構如圖2所示。任意兩個微服務可以相互連通,某一微服務可以獲取其它任意微服務的處理結果,也可以向其它任意微服務發送數據。

4.1 故障診斷微服務

故障診斷微服務根據各走行部軸承在當前時段的運行數據,確定各走行部軸承在當前時段的運行狀態。

任何一個走行部軸承運行狀態的確定,可以通過六個步驟完成。

(1) 從走行部軸承的運行數據中提取得到高頻振動數據和低頻緩變量數據。

(2) 根據高頻振動數據確定當前時段走行部軸承在設定特征下的特征值,設定特征指與走行部軸承運行狀態相關的特征,可以是以下任意一項或任意多項的組合:均值、最大值、最小值、偏度、峭度、波形指標、方差、方根幅值、絕對平均值、均方根值、峰峰值、峰值指標、脈沖指標、波形指標、峭度指標、裕度指標、偏斜度指標。

(3) 基于主成分分析方法對設定特征和低頻緩變量數據進行特征提取,得到貢獻率大于第一預設閾值的多個主特征。

(4) 基于走行部軸承在各個主特征下的特征值,構建待評估運行狀態的高斯混合模型,待評估運行狀態的高斯混合模型用于表征走行部軸承在當前時段的運行狀態。

(5) 確定走行部軸承對應的待評估運行狀態下的高斯混合模型和正常運行狀態下的高斯混合模型的重合度,重合度Cvd計算式為:

(1)

式中:g1(x)為處于待評估運行狀態下的高斯混合模型;g2(x)為處于正常運行狀態下的高斯混合模型;x為特征矩陣。

(6) 根據待評估運行狀態下的高斯混合模型和正常運行狀態下的高斯混合模型的重合度,確定走行部軸承在當前時段的運行狀態。重合度小于設定值,說明走行部軸承在當前時段有故障,然后生成相關故障信息、故障代碼、故障等級。若故障等級大于預設故障等級,則還可以向用戶終端發送告警信息,并在告警信息中攜帶故障信息、故障代碼、故障等級,及時通知運維人員進行維修管理。

4.2 實時監控微服務

實時監控微服務將軌道交通車輛中各走行部軸承在當前時刻的運行狀態顯示在用戶終端上。

在實時監控微服務中,采用HTML5 +WebGL +WebSocket可視化技術,在監控服務器的前端建立待監控的車輛三維模型,可以支持管理人員對車輛的三維模型執行旋轉、縮放、透視等操作。功能頁面以秒級的數據推送間隔實時向管理人員展示各走行部軸承的運行狀態、溫度、振動趨勢等信息,還可以從故障診斷微服務中獲取需要進行預警或告警的信息,并從維修建議微服務中獲取對應的維修建議,實時向管理人員提示預警信息、告警信息、維修建議。

4.3 維修建議微服務

維修建議微服務根據各走行部軸承在當前時刻的運行狀態確定維修建議,并經由實時監控微服務顯示在用戶終端上,推送給運維人員。

維修建議微服務根據走行部軸承的故障數據,從維修知識庫中查詢到匹配的故障類型,自動將該故障類型對應的維修策略發送給運維人員。由此,監控系統能夠實現從實時監控車輛的運行狀態到每個故障軸承的維修建議推送給運維人員的一系列流程,監控系統的智能化程度較高,不需要人工參與,從而可以降低運維成本,提高運維效率。

4.4 配置微服務

配置微服務對故障診斷微服務中的各診斷規則進行設置,以使故障診斷微服務根據設置的診斷規則判斷走行部軸承是否發生故障。

配置微服務向管理人員提供配置界面,并輸入配置信息。配置信息包括各個設定特征、設定運行狀態、第一預設閾值、第二預設閾值、告警等級判定方式等。配置微服務可以將這些配置信息存儲在相關配置關系表中,管理人員基于這些信息,使監控結果更加滿足實際業務需求,靈活性更高,管理人員的體驗也更好。

5 結束語

筆者開發了軌道交通車輛走行部軸承監控系統,實時監控各走行部軸承的運行狀態,并及時排查出故障或瀕臨故障的走行部軸承,可以提高對車輛管理的智能化水平,能夠保障乘客和車輛的安全,具有較高的應用價值。