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(fā)展，支撐安全運營的生產業(yè)務不斷增加，迫切需要將列車運行狀態(tài)、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(tài)［1-2］。

國內外軌道交通企業(yè)都在積極研究有關的安全保障、系統(tǒng)效能提升、系統(tǒng)可持續(xù)等技術的研究和示范應用。葡萄牙Nomad公司的RCM 360 系統(tǒng)，運用基于設備狀態(tài)監(jiān)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(lián)合各子系統(tǒng)供應商打造了車聯(lián)網系統(tǒng)、軌旁綜合檢測系統(tǒng)、維護管理系統(tǒng)、車輛維護專家系統(tǒng)的智慧管理系統(tǒng)，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(tǒng)IOR、360 環(huán)視檢修系統(tǒng)、點巡檢系統(tǒng)、DCC調度系統(tǒng)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(jié)能優(yōu)化、智能決策。

廣州地鐵建立了以在途運行監(jiān)測、軌旁智能檢測、場段檢修監(jiān)測、數據分析評估（可靠性分析）、過程評估（LCC）、專家系統(tǒng)為核心功能的智能運維系統(tǒng)。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(yè)，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(tǒng)是一套支持列車運營檢修維護的綜合性的運維系統(tǒng)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(tǒng)基礎數據及詳細參數分析數據統(tǒng)一落地。地面搭建綜合監(jiān)控分析平臺，通過瀏覽器便可實現車輛狀態(tài)實時監(jiān)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(tǒng)主要由車載數據采集系統(tǒng)、車地無線傳輸系統(tǒng)（借助地面PIS WLAN 無線通道）、地面系統(tǒng)平臺組成（如圖1 所示）。

圖1 專家診斷系統(tǒng)總體架構圖

車載數據采集系統(tǒng)主要包括車輛狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)及其他車載子系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)組成，專家診斷系統(tǒng)車載設備主要為專家系統(tǒng)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(jiān)測子系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)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(tǒng)采用B/S 架構，通過瀏覽器可實現車輛各個子系統(tǒng)的狀態(tài)實時監(jiān)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(tǒng)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(tǒng)

車載系統(tǒng)通過部署車輛數據采集處理與發(fā)送網絡，實現各子系統(tǒng)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(guī)范的格式借助地面PIS WLAN 無線通道下傳至地面系統(tǒng)平臺，實現對子系統(tǒng)及關鍵部件狀態(tài)進行狀態(tài)監(jiān)視、故障預警及健康評估等功能。

ESU設備作為專家系統(tǒng)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(tǒng)、制動系統(tǒng)、車門系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、走行部、弓網檢測、蓄電池監(jiān)控系統(tǒng)、列車控制與管理系統(tǒng)、邏輯控制單元、旅客信息系統(tǒng)、煙火報警系統(tǒng)、障礙物檢測系統(tǒng)等。

圖2 車載專家系統(tǒng)與車輛子系統(tǒng)連接拓撲圖

1.2 地面系統(tǒng)平臺

專家診斷地面系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)數據應用功能。系統(tǒng)具體部署結構如圖3 所示。

圖3 地面系統(tǒng)平臺部署結構

為實現雙機熱備冗余切換，系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)功能

2.1 系統(tǒng)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(tǒng)的車載部件發(fā)送的實時報文和離線數據，經數據采集、數據融合、數據轉發(fā)后轉發(fā)至地面專家診斷系統(tǒng)平臺。地面專家診斷系統(tǒng)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(tǒng)配合專家診斷系統(tǒng)至少完成以下功能：

（1）系統(tǒng)或設備狀態(tài)監(jiān)控、遠程應急響應支持；

（2）列車遠程故障診斷、故障統(tǒng)計分析、故障維護指導建議；

（3）系統(tǒng)健康診斷評估及故障預警；

（4）專家知識庫；

（5）整車統(tǒng)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(tǒng)性能要求方面，專家診斷系統(tǒng)關鍵部件故障診斷準確率≥95%，并且專家診斷系統(tǒng)關鍵部件預警診斷準確率≥85%。

2.2 子系統(tǒng)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(tǒng)提供但不限于以下信息：

（1）提供系統(tǒng)的具體故障信息，包括故障名稱、描述、等級、位置、所屬系統(tǒng)等；

（2）提供該故障信息所關聯(lián)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(fā)生的所有可能原因，必要時須提供子系統(tǒng)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(tǒng)動作說明，如設備封鎖、隔離、關斷等；

（4）提供本系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的接口關系說明；

(3)能夠促進醫(yī)療業(yè)的發(fā)展。醫(yī)療行業(yè)與人們的生活聯(lián)系十分密切，關系著人們的健康問題。大多數先進的醫(yī)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(yī)療業(yè)的持續(xù)發(fā)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(tǒng)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(tǒng)的RAMS、LCC等相關信息也應提供給專家診斷系統(tǒng)。

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(tǒng)及各子系統(tǒng)通過TCMS 網絡將系統(tǒng)內的所有數據（實時數據）傳輸給車載專家診斷系統(tǒng)設備，并通過無線通道實時發(fā)送到地面專家診斷系統(tǒng)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(tǒng)主機將TCMS 及其他子系統(tǒng)本地存儲的數據（離線數據）通過庫內車地無線通信網絡發(fā)送到地面專家診斷系統(tǒng)平臺服務器。

2.4 關鍵子系統(tǒng)

2.4.1 走行部監(jiān)測系統(tǒng)

走行部檢測系統(tǒng)的作用是車輛轉向架關鍵部件缺陷監(jiān)測及鋼軌狀態(tài)監(jiān)測，主要監(jiān)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(tài)。在車輛脫軌監(jiān)測方面，通過對軸箱振動、沖擊信號實時監(jiān)測分析，可在車輛發(fā)生脫軌時迅速報警，并將報警信息持續(xù)不間斷地輸出到車輛控制系統(tǒng)，由車輛觸發(fā)緊急制動［9-10］。主要功能如下：

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

（2）齒輪、軸承及踏面監(jiān)測：通過對軸箱、齒輪箱及電機中軸承的振動狀態(tài)進行實時監(jiān)測與數據分析，實現軸承健康狀態(tài)監(jiān)測。對監(jiān)測結果進行預警并反饋。故障監(jiān)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(jiān)測：通過監(jiān)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(jiān)測結果進行預警并反饋。監(jiān)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(tǒng)具備報警信息通過以太網傳輸至車輛專家診斷系統(tǒng)的功能。

走行部檢測系統(tǒng)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(tài)，通過內置于綜合診斷儀的系統(tǒng)軟件分析診斷判別后，輸出車輛運行狀態(tài)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(tǒng)，提供科學可靠的車輛運行狀態(tài)數據，其中脫軌報警指令可觸發(fā)車輛緊急制動，極大地保證了車輛運行安全。系統(tǒng)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(jié)省檢修時間并降低檢修成本。

2.4.2 弓網監(jiān)測系統(tǒng)

弓網監(jiān)測系統(tǒng)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(tài)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(tài)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(fā)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(fā)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(tǒng)還對大量的弓網運行動態(tài)數據進行統(tǒng)計分析，為弓網檢修人員檢修弓網系統(tǒng)提供有效的指導數據［11-13］。

弓網監(jiān)測系統(tǒng)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(jiān)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(jiān)測模塊等組成［14-15］。

2.4.3 蓄電池監(jiān)測系統(tǒng)

蓄電池在線監(jiān)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(jiān)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(jiān)測能夠通過MVB通信將蓄電池組實時信息發(fā)送給車輛TCMS。

3 結束語

軌道交通車輛專家診斷系統(tǒng)根據在途車輛綜合監(jiān)測實時獲取列車狀態(tài)數據，實現車輛及系統(tǒng)部件的遠程狀態(tài)實時監(jiān)控，對車輛狀態(tài)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(xié)助檢修人員查找并快速解決故障。通過規(guī)則引擎，形成狀態(tài)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(tǒng)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(tǒng)當前運行狀態(tài)進行定性評估，實現系統(tǒng)、子系統(tǒng)、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。