軌道列車故障診斷系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

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摘要：安全可靠是軌道交通最基本、最核心的要求，在跟蹤和借鑒國內(nèi)外機械設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合軌道列車機械傳動系統(tǒng)早期故障診斷的工程需求，對軌道列車機械傳動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)進行了設(shè)計，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、流程設(shè)計、功能設(shè)計、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建等。并基于C#+SQLServer平臺研發(fā)了一套軌道列車機械傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集、信號分析、特征提取、信息融合、故障診斷以及系統(tǒng)管理等功能。

關(guān)鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；數(shù)據(jù)采集；特征提取

引言

軌道車輛負荷強，車速變化頻繁，停站時間短，行車密度大，隨著運營時間的增加，城市軌道車輛運行狀態(tài)處于不斷變化之中，在大負荷、變速環(huán)境下工作，轉(zhuǎn)向架各零部件之間反復(fù)作用，其關(guān)鍵部件的故障如軸承發(fā)生疲勞剝落、磨損、塑性變形，齒輪發(fā)生腐蝕、斷裂、壓痕、膠合等現(xiàn)象，往往會導(dǎo)致車輛各部位振動加劇、性能下降，甚至脫軌翻車等嚴(yán)重事故。隨著軌道交通的跨越式發(fā)展，發(fā)生了一系列安全事故[1]。提高軌道車輛運行的安全可靠性的關(guān)鍵在于對關(guān)鍵機械裝備的健康狀態(tài)評估，并預(yù)測其發(fā)展趨勢[2]。如果在軌道車輛機械系統(tǒng)故障潛伏階段，即故障萌芽、剛剛出現(xiàn)或者故障程度尚輕微時，能及時準(zhǔn)確地予以狀態(tài)評估和識別，并據(jù)此指導(dǎo)保養(yǎng)和維修工作，就能及時采取措施，防止造成嚴(yán)重損失及交通事故。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

軌道列車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)利用網(wǎng)絡(luò)化在線監(jiān)測技術(shù)采集傳動系統(tǒng)各關(guān)鍵零部件的信號，對軌道列車的運行狀態(tài)與故障模式及時準(zhǔn)確的辨別，指導(dǎo)軌道列車的維修維護，提高其安全性、穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)技術(shù)調(diào)研結(jié)果和應(yīng)用需求分析，軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)需要達到的技術(shù)要求主要有[3]。（1）信號的準(zhǔn)確獲取。對軌道列車進行狀態(tài)監(jiān)測首先需要獲取有效的信號以準(zhǔn)確反映列車的運行狀態(tài)。為了更準(zhǔn)確地對軌道列車的各個部件進行狀態(tài)監(jiān)測，需要合理選擇測點、正確選擇并安裝傳感器、合理設(shè)置信號采集參數(shù)，使所采集信號盡可能受干擾小、能很好地反映所監(jiān)測部位的狀態(tài)，便于后續(xù)分析處理。（2）信號的可靠傳輸管理。作為在線監(jiān)測系統(tǒng)，要求保證信號能夠通過網(wǎng)絡(luò)可靠傳輸至服務(wù)器，并且能夠方便的管理。這就要求制定合理的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸效率高、實時性好。且需采用數(shù)據(jù)庫方式進行數(shù)據(jù)管理和維護，數(shù)據(jù)庫存儲容量大，數(shù)據(jù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，數(shù)據(jù)的安全性好，訪問方便快捷。（3）信息處理的實時性。要求軌道列車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)能夠快速地對采集的數(shù)據(jù)進行處理，對監(jiān)測點的工作狀態(tài)進行正確的判斷，當(dāng)軌道列車傳動系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時，能夠及時、準(zhǔn)確地給出報警，并給出處理建議。這就需要對系統(tǒng)的算法進行優(yōu)化，提高其實時處理能力。（4）功能強大。要求提供強大的信號分析處理功能、特征提取功能以及故障診斷功能。信號分析功能包括信號預(yù)處理、穩(wěn)態(tài)信號分析、瞬態(tài)信號分析?？梢酝ㄟ^時域分析、頻域分析、時頻分析提取信號多域特征，并根據(jù)特征進行選擇和約簡的功能，除了對單個測點信號進行特征提取外，也可以結(jié)合多個測點信號進行信息融合，并對故障特征進行模式識別以判斷軌道列車傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)的需求分析以及軌道列車的結(jié)構(gòu)特點，軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)分為前端采集設(shè)備、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和監(jiān)控維護集成模塊（客戶端）四個部分。采集模塊通過有線以太網(wǎng)、4G無線網(wǎng)或GPRS方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫或集成監(jiān)控維護軟件(客戶端)。每節(jié)車廂都有獨立一套采集設(shè)備，采集模塊可以同時連接多個采集設(shè)備，同時可以局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)向多個客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。前端采集設(shè)備用于采集并傳輸軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)信號，如振動、轉(zhuǎn)速、溫度等，由采集器、采集卡和傳感器組成。數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)控維護集成模塊與采集設(shè)備連接橋梁。用戶通過監(jiān)控維護集成模塊組建工程，配置各種參數(shù)并保存于數(shù)據(jù)庫，采集模塊從數(shù)據(jù)庫中讀取相關(guān)采集參數(shù)（如傳感器類型、采樣長度、采樣頻率等）并控制前端采集設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)一方面按照指定格式和時間間隔保存至數(shù)據(jù)庫，一方面當(dāng)有客戶端向采集模塊發(fā)送實時瀏覽命令時將數(shù)據(jù)傳輸給客戶端，數(shù)據(jù)采集模塊能同時連接多個客戶端，分別對其實時傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)控維護集成模塊是該系統(tǒng)的主要人機交互工具，系統(tǒng)的信號瀏覽、信號分析、故障診斷與系統(tǒng)管理等主要功能都是通過該模塊完成，包括將配置參數(shù)，向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送采集命令，從數(shù)據(jù)采集端實時讀取數(shù)據(jù)或從數(shù)據(jù)庫讀取歷史數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)各模塊交互關(guān)系如圖2所示。

2系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)

從軟件功能上可以分為數(shù)據(jù)采集功能、信號分析處理功能、特征提取及故障診斷功能。各個功能模塊之間以SqlServer數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)交換媒介，每個功能模塊又可分為一些子功能。采集模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠程傳輸以及數(shù)據(jù)儲存，信號分析包括數(shù)據(jù)顯示、穩(wěn)態(tài)信號分析、瞬態(tài)信號分析以及監(jiān)測預(yù)報警等功能，系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3信號分析處理功能

信號分析處理是軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的重要工具，包括基本顯示功能、信號穩(wěn)態(tài)分析、信號瞬態(tài)分析及監(jiān)測預(yù)報警等功能，如圖5所示。顯示功能是信號分析模塊的一個公共基礎(chǔ)功能，顯示器是所有數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果顯示的載體，顯示方式包括二維波形顯示、色譜圖顯示和三維瀑布圖顯示。顯示器中可以顯示數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)采集時間、測點名稱、數(shù)據(jù)坐標(biāo)等信息。可通過右鍵快捷菜單對數(shù)據(jù)進行縮放、導(dǎo)出數(shù)據(jù)或設(shè)置顯示器風(fēng)格等操作，顯示器界面如圖6所示。

4故障診斷

特征提取是軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心功能之一，系統(tǒng)通過信號分析，特征提取，進而進行模式識別以實現(xiàn)早期故障診斷?；诹餍螌W(xué)習(xí)的軌道列車傳動系統(tǒng)早期故障特征提取流程如圖7所示。在軌道列車服役初期，連續(xù)收集一段時間的傳動系統(tǒng)振動信號數(shù)據(jù)作為原始樣本數(shù)據(jù)，對信號進行非線性降噪預(yù)處理。通過多域特征提取、特征選擇獲取多域高維特征集，采用批量流形學(xué)習(xí)算法進行特征約簡，并將原始高維特征集和約簡后的低維特征集保存于樣本庫。對軌道列車傳動系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，定期采集列車振動信號，同樣進行非線性降噪、多域特征提取和選擇，繼而利用原始樣本特征提取結(jié)果和增量流形學(xué)習(xí)算法對新增樣本進行特征約簡，其結(jié)果也保存于樣本庫，作為下次特征提取的原始樣本數(shù)據(jù)。利用分類器對約簡后的特征進行分別結(jié)果如圖8所示。

5總結(jié)

介紹了軌道列車傳動系統(tǒng)早期故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計過程。首先根據(jù)需求對系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，隨后采用SQLServer進行了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的構(gòu)建，并采用面向?qū)ο蟮木幊陶Z言C#進行了監(jiān)控維護集成分析軟件設(shè)計和開發(fā)，針對風(fēng)電機組狀態(tài)監(jiān)測的需要，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集功能、信號分析功能、特征提取功能、早期故障診斷功能。

參考文獻

[1]李熙.城市軌道車輛行走部安全評估方法研究[D].北京:北京交通大學(xué),2011.

[2]劉志亮,潘登,左明健,李興林.軌道車輛故障診斷研究進展[J].機械工程學(xué)報(14期):134-146.

[3]劉紹凱.軌道交通車輛遠程故障診斷系統(tǒng)的研究[D].北京:北京交通大學(xué),2015.

作者：王瑜琳 陳興劼 牟剛 徐曉靈 盧德林 單位：重慶公共運輸職業(yè)學(xué)院