地铁车辆智能化关键技术研究及应用

査小菲

摘 要：地铁车辆智能化技术以全息化列车状态感知和动态数字化运行环境为基础，以信息智能处理与交互为支撑，具有自检测、自诊断、自决策能力。通过对地铁车辆走行部、车门、牵引/辅助、网络等直接影响行车安全的关键系统设备运营状态进行实时数据采集，并通过“车-地”多通道无线传输网络将数据传输到地面数据中心，结合专家诊断系统故障模型对比分析，从而给出系统预警和报警信息，为车辆运营管理人员提供直观的车辆实时数据，同时，关键设备的亚健康预警功能和智能检修预报功能，最终也为实现地铁车辆“状态修”提供可行的参考方案。本文主要介绍该方案的设计与应用。

关键词：地铁车辆；智能化；数据采集；无线传输；状态修；亚健康；智能检修

中图分类号：U266.256 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）06-0037-04

1 研究的意义和目的

地铁车辆作为运送乘客的主要载体，对其自身的可靠性及维修保障工作提出了非常高的要求。要想满足这些要求首要是及时掌握地铁车辆的运用状态，然而目前车辆维修人工化程度较高，如列车运行及故障数据是单独存储在列车监控系统（TIMS）中，存在数据不全面的缺点，而且需人工下载查看、基础数据需人工进行测量和分析等。地铁车辆智能化的概念应运而生，丰富的车辆数据智能化采集、传输和分析能够大大节省人力成本，同时也提高列车安全性和可靠性。

根据某地铁现有线路的建设和运用经验，以实现现有地铁车辆关键系统设备智能化远程监控和故障预警功能为研究目标，搭建一个以车辆信息采集技术为基础、多制式车地单向信息传输技术为途径、地面组建数据挖掘、数据分析技术为终端的地铁车辆智能化系统平台，通过本系统，更加全面、更加系统的掌控车辆运行状态，达到在线故障预警、合理采取应急措施，车辆关键部件的检修方式实现“状态修”，节省车辆运营人力成本，同时也提高列车安全性和可靠性。

2 总体方案

智能化系統关键技术主要包括数据采集技术、网络通信技术、智能决策与评价技术和面向服务架构技术，系统总体方案架构见图1。系统主要分硬件改造和软件功能调试两部分，硬件改造包括对车门控制器、走形部轴端、齿轮箱、车载以太网设备改造，以及在车辆段库内EWLM波导管天线、多格式数据分析服务器布置、前台显示工作站等设备改造。软件功能调试包括车载设备数据采集功能、车地无线多模式单向传输功能、地面服务器数据挖掘、建模、健康分析和智能决策评判功能、以及面向服务构架的智能化分析平台安全性、稳定性功能验证。

列车将采集的列车数据（TCMS数据、事件记录仪数据、新增车门状态数据、新增走行部诊断数据等）通过车载无线传输通道发送到地面专家分析服务器，完成数据解析、数据趋势分析、故障等级分类、统计和健康评估。

3 车载数据采集

3.1 车门智能诊断系统

目前地铁车辆门控器只能输出已产生的显性故障结果，缺乏故障发生前的异常工作状态的分析判断。门控器故障信息通过MVB总线上传给车辆TCMS并在司机室的屏幕上显示、还可以通过门控器的LED指示灯显示。故障数据只能在列车入库后人工下载，维护人员依据经验逐个门进行日常检查和简单故障判断。

车门智能诊断系统通过更换智能门控器实时监测电机、门控器（电信号采集）以及锁闭机构的动作情况和工作参数，并通过车载以太网实时上传地面服务器，通过系统的故障规则知识库智能化判断当前的车门是否产生了故障或进入亚健康状态，车门系统架构拓扑关系见图2。在门系统没有进入故障时就提前检修和排除亚健康问题，大大降低故障的发生率，尤其是大大减少无法电动关门、开不到位、三秒不解锁等常见故障，有效的提高了门系统的运行可靠性。一旦判断该门系统存在故障或进入亚健康状态，系统会及时推送信息（包含问题现象、原因和解决方案）给对应的维修人员，通知该人员及时处理问题，降低了地铁运营过程中突发故障产生的运营成本。

3.2 走行部智能诊断系统

走行部智能诊断系统是一种走行部安全监测装备，通过安装在走行部关键部件上的复合传感器，传感器安装位置见图3，同时监测冲击、振动、温度3个物理量，并通过基于广义共振与共振解调的故障诊断技术，实现走行部关键部件（轴箱轴承、齿轮箱轴承、齿轮、车辆踏面、钢轨）的车载在线实时诊断，对于故障实现早期预警和分级报警，准确指导车辆的运用和维修。另外还能对轨道波磨区段进行分析及精确定位，为轨道的及时打磨提供依据，且能实现分级报警，系统逻辑关系见图4。

3.3 关键空开、控制继电器动作次数

各系统供电空开、控制继电器吸合动作次数通过TCMS进行记录，结合继电器产品说明中的使用寿命，为继电器的预防性维修提供指导。

3.4 TCMS数据

地铁车辆列车控制及监控系统事件记录仪记录收集的车辆各子系统的故障数据和事件数据下传、分析及显示。

4 车载网络系统

车载数据通过列车新增的一套以太网进行采集，主要由列车各子系统智能化检测设备、以太网交换机、数据记录仪、网络智能控制单元、认证智能控制器、车载无线数据传输模块及车载天线组成，列车级骨干网为千兆以太网，各车厢为百兆以太网。车载以太网的拓扑图5所示。

车各车厢的子系统智能化设备与本车以太网交换机相连，并按照协议传送本系统相关状态信息和故障信息等，再通过各车厢的以太网交换机将整列车的信息数据由认证智能控制单元，经车载无线数据传输模块和天线传输到地面服务器。

5 车载数据无线传输系统

列车在正线主要对TCMS故障数据、车门诊断数据、走行部诊断数据等进行传输，此数据量较小故采用3G/4G公用通讯网络进行车地无线数据传输。列车将搜集的数据通过车载无线数据发送模块与地面的以太网交换机相连接，实现列车与地面之间的车地无线数传，将列车信息至指定地面管理服务器，并由车辆故障信息管理服务器完成故障的分类、统计和评估。

列车在库内要传输事件记录仪数据，事件记录仪数据量较大，故采用稳定可靠性强、抗干扰能力强、传输速度快的波导无线局域网络进行数据传输，见图6。

6 面向服务的地面专家分析系统

地面专家分析系统主要由地面服务器、地面信号接收装置和客户端组成，具体见图7。地面信息收装置收到的列车下传的数据信息，并通过数据服务器中“故障建模对比、健康分析和智能决策评判”服务程序对数据进行处理和存储。客户端计算机通过安装好的应用软件可对地面服务器存储的列车数据进行查询并分析数据，具体见图7，图8。

7 结语

目前某地铁已经完成1列车的智能化车载设备及地面设备安装及应用，对指导车辆运行和维修、提高地铁运营的可靠性和安全性有巨大的帮助，同时也对后期新线建设有着十分重大的指导意义。

参考文献

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