地铁车辆综合监测预警系统研究

董伟，杨曙，蔡艳

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100000；2. 云南京建轨道交通投资建设有限公司，昆明650000）

1 引言

现有的地铁车辆故障检修系统多是针对地铁车辆的牵引系统、制动系统、辅助系统等，对于地铁车辆关键部件的实时监测和故障预警的相关研究相对较少。因此，提出地铁车辆综合监测预警系统的架构设计，对实现列车关键部件、系统和车辆整体的监控评估与管理有极为重要的现实意义。

2 项目需求性分析

以昆明市城市轨道交通4 号线城轨列车为项目载体进行项目需求分析，最终确定地铁车辆综合监测预警系统需要具备以下功能：（1）地铁车辆行进中，实现列车轴箱、齿轮箱、牵引电机安全状态的时频域监测和故障在途预警，实现实时掌握车辆健康状态；（2）通过实时监测技术和大数据分析技术，预防和发现地铁车辆潜在故障，并及时采用应对措施；（3）基于大数据技术，实现运维管理大数据化，并采用RAMS 技术；（4）实现地铁车辆行进中的即时安全管理，即结合大数据分析技术实现地铁车辆运行状态的实时监测和预警，确保地铁车辆行进中的安全性水平。

3 地铁车辆综合监测预警系统架构

3.1 车载感知系统

车载感知子系统主要由车辆状态智能提取诊断主机、前置处理器、轴箱传感器、齿轮箱传感器、牵引电机传感器、轴端转速数字转换单元以及配套线路组成。在车载感知系统中，传感器会通过专用屏蔽信号电缆同设备间内部的车载状态智能诊断设备相连接，除传感器以外，其他设备和系统之间会通过1G工业以太网相连[1]。在设计中，车载感知系统主要通过传感器设备实时采集地铁车辆走行部关键部件的数据信息，然后通过以太网接入TCMS 系统中地铁车辆牵引、制动、辅助、车门等系统的实际工作状态数据，最终对所有数据信息进行快速处理、诊断与存储。

3.2 车地无线传输系统

在地铁车辆综合监测预警系统中，车地无线传输系统主要负责将地铁车辆的健康状态信息和故障预警信息实时、可靠地传递给地面维保生产管理系统，进而实现地铁车辆行进中的走行部等部件和牵引、制动等系统的实时信息监测、预警效果。所有数据信息均会通过LTE 网络进行传输。

3.3 维保生产管理系统

地铁车辆综合监测预警系统中的维保生产管理子系统主要由车辆在线状态监测预警展示系统、车辆系统与关键部件状态隐患挖掘系统和数据服务中心构成，且为能够有效保障各系统的实际运行效果，在设计中还采用了标准19in（48.26cm）机架服务器、Internet 防火墙、交换机、设备机柜及配套电缆等设备，可以满足维保生产管理子系统的运行要求。

4 系统部署

4.1 车载系统设备部署

在车载系统设备的部署过程中，需要在传统的地铁车辆上增设车辆状态智能提取诊断主机、前置处理器等主体设备；轴箱复合传感器、齿轮箱复合传感器、电机复合传感器、轴端转速数字转换单元等传感器设备；列车状态传感网等网络设备。其中轴箱复合传感器、齿轮箱复合传感器、电机复合传感器中的电机振动传感器会部署在地铁车辆的车厢中，实时监测、收集各设备在地铁车辆行进中的数据信息；车辆状态智能提取诊断主机部署在各车厢中，负责对传感器所收集到的数据信息进行智能提取诊断；前置处理器同样会部署在各车厢中，负责对传感器所收集到的信息进行初步分析处理。

4.2 维保生产管理系统设备部署

维保生产管理系统在部署中需要同时部署地面通信网关和地面数据挖掘与展示预警系统、网络化维保系统的云计算平台。本项目列车在行进过程中，列车中的TD-LTE 网络地面核心交换设备会通过光纤或以太网的方式与地面通信网关实现通信数据交互；系统网络化维保系统的云计算平台主要由多台专业服务器、路由器以及通信线缆组成。

5 关键模块的检测与分析

5.1 轴承诊断

地铁车辆综合监测预警系统中的轴承诊断模块会通过轴箱温度、振动、冲击状态等数据，完成对地铁轴箱轴承的实时监测与时频域分析，达成地铁轴箱轴承状态的监测和预警效果。在设计中，轴承诊断模式的主要故障诊断定位功能包括内圈故障、外圈故障、滚动体故障、保持架故障等。轴承诊断模块收集的数据信息包括有基本信息、轴箱当前状态信息、历史状态信息等，具体包括：（1）基本信息：包括设备的唯一码、设备型号、生产厂家、生产日期、运营公里数、服役时间等设备相关的基本信息内容；（2）轴箱当前状态信息：包括轴箱温度信息、轴箱特征数据信息、轴承诊断样本分析等，可通过对轴承温度、震动强度、振动能量等诸多数据的实时分析，实现轴承故障的自动诊断及故障位置定位等效果；（3）历史状态：可实现对过往地铁车辆行进中轴承数据信息的实时查询，为工作人员合理设置轴承故障预警阈值线提供重要参考。

5.2 齿轮箱

齿轮箱诊断模块会通过安装在齿轮箱大小齿轮侧的传感器对地铁车辆行进中齿轮箱中的大小齿轮的冲击振动、温度变化等工作状态数据进行实时监测与时频域分析。地铁车辆综合监测预警系统可实现对冲击脉冲法和计算阶次跟踪等方法的改进，结合啮合频率及其谐波、振动信号的调制以及边带分析等频谱特征信息，最终实现对齿轮箱工作状态的实时监测效果。在设计中，齿轮箱振动模块故障诊断定位功能包括齿轮轴承故障、内外圈故障、滚动体故障、保持架故障、齿轮故障、松动故障等故障内容。齿轮箱诊断模块收集的数据信息主要包括基本信息、轴箱当前状态信息、历史状态信息等。

5.3 牵引电机

工作过程中，牵引电机诊断模块会通过安设在牵引电机转子两端的传感器采集电机工作时转子与转子轴承的振动、温度等状态数据，然后形成频域故障特征信息，实现牵引电机的实时监测与故障预警效果。设计中，齿轮箱振动模块故障诊断定位功能包括电机轴承归属、内外圈故障、滚动体故障、保持架故障、转子/定子故障等。牵引电机诊断模块收集的数据信息主要包括基本信息、轴箱当前状态信息、历史状态信息等。

6 结语

本文以昆明市城市轨道交通4 号线城轨列车为例，完成对地铁车辆综合监测预警系统的系统架构、系统部署以及关键模块的理论设计，并在后续测试验证过程中确定本文所提出的地铁车辆综合监测预警系统在实际应用中的有效性和实用性，值得进行普及推广应用。