汪琴　劉秋新

(武漢科技大學(xué)城市學(xué)院　武漢 430083)

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基于互聯(lián)網(wǎng)+的軌道交通動(dòng)力設(shè)備安全管理系統(tǒng)的研究

汪琴劉秋新

(武漢科技大學(xué)城市學(xué)院武漢 430083)

摘要根據(jù)我國(guó)軌道交通設(shè)備安全管理的需求，提出基于互聯(lián)網(wǎng)+的軌道交通動(dòng)力設(shè)備安全管理系統(tǒng)平臺(tái)的框架，運(yùn)用J2EE開發(fā)工具，采用嵌入式高速數(shù)據(jù)采集技術(shù)、故障診斷技術(shù)，構(gòu)建形成集成化、網(wǎng)絡(luò)化和信息化的軌道交通動(dòng)力設(shè)備安全管理系統(tǒng)。完善智能的設(shè)備安全管理系統(tǒng)，能有效提高軌道交通動(dòng)力設(shè)備的安全監(jiān)管力度，保障設(shè)備安全。

關(guān)鍵詞互聯(lián)網(wǎng)+軌道交通動(dòng)力設(shè)備安全管理系統(tǒng)振動(dòng)監(jiān)測(cè)J2EE

0引言

隨著我國(guó)交通事業(yè)的快速發(fā)展，軌道交通的安全問(wèn)題不斷凸顯，尤其是軌道交通的動(dòng)力設(shè)備的松動(dòng)難以察覺。動(dòng)力設(shè)備的松脫，會(huì)導(dǎo)致各緊固件及設(shè)備存在重大安全隱患，可能會(huì)導(dǎo)致列車緊急制動(dòng)，甚至脫軌，可能會(huì)使得電梯墜落，電扶梯逆行等，而這些隱患背后，多是災(zāi)難性的事故，血淋淋的實(shí)例。中國(guó)正在加速軌道交通事業(yè)的國(guó)際化，在這緊要關(guān)頭，加強(qiáng)軌道交通動(dòng)力設(shè)備的安全管理刻不容緩。

軌道交通動(dòng)力設(shè)備主要包括風(fēng)機(jī)、電梯、電扶梯等，這些設(shè)備分布比較分散，而且目前還沒有直接有效的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，大部分靠人工巡查，效率低、容易遺漏、風(fēng)險(xiǎn)大。國(guó)內(nèi)外故障診斷類產(chǎn)品均有一定程度發(fā)展，但基本上功能泛而不專，多為手持設(shè)備，沒有專用在線松動(dòng)安全監(jiān)測(cè)裝置，專家?guī)熘悄茏R(shí)別度低，需要人為判別，并且價(jià)格昂貴?，F(xiàn)有產(chǎn)品對(duì)交通隧道內(nèi)如地鐵、高鐵等環(huán)境中的設(shè)備大規(guī)模配置在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，具有較大難度。

互聯(lián)網(wǎng)+時(shí)代的到來(lái)，是健全軌道交通動(dòng)力設(shè)備安全管理系統(tǒng)的契機(jī)，是互聯(lián)網(wǎng)在設(shè)備安全管理的創(chuàng)新應(yīng)用[1]?；ヂ?lián)網(wǎng)快速傳遞信息、整合數(shù)據(jù)資源[2-3]、集中信息技術(shù)、擴(kuò)展用戶規(guī)模的優(yōu)勢(shì)，能實(shí)現(xiàn)軌道交通動(dòng)力設(shè)備安全管理的實(shí)時(shí)分布式設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程設(shè)備狀態(tài)診斷分析[4]、及時(shí)快速做出設(shè)備故障預(yù)警反饋、深層挖掘數(shù)據(jù)信息并提高設(shè)備安全管理效率[5]，最終形成基于互聯(lián)網(wǎng)+的軌道交通動(dòng)力設(shè)備安全管理系統(tǒng)。

1管理系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

圖1為基于互聯(lián)網(wǎng)+的設(shè)備安全管理系統(tǒng)，它由以下各子系統(tǒng)構(gòu)成。

圖1基于互聯(lián)網(wǎng)+的設(shè)備安全管理系統(tǒng)框架

(1)數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理子系統(tǒng)：①在數(shù)據(jù)采集前，可以對(duì)數(shù)據(jù)采集的長(zhǎng)度、采集頻率、通道等進(jìn)行直觀方便地設(shè)定；②根據(jù)需要，可以去除數(shù)據(jù)中的直流分量和緩變趨勢(shì)分量，亦可將直流分量和緩變趨勢(shì)分量提取出來(lái)。

(2)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)：①以設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖、數(shù)據(jù)表格等方式顯示各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)峰值，并進(jìn)行振動(dòng)峰值超限和峰值增長(zhǎng)幅度過(guò)大報(bào)警；②顯示各種工藝量參數(shù)當(dāng)前值；③顯示通道頻譜圖和譜值列表，并進(jìn)行頻譜窄帶報(bào)警。

(3)設(shè)備故障診斷子系統(tǒng)：對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理分析，對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析、實(shí)倒譜分析、自相關(guān)分析、互相關(guān)分析、趨勢(shì)分析、時(shí)域波形比較分析和頻譜分析等，綜合分析結(jié)果，對(duì)設(shè)備的安全狀態(tài)進(jìn)行評(píng)價(jià)及預(yù)測(cè)。

(4)網(wǎng)絡(luò)通訊與管理子系統(tǒng)：①提供數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程調(diào)用接口，并與其他網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)信號(hào)的遠(yuǎn)程傳輸，建立遠(yuǎn)程振動(dòng)分析；②實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊與資源共享，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)調(diào)用異常數(shù)據(jù)進(jìn)行故障精密分析與診斷。

(5)數(shù)據(jù)庫(kù)管理子系統(tǒng)：①系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)庫(kù)包括：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)備診斷結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)和報(bào)警庫(kù)；②可在線設(shè)置和修改數(shù)據(jù)庫(kù)中有關(guān)參數(shù)，對(duì)重要數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)和備份；③可方便進(jìn)行各種追憶分析及打印輸出。

2設(shè)備安全管理系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1系統(tǒng)構(gòu)建平臺(tái)及開發(fā)工具

建立基于互聯(lián)網(wǎng)+的設(shè)備安全管理系統(tǒng)如下圖2所示，分為數(shù)據(jù)采集服務(wù)層、互聯(lián)網(wǎng)傳輸層以及數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用層。

數(shù)據(jù)采集層：通過(guò)在被監(jiān)測(cè)對(duì)象上合理的布置傳感器，負(fù)責(zé)對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，包括加速度、位移、振幅等數(shù)據(jù)的采集。

互聯(lián)網(wǎng)傳輸層：提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃ㄟ^(guò)無(wú)線/有線的傳輸技術(shù)，將傳感器采集到的信息上傳到遠(yuǎn)程服務(wù)器中，供后臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的解析。

數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用層：系統(tǒng)的核心，通過(guò)濾波、誤差分析、時(shí)域變換等技術(shù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取有用的信息；并將其供給應(yīng)用模塊，進(jìn)行監(jiān)測(cè)對(duì)象的安全分析、故障預(yù)測(cè)等智能服務(wù)。

為了提高系統(tǒng)的兼容性，解決不同設(shè)備、系統(tǒng)之間接口標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一的問(wèn)題，本文采用基于J2EE平臺(tái)的技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的搭建：客戶端應(yīng)用程序和applet運(yùn)行在客戶端，提供系統(tǒng)的人機(jī)交互界面；Java Servlet和Java Server Pages (JSP)運(yùn)行在服務(wù)器端，提供客戶端與服務(wù)器的接口服務(wù)；Enterprise Java Bean (EJB )運(yùn)行在服務(wù)器端，提供數(shù)據(jù)的處理、設(shè)備的安全監(jiān)測(cè)、安全評(píng)估以及故障預(yù)測(cè)報(bào)警等服務(wù)。系統(tǒng)搭建如下圖3、圖4所示。

圖2　設(shè)備安全管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3　基于J2EE系統(tǒng)平臺(tái)搭建

圖4　系統(tǒng)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)

任何設(shè)備都不是單一的個(gè)體，而是與周圍各種條件組成一個(gè)統(tǒng)一的整體。因此，在對(duì)設(shè)備本身進(jìn)行安全狀態(tài)監(jiān)測(cè)時(shí)，本系統(tǒng)還考慮了外界的激勵(lì)條件對(duì)設(shè)備狀態(tài)的影響，如在風(fēng)機(jī)的監(jiān)測(cè)中，考慮了車輛經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓、車輛經(jīng)過(guò)的頻率等外界因素；同時(shí)還考慮到了設(shè)備本身運(yùn)營(yíng)維護(hù)的歷史，從全壽命周期管理的角度進(jìn)行設(shè)備安全狀態(tài)的整體評(píng)估，并作為設(shè)備故障預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。

由于設(shè)備外界激勵(lì)的條件復(fù)雜，且不同設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)狀態(tài)不同，輸入與輸出是復(fù)雜的非線性關(guān)系，因此，本文擬采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法建立設(shè)備的外界激勵(lì)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)歷史等輸入與設(shè)備安全狀態(tài)評(píng)估、故障預(yù)測(cè)報(bào)警等輸出的關(guān)系，如下圖5所示。

圖5　系統(tǒng)的外界激勵(lì)與安全評(píng)估的關(guān)系

其中，x1、x2……xn為系統(tǒng)的輸入，可以表示為：X=[X車輛速度，X車輛頻率，X運(yùn)行時(shí)間，X風(fēng)速，X維修歷史，……]

(1)

y1、y2，…，ym為系統(tǒng)的輸出，可以表示為：

Y=[Y壽命狀態(tài)，Y維修預(yù)測(cè)，…]

(2)

2.2系統(tǒng)構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)

軌道交通動(dòng)力設(shè)備應(yīng)用地域廣、設(shè)備多、環(huán)境特殊，在隧道中，設(shè)備分布離散性大，檢修困難，通訊距離長(zhǎng)，針對(duì)這些特點(diǎn)，本系統(tǒng)構(gòu)建采用的關(guān)鍵技術(shù)有：

(1)嵌入式高速動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集與松動(dòng)診斷技術(shù)(硬件&軟件)，感知關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)，保障設(shè)備安全可靠運(yùn)行。

(2)集成動(dòng)態(tài)、靜態(tài)融合技術(shù)，突破故障診斷領(lǐng)域振動(dòng)與松動(dòng)特征分析與提取技術(shù)，深化松動(dòng)故障準(zhǔn)確快速的識(shí)別方法。

(3)面向“傳感器-數(shù)據(jù)采集-數(shù)據(jù)分析診斷-設(shè)備健康管理”的系列產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案，升級(jí)隧道關(guān)鍵設(shè)備安全管理的信息化。

(4)突破各功能模塊的開放式互連技術(shù)，實(shí)現(xiàn)傳感器、采集器、集中器、工作站的系統(tǒng)模塊集成化、網(wǎng)絡(luò)化。

2.3系統(tǒng)構(gòu)建主要設(shè)備

軌道交通動(dòng)力設(shè)備松動(dòng)故障是安全管理的重難點(diǎn)，主要的管理途徑是振動(dòng)監(jiān)測(cè)[6-7]和相對(duì)位置的靜態(tài)監(jiān)測(cè)。

(1)動(dòng)態(tài)松動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備：采用可進(jìn)行三方向振動(dòng)感知的動(dòng)態(tài)傳感器，安裝在被測(cè)設(shè)備本體，可監(jiān)測(cè)設(shè)備空間振動(dòng)。一旦設(shè)備發(fā)生松動(dòng)，整體結(jié)構(gòu)模態(tài)發(fā)生變化，固有頻率發(fā)生漂移，設(shè)備的動(dòng)態(tài)頻譜就會(huì)產(chǎn)生差異，系統(tǒng)將及時(shí)發(fā)出報(bào)警和危險(xiǎn)警示。

(2)靜態(tài)松動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備：采用靜態(tài)傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備緊固位置靜態(tài)變化，利用緊固位置的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)設(shè)備松動(dòng)的靜態(tài)保護(hù)。

(3)采集器：采集器接收動(dòng)態(tài)傳感器和靜態(tài)傳感器信號(hào)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行采集。

(4)集中器：集中器對(duì)采集器采集的信號(hào)進(jìn)行處理，判斷設(shè)備松動(dòng)程度，判斷設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。

(5)中控：如圖6和圖7，中控為柜式/臺(tái)式工作站，直接接入設(shè)備安全管理系統(tǒng)，在線進(jìn)行監(jiān)控，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)，管理各監(jiān)控設(shè)備連接健康狀態(tài)。

圖6　中控界面

圖7　設(shè)備安全管理系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)

3應(yīng)用實(shí)例

某地鐵隧道風(fēng)機(jī)分布在隧道頂部，間隔150 m安裝2臺(tái)射流風(fēng)機(jī)用于通風(fēng)，安裝方式為吊裝方式，無(wú)振動(dòng)、松動(dòng)等安全監(jiān)測(cè)措施(見圖8)。

圖8　風(fēng)機(jī)傳感器安裝

監(jiān)測(cè)顯示，風(fēng)機(jī)除自身運(yùn)行導(dǎo)致振動(dòng)外，無(wú)自然風(fēng)或其他外界激振源影響。由于風(fēng)機(jī)無(wú)減震器直接緊固，并且額定轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)振動(dòng)很小，監(jiān)測(cè)振動(dòng)速度峰峰值約為5.7 mm/s。如圖9、圖10、圖11所示，分別為風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)時(shí)域波形圖、頻譜圖和時(shí)頻分析圖。

圖9　風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)時(shí)域波形圖

圖10　風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)頻譜圖

圖11　風(fēng)機(jī)監(jiān)測(cè)時(shí)頻分析圖

風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1　風(fēng)機(jī)安全監(jiān)測(cè)結(jié)果

4結(jié)論

本文針對(duì)軌道交通中動(dòng)力設(shè)備的安全問(wèn)題，研究構(gòu)建了基于互聯(lián)網(wǎng)+的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可對(duì)設(shè)備運(yùn)行中的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并能根據(jù)外界的激勵(lì)條件、設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)歷史等條件進(jìn)行設(shè)備安全狀態(tài)的評(píng)估以及故障的預(yù)測(cè)，為設(shè)備的安全使用提供了依據(jù)。研究成果已經(jīng)在部分工程中進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。本課題的研究對(duì)于軌道交通的安全運(yùn)行具有參考及推廣價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介汪琴，女，講師，博士，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力設(shè)備安全管理信息化。

(收稿日期：2016-03-05)

Study of Internet Based Rail Transportation Power Equipment Safety Management System

WANG QinLIU Qiuxin

(CityCollege,WuhanUniversityofScienceandTechnologyWuhan430083)

AbstractAccording to requirements of the rail transportation power equipment safety management, a safety management system based on network is proposed in this paper, which is built with the technology of the J2EE technology, fault diagnosis technology, embedded high-speed data acquisition and the network and information technology. The intelligent power equipment safety management can effectively improve the quality of power equipment safety management, which will ensure the safety of rail transportation power equipment operation.

Key Wordsnetworkrail transportation power equipmentsafety management systemvibration monitoringJ2EE