龔 偉

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

大數(shù)據(jù)是指在可承受的時間范圍內(nèi)無法用常規(guī)軟件工具進行捕捉、管理和處理的海量、高增長率和多樣化數(shù)據(jù)集合，在大數(shù)據(jù)背景下，需要新處理模式，才能具有更強的決策力、洞察發(fā)現(xiàn)力和流程優(yōu)化能力[1]。

大數(shù)據(jù)是故障診斷技術(shù)與技術(shù)支持服務(wù)實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵[2]。

隨著互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)應(yīng)用的深入，對行駛中車輛的牽引系統(tǒng)實施遠程診斷與技術(shù)支持服務(wù)，可以實時分析車輛牽引系統(tǒng)的故障。

此外，可以融合移動互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用優(yōu)勢，集成更多的應(yīng)用和服務(wù)，將各個車輛段所有車輛的信息集成在一個平臺上，維修資料和專家?guī)鞓?gòu)建于一體，共享各個車輛段所有車輛維修信息，在線交流車輛維修的經(jīng)驗，并提供專家?guī)斓姆?wù)支持。

1 現(xiàn)狀分析

牽引系統(tǒng)故障診斷是指在系統(tǒng)部件不分解的前提下，檢測系統(tǒng)的運行狀況，確定故障發(fā)生的部位和引發(fā)故障的原因。

車輛故障診斷系統(tǒng)有兩種。一種是車外診斷系統(tǒng)，通過一些檢測儀器來判斷故障，包括應(yīng)用測試臺來模擬故障，從而找出故障的原因。由于故障現(xiàn)象具有隨機性，應(yīng)用車外診斷系統(tǒng)方法所花的時間較長，捕捉故障現(xiàn)象的難度大。另一種是車載診斷系統(tǒng)。目前車輛牽引系統(tǒng)都安裝了參數(shù)記錄儀，實時記錄車輛運行時輸入輸出的電壓電流、電動機運行溫升等參數(shù)，但這些參數(shù)是離散的，在司機操作臺上只有一些簡單的參數(shù)顯示，一旦發(fā)生故障，也只能對一些故障進行提示，不具備故障分析功能。

目前這兩種系統(tǒng)均無法對潛在的故障進行及時預(yù)報和處理，給車輛的運行安全帶來隱患。

2 應(yīng)用大數(shù)據(jù)對故障進行分析

為了能及時維護診斷地鐵車輛，確保車輛運行安全，可以采用大數(shù)據(jù)技術(shù)來分析和診斷牽引故障。故障診斷系統(tǒng)按監(jiān)控中心、網(wǎng)絡(luò)傳輸層、車載設(shè)備層及維修中心層進行配置[3]，整個系統(tǒng)分為監(jiān)控中心層、車輛段分系統(tǒng)和車載級分系統(tǒng)三大部分，如圖1所示。

圖1 大數(shù)據(jù)地鐵車輛牽引故障診斷系統(tǒng)示意圖

在故障診斷系統(tǒng)中，還引入牽引系統(tǒng)專家?guī)旄拍睢＜規(guī)焓欠治龉收显?、及時修復(fù)故障的重要手段，是系統(tǒng)故障處理長期實踐積累與大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，集在線智能故障預(yù)處理、故障預(yù)報、故障定位、故障隔離及故障處理為一體[4]。故障診斷系統(tǒng)基本功能如下。

(1) 設(shè)計階段形成的圖紙文件、故障模式影響和危害性分析(FEMCA)表和部件可靠性預(yù)計結(jié)果，以及后續(xù)型式試驗數(shù)據(jù)、設(shè)計變更記錄等，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立系統(tǒng)知識庫。

(2) 積累大量故障處理信息庫，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立故障征兆庫、故障處理模式庫。

(3) 建立故障分析鏈，應(yīng)用人機對話輸入相關(guān)信息來協(xié)助維修人員精準判斷故障產(chǎn)生的原因及應(yīng)急處理的手段。

2.1 監(jiān)控中心層

監(jiān)控中心層主要收集各車輛段所有車輛的故障信息，從整體上分析故障產(chǎn)生的原因，為應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。

監(jiān)控中心層實現(xiàn)監(jiān)控中心與車輛段分系統(tǒng)之間故障診斷的信息溝通和資源共享，并實現(xiàn)整個系統(tǒng)范圍內(nèi)的聯(lián)動功能，以提高運行水平，降低維護成本，同時為突發(fā)事件的應(yīng)急處理提供技術(shù)支持。

圖2匯集了各車輛段所有車輛的里程數(shù)，通過圖2可知，66%的車輛運行未到500000km，還處于正常運行階段，6%的車輛馬上要進入500000km大修階段，為用戶日常運行安排提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖2 車輛里程數(shù)統(tǒng)計

圖3匯集了各車輛段在1年內(nèi)同一牽引系統(tǒng)的車輛故障統(tǒng)計，從圖3可以看出，牽引系統(tǒng)故障集中表現(xiàn)在中央控制裝置、速度傳感器和數(shù)據(jù)插頭，提醒維修人員在下一步工作集中調(diào)查分析，并利用專家?guī)煨畔?，最終找到問題的根源和解決的方法，進而根治這些問題。調(diào)查分析的信息也可以輸入系統(tǒng)，豐富專家?guī)臁?/p>

圖3 車輛故障統(tǒng)計

圖4 系統(tǒng)平均無故障運行時間

圖4記錄了3年內(nèi)各車輛段同一牽引系統(tǒng)平均無故障運行時間，平均無故障運行時間指相鄰兩次故障之間的平均工作時間，反映了產(chǎn)品的時間質(zhì)量，是產(chǎn)品在規(guī)定時間內(nèi)保持功能的一種體現(xiàn)[5]。圖4顯示了牽引系統(tǒng)的可靠性在得到明顯改善，說明前期的故障根源已找到，正向著好的方向發(fā)展。圖中，VMD為直流電壓傳感器，SUP為輔助逆變器控制器。

2.2 車輛段分系統(tǒng)

車輛段分系統(tǒng)主要由接入裝置、路由器、局域網(wǎng)開關(guān)、以太網(wǎng)開關(guān)和服務(wù)器等組成，如圖5所示。主要實現(xiàn)對本車輛段所有車輛的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)收集分析、評估及維修組織等工作，主要功能： 接收遠程實時故障信息并進行遠程診斷、知識庫維護與管理、故障統(tǒng)計分析和評估等。

對車輛歷史故障進行統(tǒng)計分析，分別從故障發(fā)生的時間和部位等不同角度應(yīng)用大數(shù)據(jù)原理進行分析，使維護管理人員更好地掌握列車各系統(tǒng)的狀態(tài)和工作情況，同時也為日修、周修、月修提供了維修方向。

圖5 車輛段分系統(tǒng)示意圖

基于車輛運行的特點及投資維護成本，接收裝置設(shè)置可以有三種方案。

(1) 與信號系統(tǒng)相同，沿途鋪設(shè)接收裝置做到全覆蓋，優(yōu)點是數(shù)據(jù)可以實時交換，缺點是投資和維護成本很高。

(2) 在每個車輛段車庫內(nèi)安裝接收裝置，在車輛回庫時進行數(shù)據(jù)交換，優(yōu)點是投資維護成本較低，缺點是無法在運行時了解車輛運行狀態(tài)和故障記錄。這一方案中，數(shù)據(jù)下載由人工下載改為無線保真網(wǎng)絡(luò)自動下載。

(3) 在線路上每個車站安裝接收裝置，利用中間停車上下客的時間進行數(shù)據(jù)交換，雖不能做到實時交換數(shù)據(jù)，但也能夠及時了解車輛運行狀態(tài)和故障記錄，投資運行成本也不是很高。

優(yōu)選第三種方案，在每個車站安裝天線、路由器、終端、服務(wù)器和以太網(wǎng)交換器等，實時數(shù)據(jù)可以存儲在服務(wù)器中，同時可以通過無線網(wǎng)發(fā)送至車輛段診斷分中心。車輛段診斷分中心匯集該條線所有車輛的故障數(shù)據(jù)，可以進行實時數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計和處理，并為監(jiān)控中心層提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 車載級分系統(tǒng)

車載級分系統(tǒng)配置有32位處理器的計算機控制系統(tǒng)和車輛內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有故障信息采集、傳輸、預(yù)處理及簡單診斷與應(yīng)急處理功能。

車載級分系統(tǒng)的控制功能如下。

(1) 具有對牽引、制動等設(shè)備涉及運行安全的故障快速而有效處理的功能，處理時必須保證人員的安全、設(shè)備的完整性，以及車輛的有效性。地面監(jiān)控系統(tǒng)會提供技術(shù)支持。

(2) 具有對空調(diào)、廣播等設(shè)備運行情況進行管理的功能，這些設(shè)備的故障情況和等級不會影響乘客和設(shè)備的安全,因此故障信息可及時發(fā)回地面，待車輛回檢修庫后及時處理。

(3) 具有維護和輔助診斷的初級功能，可以提示操作司機應(yīng)注意的事項并進行一些簡單故障的排除。

(4) 系統(tǒng)能夠支持多種類型的報警，可以根據(jù)每條報警的條件和級別決定處理的先后順序，并可以提供每條報警記錄的摘要信息。報警摘要信息包括列車編號、車輛編號、設(shè)備名稱、報警描述、報警發(fā)生日期和時間、報警狀態(tài)、報警恢復(fù)時間等。

(5) 具有故障信息定期遠程發(fā)送功能。

(6) 具有維修申請功能，能夠向車輛段診斷中心提出維修申請。

車載系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理和傳輸由輔助控制單元、控制推進器、信息顯示系統(tǒng)、主控制單元和無線網(wǎng)路由器組成，收集各子系統(tǒng)實時運行參數(shù)和故障記錄，通過內(nèi)部嵌入式以太網(wǎng)和無線網(wǎng)傳輸系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸至地面。數(shù)據(jù)維護系統(tǒng)和運行系統(tǒng)是兩個完全獨立的網(wǎng)絡(luò)，相互不受影響，可以提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。

車載級分系統(tǒng)信息數(shù)據(jù)處理基于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，具有數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化、最低冗余度、程序與數(shù)據(jù)獨立性高、易于擴充、易于編制應(yīng)用程序等優(yōu)點，通過計算機將采集的數(shù)據(jù)、中間計算的結(jié)果等進行存儲，再有效及時地處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)[6]。

文件以純文本形式存儲表格數(shù)據(jù)，生成CSV文件。如果在計算機上安裝了Microsoft Office Excel，那么CVS文件可以默認被Excel打開[7],數(shù)據(jù)處理較為方便。

在司機室操作臺裝有液晶顯示屏,一些重要的故障和列車狀態(tài)信息會在屏幕上進行顯示。

3 牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)的發(fā)展

隨著電子技術(shù)、人工智能技術(shù)、智能傳感器技術(shù)和專家系統(tǒng)技術(shù)日益成熟，一些國家出現(xiàn)了集檢測控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、診斷結(jié)果于一體的現(xiàn)代診斷技術(shù)。地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷技術(shù)正朝著智能化、自動化、精確化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展[8]。

3.1 故障分析智能化

專家系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)并應(yīng)用于實踐，可以擴大診斷范圍。如系統(tǒng)顯示牽引電動機過電流，則可通過專家系統(tǒng)分析過電流的原因，找出問題根源，為維修人員帶來很大幫助。

3.2 故障檢測自動化

隨著機電一體化技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，大量非接觸式傳感器得到應(yīng)用，可采集更多的數(shù)據(jù)，因此能更加精準反映故障的本質(zhì)。

3.3 故障結(jié)果精準化

隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合故障樹技術(shù)[9]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等分析方法[10]，可以大大提高故障診斷的精確性。如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)具有較好的容錯性，實現(xiàn)了大規(guī)模并行處理，在信息獲取、并行處理方面具有很大優(yōu)勢，結(jié)果也更為精確。

3.4 故障信息網(wǎng)絡(luò)化

在發(fā)生故障時，由于專業(yè)維修人員對各種車型技術(shù)的掌握有限，給快速高效維修帶來一定制約。故障信息網(wǎng)絡(luò)化突破了信息傳遞在空間、時間、容量和速度上的局限性，實現(xiàn)了資源共享，而且能在線得到專家的交流指導(dǎo)。

雖然大數(shù)據(jù)技術(shù)在地鐵車輛牽引系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用還處在起步階段，很多理論和實踐還有待于進一步研究，但未來的發(fā)展與應(yīng)用前景是非常廣闊的。

4 結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的日益發(fā)展，車輛故障診斷技術(shù)越來越受到用戶的重視。為了提高地鐵車輛運行的可靠性，針對地鐵車輛牽引故障診斷系統(tǒng)提出了總體設(shè)計方案，這一方案不僅可以應(yīng)用于車輛牽引系統(tǒng)，而且可以覆蓋車輛中的所有應(yīng)用系統(tǒng)，如制動系統(tǒng)、車門系統(tǒng)等，使車輛運行更加安全可靠。

當(dāng)然，筆者所述方案還存在不足，如現(xiàn)有數(shù)據(jù)未達到大數(shù)據(jù)全面覆蓋故障診斷與技術(shù)服務(wù)的目標，還處在數(shù)據(jù)加工、整合和規(guī)范的階段，未來的發(fā)展還有諸多瓶頸，需要不斷跨越。

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