顧 陽(yáng) 王家鉅

（無(wú)錫地鐵運(yùn)營(yíng)分公司車(chē)輛部，江蘇無(wú)錫214171）

0 引言

PHM（Prognostic and Health Management，故障預(yù)測(cè)與健康管理）技術(shù)起源于航空航天軍事領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用于包括航空航天、電子產(chǎn)品、軌道交通等在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域[1]。

地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)是直接關(guān)系到乘客安全的重要子系統(tǒng)，PHM技術(shù)在地鐵塞拉門(mén)系統(tǒng)上的應(yīng)用，可以有效提高其可靠性和安全性。

PHM技術(shù)通過(guò)地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)參數(shù)（電壓、電流、速度、轉(zhuǎn)矩、功率等輸出量）變化來(lái)評(píng)估車(chē)門(mén)系統(tǒng)的性能下降程度，進(jìn)而評(píng)估車(chē)門(mén)系統(tǒng)健康度，診斷、預(yù)測(cè)車(chē)門(mén)故障。

1 軌道交通車(chē)輛運(yùn)維現(xiàn)狀

隨著軌道市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展，軌道交通方式逐漸成為了人們交通的首選。在當(dāng)前緊迫的交通壓力下，如何進(jìn)一步提升維修效率，延長(zhǎng)車(chē)輛及其零部件壽命，降低維護(hù)成本，是地鐵運(yùn)營(yíng)企業(yè)亟需解決的問(wèn)題。

在軌道交通行業(yè)，目前動(dòng)車(chē)組都在關(guān)鍵部件上安裝了傳感器采集設(shè)備的狀態(tài)信息，并將這些設(shè)備的狀態(tài)信息和故障信息傳輸?shù)降孛?，地面維護(hù)人員通過(guò)數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，即可及時(shí)了解車(chē)輛各系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障情況，這樣可以對(duì)部分關(guān)鍵部件故障在早期及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理，從而實(shí)現(xiàn)由過(guò)去的計(jì)劃修、故障修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。但地鐵車(chē)輛缺少這類(lèi)完整的數(shù)據(jù)采集傳輸分析系統(tǒng)。

2 地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)PHM研究?jī)?nèi)容

引起車(chē)門(mén)系統(tǒng)狀態(tài)異常、性能退化和故障的主要原因有環(huán)境因素（風(fēng)壓、溫度、濕度等）、人為因素（擠壓、強(qiáng)行扒門(mén)等）和時(shí)間因素（元件老化、磨損等）。從控制系統(tǒng)的角度來(lái)看，乘客擠壓、風(fēng)壓等外部干擾因子會(huì)導(dǎo)致車(chē)門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)負(fù)載特性發(fā)生變化，因而，地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)系統(tǒng)的狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)參數(shù)變化來(lái)評(píng)估[2]。

通過(guò)在地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)上加裝PHM模塊，實(shí)時(shí)采集軌道車(chē)輛電動(dòng)塞拉門(mén)狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后傳輸解析存儲(chǔ)至地面數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中。隨著車(chē)輛在正線(xiàn)（或試車(chē)線(xiàn)路上）車(chē)門(mén)狀態(tài)數(shù)據(jù)的不斷累積以及人工模擬車(chē)門(mén)亞健康和故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)積累的車(chē)門(mén)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，形成車(chē)門(mén)模型，并通過(guò)深度挖掘故障間的關(guān)聯(lián)性、故障的變化趨勢(shì)等，能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)門(mén)健康度的評(píng)估分析及故障預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果快速形成維修方案建議，指導(dǎo)車(chē)門(mén)的檢修作業(yè)，并逐步為車(chē)門(mén)修程修訂提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

同時(shí)能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需要，定制分析展示界面，將車(chē)門(mén)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果數(shù)據(jù)以多樣性的可視化手段進(jìn)行展示。

3 地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)PHM關(guān)鍵技術(shù)

（1）增加的電動(dòng)塞拉門(mén)PHM模塊與車(chē)門(mén)原有控制系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)理念，即對(duì)車(chē)門(mén)的故障預(yù)測(cè)與健康管理不影響車(chē)門(mén)原來(lái)功能的正常使用，即使電動(dòng)塞拉門(mén)PHM模塊故障，車(chē)門(mén)也可以正常使用。

（2）電動(dòng)塞拉門(mén)數(shù)據(jù)采集傳感器為高精度傳感器，電流作為最關(guān)鍵的變量，其采集傳感器線(xiàn)性度為1‰，可以采集塞拉門(mén)的多個(gè)模擬量、數(shù)字量，對(duì)不同的模擬量進(jìn)行處理、運(yùn)算得到車(chē)門(mén)速度、位置等實(shí)時(shí)信號(hào)。

（3）電動(dòng)塞拉門(mén)PHM模塊的CPU處理單元采用DSP高頻數(shù)字信號(hào)處理芯片，遠(yuǎn)超業(yè)內(nèi)常用的單片機(jī)、ARM芯片的采集方案。

（4）車(chē)地?zé)o線(xiàn)傳輸?shù)腁P采用滿(mǎn)足IEEE 802.11ac的技術(shù)，作為IEEE 802.11n的迭代技術(shù)，理論帶寬可以實(shí)現(xiàn)1 Gb/s，實(shí)際帶寬可以達(dá)到300 Mb/s。

（5）后期采用物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的思想，根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)特點(diǎn)，采用接近于數(shù)據(jù)源頭的計(jì)算方式，可以對(duì)車(chē)輛數(shù)據(jù)先進(jìn)行標(biāo)記處理，再將影響系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫黾佑行?shù)據(jù)占比，減輕數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力。

4 地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)故障預(yù)測(cè)

通過(guò)使用采集模塊采集地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)電機(jī)的電流以及霍爾信號(hào)，根據(jù)塞拉門(mén)三相無(wú)刷電機(jī)的電流和霍爾反饋信號(hào)參數(shù)建立相應(yīng)的電機(jī)模型，在電機(jī)模型的基礎(chǔ)上將機(jī)械參數(shù)數(shù)字化，建立機(jī)電聯(lián)合仿真模型，對(duì)仿真模型進(jìn)行仿真分析，代入電流和霍爾信號(hào)實(shí)測(cè)參數(shù)進(jìn)行仿真模型修正。建模流程如圖1所示。

首先對(duì)采集到的地鐵塞拉門(mén)電機(jī)的電流、霍爾信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，再壓縮提取特征值[3]，由提取出來(lái)的特征值曲線(xiàn)在每一個(gè)分段上設(shè)定一個(gè)具有上下限的區(qū)間范圍作為參考基準(zhǔn)（包括X時(shí)間軸長(zhǎng)度和Y幅值大小，合計(jì)兩個(gè)區(qū)間范圍），如圖2所示，當(dāng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)這個(gè)區(qū)間范圍時(shí)，采集模塊可判斷該塞拉門(mén)工作在故障或亞健康狀態(tài)。

鑒于每一次開(kāi)關(guān)門(mén)后，由于機(jī)械振動(dòng)，機(jī)械參數(shù)都會(huì)有些許的改變，故采用動(dòng)態(tài)區(qū)間的形式，即以上一次系統(tǒng)判定開(kāi)關(guān)門(mén)處于正常狀態(tài)時(shí)設(shè)定的參數(shù)區(qū)間作為下一次開(kāi)關(guān)門(mén)判斷區(qū)間。故障診斷簡(jiǎn)要流程如圖3所示。

以關(guān)門(mén)階段的單相電流為例進(jìn)行診斷操作，如圖4所示，對(duì)關(guān)門(mén)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行了特征值提取，在關(guān)門(mén)到位后階段中設(shè)定了兩個(gè)判斷區(qū)間，分別是時(shí)間長(zhǎng)度與幅值大小，當(dāng)數(shù)據(jù)處于判斷區(qū)間范圍內(nèi)時(shí)即為正常狀態(tài)，反之即為故障或亞健康狀態(tài)。

圖1 建模流程圖

圖2 X時(shí)間軸參考基準(zhǔn)

圖3 故障診斷簡(jiǎn)要流程

5 結(jié)語(yǔ)

地鐵電動(dòng)塞拉門(mén)PHM技術(shù)應(yīng)用，通過(guò)故障預(yù)測(cè)減少了計(jì)劃外的維修工作，大幅度降低了維修成本；而在故障發(fā)生之前進(jìn)行針對(duì)性維修，提升了車(chē)輛零部件的使用效率。

電動(dòng)塞拉門(mén)的安全運(yùn)行涉及乘客生命安全，并且單列車(chē)塞拉門(mén)數(shù)量較多，日常塞拉門(mén)檢修調(diào)整耗費(fèi)的工時(shí)較多，因此電動(dòng)塞拉門(mén)PHM系統(tǒng)的應(yīng)用研究意義重大。

圖4 關(guān)門(mén)階段的單相電流曲線(xiàn)