韓繼君

(中車長春軌道客車股份有限公司城鐵客車業(yè)務(wù)部，130062，長春//高級工程師)

在地鐵實際運營過程中，車門系統(tǒng)的開啟及關(guān)閉頻率極高，加之受到乘客倚靠等外部因素的影響，客室車門會產(chǎn)生較高的故障率，甚至引起清客事件等安全事故，存在一定的安全隱患。但目前，地鐵列車客室門的故障維修過程，不能對故障及安全隱患進行預(yù)測和預(yù)警，且故障發(fā)生后亦不能及時獲得正確的解決方案。由于故障目標不明確、普查工作量巨大，容易造成誤判，給現(xiàn)有的排查工作與未來的維護工作帶來了隱患。因此，提前預(yù)判故障發(fā)生、提前解決或修正的主動式故障檢測或消除的技術(shù)及服務(wù)亟待研發(fā)。

文獻[1]以轉(zhuǎn)向架關(guān)鍵軸承的可靠性監(jiān)測與故障預(yù)警作為案例，對車載設(shè)備進行狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測。文獻[2]為了保證列車的正常安全行駛，對受電弓的狀態(tài)進行智能監(jiān)控分析。而在整個車輛的動力牽引系統(tǒng)中，監(jiān)控與智能診斷也有頗多研究[3-5]。此外，作為同樣關(guān)鍵的列車制動系統(tǒng)的監(jiān)控與故障診斷技術(shù)也逐漸受到重視[6-7]。但對于地鐵列車車門系統(tǒng)，目前國內(nèi)還沒有非常成熟的產(chǎn)品和應(yīng)用。為此，本文擬討論地鐵列車客室門遠程診斷系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用。

1 地鐵列車客室門遠程診斷系統(tǒng)方案

地鐵列車客室門遠程診斷系統(tǒng)通過實時監(jiān)測電機、門控器(用于電信號的采集)及鎖閉機構(gòu)動作(用于圖像的采集)的工作情況和工作參數(shù)，通過智能故障分析手段，預(yù)測門系統(tǒng)的亞健康狀態(tài)，在門系統(tǒng)未進入故障時就提前檢修和排除亞健康問題，進而提高客室門遠程診斷系統(tǒng)可靠性。

1.1 客室門遠程診斷系統(tǒng)架構(gòu)

客室門遠程診斷系統(tǒng)由車載監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)中心診斷服務(wù)平臺及客戶端等3大部分構(gòu)成?？褪议T遠程診斷系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 客室門遠程診斷系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1) 車載監(jiān)測設(shè)備。車載監(jiān)測設(shè)備(見圖2 )安裝于地鐵列車的車廂內(nèi)，包含智能門控器和車載以太網(wǎng)設(shè)備。其中，列車監(jiān)控范圍內(nèi)采集到的所有信息通過公共移動通信網(wǎng)絡(luò)最終傳遞至地鐵運營維護數(shù)據(jù)中心服務(wù)平臺，平臺對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一處理、綜合管理。

圖2 車載監(jiān)測設(shè)備的以太網(wǎng)組網(wǎng)圖

2) 分數(shù)據(jù)中心。分數(shù)據(jù)中心有獨立的公網(wǎng) IP (互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)地址。主要提供所有在線運行客室門遠程診斷系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲、客室門遠程診斷系統(tǒng)的故障判斷與診斷、車載設(shè)備的遠程監(jiān)控與管理、客戶端的遠程訪問門戶等功能。

3) 地鐵用戶數(shù)據(jù)中心診斷服務(wù)平臺。該平臺主要由數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器組成。

4) 客戶端?？蛻舳税_式 PC 客戶端、移動終端的客戶端等。

1.2 客室門遠程診斷系統(tǒng)硬件實施方案

選取上海軌道交通某線路上的1列列車進行改造，具體硬件改造分為調(diào)整客室門遠程診斷系統(tǒng)以太網(wǎng)架構(gòu)、增加客室門開門到位檢測開關(guān)及調(diào)整門控器關(guān)閉開關(guān)端口等3個部分。具體硬件改造方案如下：

1.2.1 調(diào)整客室門以太網(wǎng)架構(gòu)

客室門遠程診斷系統(tǒng)需基于大量數(shù)據(jù)進行分析處理，該系統(tǒng)作為實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布A(chǔ)，其網(wǎng)絡(luò)的帶寬直接影響到了數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿芏群皖l率。而受限于當前車輛的以太網(wǎng)接口資源，目前客室門遠程診斷系統(tǒng)中每節(jié)車只有兩個主門接入車輛以太網(wǎng)中，8個從門并未接入以太網(wǎng)中。為了更加快速實時地傳輸客室門的數(shù)據(jù)，調(diào)整當前客室門遠程診斷系統(tǒng)的以太網(wǎng)架構(gòu)，令所有客室門均接入整個車輛的以太網(wǎng)絡(luò)中，而不是只有主門才能接入以太網(wǎng)中。這樣就可以大大加快數(shù)據(jù)的傳輸速度，增加數(shù)據(jù)的采樣密度，從而可以更好地進行大量數(shù)據(jù)的分析處理。

1.2.1.1 客室門遠程診斷系統(tǒng)原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)說明

客室門遠程診斷系統(tǒng)原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(見圖3)中，每節(jié)車廂均包含10個門控器，門控器共分為兩種：①主門控器：配置以太網(wǎng)、MVB(多功能車輛總線) 和RS485 網(wǎng)絡(luò)接口 (門1—門2)；②非主門控器：配置RS485 網(wǎng)絡(luò)接口 (門3—門8)。

圖3 客室門遠程診斷系統(tǒng)的原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2.1.2 客室門遠程診斷系統(tǒng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)說明

客室門遠程診斷系統(tǒng)的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)(見圖4)只針對以太網(wǎng)部分，不改變原有的MVB+RS485的網(wǎng)絡(luò)部分。在每1節(jié)車廂中增加1個以太網(wǎng)交換機。每節(jié)車廂的兩個主門不再直接接入原有車輛的交換機中，而是將該車廂中所有10 個客室門全部接入到新增交換機中。

圖4 客室門遠程診斷系統(tǒng)的新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1.2.2 增加車門開門到位檢測開關(guān)

目前，列車客室門遠程診斷系統(tǒng)的門頁位置由軟件通過檢測電機運行時的反向電動勢的大小計算得出。而反向電勢的大小受到電機本身電氣特性和門控器內(nèi)部相應(yīng)的電動勢檢測模塊的影響。當電機內(nèi)部出現(xiàn)故障或者門控器內(nèi)部出現(xiàn)故障時，有可能會引起門頁位置計算不準確的問題。增加客室門開門到位檢測開關(guān)后，通過記錄每次客室門全開門位置檢測開關(guān)激活時的門頁位置數(shù)據(jù)，對比差異提前預(yù)警。

1.2.3 調(diào)整門控器關(guān)閉開關(guān)端口

目前，列車客室門診斷系統(tǒng)的開關(guān)狀態(tài)是由門控器的數(shù)字量輸入端口進行檢測。當該端口電壓大于DC 10 V 時，門控器判斷為開關(guān)激活；當該端口電壓小于DC 5 V 時，門控器判斷為開關(guān)釋放。由于接入的是數(shù)字量輸入端口，門控器只能檢測該信號的高低電平，但并不能檢測到具體的電壓值。調(diào)整到模擬量輸入端口后，門控器可以在檢測開關(guān)激活狀態(tài)的同時記錄該輸入端口檢測到的具體電壓值。通過對該類電壓值進行大量數(shù)據(jù)的收集和處理，學(xué)習其特征值。當輸入電壓偏離特征值時，預(yù)防性地判斷該開關(guān)的觸點接觸電阻是否發(fā)生變化，從而對開關(guān)狀態(tài)進行預(yù)警。

2 客室門遠程診斷系統(tǒng)的應(yīng)用

客室門遠程診斷系統(tǒng)主要可以實現(xiàn)以下幾個具體功能：

2.1 關(guān)閉開關(guān)和鎖閉開關(guān)數(shù)據(jù)分析

當客室門從鎖閉位置向開門位置運動時，首先鎖閉開關(guān)會被釋放，然后關(guān)閉開關(guān)被釋放。對于同一個客室門遠程診斷系統(tǒng)而言，這兩個開關(guān)之間的釋放時間差值應(yīng)該保持在一個固定的范圍內(nèi)。通過大量的針對該時間差數(shù)據(jù)的收集和存儲，對該時間差的特性值進行學(xué)習。當該時間差值不小于其特征時間差值時，可以根據(jù)發(fā)生偏差的頻次進行異常部件的預(yù)診斷。

當單次開關(guān)釋放時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下可能：①開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；③關(guān)閉開關(guān)或鎖閉開關(guān)發(fā)生釋放動作不良的故障；④電機發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大。

當連續(xù)發(fā)生多次(根據(jù)用戶需求設(shè)定)的開關(guān)釋放時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下可能：①關(guān)閉開關(guān)或鎖閉開關(guān)發(fā)生釋放動作不良的故障；②機構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；③機構(gòu)尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致手動推拉門力增大；④電機發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大；⑤開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件。

2.2 關(guān)閉開關(guān)和全開門位置檢測開關(guān)數(shù)據(jù)分析

對同一個客室門遠程診斷系統(tǒng)而言，從關(guān)閉開關(guān)釋放到全開門位置開關(guān)被激活之間的時間差值應(yīng)該保持在一個固定的范圍內(nèi)。通過大量的針對該時間差值數(shù)據(jù)的收集和存儲，可以對該時間差值的特性值進行學(xué)習。當該時間差值不小于其特征時間差值時，可以根據(jù)發(fā)生差異的頻次進行異常部件的預(yù)診斷。

當發(fā)生單次的關(guān)閉開關(guān)釋放到全開門位置開關(guān)被激活之間的時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下的可能：①開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；③關(guān)閉開關(guān)釋放動作不良的故障或全開門位置開關(guān)激活動作不良故障；④電機發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大。

當連續(xù)發(fā)生多次(根據(jù)用戶需求設(shè)定)的關(guān)閉開關(guān)釋放到全開門位置開關(guān)被激活之間的時間差值大于該特征時間差值時，可以判斷存在以下的可能：①關(guān)閉開關(guān)或鎖閉開關(guān)發(fā)生釋放動作不良的故障；②機構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；③機構(gòu)調(diào)整后，尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致手動推拉門力增大；④電機發(fā)生故障，導(dǎo)致開門方向的開門力增大；⑤開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件。

2.3 實時電流數(shù)據(jù)分析

通過采集并記錄客室門開門方向和關(guān)門方向的實時電流值，并同時記錄每一個電流值采樣點的門頁位置信息，則可以還原開門過程和關(guān)門過程的電流與位置關(guān)系曲線。通過大量針對該電流數(shù)據(jù)的收集和存儲，可以對每個車門的開關(guān)門特征電流曲線進行學(xué)習。當某一區(qū)間的電流值與特征值發(fā)生偏差時，可以根據(jù)發(fā)生差異的頻次進行異常部件的預(yù)診斷。

當發(fā)生單次單區(qū)間或單次多區(qū)間開門電流值大于該特征電流時，可判斷存在以下可能：①開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機構(gòu)開門方向存在一定的干涉，導(dǎo)致開門方向的阻力增大，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件。

當連續(xù)發(fā)生多次同一區(qū)間內(nèi)的開門電流值大于該特征電流時，可以判斷存在以下的可能：①機構(gòu)開門方向某個位置存在一定的干涉，導(dǎo)致開門時在該位置附近阻力增大，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機構(gòu)調(diào)整后，尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致手動推拉門力在某個位置增大；③開門過程中門頁受到了乘客的擠壓，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件。

當連續(xù)發(fā)生多次多區(qū)間的開門電流值大于該門的特征電流時，可以判斷存在以下可能：①機構(gòu)開門方向多個位置或整個開門行程都存在一定的干涉，導(dǎo)致開門時阻力增大，但又未達到觸發(fā)開門障礙物的條件；②機構(gòu)調(diào)整后，尺寸調(diào)節(jié)不到位，導(dǎo)致多個位置或整個開門行程的手動推拉門力變大；③門控器電流檢測回路故障，導(dǎo)致電流值異常。

2.4 關(guān)閉開關(guān)和全開門位置檢測開關(guān)信號電壓數(shù)值數(shù)據(jù)分析

將關(guān)閉開關(guān)的信號檢測端口由門控器的數(shù)字量端口調(diào)整到模擬量端口后，可以通過門控器內(nèi)部的AD(模擬量數(shù)字量) 模塊對該信號的實際電壓值進行檢測。該信號的驅(qū)動電源來自門控器提供的標準DC 24 V 電壓。理論上，當關(guān)閉開關(guān)觸點的接觸電阻正常時，門控器檢測到的電壓值也應(yīng)該在DC 24 V左右。通過大量針對該信號電壓數(shù)據(jù)的收集和存儲，可以對該信號的特征電壓值進行學(xué)習。

當發(fā)生連續(xù)多次設(shè)定值以上的檢測電壓值小于16.8 V(暫定24 V×0.7)時，則判斷該關(guān)閉開關(guān)觸點發(fā)生異常?？赡艿脑蛉缦拢孩儆|點氧化，導(dǎo)致接觸電阻增大；②觸點連接不穩(wěn)定，導(dǎo)致接觸電阻增大。

3 結(jié)語

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，在線運營地鐵列車的不斷增加,如何提高運營維護效率、降低成本、保障運營安全性成為車輛制造企業(yè)研究的重點。作為與列車車廂內(nèi)旅客安全息息相關(guān)的系統(tǒng)，門系統(tǒng)在列車運營時由于頻繁使用，產(chǎn)生故障的概率大大增加。客室門遠程診斷系統(tǒng)的應(yīng)用研究對提高城市軌道交通的運輸效率、降低設(shè)備的運營維護成本、提高地鐵列車的運營安全性具有重要意義。