張 帆

(北京市地鐵運營有限公司運營四分公司，北京市，100102)

1 引言

隨著我國城市軌道交通飛速發(fā)展，地鐵運營里程每年成倍的增長，地鐵車輛的運營安全及保障工作越來越重要，目前影響地鐵車輛運營的重要因素是車門系統(tǒng)，因車門系統(tǒng)出現(xiàn)故障，會直接導(dǎo)致晚點，嚴重時會導(dǎo)致掉線。車門系統(tǒng)故障原因主要有兩個部分：一是機械故障，一是電氣故障。目前，北京地鐵很多線路使用的是早期進口或者國產(chǎn)門控器，因設(shè)計簡單，保護手段單一，經(jīng)常會出現(xiàn)偶發(fā)故障，回庫后測試一切正常，無法找到故障原因，門控器只能記錄故障結(jié)果，無法指導(dǎo)檢修和運營人員及時排除故障。對運營安全和效率產(chǎn)生很大影響。

本文主要介紹一款帶有故障檢測及分析功能的門控器系統(tǒng)，通過門控器內(nèi)部的檢測模塊(輸入自檢測，輸入反饋檢測，電機電壓，電流，速度，位置，電源模塊電壓監(jiān)測，)實現(xiàn)對門控器自身及外部設(shè)備的實時監(jiān)控及故障分析預(yù)測，通過系統(tǒng)運行記錄可直接分析出故障原因，通過對系統(tǒng)參數(shù)的實時監(jiān)測，利用大數(shù)據(jù)挖掘算法，對車門運行數(shù)據(jù)進行橫向、縱向?qū)Ρ燃皡?shù)變化趨勢分析，對門系統(tǒng)即將發(fā)生的故障和可靠性進行預(yù)測預(yù)警。統(tǒng)計分析故障類型及頻次，指導(dǎo)檢修及維修工作。提高檢修效率，保障運營安全。

2 車門控器系統(tǒng)組成

2.1系統(tǒng)功能

門控器系統(tǒng)由2部分組成，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，車門控制器數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸架構(gòu)示意圖如圖1所示；車門控制器數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

圖2 車門控制器數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)整體架構(gòu)示意圖

?數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)通過內(nèi)部can總線，將門控器采集的數(shù)據(jù)全部暫存至無線路由器，無線路由器在有網(wǎng)絡(luò)接通情況下，將采集數(shù)據(jù)通過3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)器，服務(wù)器進行本地數(shù)據(jù)存儲，并運行數(shù)據(jù)分析軟件，對采集數(shù)據(jù)進行橫向縱向?qū)Ρ龋粚?shù)據(jù)進行趨勢變化分析，采用大數(shù)據(jù)挖掘算法，預(yù)測重要檢測部件的壽命，分析故障產(chǎn)生原因；

?車門控制器數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

門控器控制列車車門的開啟和關(guān)閉，并通過通訊網(wǎng)絡(luò)，將運行狀態(tài)傳送至tims系統(tǒng)，目前受tims系統(tǒng)限制，可顯示的狀態(tài)及故障信息有限，新型門控器對系統(tǒng)的運行參數(shù)進行詳細記錄，包括外部輸入io的動作時間，輸出接口的動作時間和反饋狀態(tài)，通過這個記錄可直接分析出故障產(chǎn)生原因；記錄電源模塊的電壓曲線，通過傅里葉變換，分析電源模塊的紋波參數(shù)，判斷電源模塊穩(wěn)定性和老化趨勢；通過記錄的電機電壓，電流，速度，位置參數(shù)，分析電機老化程度，分析車門導(dǎo)軌磨損程度，分析車門摩擦阻力大小。

2.2 詳細設(shè)計

2.2.1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由3部分組成，數(shù)據(jù)服務(wù)器，4G/3G無線路由器和can網(wǎng)絡(luò)。

2.2.1.1 數(shù)據(jù)服務(wù)器

數(shù)據(jù)服務(wù)器負責(zé)接收和存儲門控器采集的監(jiān)測信息，對采集的數(shù)據(jù)信息進行數(shù)據(jù)分析，得出分析結(jié)果。

存儲內(nèi)容包括：門控器運行記錄，故障記錄，電源模塊電壓采樣數(shù)據(jù)，電磁鐵電流采樣數(shù)據(jù)，車門電機電流數(shù)據(jù)，電機電壓數(shù)據(jù)(電壓采用供電電壓*占空比)，電機轉(zhuǎn)速，電機編碼器位置數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)服務(wù)器性能要求：24小時不當(dāng)機，ram大于8GB，硬盤1T帶有數(shù)據(jù)備份功能。操作系統(tǒng)，windows server 2008以上。

數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：每次開關(guān)門算一個循環(huán)，數(shù)據(jù)存儲空間32k，1-30k空間存儲開關(guān)門電機電流，電機電壓，電磁鐵電流，電機速度，第31k空間存儲2個電源模塊電壓采樣數(shù)據(jù)，采樣率為20k，共采集1k個點數(shù)據(jù)，第32k空間存儲系統(tǒng)運行記錄，包括輸入接口，輸出接口動作時間，動作時的全部io接口狀態(tài)，編碼器位置，軟件流程分支代碼，故障代碼，車門運行狀態(tài)代碼，開關(guān)門時間。

2.2.1.2 4G/3G無線路由器

無線路由器采用一款4G/3G兼容模塊，當(dāng)4G信號不穩(wěn)定自動切換至3G信號，通過一顆coterx-m3的cpu來進行控制，路由器外擴32MB字節(jié)的數(shù)據(jù)暫存空間，防止無線信號不穩(wěn)定時，數(shù)據(jù)丟失，采用斷點續(xù)傳方式，保證數(shù)據(jù)傳輸完整可靠，模塊帶有斷線自動鏈接功能。

與服務(wù)器端采用基于可靠的TCP協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸，由于該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸量大，傳輸消息類型多，為了提高數(shù)據(jù)通信的可靠性及準確率，制定應(yīng)用層以太網(wǎng)通信協(xié)議格式也就顯得特別重要。因此這里制定了應(yīng)用層通信協(xié)議標準模型。該協(xié)議模型由幀頭、數(shù)據(jù)部分、校驗碼、幀尾四部分組成，制定的通信協(xié)議模型如圖3所示。

圖3 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信協(xié)議模型

幀頭占用2個字節(jié)，即由固定字節(jié)“0x7f 0xfe”來表示，表示一幀數(shù)據(jù)的開始；消息ID占用兩個字節(jié)，代表幀序號，當(dāng)出現(xiàn)校驗錯誤時，可申請重發(fā)機制；有效數(shù)據(jù)長度占用兩個字節(jié)，包括有效數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)；有效數(shù)據(jù)區(qū)為消息信息的主要部分，占用N個字節(jié)；校驗碼占用兩個字節(jié)采用crc16校驗方式，校驗數(shù)據(jù)從幀頭開始至數(shù)據(jù)區(qū)結(jié)束。

2.2.1.3 can網(wǎng)絡(luò)

CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。較之許多RS-485基于R線構(gòu)建的分布式通訊系統(tǒng)而言，基于CAN總線的分布式通訊系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)點；

每個無線路由器連接4個車門控制器，車門控制器將采集的信息按照標準can協(xié)議實時傳輸給無線路由器，路由器對數(shù)據(jù)進行本地緩存，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)像數(shù)據(jù)服務(wù)器傳輸。can網(wǎng)絡(luò)具有高速、可靠、抗干擾強等特點，優(yōu)于早期的485方式的傳輸網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 車門控制器數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

車門控制器數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)由輸入接口模塊、輸出接口模塊、數(shù)據(jù)存儲及中央處理單元、電機驅(qū)動模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、編碼器采集模塊。顯示模塊、通訊模塊等組成。

工作模式如下，通過實時監(jiān)測輸入接口模塊的開關(guān)量變化，判斷外部輸入指令，根據(jù)相關(guān)指令驅(qū)動電機進行相應(yīng)動作。在電機動作的同時，采集相關(guān)數(shù)據(jù)，進行本地存儲，并通過can網(wǎng)絡(luò)傳送給無線路由器。根據(jù)相應(yīng)模塊的檢測參數(shù)判斷系統(tǒng)運行狀態(tài)，出現(xiàn)故障時進行顯示及聲光提示報警，并通過485總線將運行狀態(tài)信息傳送給tims系統(tǒng)。

2.2.2.1 輸入接口模塊

輸入模塊由16路光電隔離器將110vdc信號隔離并轉(zhuǎn)換成3.3v信號輸入dsp處理器，通過定時器，每隔20ms掃描一次輸入數(shù)據(jù)變化。系統(tǒng)上電后，通過內(nèi)部測試電路可以檢測輸入隔離模塊是否工作正常，如果輸入有錯誤，則提示報警信息。

檢測原理如下圖4所示：

圖4 輸入接口模塊

D312是內(nèi)部測試信號輸入端，通過繼電器控制110vdc信號進入輸入接口，x1-12是外部輸入信號接入端子。

2.2.2.2 輸出接口模塊

輸出模塊由5路光電隔離器件驅(qū)動5顆mosfet功率場效應(yīng)晶體管，輸出110vdc信號，輸入信號經(jīng)過反饋電路，對輸出信號進行采集，檢測反饋信號是否輸出到輸出接口端子。如果檢測不到反饋信號，則提示輸出信號故障。

輸入控制原理和檢測原理如下圖5所示。

圖5 輸出接口模塊

U53是輸出隔離器件，Q20和Q21是控制保護電路，保護mosfet過流，U54是反饋檢測隔離端。反饋信號傳送給dsp處理判斷。

2.2.2.3 電機驅(qū)動模塊

采用美國整流器公司的電機專用驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機，設(shè)計采用直流有刷電機和無刷電機兼容設(shè)計，有刷電機通過H橋來驅(qū)動，無刷電機通過3路pwm波來驅(qū)動，做到一款設(shè)計，兼容多種不同電機。模塊帶有過熱保護、過流保護、過壓欠壓保護等多重保護功能。電流采集通過隔離方式，在保證采樣精度的情況下，做到了高低電壓隔離處理。避免大電流信號對小信號的干擾，輸入端采用光電隔離處理，避免驅(qū)動端對輸入端信號的干擾，造成控制的不可靠。通過調(diào)節(jié)上下橋臂的pwm波的占空比，來控制電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)電機的pid調(diào)速控制，其原理如圖6所示。

圖6 電機驅(qū)動模塊

2.2.2.4 通訊模塊

通訊模塊包含2路通訊，一路是與tims通訊部分，一路是與無線路由器部分，與tims通訊方式采用485方式，設(shè)計采用普通485協(xié)議和兼容hdlc協(xié)議。Can通訊采用擴展模式，即29位標識符的擴展幀模式，利用擴展幀模式將數(shù)據(jù)id存入標識符內(nèi)，實現(xiàn)幀標識，來進行大容量數(shù)據(jù)傳輸(32k)。

設(shè)計中預(yù)留mvb接口，可實現(xiàn)與帶有mvb總線的列車兼容使用。

2.2.2.5 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊共包含 5路ad采集電路，一路溫度采集，一路電磁鐵電流采集，一路電機電流采集，一路電機速度采集，一路電機電壓采集，一路5v電壓采集，一路15v電壓采集。

采樣頻率全部使用20k的采樣率，采樣精度為12bit。

通過采集5v和15v的電壓信號，可分析電源模塊的運行穩(wěn)定性，當(dāng)出現(xiàn)電壓波動、紋波參數(shù)超標或者幅值超過預(yù)設(shè)上下限參數(shù)，系統(tǒng)會提示預(yù)警信息。

通過電機電流和電壓、速度、位置信號，可對電機電壓和電流積分，得到開關(guān)門過程中的電機做功，統(tǒng)計分析門板摩擦力。通過對電流信號和速度信號的傅里葉變換，得到頻率和能量信號，可分析出門板導(dǎo)軌摩損程度，得出電機老化程度。指導(dǎo)檢修維修工作，及時更換導(dǎo)軌及電機。

2.2.2.6 數(shù)據(jù)存儲及中央處理單元

系統(tǒng)使用一顆德州儀器公司的數(shù)字信號處理器，專門用于電機控制領(lǐng)域的專用芯片，tms320f28335。該芯片是32位浮點處理器。

運算速度： 150MHz；

ROM：片內(nèi)256Kx16bit，外擴32Mx8bit NOR FLASH；

RAM：片內(nèi)34Kx16bit，外擴64Kx16bit SRAM。

滿足復(fù)雜的電機控制邏輯和復(fù)雜的數(shù)據(jù)算法，實現(xiàn)高效、可靠的控制邏輯，能夠連續(xù)存儲3天內(nèi)的所有開關(guān)門數(shù)據(jù)，如下圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理及中央處理器

3 數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)分析與監(jiān)測預(yù)警平臺接收、存儲、車門控制器采集的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)應(yīng)用與分析。系統(tǒng)主要分為3個層級，包括數(shù)據(jù)接入層，數(shù)據(jù)存儲層與數(shù)據(jù)分析應(yīng)用層，如圖8所示。

圖8 分析與監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

數(shù)據(jù)接入層的功能主要由車載無線路由器和地面接收服務(wù)器組成，通過采用專用通訊網(wǎng)絡(luò)和本地防火墻，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性與安全性。每條地鐵線路的接入設(shè)備點大概在10000個點以內(nèi)。

數(shù)據(jù)存儲層采用微軟的Sql數(shù)據(jù)庫來作為數(shù)據(jù)的底層存儲。

數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用層采用B/S結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)分析服務(wù)器實時處理分析采集信息，得出分析結(jié)論，可通過客戶端遠程登錄訪問，了解車門系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)及故障預(yù)警預(yù)測信息，及時指導(dǎo)檢修運營工作。提高問題處理時效性。減少正線運營事故發(fā)生。

3.2 系統(tǒng)功能

(1)車門運行參數(shù)實時查詢顯示功能

系統(tǒng)實時監(jiān)控入網(wǎng)列車車門基本運行狀態(tài)、通過客戶端可實時訪問車門運行參數(shù)，了解車門運行狀態(tài)。

單個車門開關(guān)門動作運行參數(shù)如下圖9、圖10所示。

圖10 車門運行開關(guān)量數(shù)據(jù)

電機電壓、電機電流、電磁鐵電流、電機轉(zhuǎn)速、5v電源模塊電壓和15v電源模塊電壓見圖9中的數(shù)據(jù)。

圖9 車門運行模擬量數(shù)據(jù)

(2)車門故障實時告警及狀態(tài)預(yù)警

對列車車門發(fā)生的實時故障以及基于運營經(jīng)驗設(shè)置的預(yù)警條件產(chǎn)生的異常狀態(tài)實時報警，根據(jù)報警的相關(guān)變量進行快速分析，定位故障原因，提供預(yù)定義的故障處置指導(dǎo)。同時系統(tǒng)能夠結(jié)合根據(jù)運營經(jīng)驗、易產(chǎn)生故障的工況，在大數(shù)據(jù)積累的過程中，可靈活根據(jù)運營情況，設(shè)置模式條件及報警內(nèi)容實現(xiàn)對列車預(yù)警信息的靈活性配置功能，當(dāng)配置完成后，提前預(yù)判故障的發(fā)生，并發(fā)出提示，提醒檢修人員重點關(guān)注，減少列車正線列車故障發(fā)生。V(3)車門運行數(shù)據(jù)分析方法

通過我們對大量車門運行模擬量的數(shù)據(jù)分析對比，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和統(tǒng)計分析，得出如下車門故障預(yù)測方法和結(jié)論(對車門進行pid速度控制，保證速度一致，這樣就會體現(xiàn)出不同的電機電壓，電流變化)

A、下圖11是門板摩擦力不同情況下的開關(guān)門數(shù)據(jù)對比：左邊是時域分析，右邊是頻域分析

圖11 摩擦力不同情況下電機電流時域頻域分析對比

結(jié)論：

時域：開門、關(guān)門段電流均值顯著偏高。

頻域：與新門正常相比，摩擦力過大“開門-關(guān)門”狀態(tài)轉(zhuǎn)換處的能量不明顯，且近出現(xiàn)在較低頻帶(<100Hz)

B、新舊電機運行參數(shù)對比

圖12 新舊電機電流對比時域頻域分析對比

在時域上看，舊電機(綠色)電流紋波明顯增大，電壓電流積分面積增大，掩蓋了新電機的電流信號。頻域上，有圖上半部分是新電機，下半部分是就電機，在開關(guān)門過程中有出現(xiàn)能量集中現(xiàn)象。

C、導(dǎo)軌磨損分析

導(dǎo)軌磨損后，在開關(guān)門位置會出現(xiàn)凹陷，這樣，車門運行會出現(xiàn)不平穩(wěn)，噪音增大，磨損會增大。通過電流時域曲線，明顯看出電流波動變大，振幅變大。而頻域上，明顯出現(xiàn)能量增加情況(顏色越亮，能量越大)。

圖13 導(dǎo)軌磨損電機電流時域頻域分析圖

根據(jù)收集的列車運行數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)分析，對部件的健康狀況進行評估，分析列車歷史參數(shù)的發(fā)展趨勢。通過特定時間段內(nèi)對故障的統(tǒng)計和分析，控制故障發(fā)生概率，可對一些零部件基于目前里程修模式改為狀態(tài)修模式，這樣對運營成本和檢修資源合理利用，提高運營管理效率。

(4)深度數(shù)據(jù)挖掘，形成專家系統(tǒng)

通過長期的數(shù)據(jù)積累，對大量歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘，實現(xiàn)車門故障的預(yù)測，實現(xiàn)故障準確定位，精準預(yù)測，減少故障排查時間，提高維護與檢修效率，系統(tǒng)根據(jù)故障報告及預(yù)測分析結(jié)果，自動生成檢修工單、物料及人員的安排，進一步提高檢修維護工作效率。節(jié)約運營成本。

4 結(jié)束語

新型的車門控制系統(tǒng)能夠?qū)⒘熊囓囬T運行狀態(tài)數(shù)據(jù)及故障數(shù)據(jù)及時可靠的傳輸?shù)降孛?，實現(xiàn)對列車車門運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控，解決了以往行信息無法遠程獲取缺陷。通過對車門運行狀態(tài)的長期監(jiān)視和統(tǒng)計分析，掌握車門的運行規(guī)律和故障趨勢，對于車門檢修模式的探討提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，使得目前車門檢修工作，由日檢、周檢、月修、里程修逐漸過渡到狀態(tài)修，挖掘零部件使用壽命，減少檢修維護工作，節(jié)約成本，具有較強的實用性與推廣應(yīng)用價值。