杜縱縱，段龍杰，秦棟，穆廣友，吳浚豪，3

（1.上海軌道交通檢測(cè)認(rèn)證（集團(tuán)）有限公司，上海 200434；2.北京京城地鐵有限公司，北京 101312；3.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

0 引言

我國(guó)城市軌道交通線網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，目前城市軌道交通車輛保有量超過30 000 列，車輛運(yùn)營(yíng)維護(hù)與安全檢測(cè)需求快速增長(zhǎng)，需要定期對(duì)車輛部件進(jìn)行檢測(cè)，并保證檢測(cè)質(zhì)量和頻率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理已經(jīng)出現(xiàn)及潛在故障，以杜絕安全隱患。

城市軌道車輛智慧運(yùn)維研究以車輛設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)為基礎(chǔ)，將車輛關(guān)鍵系統(tǒng)、零部件的運(yùn)行狀態(tài)和剩余壽命與運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效結(jié)合分析，實(shí)現(xiàn)以故障為導(dǎo)向的被動(dòng)維修方式和計(jì)劃維修方式向以車輛全生命周期健康狀態(tài)為導(dǎo)向的狀態(tài)維修方式轉(zhuǎn)變，達(dá)到提高列車運(yùn)行突發(fā)故障的應(yīng)急處理能力、提高車輛維修效率、提高車輛的可靠性和使用率、降低車輛全生命周期維護(hù)成本的目的。

城軌車輛作為乘客的載體，其安全性、穩(wěn)定性和可靠性需要良好的維護(hù)系統(tǒng)支持。應(yīng)對(duì)車輛進(jìn)行全生命周期維修研究、了解車輛在使用期間的性能和故障規(guī)律。劉忠俊等［1］對(duì)地鐵車輛全生命周期維修策略研究，了解其故障規(guī)律，對(duì)地鐵車輛故障特點(diǎn)以及車輛維修模式和特點(diǎn)進(jìn)行分析；王朋［2］分析地鐵車輛智能檢修的重要意義和主要功能需求，并介紹了智能檢修系統(tǒng)的組成。

由于城市軌道交通車輛結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)檢測(cè)項(xiàng)點(diǎn)多、作業(yè)時(shí)間周期短、任務(wù)重，目前仍采用傳統(tǒng)派遣大量檢修人員進(jìn)行重復(fù)性安全檢測(cè)的作業(yè)模式，導(dǎo)致車底、車側(cè)等部位的安全檢測(cè)作業(yè)存在很大的人員安全隱患［3］。同時(shí)傳統(tǒng)的檢測(cè)模式存在信息傳遞不及時(shí)、數(shù)據(jù)記錄不準(zhǔn)確、檢測(cè)結(jié)果受人為因素影響大等諸多問題［4］，其作業(yè)質(zhì)量與效率難以匹配城市軌道交通快速發(fā)展的需求，無法形成標(biāo)準(zhǔn)化安全檢測(cè)模式，逐步成為制約城市軌道交通持續(xù)發(fā)展的因素，亟待進(jìn)行城市軌道交通車輛運(yùn)維檢測(cè)服務(wù)行業(yè)的智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

1 系統(tǒng)技術(shù)框架

車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)框架見圖1。

圖1 車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)框架

1.1 車輛結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)

車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)車輛結(jié)構(gòu)的狀態(tài)評(píng)估以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，根據(jù)該理論計(jì)算框架，需要獲取車輛結(jié)構(gòu)中存在缺陷（裂紋、氣孔、未熔透、未焊透等）的結(jié)構(gòu)參數(shù)。因此需要對(duì)車輛結(jié)構(gòu)關(guān)鍵位置，特別是關(guān)鍵焊縫結(jié)構(gòu)開展無損檢測(cè)，為服役結(jié)構(gòu)評(píng)估計(jì)算提供缺陷參數(shù)的依據(jù)。

傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)及局限性見表1。

表1 傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)及局限性

因傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)存在局限性，還應(yīng)運(yùn)用遠(yuǎn)場(chǎng)渦流設(shè)備對(duì)傳統(tǒng)無損檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行補(bǔ)充，遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭原理見圖2。

圖2 遠(yuǎn)場(chǎng)渦流探頭原理圖

1.2 車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)斷裂力學(xué)理論，評(píng)估車輛狀態(tài)、預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)故障需要載荷數(shù)據(jù)（載荷譜）。邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)時(shí)需要針對(duì)性獲取車輛薄弱部位的載荷數(shù)據(jù)。目前有限元分析是確定車輛結(jié)構(gòu)薄弱部位最便捷且效果較好的方法。

文獻(xiàn)［5］和文獻(xiàn)［6］對(duì)車體、轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)算，車體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析見圖3。通過加載相應(yīng)的運(yùn)行工況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算，依據(jù)計(jì)算結(jié)果，從關(guān)鍵工況中選取危險(xiǎn)點(diǎn)，確定車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度薄弱部位，為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供測(cè)點(diǎn)布置依據(jù)。

圖3 車體結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

1.3 邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)

車輛結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為獲取有效的載荷數(shù)據(jù)，通常要求對(duì)幾十甚至上百通道的傳感器進(jìn)行不低于500 Hz的實(shí)時(shí)采樣，如此大的數(shù)據(jù)帶寬、數(shù)據(jù)量，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)快速且實(shí)時(shí)采集、處理、傳輸、計(jì)算功能，必須在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)，進(jìn)行二次開發(fā)。

通過數(shù)據(jù)采集儀、加速度傳感器、應(yīng)變片等設(shè)備，邊緣計(jì)算模塊從關(guān)鍵位置監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中提取對(duì)損傷敏感的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行純健康模式的訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回歸、預(yù)測(cè)和分類，掌握車輛運(yùn)用狀態(tài)下參數(shù)的分布情況。

邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)具有以下特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：

（1）相較于傳統(tǒng)的車輛動(dòng)應(yīng)力測(cè)試，邊緣計(jì)算對(duì)車輛結(jié)構(gòu)狀態(tài)評(píng)估傳輸和響應(yīng)速度更快。

（2）可部分?jǐn)[脫網(wǎng)絡(luò)環(huán)境制約，可解決傳統(tǒng)云端計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸帶寬高、實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的缺點(diǎn)，使車輛實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和評(píng)估成為可能。

（3）邊緣計(jì)算的可擴(kuò)展性和彈性很強(qiáng)，在車輛服役的不同階段可以根據(jù)需求增加監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的傳感節(jié)點(diǎn)。

邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)見圖4。其中，SR1、SR2為5G天線用于車地?cái)?shù)據(jù)輔助通信，SR3、SR4為邊緣計(jì)算模塊用于部署邊緣計(jì)算模型，SR5、SR6 為數(shù)據(jù)采集儀用于車輛結(jié)構(gòu)狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，SR7、SR8 為傳感器用于感知車輛結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，SL1～SL4為千兆以太網(wǎng)線纜（帶屏蔽層）用于車地?cái)?shù)據(jù)傳輸，SL5、SL6 為應(yīng)變片信號(hào)電纜，SL7、SL8 為天線電纜，SL9、SL10 為加速度信號(hào)電纜。

圖4 邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.4 斷裂力學(xué)材料試驗(yàn)

斷裂力學(xué)可以對(duì)有缺陷的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行剩余強(qiáng)度和壽命及探傷周期的評(píng)估與預(yù)測(cè)，可解決傳統(tǒng)名義應(yīng)力方法無法解釋和難以解決的重大工程裝備失效破壞的內(nèi)在機(jī)理、可大幅減少惡性事故的發(fā)生，形成一系列公認(rèn)的服役評(píng)估規(guī)范，如英國(guó)的BS 7910：2019《Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures》［7］和我國(guó)的GB/T 19624—2019《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》。同時(shí)，基于斷裂力學(xué)的損傷容限也相繼被國(guó)際、國(guó)內(nèi)和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)吸納，被普遍認(rèn)為是繼名義應(yīng)力方法后下一代重大裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與服役評(píng)估的先進(jìn)方法。

目前，斷裂力學(xué)已在化工機(jī)械、核電管道、航空航天、遠(yuǎn)洋船舶、深海艦船等關(guān)系國(guó)防和經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略安全領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并最終形成一種有別于傳統(tǒng)疲勞評(píng)估理論的新方法，得到工程界的廣泛認(rèn)可［8］。

基于母材與焊接接頭的斷裂力學(xué)性能參數(shù)是控制車輛結(jié)構(gòu)裂紋的關(guān)鍵因素之一，因此有必要引入材料斷裂力學(xué)性能分析試驗(yàn)方法，進(jìn)行焊縫斷裂韌性試驗(yàn)以及焊縫裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)。斷裂韌性是在疲勞載荷作用下，材料對(duì)于斷裂顯示的阻抗值，對(duì)于估算裂紋體疲勞壽命有重要作用；疲勞裂紋擴(kuò)展速率是在疲勞載荷作用下，裂紋長(zhǎng)度a隨循環(huán)周次N的變化率，反映裂紋擴(kuò)展速度，對(duì)估算裂紋體疲勞壽命有重要作用，該試驗(yàn)結(jié)果為車輛結(jié)構(gòu)壽命計(jì)算提供參數(shù)輸入。

通過檢查關(guān)鍵結(jié)構(gòu)力學(xué)性能并進(jìn)行參數(shù)校驗(yàn)，可以為后續(xù)缺陷原因分析和疲勞計(jì)算提供數(shù)據(jù)支撐。

1.5 基于斷裂力學(xué)車輛結(jié)構(gòu)服役狀態(tài)評(píng)估

根據(jù)BS 7910：2019 標(biāo)準(zhǔn)，引入針對(duì)缺陷的斷裂力學(xué)疲勞分析方法，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

基于斷裂力學(xué)方法，研究裂紋的擴(kuò)展過程，同時(shí)考慮脆性斷裂與塑性失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，以材料、結(jié)構(gòu)、缺陷、應(yīng)力參數(shù)為基礎(chǔ)，定量計(jì)算裂紋擴(kuò)展，綜合評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的剩余使用壽命，斷裂力學(xué)服役評(píng)估技術(shù)方案見圖5。在各項(xiàng)計(jì)算過程中均做出保守性假設(shè)，可確保服役分析的安全性［9］。

圖5 斷裂力學(xué)服役評(píng)估技術(shù)方案

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)裝備由感知層、采集層、計(jì)算層、傳輸層4個(gè)部分組成。設(shè)備通過傳感器感知車輛結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集儀采集記錄產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，邊緣計(jì)算模塊根據(jù)關(guān)鍵位置的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定關(guān)鍵參數(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)回歸、預(yù)測(cè)和分類，并對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行服役狀態(tài)評(píng)估，最后通過EUTH 或5G 將計(jì)算結(jié)果傳送至數(shù)據(jù)中心，車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成見圖6。

圖6 車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

系統(tǒng)應(yīng)用泛在感知、邊緣計(jì)算、多元耦合等智能技術(shù)，從全生命周期視角跟蹤車輛結(jié)構(gòu)的服役安全，確定車輛結(jié)構(gòu)（車體和轉(zhuǎn)向架）缺陷的實(shí)際狀態(tài)，對(duì)可能造成的隱患進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警，最終實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛智能維護(hù)下的預(yù)測(cè)性狀態(tài)修［10］。

3 系統(tǒng)部署與應(yīng)用

3.1 裝車方案

系統(tǒng)以北京某地鐵線路為應(yīng)用對(duì)象，開展監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的部署和典型應(yīng)用。示例車體及轉(zhuǎn)向架見圖7。

圖7 示例車體及轉(zhuǎn)向架（涂黑部分）

監(jiān)測(cè)對(duì)象包含1 節(jié)頭車、1 節(jié)中間車的車體和轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)，主要硬件設(shè)備包含傳感器（應(yīng)變片、加速度計(jì)）、邊緣計(jì)算主機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、信號(hào)線等，需要向車下監(jiān)測(cè)設(shè)備提供電源，應(yīng)變片貼片位置需要脫漆處理。

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝部署見圖8。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝部署

基于Labview 開發(fā)了車載數(shù)據(jù)處理軟件和地面服務(wù)器客戶端軟件，車載數(shù)據(jù)處理軟件可對(duì)采集到的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，得到關(guān)鍵位置應(yīng)力譜、結(jié)構(gòu)損傷敏感參數(shù)等預(yù)警信息；通過地面客戶端軟件的斷裂力學(xué)評(píng)估模型可階段性的對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行服役評(píng)估。軟件界面見圖9。

圖9 軟件界面

3.2 監(jiān)測(cè)周期與系統(tǒng)維護(hù)

監(jiān)測(cè)工作配合車輛的廠修工作開展，每次廠修前后各監(jiān)測(cè)半年時(shí)間，以對(duì)比廠修前后的車輛結(jié)構(gòu)服役一致性，以及不同服役階段的車輛結(jié)構(gòu)健康履歷信息。

（1）可靠性：應(yīng)變片的固定一般使用快干膠進(jìn)行粘接，封裝膠水進(jìn)行防護(hù)，使用膠水的性能直接影響應(yīng)變片是否容易脫落和可靠性。采用HBM 專門為粘貼應(yīng)變片和封裝開發(fā)的專業(yè)膠水、專業(yè)粘接工藝，可使應(yīng)變片可靠工作3年以上。

（2）耐久性：HBM 應(yīng)變片加載周期高達(dá)1 億次，依據(jù)累計(jì)損傷理論，通常軌道車輛循環(huán)載荷超過1 000 萬次視為“無限壽命”，因此應(yīng)變片自身的壽命可以滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。

4 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

結(jié)合1.1—1.4節(jié)中所述技術(shù)獲取的該地鐵列車材料參數(shù)、缺陷情況、正線運(yùn)營(yíng)獲取的動(dòng)應(yīng)力等數(shù)據(jù)，對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行服役安全評(píng)估，實(shí)際案例分析路線見圖10。

圖10 實(shí)際案例分析路線

以車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在某地鐵中的實(shí)際應(yīng)用為例，通過車體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有限元分析及車輛結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)獲取車體結(jié)構(gòu)信息，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力測(cè)試布點(diǎn)，以測(cè)試車輛正式運(yùn)營(yíng)狀態(tài)編組，在該車輛實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力監(jiān)測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后，將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行去零漂、去毛刺、數(shù)據(jù)濾波等處理，運(yùn)用雨流計(jì)數(shù)法進(jìn)行計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)，編制成應(yīng)力譜［9］。

將材料分析試驗(yàn)所得材料力學(xué)性能參數(shù)及雨流計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)應(yīng)力譜作為數(shù)據(jù)輸入，依照BS 7910：2019進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)評(píng)估。

BS 7910：2019 中，采用Paris 公式計(jì)算裂紋擴(kuò)展〔見式（1）〕。

式中：a為裂紋尺寸；N為循環(huán)次數(shù)；A、m為焊縫材料固有參數(shù)，ΔK為應(yīng)力強(qiáng)度因子變化范圍。

根據(jù)BS 7910：2019中7.3.3節(jié)，計(jì)算裂紋擴(kuò)展的失效評(píng)定曲線。根據(jù)FAC 曲線函數(shù)式〔見式（2）〕，代入材料參數(shù)，繪制FAC曲線（見圖11）。

圖11 FAC曲線

式中：Lr為載荷比。

根據(jù)上述裂紋擴(kuò)展公式及失效評(píng)定圖，可以對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。

該地鐵車輛車體端墻上門角焊縫結(jié)構(gòu)1 處缺陷的壽命預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果見圖12。從圖12 中可知，當(dāng)裂紋擴(kuò)展至3.19 mm 時(shí)，評(píng)估點(diǎn)位于評(píng)定線外，表明該缺陷可能會(huì)發(fā)生斷裂失效，此時(shí)的裂紋擴(kuò)展壽命為22.8 年。車體設(shè)計(jì)壽命30 年（按每年100 000 km 進(jìn)行設(shè)計(jì)），后續(xù)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注該測(cè)點(diǎn)區(qū)域，并及時(shí)采取補(bǔ)強(qiáng)措施。

圖12 壽命預(yù)測(cè)評(píng)估結(jié)果

5 結(jié)束語

超大城市軌道交通智慧運(yùn)維對(duì)車輛車體、走行部關(guān)鍵承載部件的服役安全提出新要求，在傳統(tǒng)車輛結(jié)構(gòu)無損檢測(cè)、車輛結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，提出將斷裂力學(xué)理論與邊緣計(jì)算技術(shù)相結(jié)合構(gòu)建的基于斷裂力學(xué)的車輛結(jié)構(gòu)邊緣計(jì)算在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析相關(guān)的技術(shù)內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)。基于此系統(tǒng)，可對(duì)車輛關(guān)鍵承載結(jié)構(gòu)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)和服役安全性評(píng)估，跟蹤車輛結(jié)構(gòu)全生命周期的服役安全，建立車輛結(jié)構(gòu)健康履歷，為車輛結(jié)構(gòu)全生命周期的維護(hù)、保養(yǎng)和延壽提供數(shù)據(jù)支撐。