地鐵車門PHM系統(tǒng)應用

文/高偉民、茅飛

地鐵車門作為直接關系乘客安全的核心部件，是軌道交通系統(tǒng)設備中重要的子系統(tǒng)，其可靠性和安全性一直是運營、維修管理部門重點關注的問題。因軌道交通運營站距短，車門開、閉極其頻繁，機電部件長期頻繁運轉(zhuǎn)，加上乘客干擾因素眾多，造成車門故障頻發(fā)，影響列車正常運行，耽誤乘客出行，甚至危及乘客人身安全。

據(jù)地鐵運營公司的故障數(shù)據(jù)統(tǒng)計，車門故障占列車故障總數(shù)的20%以上，在列車各子系統(tǒng)中排名靠前，一直以來針對車門系統(tǒng)檢修方法的研究都是各個地鐵公司的重點項目。得益于車門運行數(shù)據(jù)采集、傳輸，分析診斷，使得實現(xiàn)車門故障預測和健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）系統(tǒng)成為可能。該系統(tǒng)通過提前對車門系統(tǒng)的健康狀態(tài)進行診斷預警，并指導維修人員提前進行相應維修，可以極大地提高地鐵車門系統(tǒng)運行可靠性、減少車門故障數(shù)量、提高運營維護水平、降低運營維護成本、改善地鐵運營秩序。

車門PHM系統(tǒng)應用

圖1 軌道車輛車門系統(tǒng)工作原理圖

地鐵車門系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，由門控器控制驅(qū)動電機，電機驅(qū)動傳動絲桿和螺母來帶動門扇運動，實現(xiàn)門的開或關動作。雖然車門工作原理較為簡單，但是為保證車門在車輛運行過程中安全可靠，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計復雜、機電耦合性強，再加上影響因素多、門開關頻繁等，使得門系統(tǒng)維保工作量巨大。

傳統(tǒng)的車門檢修分為故障修和預防修。故障修就是車門運行過程中發(fā)生了故障，然后再進行維修屬于事后維修，該種維修只能依據(jù)列車司機對故障的描述以及車門控制器中較少的狀態(tài)記錄來進行故障定位及維修，由于很多車門故障屬于偶然發(fā)生，與車門當時所處于的狀態(tài)有關，事后很難復現(xiàn)，列車司機的描述又有可能不是很清楚，所以故障定位很困難，這也給故障檢修造成了很大的困擾。

另外一種則是預防修，顧名思義預防修就是事前維修，預防修屬于計劃修范疇。目前由于缺乏車門狀態(tài)的及時診斷及預測，預防修就只能通過人為目測（檢查螺紋劃線是否變化等）或者尺寸測量（測量門調(diào)整尺寸V型、對中等）的方式來進行周期性的檢查，比如日檢、月檢、年檢之類的，又或者在某組件發(fā)生問題后，預防性的更換其他未發(fā)生問題的組件，這種預防性的維修浪費大量的人力并且耗費大量的資源。

車門PHM系統(tǒng)通過內(nèi)置在門控器中的傳感器，采集大量車門運行過程中的數(shù)據(jù)，如車門運行速度、電機電流、門控器的輸入輸出信號等信息，這些信息利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實時傳輸?shù)降罔F公司大數(shù)據(jù)中心。專業(yè)人員可以借助這些數(shù)據(jù)分析故障原因快速定位故障部件。并基于數(shù)據(jù)與故障間關聯(lián)關系以及數(shù)據(jù)的趨勢變化建立了車門的專家系統(tǒng)，實現(xiàn)對車門的狀態(tài)修，就是基于車門狀態(tài)進行的維修，這樣就能大大減少不必要的人力及資源消耗。

上述的車門PHM系統(tǒng)如圖2所示，主要由被測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集傳輸、故障診斷與健康評估以及健康管理與維修決策組成，具體介紹如下。

圖2 車門PHM系統(tǒng)框架圖

（1）被測系統(tǒng)：被測系統(tǒng)實際上就是應用PHM的系統(tǒng)，是我們需要對其進行健康評估與診斷的系統(tǒng)，本文指的就是地鐵車門系統(tǒng)。

（2）數(shù)據(jù)采集傳輸：數(shù)據(jù)采集是PHM系統(tǒng)基礎部分同時也是最關鍵的部分，就像建筑材料與高樓大廈之間的關系，沒有建筑材料，再高的建筑技術(shù)也無法完成高樓大廈的建設。當然不同的建筑需要不一樣的建筑材料，車門PHM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集也是要基于地鐵車門的特點，采集能夠反映車門運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)。由于車門系統(tǒng)是機電配合系統(tǒng)，直接采集機械部分信號需要額外加裝新的傳感器，這樣就會降低系統(tǒng)的可靠性，因而系統(tǒng)通過門控器內(nèi)部傳感器直接采集車門運行數(shù)據(jù)，包括電流、轉(zhuǎn)速、門控器輸入輸出信號等，這些數(shù)據(jù)同樣能夠間接的反映車門的運行狀態(tài)，同時也不至于降低車門的可靠性。采集得到信號需要傳輸?shù)椒掌鬟M行處理診斷，這就需要一套傳輸系統(tǒng)，目前數(shù)據(jù)均通過車輛網(wǎng)關與地鐵公司間的車地通信系統(tǒng)落到地面服務器。

（3）故障診斷與健康評估：該部分主要是基于車門數(shù)據(jù)對車門狀態(tài)進行診斷。過程如圖所示，首先進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理包括異常數(shù)據(jù)過濾（采集傳輸過程產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)）、特征提取（由于原始采集的數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)干擾較多，直接對數(shù)據(jù)進行診斷準確性較差）；然后就可以對提取的特征進行診斷，車門PHM系統(tǒng)采用基于模型的方法進行故障診斷，基于模型主要是對車門機理研究后建立一些診斷規(guī)則來判斷車門狀態(tài)，比如車門關門障礙物檢測，車門遇到障礙物后會觸發(fā)電機堵轉(zhuǎn)、然后電機停止等操作，基于這些控制機理就可以診斷出該故障，另外車門PHM系統(tǒng)還采用基于數(shù)據(jù)的方法去診斷一些機理不明確，特征不明顯的車門狀態(tài)，這就需要利用數(shù)據(jù)聚類、分類算法比如KMeans、深度學習之類的，利用這種方法需要提前模擬出類似問題、利用這些數(shù)據(jù)去學習訓練，之后這些算法就可以用來判斷實際運行的數(shù)據(jù)，當前系統(tǒng)里面V型異常、對中異常等就是使用該種方法進行判斷的。

（4）健康管理與維修決策：以上所有部分其實都是為了服務車門系統(tǒng)的健康管理與維修決策，與傳統(tǒng)檢修方式不同也體現(xiàn)在該部分，傳統(tǒng)檢修只有去現(xiàn)場拆各個車門組件才能發(fā)現(xiàn)故障原因，而車門PHM通過前面的故障診斷與健康評估基本上就能確定車門的具體問題，節(jié)約車門維修時間。車門PHM的健康管理與維修決策時通過車門的歷史狀態(tài)，所謂歷史狀態(tài)就是車門的故障歷史、檢修歷史等綜合決策車門是否需要維修，該怎樣維修。比如車門關門時發(fā)生障礙物檢測問題，系統(tǒng)不會立即安排人員前去檢修，而是調(diào)出歷史數(shù)據(jù)對比發(fā)生該問題頻率、發(fā)生時段排除由于出行高峰期人員擠壓造成的障礙檢測檢測等非車門自身問題，這樣就可以減少車門的維保工作量。

目前車門PHM系統(tǒng)可以提供車門故障時的原始數(shù)據(jù)用于故障定位、可以診斷典型的故障診斷如開關門障礙物檢測、3s不解鎖、關鎖到位開關是否觸發(fā)等、可以基于歷史車門數(shù)據(jù)判斷車門機械調(diào)整參數(shù)問題如車門V型尺寸異常、對中異常、高度異常、緩沖頭磨損、全程或阻力異常等，通過粗略估算應用車門PHM系統(tǒng)可以有效節(jié)約工時20%以上。但是由于目前車門PHM系統(tǒng)還處在初級階段，數(shù)據(jù)采集、故障診斷方法以及運維決策都具有一定的局限性，因此需要結(jié)合新技術(shù)新方法繼續(xù)加強研究，使得車門故障預測能夠更加準確，這樣就能夠更加保證地鐵運行安全同時也能夠節(jié)省更多人力和資源。