基于機車數據庫系統的海外電力機車電氣系統優化

梁興元，木合塔爾·莎根迪，加玉濤

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲412001；2.中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

在海外批量電力機車電氣系統項目技術支持過程中，遇到了溝通不暢、人力不足、變更頻繁、海外客戶項目管理制度缺乏且與國內管理制度差異大等重重困難[1]。基于海外電力機車電氣系統項目特點，需要一個科學、高效的數據庫決策支持系統輔助開展電氣系統產品優化、功能優化、運行狀態監視等工作。以此系統為基礎科學高效地實現海外電力機車電氣系統相關故障技術分析、優化改進及現場維護等工作。

1 機車數據庫系統組成及功能簡介

機車數據庫系統結構由車載設備（WTD、網絡控制系統、傳動控制單元、電度表等）數據、數據集市、地面數據庫服務器、前端工具等部分組成，如圖1所示。

圖1 數據庫系統體系結構

鑒于軌道交通電氣系統產品特點，對車載數據源及數據結構進行簡要描述。

數據源：是數據庫系統的基礎，是整個系統的數據源泉[2]。機車數據庫系統的數據源是由車載WTD裝置、網絡控制系統、傳動控制單元等設備提供的條件量數據（Monitoring data）、嚴重故障數據（Event history）、事件記錄數據（Blackbox data）、能量文件數據（Energy data）、緊急短消息（Emergency message）數據等組成。并通過機務段內WIFI點或GPRS通信模式將條件量、能量文件、嚴重故障記錄數據、事件記錄數據等遠程下載至數據庫服務器中，供系統后臺軟件完成解析、統計等業務功能。

2 技術決策支持功能

機車數據庫系統在機車上線運營之初就已建立，作為一個決策支持環境，為管理部門提供了一個統一的數據視圖，使得各部門能夠更方便地完成對公用數據的查詢和分析[2]。

通過數據庫系統使決策者可以相當容易地根據已獲得的數據，運用定量分析與定性分析相結合的技術，從多個側面對系統內部運行過程進行分析、評價和判斷。使得決策人在做出諸如硬件批量改造、軟件優化效果確認等重大的決策之前，能夠對歷史數據和其他相關數據進行科學和有效的分析，避免因決策失誤造成不必要的損失。

3 緊急短消息、數據點播下載功能

機車在運行過程中可能會出現火災、鎖軸故障、運行超速、緊急制動施加等嚴重緊急事件，此類事件一旦發生會產生非常惡劣影響或造成重大財產損失、人員傷亡，此類事件一旦發生需第一時間傳遞信息給相關人員。

緊急短消息激活條件定義如下：

1）緊急按鈕動作；

2）緊急制動施加且機車速度大于5 km/h；

3）火宅報警；

4）軸溫報警；

5）自動降弓激活；

6）鎖軸故障激活；

7）無人警惕懲罰制動激活；

8）機車超速；

緊急短消息數據示例如表1。

表1 緊急短消息數據示例

同時系統具備數據遠程點播下載功能，當發生嚴重事件時，可通過遠程點播功能，及時下載故障時刻的數據，實現最快速度獲取故障時刻數據，故障分析人員可以快速定位故障發生原因，為故障處理提供最為及時的處理建議，盡最大程度降低故障帶來的影響。

4 基于數據庫系統電氣系統優化實例

4.1 緊急短消息、數據點播下載功能在鎖軸故障誤報優化中的應用

機車運行過程中存在軸抱死故障的可能，從鎖軸控制原理分析，一般分為“真鎖軸”和“假鎖軸”兩種情況。所謂“真鎖軸”就是真正的動輪抱死，此種情況一般是由于動輪軸承和牽引電機軸承故障，牽引齒輪卡滯等情況引起。該種情況輪對從滾動摩擦變為滑動摩擦，輕則造成輪對擦傷，重則引起機車脫線、顛覆等惡性事故。所謂“假鎖軸”就是動軸沒有真正固死的情況下，而被判定為軸固死，進行軸固死對應保護，導致機車可用性變差，造成不必要的機破及惡劣影響。

考慮到鎖軸故障的嚴重性和危害性，根據機車數據庫系統設定的規則，一旦發生鎖軸故障，需第一時間通過WTD裝置向地面服務器傳輸發送故障時刻的緊急短消息，如故障時刻、運行速度、GPS經緯度坐標、牽引或制動狀態、網壓、網流等，用于跟蹤跟進鎖軸故障狀態。在鎖軸故障判斷優化過程中，結合了數據庫系統的緊急短消息及數據點播下載功能。當數據庫系統接收到鎖軸故障緊急短消息后，地面服務器可及時傳遞數據下載命令到故障機車，獲得對應故障時刻的嚴重故障數據、事件記錄數據。

S024號機車在運用過程中報出“鎖軸”故障，經過對故障時刻嚴重故障數據、事件記錄數據解析，獲得故障時刻機車速度及對應的GPS坐標。

通過分析，確認S024號機車在故障時刻處于制動工況，其中有三個軸速度明顯低于整車綜合速度，在牽引時有三個軸的速度明顯高于機車綜合速度。

根據對誤報鎖軸故障的S024號機車數據分析，報出鎖軸故障時刻整列車運行于彎道，見圖2 GPS坐標標記定位標志，出現了空轉。空轉表現為速度緩慢上升，并最終在控制程序的影響下建立了動態平衡。使得發生空轉的輪對在短時間內維持在一個固定差值（6 km/h）上，粘著程序的保護門檻值，發生故障時特殊工況建立了平衡。

圖2 根據S024號機車GPS坐標確定報鎖軸故障時刻機車所處位置為彎道

而鎖軸故障判斷的條件為單軸速度與機車綜合速度差值大于5 km/h并持續超過10 s，則被認為鎖軸故障發生。在機車運行于彎道時出現的6 km/h差值能夠滿足鎖軸故障判定條件，所以報出鎖軸故障。

通過程序分析確認，鎖軸故障判斷門檻與粘著控制門檻沖突，導致鎖軸故障誤報發生，因此，定性為假鎖軸，為故障誤報。經過軟件優化改進，大幅度降低鎖軸故障誤報概率。

4.2 GPS、GSM上線率質量提升應用實例

GPS和GSM信號均為無線信號，看不見摸不著，且硬件設備離散分布于200臺電力機車上，運用于海外鐵路線上。GPS、GSM信號是否穩定、可靠直接影響到機車位置定位和車載數據向地面傳輸的穩定、可靠，決定了數據庫系統數據的質量，影響到機車運行狀態的監控。

S型電力機車上線運營初期，GPS、GSM上線率偏低，為了改善GPS、GSM上線率，鑒于GSM信號強弱與實際地理位置強相關的特點及結合機車離散分布的實際情況，確定通過機車數據庫系統監測的方法查找GPS、GSM上線率低的原因。主要通過以下方法實現：

數據庫系統服務器使用ping（Packet Internet Groper，因特網包探索器）命令周期性（1 min）與車載WTD裝置進行通信，通過ping通次數占總的ping命令發出次數的百分比評估車載WTD裝置GSM信號上線率。能量數據（Energy data）包含了GPS坐標等信息，能量數據每隔5 min通過GSM傳遞至數據庫系統，通過批量解析一天時間內GPS坐標信息評判GPS上線率。每臺車每天的GSM、GPS上線率被劃分為90% ～100%，70% ～90%，0～70%，未知狀態四個等級，實現GSM、GPS上線率指標評判量化，以GPS上線率提升為例，見表2。

4.2.1 GPS上線率日報示例（表2）

表2 機車GPS上線率日報統計示例

4.2.2 GPS上線率穩定性提升

根據機車數據庫系統的GPS上線率日報統計，S型機車GPS上線率處于“90%～100%”的僅占機車總數的58%。經過故障分析及排查，確定WTD裝置無線主控板軟件是原因之一，對此軟件進行了優化，并在現場進行了批量優化升級。隨著優化軟件更新車輛的不斷增多，S型機車GPS上線率不斷提升，GPS上線率由批量升級之初的58%上升至75%，上線率顯著提升，具體數據見表4及圖3。

表4 機車GPS上線率統計

圖3 90%～100%的GPS上線率統計跟蹤

4.3 能量管理系統數據質量提升實例

能量管理系統涉及地面服務器和車載設備。其中車載設備包括車載電度表、WTD裝置、傳動控制單元、網絡控制系統，各設備間相互配合，完成能量、公里數等數據的記錄、融合、管理和傳輸。多設備、多環節、多接口，某個設備、環節、接口出問題，則造成能量、公里數等數據異常。能量、公里數等數據是能量管理系統的根源，一旦某臺車或幾臺車出現異常時，將會對整個數據庫系統造成污染，導致統計數據失真，因此能量管理系統數據質量提升是必行之路。

對能量管理系統數據質量提升，主要是通過機車數據庫系統對已記錄數據設定規則，通過設定的規則檢驗記錄的數據是否存在錯誤，以此評判機車能量管理系統數據的質量，并基于機車數據庫系統所記錄到的錯誤信息進行數據質量提升，從而實現能量管理系統的優化。能量管理系統設定錯誤判斷規則如表5所列。

表5 能量管理系統數據錯誤判斷規則表

根據數據庫系統識別到的能量數據原始錯誤，對有數據異常的機車有針對性的進行異常排查。

經過近2年時間的能量管理系統數據質量提升專項工作，數據質量大幅提升，能量管理系統的錯誤數據大幅下降。2016年4月18日至2018年3月11日能量管理數據錯誤統計如圖4所示。

圖4 能量管理系統錯誤數據統計（2016年4月18日至2018年3月11日）

5 展望

海外項目的技術支持和維保維護是一個系統工程，通過對機車數據庫系統積累的數據建模，提煉維保維護的有效信息，獲得維保的基礎信息，以此為基礎，對海外電力機車電氣系統維保維護全面管理[3]。

隨著時間的推移，機車數據庫系統積累的數據會越來越充分，能夠為決策提供的信息會越來越有效，也為電氣系統研究提供數據支撐。

隨著海外批量電力機車、動車、城軌項目的不斷增多，海外電氣系統技術支持將會越來越多，難度也越來越大，成本越來越高。

在技術支持、維保維護方面機車數據庫系統的應用，將會大幅提升服務效率和帶來顯著的經濟效益。

6 結語

本文探討了批量海外電力機車項目技術支持和維保維護存在的困難，簡要闡述了機車數據庫系統在出口海外電力機車電氣系統優化改進及現場維護應用過程中的重要性，介紹了電力機車數據庫系統組成及車載數據，在海外電力機車電氣系統應用實踐過程中基于機車數據庫系統進行了WTD裝置GPS、GSM上線率提升、能量管理系統優化等實踐應用，總結如下：

（1）數據庫系統的使用消除了時間和距離的限制。大大提高了與地域線路相關故障的分析、處理效率，大幅降低海外項目的優化改進、維護成本，與傳統服務對比，服務成本可降低至1/3，并且數據庫系統的數據更為全面；

（2）數據結構化、有序、穩定存儲，數據隨時間的累積，所展現出的效果明顯；

（3）數據庫系統的數據共享性高，海外業主與供應商共同使用，作為海外業主與供應商之間溝通的橋梁，實現了高效溝通，技術支持等工作得以高效開展。

在海外批量電力機車電氣系統質量提升過程中數據庫系統的應用經驗值得借鑒。