車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)

高 臻 王 翯 齊海娟 展愛(ài)花 陳 竹

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，100068，北京；2.城市軌道交通全自動(dòng)運(yùn)行系統(tǒng)與安全監(jiān)控北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100068，北京；3.北京市數(shù)字交通樞紐工程技術(shù)研究中心，100095，北京；4.北京競(jìng)業(yè)達(dá)沃凱森科技有限公司，100095，北京//第一作者，工程師)

隨著最新軌道交通裝備技術(shù)的使用，軌道交通裝備及系統(tǒng)的復(fù)雜化、綜合化、智能化程度不斷提高。隨著軌道交通裝備及系統(tǒng)的組成環(huán)節(jié)和影響因素的增加，其研制、生產(chǎn)、維護(hù)和保障的成本越來(lái)越高，發(fā)生故障和功能失效的幾率越來(lái)越大。因此，軌道交通裝備及系統(tǒng)的故障診斷和維護(hù)逐漸成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。綜合考慮軌道交通裝備及系統(tǒng)的可靠性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，以預(yù)測(cè)技術(shù)為核心的故障預(yù)測(cè)和健康管理(PHM)策略獲得更多的重視和應(yīng)用，成為自主式后勤保障系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)[1]。

故障預(yù)測(cè)是健康評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的過(guò)程，能夠確定系統(tǒng)當(dāng)前處于健康退化過(guò)程中的哪一個(gè)狀態(tài)，如正常工作狀態(tài)、效率下降狀態(tài)還是故障狀態(tài)，并能根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前健康狀態(tài)及合適的狀態(tài)退化模型，預(yù)測(cè)系統(tǒng)剩余使用壽命(RUL)。健康管理是根據(jù)診斷/預(yù)測(cè)結(jié)果，結(jié)合可用維修資源和使用需求，作出適當(dāng)決策的過(guò)程。故障預(yù)測(cè)和健康管理側(cè)重于評(píng)估故障發(fā)生的影響，通過(guò)維修管理減少損失。[2]

本文介紹的車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)，運(yùn)用PHM策略，將運(yùn)營(yíng)、檢修人員、設(shè)備、環(huán)境納入?yún)^(qū)域性的物聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)對(duì)車(chē)輛基地內(nèi)重要機(jī)電設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵、電梯等)、重要通信設(shè)備(如攝像頭、交換機(jī))、重要自動(dòng)化設(shè)備(如軌旁設(shè)備、車(chē)載設(shè)備等)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)獲取設(shè)備狀態(tài)信息，對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障預(yù)測(cè)和健康管理。

1 車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)，綜合利用多種一體化數(shù)字傳感器采集多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)(LoRaWAN)實(shí)現(xiàn)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳，依托監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾、分析、判別設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測(cè)參數(shù)，反向判別設(shè)備故障類(lèi)型，從而多維度構(gòu)成設(shè)備健康評(píng)價(jià)模型，為制定檢修計(jì)劃排程和部件更換提供依據(jù)。具體目標(biāo)如下：

1)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控。通過(guò)感知設(shè)備獲得設(shè)備運(yùn)行的直接數(shù)據(jù)，監(jiān)控設(shè)備的位置狀態(tài)。

2)預(yù)測(cè)性診斷及維護(hù)。通過(guò)獨(dú)立采集機(jī)電設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)真實(shí)狀態(tài)新型，對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性診斷及維護(hù)。

3)健康狀態(tài)跟蹤。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行長(zhǎng)期的、實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)跟蹤。

4)超系統(tǒng)補(bǔ)充。對(duì)系統(tǒng)無(wú)法直接獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行超系統(tǒng)補(bǔ)充。

5)報(bào)警機(jī)制優(yōu)化。通過(guò)系統(tǒng)的及時(shí)報(bào)警，提高場(chǎng)地的安全報(bào)警機(jī)制。

6)管理策略優(yōu)化。通過(guò)接口直接關(guān)聯(lián)設(shè)備維護(hù)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)智能、優(yōu)化的維護(hù)管理。

2 車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 受電弓的基本結(jié)構(gòu)

MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))是智能化時(shí)代的核心交互器件，集微型傳感器、執(zhí)行器，以及信號(hào)處理和控制電路、接口電路、通信和電源于一體。MEMS技術(shù)是典型的多學(xué)科交叉的前沿技術(shù)，涉及到自然科學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域。[3]MEMS傳感器也成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域智能終端的核心。

MEMS傳感器采用刻蝕加工工藝將機(jī)械及電子器件封裝在一塊小芯片上，體積小，幾乎不受地球引力，受外界環(huán)境影響小，無(wú)需標(biāo)定；輸出為全數(shù)字信號(hào)，便于分析、處理。基于此，采用MEMS傳感器可有效保證系統(tǒng)低功耗運(yùn)行，保證實(shí)現(xiàn)無(wú)損安裝，不破壞機(jī)電設(shè)備原有結(jié)構(gòu)。

車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)以MEMS傳感器作為智能終端，內(nèi)置算法及模型，采集機(jī)電設(shè)備的物理狀態(tài)特征，并對(duì)采集的特征進(jìn)行一次運(yùn)算，過(guò)濾敏感信息，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)負(fù)載的輕量化，并將運(yùn)算結(jié)果上傳至基站。

2.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)是由3GPP(第三代伙伴計(jì)劃協(xié)議)標(biāo)準(zhǔn)化組織定義的一種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是一種專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的窄帶射頻技術(shù)，以室內(nèi)覆蓋、低成本、低功耗和廣連接為特點(diǎn)。這種技術(shù)可應(yīng)用于GSM(全球移動(dòng)通信)網(wǎng)絡(luò)和LTE(長(zhǎng)期演進(jìn))網(wǎng)絡(luò)[4]。

窄帶物聯(lián)網(wǎng)具有長(zhǎng)距離、多節(jié)點(diǎn)數(shù)、低功耗、自組網(wǎng)，以及維護(hù)成本低、私密性強(qiáng)、適用于電池供電等特點(diǎn)。車(chē)輛段基地的機(jī)電設(shè)備、重要通信設(shè)備分布范圍廣、數(shù)量大、監(jiān)測(cè)點(diǎn)位多，而且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有時(shí)間間隔性，因此對(duì)采集設(shè)備及數(shù)據(jù)提出高性能、遠(yuǎn)距離、低功耗、支持大規(guī)模節(jié)點(diǎn)數(shù)量等要求。基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)首次在車(chē)輛段基地環(huán)境下應(yīng)用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，旨在通過(guò)窄帶物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備、重要通信設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的上傳。窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信流程如圖1所示。

圖1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信流程

2.3 設(shè)備設(shè)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)預(yù)警包括對(duì)車(chē)輛基地內(nèi)重要機(jī)電設(shè)備(如風(fēng)機(jī)、空調(diào)、水泵、電梯等)、重要自動(dòng)化設(shè)備(如軌旁設(shè)備、車(chē)載設(shè)備等)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。綜合利用各類(lèi)MEMS傳感器采集多源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，建立實(shí)時(shí)的狀態(tài)趨勢(shì)及故障預(yù)警模型。依托監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)濾、分析、判別設(shè)備運(yùn)行參數(shù)等，反向判別設(shè)備故障類(lèi)型，多維度創(chuàng)建設(shè)備健康評(píng)價(jià)體系，為制定檢修計(jì)劃排程和部件更換提供依據(jù)。通過(guò)與已有的模型庫(kù)或自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，分析、判斷、預(yù)警設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和故障風(fēng)險(xiǎn)。

車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)建立預(yù)警分析模型，通過(guò)FMEA(失效模式與影響分析)風(fēng)險(xiǎn)分析和報(bào)警、故障、異常、運(yùn)行數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)歸集，運(yùn)用RCM(以可靠性為中心的維修)分析模型確定設(shè)備維修策略、維修周期和維修內(nèi)容，包括維修策略決策、維修時(shí)機(jī)決策、設(shè)備維修項(xiàng)目決策3個(gè)部分。針對(duì)故障異常的現(xiàn)象和報(bào)警采用動(dòng)態(tài)的FTA(故障樹(shù)分析)決策樹(shù)，定位可能的故障原因和部位；按照零部件壽命周期預(yù)警提出需要更換檢查的零部件清單，結(jié)合設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果，提出計(jì)劃維修的檢查項(xiàng)目和維修更換內(nèi)容。圖2為設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)處理流程。

圖2 設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)處理流程示意圖

以電機(jī)軸承監(jiān)測(cè)為例(見(jiàn)圖3)，采用MEMS傳感器監(jiān)測(cè)電機(jī)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)情況，融合邊緣計(jì)算技術(shù)，對(duì)軸承在工作環(huán)境下沖擊與振動(dòng)參數(shù)進(jìn)行采集、處理、計(jì)算并提取出軸承的故障特征倍頻。硬件端完成分析后，將計(jì)算后的健康特征送至服務(wù)端處理、收集、建模。

2.4 全壽命周期管理

在傳統(tǒng)管理模式中，主要重視設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)管理，對(duì)設(shè)備的采購(gòu)信息、安裝信息及維護(hù)信息等內(nèi)容沒(méi)有加以有效管理，因此在設(shè)備運(yùn)行的管理過(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)一定的問(wèn)題。傳統(tǒng)管理模式中，設(shè)備維修制度采用的是計(jì)劃修，這容易導(dǎo)致設(shè)備與檢修周期之間無(wú)法相互匹配，進(jìn)一步會(huì)出現(xiàn)設(shè)備缺少修理或設(shè)備維護(hù)過(guò)度的情況，從而增加管理及維護(hù)成本。[5]

圖3 電機(jī)軸承監(jiān)測(cè)結(jié)果截圖

設(shè)備全壽命周期管理主要利用車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，建立基于維修全壽命狀態(tài)跟蹤及管理機(jī)制的信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電客車(chē)、工程車(chē)、車(chē)輛工藝等設(shè)備的日常運(yùn)營(yíng)、日常維護(hù)等管理，提高生產(chǎn)效率，做到過(guò)程可監(jiān)控、可追溯，故障可預(yù)測(cè)、可預(yù)防，結(jié)果可統(tǒng)計(jì)、可輸出。

3 車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)功能及應(yīng)用

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的選取原則

車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取原則如下：

1)典型性試點(diǎn)監(jiān)測(cè)。針對(duì)攝像機(jī)、配電箱、井蓋、緊急求助報(bào)警按鈕、滅火器、消火栓，以3%～10%的比例將各系統(tǒng)點(diǎn)位作為物聯(lián)網(wǎng)的典型試點(diǎn)應(yīng)用。

2)子系統(tǒng)維修難點(diǎn)監(jiān)測(cè)。選取高大空間安裝的、不易檢修的風(fēng)機(jī)(雙速軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī))為監(jiān)測(cè)對(duì)象，進(jìn)行監(jiān)測(cè)并作出預(yù)測(cè)報(bào)警。

3)子系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。選取風(fēng)機(jī)、水泵、機(jī)房整體環(huán)境等子系統(tǒng)整體作為研究對(duì)象，進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

1)機(jī)電設(shè)備-暖通設(shè)備監(jiān)測(cè)。風(fēng)機(jī)智能監(jiān)測(cè)模塊對(duì)高大空間安裝的、不易檢修風(fēng)機(jī)(雙速軸流風(fēng)機(jī)、軸流風(fēng)機(jī)、射流風(fēng)機(jī))的電機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)因風(fēng)機(jī)運(yùn)行磨損、安裝固定失效等引起的風(fēng)機(jī)振動(dòng)異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)并作出預(yù)測(cè)報(bào)警；水泵智能監(jiān)測(cè)模塊對(duì)供暖系統(tǒng)水泵的電機(jī)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)因水泵運(yùn)行磨損、固定失效等引起的振動(dòng)異常進(jìn)行監(jiān)測(cè)并作出預(yù)測(cè)報(bào)警。

2)機(jī)電設(shè)備-機(jī)房監(jiān)測(cè)。控UPS(不間斷電源)主機(jī)柜智能監(jiān)測(cè)模塊利用熱像原理對(duì)UPS主機(jī)柜的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，提高UPS的安全保障；機(jī)房溫濕度智能監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)的溫度、濕度，保證機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的正常工作環(huán)境；機(jī)房PM0.5-10智能監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)機(jī)房?jī)?nèi)的PM0.5-10，保證機(jī)房正常的工作環(huán)境；機(jī)房漏水智能監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)機(jī)房是否有漏水，以保證機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備安全。

3)機(jī)電設(shè)備-弱電設(shè)備。電子遠(yuǎn)程水表監(jiān)測(cè)模塊、電表監(jiān)測(cè)模塊和燃?xì)獗肀O(jiān)測(cè)模塊的計(jì)量設(shè)備需為電子計(jì)量，帶有modbus通信接口，通過(guò)安裝節(jié)點(diǎn)通信模塊，定期傳輸至設(shè)備設(shè)施監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用

1)監(jiān)測(cè)預(yù)警。可對(duì)車(chē)輛基地內(nèi)的風(fēng)機(jī)、水泵、空調(diào)等設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、異常檢測(cè)、故障預(yù)警推送。

2)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)。對(duì)實(shí)時(shí)(幀間隔10 s)、周期、逢變上報(bào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，可按照時(shí)間、故障類(lèi)型等進(jìn)行查詢，并可對(duì)故障等數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3)設(shè)備失效分析。通過(guò)對(duì)機(jī)電設(shè)備的溫度、振動(dòng)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，形成頻譜或趨勢(shì)圖，對(duì)圖譜中的數(shù)據(jù)跳變、偏移、趨勢(shì)等進(jìn)行分析，可預(yù)測(cè)設(shè)備失效。趨勢(shì)分析示例如圖4所示。

圖4 車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)趨勢(shì)分析截圖

4 結(jié)語(yǔ)

車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備故障監(jiān)測(cè)及診斷系統(tǒng)，一方面可準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)車(chē)輛基地機(jī)電設(shè)備潛在故障的發(fā)生、發(fā)展和轉(zhuǎn)移，智能地診斷出設(shè)備故障原因與嚴(yán)重程度，并對(duì)故障進(jìn)行預(yù)測(cè)分級(jí)，維修人員可根據(jù)預(yù)警提示設(shè)備失效程度以及剩余壽命開(kāi)展下一步維檢修工作，提高設(shè)備運(yùn)行安全性，從而節(jié)約維修費(fèi)用，避免重大事故的發(fā)生。另一方面能夠?yàn)閷?lái)的設(shè)計(jì)、評(píng)估和系統(tǒng)分析提供歷史數(shù)據(jù)，通過(guò)分析總結(jié)系統(tǒng)中容易出故障的設(shè)備或者設(shè)備容易出故障的具體位置進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

綜上所述，該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于軌道交通、工廠生產(chǎn)線、車(chē)輛基地、市政公共場(chǎng)所等領(lǐng)域機(jī)電設(shè)備、運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備的監(jiān)測(cè)及診斷中，可為企業(yè)保證工作環(huán)境安全可靠、提高設(shè)備運(yùn)行效率、降低生產(chǎn)維修成本等提供有力支撐。