地鐵車輛空調(diào)系統(tǒng)智能化改造應(yīng)用研究

（中車株洲電力機(jī)車有限公司，湖南株洲 412001）

0.引言

“十四五”期間，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和移動(dòng)互聯(lián)為戰(zhàn)略，數(shù)據(jù)導(dǎo)向?yàn)榘l(fā)展，實(shí)現(xiàn)決策的智慧化，打造“智慧地鐵”已成為發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展多年，其發(fā)展也逐步從“制造”階段轉(zhuǎn)化到“制造+維修”的階段，以故障修和計(jì)劃修為主的現(xiàn)行維修模式越來越不經(jīng)濟(jì)，地鐵車輛維修模式已經(jīng)逐步在向基于安全監(jiān)控和全壽命管理的智能化“狀態(tài)修”模式發(fā)展。因此，對(duì)原地鐵車輛部件或系統(tǒng)進(jìn)行改造，使部件或系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)綜合智能監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)診斷功能，是實(shí)現(xiàn)智能化“狀態(tài)修”的重要手段，是避免突發(fā)性故障的最科學(xué)最經(jīng)濟(jì)的方式，也是實(shí)現(xiàn)地鐵車輛智能運(yùn)維的必經(jīng)之路，其理論意義、工程應(yīng)用前景都是非常顯著的。

1.技術(shù)實(shí)施方案

1.1 方案簡(jiǎn)介

利用地鐵車輛原空調(diào)機(jī)組內(nèi)部原有的溫度傳感器及壓縮機(jī)變頻器進(jìn)行空調(diào)機(jī)組數(shù)據(jù)采集，同時(shí)對(duì)空調(diào)控制柜進(jìn)行改造，增加預(yù)診斷（LPDS）裝置，利用其將這些數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析，并建立健康模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)各部件進(jìn)行健康管理，空調(diào)機(jī)組控制框圖見圖1。

圖1 空調(diào)機(jī)組控制框圖

1.2 預(yù)診斷系統(tǒng)原理介紹

空調(diào)監(jiān)測(cè)和預(yù)診斷系統(tǒng)從整體架構(gòu)上分為2個(gè)層次：（1）機(jī)組狀態(tài)傳感監(jiān)測(cè)（客室控制層），即車載端，對(duì)每節(jié)車的空調(diào)機(jī)組各部件狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)給地面數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)；（2）大數(shù)據(jù)分析和維護(hù)支持（數(shù)據(jù)中心層），即地面端，通過車地通信網(wǎng)絡(luò)將所有列車的空調(diào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至地面數(shù)據(jù)中心，對(duì)地面數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，并將診斷結(jié)果發(fā)送至客戶指導(dǎo)相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)。

1.3 車載端實(shí)施方案

列車空調(diào)智能監(jiān)測(cè)與診斷分析系統(tǒng)，依托列車智能信息以太網(wǎng)高速通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，自主實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程采集列車空調(diào)系統(tǒng)各部件運(yùn)行狀態(tài)信息，通過特定網(wǎng)絡(luò)的車地傳輸通道端口，完成與地面數(shù)據(jù)專家診斷分析系統(tǒng)的信息交互，在系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)發(fā)布列車空調(diào)系統(tǒng)健康實(shí)時(shí)診斷結(jié)果及運(yùn)維管理建議。

（1）空調(diào)機(jī)組。1）溫度傳感器參數(shù)采集。空調(diào)機(jī)組內(nèi)部無需進(jìn)行改造，利用機(jī)組內(nèi)部已布置溫度傳感器：1個(gè)回風(fēng)溫度傳感器、1個(gè)新風(fēng)溫度傳感器、2個(gè)排氣溫度傳感器、2個(gè)蒸發(fā)器盤管溫度傳感器、2個(gè)冷凝器盤管溫度傳感器采集空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。2）變頻器輸出電參數(shù)采集。變頻器內(nèi)部集成電壓檢測(cè)和電流檢測(cè)傳感器，檢測(cè)變頻負(fù)載運(yùn)行過程中的電壓和電流參數(shù)。

（2）控制器。空調(diào)控制器無需進(jìn)行改造，通過接收機(jī)組發(fā)來的溫度、電壓電流等參數(shù)，調(diào)整空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)，比如調(diào)整運(yùn)行模式和目標(biāo)溫度、調(diào)整壓縮機(jī)運(yùn)行頻率。空調(diào)控制器預(yù)留有以太網(wǎng)口，可將機(jī)組發(fā)來的內(nèi)部各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及電控盒內(nèi)各接觸器、熱磁斷路器等部件的狀態(tài)進(jìn)行匯總，通過以太網(wǎng)線，將數(shù)據(jù)發(fā)送至LPDS。

（3）預(yù)診斷裝置（LPDS）。1）預(yù)診斷裝置簡(jiǎn)介。預(yù)診斷板卡實(shí)時(shí)收集空調(diào)控制器送來的數(shù)據(jù)，并將空調(diào)采集的各種數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，做出故障預(yù)診斷。該模塊的主要接口有：百兆以太網(wǎng)、RS485、TF卡和SATA3.0等。該模塊實(shí)現(xiàn)幾點(diǎn)功能：高速處理器：LPDS采用Cortex-A9四核處理器，工作頻率1GHz，512MB DDR3SDRAM，可以運(yùn)行復(fù)雜控制算法。對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的算法可以在邊緣端直接實(shí)現(xiàn)并及時(shí)通過車輛網(wǎng)絡(luò)傳輸給HMI上顯示。數(shù)據(jù)緩存：系統(tǒng)支持最大64G的TF卡讀寫，同時(shí)備有SATA3.0的硬盤接口，對(duì)空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題后，空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)可以緩存在LPDS的存儲(chǔ)器，待網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后傳輸，防止因網(wǎng)絡(luò)問題丟失數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理：將收到的空調(diào)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效數(shù)據(jù)分析以及傳輸格式編制，提高傳輸數(shù)據(jù)的有效性，降低網(wǎng)絡(luò)占用率，與地面服務(wù)器實(shí)時(shí)通訊。2）LPDS加裝方案。LPDS板卡外設(shè)金屬殼體，殼體固定孔與原空調(diào)控制器固定孔保持一致，故可將LPDS安裝在原空調(diào)控制器位置，控制器安裝在LPDS上方，二者通過網(wǎng)線連接。同時(shí)，在控制柜內(nèi)引控制電源至LPDS電源口即可。

2.狀態(tài)修技術(shù)方案

2.1 數(shù)據(jù)采集

空調(diào)數(shù)據(jù)主要來源于各傳感器數(shù)據(jù)以及各部件狀態(tài)等參數(shù)，數(shù)據(jù)類型主要由數(shù)字量數(shù)據(jù)及模擬量數(shù)據(jù)組成。（1）數(shù)字量數(shù)據(jù)主要有：通風(fēng)機(jī)熱磁繼電器反饋信號(hào)、冷凝風(fēng)機(jī)熱磁繼電器反饋信號(hào)、壓縮機(jī)排氣溫度保護(hù)反饋信號(hào)、通風(fēng)機(jī)接觸器反饋信號(hào)、新風(fēng)閥位置反饋信號(hào)、回風(fēng)閥位置反饋信號(hào)等。（2）模擬量數(shù)據(jù)主要有：蒸發(fā)器盤管溫度、冷凝器盤管溫度、排氣溫度、回風(fēng)溫度、新風(fēng)溫度、壓縮機(jī)電流監(jiān)測(cè)信號(hào)、壓縮機(jī)電壓監(jiān)測(cè)信號(hào)等。

2.2 數(shù)據(jù)的清洗

（1）一致性檢查。根據(jù)空調(diào)每個(gè)變量的合理取值范圍和相互關(guān)系，檢查數(shù)據(jù)是否合乎要求，發(fā)現(xiàn)超出正常范圍、邏輯上不合理或者相互矛盾的數(shù)據(jù)，直接剔除。（2）重復(fù)記錄檢查。數(shù)據(jù)庫(kù)中屬性值相同的記錄被認(rèn)為是重復(fù)記錄，通過判斷記錄間的屬性值是否相等來檢測(cè)記錄是否相等，相等的記錄合并為一條記錄。

2.3 空調(diào)健康評(píng)估模型的建立

為了提高空調(diào)健康診斷系統(tǒng)（PHM）的準(zhǔn)確度，采用機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)，采用線性回歸算法實(shí)現(xiàn)空調(diào)運(yùn)行的PHM功能。線性模型形式簡(jiǎn)單，蘊(yùn)涵著機(jī)器學(xué)習(xí)中一些重要的基本思想。許多功能更為強(qiáng)大的非線性模型也可以在線性模型的基礎(chǔ)上通過引入層級(jí)結(jié)構(gòu)或高緯度映射而得。

2.4 空調(diào)系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)機(jī)制

（1）蒸發(fā)器（混合風(fēng)濾網(wǎng)）臟堵。通過對(duì)換熱器內(nèi)熱交溫度的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合風(fēng)濾網(wǎng)臟堵情況的預(yù)測(cè)。（2）冷凝器臟堵。通過監(jiān)測(cè)外熱交升高的程度，去判斷冷凝器臟堵的情況。（3）制冷劑泄露。通過監(jiān)測(cè)制冷系統(tǒng)的排氣溫度、對(duì)制冷系統(tǒng)的泄漏情況進(jìn)行判斷。（4）電子膨脹閥卡滯。電子膨脹閥卡滯失效的診斷主要通過設(shè)置在壓縮機(jī)管上的排氣溫度來進(jìn)行診斷判定，壓縮機(jī)排氣溫度長(zhǎng)時(shí)間偏離目標(biāo)排氣溫度時(shí)，而無變化時(shí)則認(rèn)為電子膨脹閥出現(xiàn)卡滯。

2.5 終端顯示

利用地面系統(tǒng)軟件展示平臺(tái)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、故障預(yù)測(cè)、故障分析、健康評(píng)估、運(yùn)維決策等功能，結(jié)果可以在地面PHM系統(tǒng)大屏、個(gè)人電腦上展示。

3.結(jié)語

通過基于綜合智能監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)診斷的空調(diào)系統(tǒng)智能化改造方法，能有效避免突發(fā)性故障且方式比較經(jīng)濟(jì)，為地鐵安全運(yùn)營(yíng)提供保障，為實(shí)現(xiàn)軌道交通車輛智能運(yùn)維提供技術(shù)參考。