地鐵車輛段工藝設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測平臺(tái)開發(fā)

張 喻，向 維

（1.上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，上海 201103；2.上海地鐵維護(hù)保障有限公司車輛分公司，上海 200235）

0 引言

隨著城市軌道交通進(jìn)入高速網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)運(yùn)營的發(fā)展時(shí)期，車輛基地工藝設(shè)備呈現(xiàn)體量大、種類多、狀態(tài)不一的配置現(xiàn)狀。基于此背景，要掌握各類設(shè)備的全過程信息和健康狀態(tài)，有必要借助日益成熟的信息化和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建立設(shè)備監(jiān)測管理平臺(tái)，并在關(guān)鍵設(shè)備上配置實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)可監(jiān)控、可追溯，故障可預(yù)測、可預(yù)防。

經(jīng)過長期有效的數(shù)據(jù)積累和分析后，為設(shè)備維修決策提供技術(shù)依據(jù)，最終形成對(duì)設(shè)備全壽命周期內(nèi)的狀態(tài)監(jiān)測、運(yùn)維管理、狀態(tài)評(píng)估和持續(xù)改進(jìn)的工作閉環(huán)。

1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測目的

（1）對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測。關(guān)鍵信息主要是針對(duì)影響設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)、故障高發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，以及通過監(jiān)測能實(shí)現(xiàn)替代日常人工檢測記錄的參數(shù)，最終達(dá)到掌握設(shè)備在線狀態(tài)、遠(yuǎn)程診斷、專家支持和替代人工記錄目的。

（2）記錄和評(píng)判操作人員操作規(guī)范程度。監(jiān)視和存儲(chǔ)設(shè)備操作員操作記錄，為評(píng)判操作的規(guī)范程度提供依據(jù)，最終達(dá)到降低人為使用，造成設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)的目的。

（3）記錄設(shè)備使用信息，合理制定維修周期。車輛基地設(shè)備種類繁多，其與正線運(yùn)營設(shè)備有所區(qū)別，設(shè)備使用率并不均衡。

采用定期維修容易過修或欠修，如何在成本與風(fēng)險(xiǎn)中取得平衡，則需要對(duì)設(shè)備使用過程有跟蹤監(jiān)測和記錄，有效掌控設(shè)備健康狀態(tài)，從而對(duì)設(shè)備的工況和運(yùn)行趨勢(shì)做出正確診斷并提供相應(yīng)決策，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的狀態(tài)檢修提供必要的實(shí)際數(shù)據(jù)。

2 平臺(tái)功能

根據(jù)監(jiān)測需求，建立監(jiān)測平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測，并構(gòu)建地面數(shù)據(jù)中心和終端應(yīng)用界面，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸和查看、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢分析功能。

（1）設(shè)備遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測功能。通過在設(shè)備端配置安裝數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛基地工藝設(shè)備作業(yè)狀態(tài)下的狀態(tài)數(shù)據(jù)、使用數(shù)據(jù)、故障數(shù)據(jù)和視頻記錄的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并可傳輸?shù)降孛鏀?shù)據(jù)中心存儲(chǔ)、分析和顯示。

（2）歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和統(tǒng)計(jì)分析。存儲(chǔ)功能可連續(xù)記錄較長時(shí)間的歷史數(shù)據(jù)，保存的數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)參數(shù)、開關(guān)量狀態(tài)、模擬量值、脈沖累計(jì)量、計(jì)算結(jié)果，以及報(bào)警事件記錄等。查詢分析不僅可對(duì)某個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，還具備趨勢(shì)分析等功能，可顯示某個(gè)模擬量參數(shù)的歷史變化，進(jìn)行分析。

（3）終端具有良好的人機(jī)交互界面。平臺(tái)應(yīng)采用統(tǒng)一的用戶圖形界面，使用符合設(shè)備特點(diǎn)的監(jiān)測畫面，顯示監(jiān)控系統(tǒng)與各子系統(tǒng)、其他系統(tǒng)的連接情況、信息處理流程圖、概括圖、趨勢(shì)圖等。

3 平臺(tái)架構(gòu)（圖1）

平臺(tái)包括感知層、傳輸層和應(yīng)用層。感知層在設(shè)備端為實(shí)現(xiàn)監(jiān)測功能安裝配置數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、視頻采集子系統(tǒng)和傳輸子系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)從設(shè)備總線、控制回路、獲取各類狀態(tài)和過程數(shù)據(jù)，必要時(shí)新增各類傳感器。視頻采集子系統(tǒng)采集攝像頭捕捉的設(shè)備運(yùn)行狀況、人員操作行為及關(guān)鍵零部件的視頻信息。

傳輸子系統(tǒng)將數(shù)據(jù)和視頻信息匯總后，通過外部傳輸層的無線網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)用戶傳輸協(xié)議要求將數(shù)據(jù)發(fā)送至地面，可采用4G 公網(wǎng)和WLAN 局域網(wǎng)。

應(yīng)用層即地面系統(tǒng)，由地面數(shù)據(jù)處理中心和地面應(yīng)用終端組成，地面數(shù)據(jù)處理中心由車輛維護(hù)方統(tǒng)一部署，制定統(tǒng)一協(xié)議。車輛基地設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)庫的確認(rèn)和解析后入庫存儲(chǔ)。應(yīng)用終端通過調(diào)用數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)展示、分析和管理。

4 關(guān)鍵設(shè)備應(yīng)用

車輛基地檢修設(shè)備種類多，監(jiān)測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要成本，因此在有限資源下需考慮各項(xiàng)設(shè)備監(jiān)測的必要性，以發(fā)揮資源最大作用。因此，重點(diǎn)對(duì)移動(dòng)設(shè)備、承載設(shè)備、故障對(duì)維修生產(chǎn)影響較大和使用頻率較高的設(shè)備優(yōu)先考慮實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)。

根據(jù)上海軌道交通車輛基地工藝設(shè)備的特點(diǎn)，首先在內(nèi)燃機(jī)車、地下式架車機(jī)、起重機(jī)等設(shè)備實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測。下面以內(nèi)燃機(jī)車和地下式架車機(jī)為例，說明應(yīng)用效果。

4.1 內(nèi)燃機(jī)車

內(nèi)燃機(jī)車包括發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、車體和車架、走行部、制動(dòng)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)及輔助裝置等部分，其監(jiān)測項(xiàng)點(diǎn)主要包括以下內(nèi)容。

（1）狀態(tài)監(jiān)測。監(jiān)測各子系統(tǒng)和部件的關(guān)鍵參數(shù)。重點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、司控器、車控?cái)?shù)據(jù)及整車信息進(jìn)行監(jiān)測。對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)壓力信號(hào)，如工作風(fēng)缸、降壓風(fēng)缸、總風(fēng)缸、均衡風(fēng)缸、制動(dòng)缸、制動(dòng)管的變化，通過額外增加壓力傳感器的方式進(jìn)行監(jiān)測。

圖1 平臺(tái)架構(gòu)

（2）故障監(jiān)測。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)故障代碼、蓄電池電量過低、重聯(lián)線路報(bào)警、超速報(bào)警燈等原車載控制系統(tǒng)監(jiān)控的故障進(jìn)行監(jiān)測。其他關(guān)鍵參數(shù)的報(bào)警可在地面應(yīng)用端進(jìn)行模擬量閾值設(shè)定報(bào)警，如油位等。

（3）使用記錄。對(duì)司機(jī)操作記錄為司機(jī)行為分析和事故情況下提供依據(jù)，空調(diào)使用能耗記錄為評(píng)估空調(diào)狀態(tài)、制定維修計(jì)劃提供依據(jù)，機(jī)車運(yùn)行和怠速記錄為評(píng)價(jià)機(jī)車實(shí)際運(yùn)行時(shí)間提供依據(jù)等。

（4）視頻記錄。對(duì)司機(jī)操作、車鉤連掛狀態(tài)、前方車況進(jìn)行監(jiān)視和記錄。

根據(jù)上述監(jiān)測需求，內(nèi)燃機(jī)車監(jiān)測系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，分別從壓力傳感器、發(fā)動(dòng)機(jī)總線、控制回路獲取信號(hào)。設(shè)備端配置安裝數(shù)據(jù)采集控制器PLC、視頻采集系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、定位子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)和采集信號(hào)線纜匯集后集成在機(jī)柜中，安裝在機(jī)車司機(jī)座椅后方區(qū)域。

在地面應(yīng)用端開發(fā)內(nèi)燃機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，界面如圖2 所示，可直觀監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)、故障事件和使用情況等信息，并可監(jiān)測視頻畫面，如圖3 所示。

4.2 地下式架車機(jī)

架車機(jī)由車體舉升單元、轉(zhuǎn)向架舉升單元、活動(dòng)/固定軌橋、電氣控制系統(tǒng)、操作臺(tái)等系統(tǒng)組成，采用PLC 進(jìn)行同步精度等系統(tǒng)控制，其監(jiān)測項(xiàng)點(diǎn)主要包括以下內(nèi)容。

（1）狀態(tài)監(jiān)測。對(duì)所有臺(tái)位舉升單元進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)（上升/下降）、轉(zhuǎn)向架支撐高低限位開關(guān)和高度、不同步誤差值進(jìn)行監(jiān)測。對(duì)架車機(jī)整機(jī)操作模式以及非正常手動(dòng)調(diào)整模式進(jìn)行記錄。

（2）故障監(jiān)測。對(duì)不同步運(yùn)行誤差超限、高度傳感器故障、電源相序、電機(jī)溫升、載重和保險(xiǎn)螺母失效、基坑液位監(jiān)測報(bào)警等進(jìn)行故障監(jiān)測。

（3）使用記錄。對(duì)設(shè)備累計(jì)運(yùn)行時(shí)間進(jìn)行記錄，為狀態(tài)評(píng)估提供信息支持。

圖2 內(nèi)燃機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)測平臺(tái)界面

圖3 內(nèi)燃機(jī)車遠(yuǎn)程視頻監(jiān)測界面

（4）視頻記錄。布置2 個(gè)網(wǎng)絡(luò)攝像頭，對(duì)架車左、右兩側(cè)的作業(yè)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和記錄。

由于架車機(jī)原有控制系統(tǒng)的PLC 系統(tǒng)已經(jīng)采集匯總各子系統(tǒng)的信號(hào)，因此可直接從PLC 系統(tǒng)中調(diào)取相關(guān)信號(hào)后，通過PLC 通信模塊發(fā)送至傳輸子系統(tǒng)后送達(dá)至地面。改造主要是在架車機(jī)控制柜內(nèi)新增PLC RS485 通信模塊、4G DTU、攝像頭、錄像機(jī)及顯示屏。

在地面應(yīng)用端開發(fā)地下架車機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)，與內(nèi)燃機(jī)車遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)界面類同，可遠(yuǎn)程直觀監(jiān)測各類信息和視頻畫面。

5 結(jié)論

上海軌道交通車輛基地工藝設(shè)備已成功在內(nèi)燃機(jī)車、地下式架車機(jī)、起重機(jī)等設(shè)備安裝了遠(yuǎn)程在線監(jiān)測系統(tǒng)，建設(shè)了地面數(shù)據(jù)中心和終端應(yīng)用平臺(tái)。

該平臺(tái)作為車輛基地工藝設(shè)備監(jiān)測管理平臺(tái)架構(gòu)的核心組成，實(shí)現(xiàn)了狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和規(guī)范化管理，且與運(yùn)維管理、健康評(píng)估、操作人員績效等模塊關(guān)聯(lián)互動(dòng)，為下一步挖掘、分析及應(yīng)用監(jiān)測數(shù)據(jù)，以及最終實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)性維修提供支撐。