動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯網監測應用技術研究*

楊 凱

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京100081）

保障動車組列車運行安全是保障鐵路運輸安全的重點工作。動車組滾動軸承故障軌旁聲學診斷設備（TADS，Trackside Acoustic Detection Sys?tem）［1］作為動車組地對車運行狀態的重要檢測設備之一，自高鐵正線試點安裝使用起，有效地實現了動車組滾動軸承早期損傷的及時發現，為動車組運行安全的保障提供了有力的技術支持。由于TADS的故障診斷需依據多次歷史檢測數據綜合分析，單點部署的TADS設備在故障的快速準確判定上難以滿足運用需求。隨著動車組TADS統型設備研制及全路建設部署的開展，基于TADS設備特點及現場運用需求，研究TADS統型設備數據接入技術，設計規范的聯網接入方案，實現全路高鐵沿線多點TADS設備的集中聯網應用與故障綜合診斷，具有重要的研究意義與應用價值。

1 研究現狀

動車組滾動軸承故障軌旁聲學診斷設備TADS利用安裝在高速鐵路軌旁的聲音傳感器陣列，采集動車組運行通過時的滾動軸承運轉聲音，并利用聲學分析診斷的方法，實現滾動軸承運行狀態的故障早期診斷。

動車組TADS設備主要由軌旁裝置和軌旁機房設備組成［2］。其中，軌旁裝置包括聲學采集傳感器陣列、車號采集識別裝置、探測開機裝置、車速測量裝置等；軌旁機房設備包括聲學處理服務器、通訊服務裝置、控制及監控裝置、不間斷電源等。TADS設備主要功能如下：

（1）自動檢測識別動車組軸箱滾動軸承滾子、內圈和外圈的裂紋、剝離、蝕裂、磨損等故障；

（2）能夠對檢測識別的軸承早期故障實現分級別報警提示；

（3）自動識別動車組列車車次、車組號、車輛號、端位，具有自動計軸、計輛、測速功能；

（4）具有系統狀態自檢、遠程升級維護和監控功能；

（5）具有防雨雪、風、沙塵功能。

目前，已廣泛應用的TADS設備至少包括兩種［3-4］，自2003年起引進國內生產，并在貨車運行安全領域實現了安裝部署，作為貨車5T系統［5］的重要組成部分，實現了集中的聯網接入，有效提高了貨車安全監控和列檢作業的質量和效率，為保障貨車車輛的運行安全提供了技術支持。

隨著我國高鐵線路的不斷建設及動車組列車開行的日益密集，TADS在應用于動車組安全監控領域時，對聲學數據采集與處理設備進行了大幅改進，同時增加了動車組獨有運行信息采集與處理的適配能力，其設備生成的數據內容及格式均有明顯變化，致使既有5T系統模式下的數據接入技術難以兼容動車組TADS設備聯網。同時，既有貨車TADS聯網的應用功能在檢測預報模型、報警應急響應、故障跟蹤處置、業務管理流程等方面均無法滿足動車組行車安全監測的運用需求。為此，在逐步推廣TADS設備建設的過程中，借鑒既有鐵路安全監測聯網應用經驗，研究動車組TADS設備集中接入技術，建立統一的聯網監測系統平臺，設計面向動車組運用管理的應用功能，是動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯網監測亟待解決的技術問題。

2 聯網應用設計

2.1 系統架構設計

2.1.1總體架構

動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯網監測應用（以下簡稱TADS聯網監測）在國鐵集團及鐵路局集團建立兩級部署，實現軌旁檢測設備與鐵路局集團連接，建立國鐵集團、鐵路局集團、動車段、動車所之間聯網，設計研發多級業務單位的應用功能，系統總體架構示意如圖1所示。

圖1 系統總體架構示意圖

其中，國鐵集團連接并匯總各鐵路局集團上報信息，主要部署包括數據庫服務器、應用服務器、文件服務器及監控終端等設備，主要用于對各路局上報的監控信息進行匯總處理、對故障規律進行總結、對安全管理工作進行研究等。同時，TADS聯網監測在國鐵集團與動車組管理信息系統（EMIS）［6］建立接口雙向共享數據。

各鐵路局集團是TADS聯網監測的主要應用單元，連接并匯總所轄TADS探測站設備監測信息，主要部署包括接口服務器、數據服務器、應用服務器、監控終端等設備，主要用于監測數據匯總、上報、分析與管理，向動車所、動車段提供監測訪問應用，并支持國鐵集團對鐵路局集團的數據查詢。

各動車段、動車所配置監測終端，通過終端訪問部署于鐵路局集團的TADS聯網監測應用，對過車信息、報警信息進行查詢顯示、故障處理、檢修反饋、應用管理等。

TADS探測站設備主要對通過動車組進行滾動軸承聲學信息采集及故障分析，并將過車信息、監控聲音信息、故障報警信息及設備狀態信息匯總上報至鐵路局集團服務器。

2.1.2 網絡架構

TADS聯網監測依托鐵路綜合信息網建設，其總體網絡架構示意如圖2所示。

圖2 總體網絡架構示意圖

其中，探測站設備與鐵路局集團之間需要實時傳輸全部聲音監測文件，每探測站設備至鐵路局之間帶寬應不小于8Mbps；國鐵集團、鐵路局集團、動車段、動車所之間，傳輸帶寬應不小于8Mbps，并設計雙通道冗余措施；國鐵集團、鐵路局集團內部局域網絡應保證千兆以上帶寬；各級網絡應滿足時延小于500ms、抖動小于100ms、丟包率小于1/1000的性能要求。

2.1.3 部署平臺架構

TADS聯網監測的鐵路局集團級平臺設計配置超融合平臺（虛擬數據庫、應用、接口服務器），路由器、交換機等網絡設備，監測終端等顯示設備，以及多計算機切換器（KVM）、機柜、不間斷電源（UPS）等配套設備。其核心設備連接示意如圖3所示。

圖3 鐵路局集團級平臺核心設備結構示意圖

其中，超融合平臺虛擬的接口服務器是探測站與鐵路局集團級平臺的邏輯邊界，主要用于探測站實時監測聲音及報文的傳輸與處理；虛擬應用服務器主要提供監測終端并發應用訪問；虛擬數據庫服務器主要負責處理與存儲海量聲音數據與報文信息；網絡設備主要用于保障數據傳輸帶寬及通道的充足穩定；監測終端主要用于提供各級用戶的應用系統訪問。

TADS聯網監測的國鐵集團級平臺主要用于存儲全路范圍的過車信息、報警信息及原始聲音數據，提供國鐵集團級應用及相關數據分析，應至少設計配備應用服務器、文件服務器、數據庫服務器、網絡設備、監測終端等設備，主要硬件資源的配備標準及組織結構按照鐵路車輛運行安全監控系統聯網及信息綜合應用總體方案［7］確定。

2.2 數據傳輸設計

TADS聯網監測的數據傳輸主要采用專用傳輸軟件、Webservice等傳輸方式，傳輸流程如圖4所示，具體包括以下幾個步驟：

圖4 數據傳輸示意圖

（1）探測站與鐵路局集團級平臺的數據傳輸。TADS探測站設備將過車信息、報警信息與聲音數據等按照統一的數據接口規范上傳至鐵路局集團級平臺服務器。

（2）鐵路局集團級平臺與國鐵集團級平臺的數據傳輸。鐵路局集團級平臺接收TADS探測站設備上報的各項數據，會同鐵路局集團各級用戶業務操作產生的數據信息，將其上報至國鐵集團級平臺供其信息應用，同時接收國鐵集團下發的分析診斷信息、統計分析數據、基礎字典信息、數據反查指令等信息。

（3）國鐵集團級平臺與外部系統間的數據傳輸。TADS聯網監測在國鐵集團級平臺與動車組管理信息系統等外部系統共享監測、配屬、開行及檢修等數據信息，便于監測配合檢修、檢修輔助監測。

其中，為便于實現動車組滾動軸承故障的多點綜合故障診斷，鐵路局集團與國鐵集團兩級平臺均存儲所轄TADS探測站設備采集的動車組過車信息、報警信息，以及動車組全部滾動軸承原始聲音監測數據。

2.3 數據接口設計

2.3.1 探測站設備接口

TADS探測站設備在動車組列車通過時，生成檢測數據并實時存入設備服務器中，同時將過車信息、報警信息按照數據接口要求生成報文文件，將監測聲音數據按照文件命名規則生成軸承聲音文件，傳輸到鐵路局集團級平臺的接口服務器。

（1）報文文件規則。

報文文件名編制規則為：報文類型編碼+"_"+通過時間+"_"+過車序號+"_"+版本號+".sms"。

其中，報文類型編碼長度為2位，具體類型見表1；通過時間長度為14位，采用“YYYYMMDDhh24miss”格式生成；過車序號長度為3位，自每日0點后通過探測站的列車起從001開始依次編定；版本號為2位，表示協議的版本。

不同類型的報文文件所包含的數據內容見表1。

表1 報文文件類型及內容

（2）聲音數據規則。

軸承聲音文件的存儲路徑及命名規則為：\過車時間\過車時間"_"過車序號"_"重聯序號\軸位+"_"+輛序+"_"+聲音文件序號+".WAV"。

其中，過車時間長度為8位，采用“YYYYMMDD”格式生成；過車時間長度為6位，按照24小時制采用“hh24miss”格式生成；過車序號長度為3位，自每日0點后通過探測站的列車起從001開始依次編定；重聯序號長度為1位，按列車過站順序編定；軸位長度為2位，編制規則如圖5所示；輛序長度為2位，自01起依次給車輛編號；聲音文件序號為變長，從1開始編制。

圖5 軸位編號示意圖

2.3.2 外部系統接口

TADS聯網監測在國鐵集團級平臺與動車組管理信息系統建立數據接口實現數據交互，數據交互的主要內容及方式見表2。

表2 數據交互主要內容及方式表

2.4 應用功能設計

2.4.1 業務流程

TADS聯網監測的主要業務流程設計如圖6所示。

圖6 業務流程示意圖

TADS聯網監測的應用系統應匯總TADS探測站上傳的實時監測數據，向國鐵集團、鐵路局集團及動車段的專業監控、調度和管理等人員提供實時監測功能。

通過系統綜合分析得出的動車組軸承故障報警信息，可在動車段（動車所）由運用檢修管理人員進行檢修計劃編制及復核任務下發，并經地勤機械師復核、檢修后進行反饋回填，實現故障信息的閉環管理。

故障報警的復核檢修結果反饋至系統中，用于系統更新故障診斷模型、總結軸承故障規律、實現統計分析功能等。

2.4.2 功能設計

依據業務需求及相應流程設計的應用系統功能如圖7所示。

圖7 主要功能模塊設計圖

系統主要包括實時監測、綜合分析、故障處置、統計分析及相關系統管理等功能模塊。其中，實時監測模塊主要包括車組綜合監測、報警綜合監測、軸承信息追蹤、列車信息追蹤、報警信息追蹤等功能，為監控及調度等管理人員提供動車組軸承狀態的實時狀態展示及快速追蹤查詢的能力；綜合分析模塊主要通過故障診斷分析功能為現場提供靈活可配的診斷模型框架，實現對動車組滾動軸承故障的綜合報警能力；故障處置模塊主要包括報警信息確認、復核檢修回填、軸承信息填報等功能，為運用管理及檢修維護人員提供動車組軸承故障報警全流程處置管理能力；統計分析模塊主要包括對過車、軸承、故障、運用情況、設備狀態等信息的統計分析功能，為業務主管人員提供管理支持能力；系統管理模塊主要包括數據接口處理、功能管理、用戶管理、數據管理等功能，為系統管理人員提供全面的信息化管理能力。

3 應用系統實現

根據聯網應用的設計，研發了動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯網監測應用系統軟件。系統軟件主要包括國鐵集團、鐵路局集團、動車段、動車所四級應用，其基本應用組成如圖8所示。

圖8 應用系統組成圖

其中，國鐵集團級應用能夠進行全路數據的實時監測追蹤，實現故障報警綜合分析診斷，提供全路監控信息查詢統計分析，可與外部信息系統進行信息共享；

鐵路局集團級應用能夠實時監測管內過車及故障報警信息，可配合進行現場處置，提供管內監測數據查詢統計分析；

動車段及動車所級應用能夠實時監測管內過車及故障報警信息，可對故障報警信息開展復核檢修處理，能夠接收上級單位統計分析通報情況。

系統應用中車組綜合監測界面、報警信息確認界面、報警信息追蹤界面如圖9~圖11所示。

圖9 車組綜合監測界面

圖11 報警信息追蹤界面

目前，系統已在國鐵集團鐵路主數據中心平臺部署上線，暫接入7個鐵路局所轄TADS設備16臺套，檢測覆蓋9條高鐵線路部分區段，試運行期間日均監測動車組760余列次。

圖10 報警信息確認界面

4 小結

研究了動車組滾動軸承故障軌旁聲學聯網監測應用技術，構建了兩級部署、多級應用的總體聯網技術方案，提出了集中統一的數據接入規范，設計了全流程閉環管理的監測故障報警處置流程，實現了動車組滾動軸承故障的集中監測、聯網診斷及綜合管理，為有效保障動車組運行安全提供了技術支持。后續的研究將集中于故障綜合診斷模型建立、業務邏輯優化設計等方向。