地鐵車輛在線監測系統的設計和應用探究

孫寧

摘 要：基于傳感、通訊以及計算機技術搭建在線監測系統，能夠實時檢測影響地鐵車輛運行安全的關鍵參數，分析車輛輪對、受電弓以及軸承等部位有無故障風險并自動發出預警信息，為地面控制中心的管理人員提供決策信息支持，從而保障車輛運行安全、優化地鐵列車的運維管理。本文首先闡釋了地鐵車輛在線監測系統的設計目標及軟硬件構成，進而介紹了其基本架構以及各個功能模塊的技術原理和安裝方案，并且探討了數據采集分析以及系統管理軟件的研發，分析了在系統應用過程中應如何采取合理的運維措施。

關鍵詞：在線監測;系統結構;功能模塊;地鐵車輛

0 引言

地鐵車輛高速運行于地下密閉空間，車輪與鋼軌、受電弓與接觸網以及走行部零配件之間都必須保持精密的相對運動關系，才能夠保證列車的穩定和安全運行。而要想準確、及時掌握相關信息并對安全態勢做出客觀評價，必須對地鐵車輛行駛狀態下的相關參數進行采集和分析，所以有必要設計在線監測系統，以便動態獲取和分析輪對、走行部以及受電弓等的幾何形狀、影像以及聲音等數據和信息，實現對車輛運行故障的預測、識別以及預警。

1 地鐵車輛在線監測系統的設計目標

對運行中的地鐵車輛進行在線監測，需要通過設置在軌道道床、隧道壁以及鋼軌上的傳感裝置完成信息采集，并且依托無線通信以及光線網絡建立其與地面探測站、控制中心之間的信息交互，運用數據分析軟件完成信息處理，根據需要發布故障預警或者面向管理人員提供列車運行狀態的信息查詢服務。

1.1 基于傳感技術動態采集車輛運行相關參數

根據地鐵車輛行駛狀態下各重點監測對象的溫度等參數，可以基于算法研發完成對輪對等核心部件狀態的實時分析和評價。而運用不同技術原理制造的各類傳感裝置可以動態感知相關信息并將其傳輸至數據分析系統，目前市場上有適用于在線監測系統的各類傳感裝置，既有能夠勝任聲音、速度等物理學參數的采集和上傳的產品，也有基于物理場檢測并可以計算出所需參數以及繪制圖形的集成化解決方案。但每一類產品在靈敏度、信號分辨率以及性能的穩定性方面都存在明顯差異，在地鐵車輛在線監測系統的設計過程中，需要針對傳感裝置擬安裝環境的特點以及系統的運行要求進行選擇。目前應用最多的是溫度、聲音傳感器和圖像采集與識別裝置。

1.2 通過數據分析評價車輛運行狀態并進行故障預警

布設于地鐵線路固定地點的傳感裝置采集到的信息通常為數字、模擬信號以及影像，要想從中提取出表征監測對象狀態的信息和數據，必須運用計算機軟件對其進行處理和分析，才能夠通過與數據庫當中信息的匹配，實現狀態預測以及故障預警[1]。在目前廣為應用的地鐵車輛監測系統中，數據分析和處理軟件被安裝于地面探測站的主機當中，分別在前置機完成信號解譯、轉換并在后置機進行數據分析，再將分析結果上傳至控制中心以及根據需要發布預警。

1.3 為優化線路運營和車輛運維提供信息支持

利用在線監測系統實現地鐵車輛故障預警的同時，也可以基于數據庫構建和數據分析優化地鐵線路運營與車輛運維。首先，通過對在線監測系統所獲取的信息的深入挖掘，可以讓線路運營管理單位對運營安全進行綜合評價，掌握故障發生規律、車輛運維數據，從而在設備采購、升級以及制定線路運營規劃的過程中優化決策。其次，可以利用線上監測系統所提供的數據預測車輛軸承、走行部等關鍵零部件的使用壽命，并且制定前瞻性的維修保養計劃，降低地鐵列車的運行風險。

2 系統的基本架構以及軟硬件構成

根據地鐵列車在線監測系統的設計目標和功能要求，硬件系統中主要包含了服務器、終端監視器、探測站的主機及其輔助設備以及各類傳感器與探測裝置，而軟件系統主要分為探測站主機中運行的信號轉換與數據分析軟件、控制中心服務器中的系統管理軟件兩個部分，后者兼具上傳數據的處理、故障分析、數據庫構建以及面向系統用戶的服務功能，通過不同功能模塊完成地鐵車輛運行數據管理、用戶登錄授權與身份認證以及系統自身運行狀況的監控[2]。而系統的基本架構包含了圖1所示的三個物理層，其中現場傳感層的功能是完成監測對象的信息感知與數據檢測，利用各類探測、傳感裝置獲取高速通過的地鐵車輛各個被監測部位的參數，并且將信息上傳到探測站當中的前置機。探測站是地鐵車輛在線監測系統的中間層，主要由信號輸入輸出模塊、電源以及前置、后置機構成，基于軟件運行完成信息處理以及故障預警，并且與其它兩個物理層之間分別保持雙向通訊聯系。而位于控制中心的數據服務管理層則主要完成數據的分類存儲、面向用戶提供查詢服務以及發布相關信息，包括地鐵線路運營管理所需的區域車輛實時位置、編號等方面的內容。

3 在線監測系統各功能模塊的設計

根據監測對象將地鐵車輛的在線監測系統分為若干個相對獨立的子系統，并且實施模塊化的設計，可以提高其可擴展性并且簡化系統的運維。根據目前地鐵線路運行過程中車輛故障類型與影響因素的特點，可以設置如圖2所示的五個基礎功能模塊，并且為滿足系統信息處理和參數計算的需要，加設車號識別與列車行駛速度測量模塊。

3.1 輪對廓形檢測模塊

地鐵車輛的輪對變形、磨損會增加列車運行風險，因此采集輪徑、輪緣寬度等數據并且進行處理，還原出輪對的廓形曲線并進行進一步的分析計算，可以綜合評定其工況并判斷是否需要采取運維措施。為了實現這一監測模塊的功能，應選擇集成了高速攝像頭、激光測距儀的探測裝置，將其對稱布置在兩條軌道的內外側道床，在列車輪對通過監測范圍時，可以從車輪內外兩側以及前后兩個方向分別完成各項幾何參數的測量和采集，因此共需要安裝8個探測裝置，前后間距控制在20 m左右。

3.2 平輪探測模塊的設計及安裝

由于地鐵車輛在運行過程中需要頻繁啟動和剎車，在制動過程中會出現滑行現象，從而造成輪對外緣局部過度磨損并形成表面瘢痕，從而破壞圓滑過渡的輪廓曲線，這一現象也被稱為踏面擦傷。當擦傷達到一定程度，就會導致車輛運行中的振動并影響軸承等關鍵零部件的使用壽命，增加故障發生概率。而平輪探測模塊的功能就是探測和識別踏面擦傷并評估是否需要進行維修，所以需要完成定性與定量的信息分析和處理[3]。為了保障探測結果的可靠性應選擇8個高靈敏度與分辨率的加速度傳感器，對稱緊固在兩條軌道的外側，感應踏面擦傷部位通過時形成的周期性振動波，進而通過頻譜分析完成定性定量分析。

3.3 走行部在線監測模塊

地鐵車輛的走行部包括了齒輪箱等傳動部件，在列車高速運行過程中承受著零配件之間的摩擦、機械振動以及沖擊，因此較易出現緊固、連接件松動等問題，影響車輛的平穩和安全運行。針對這一隱患發生和發展的特點，設計走行部的異響檢測模塊，在監測區域內的地鐵隧道壁兩側對稱布置2個聲音探測裝置，采集走行部通過時的聲音數據并傳至探測站，由探測站軟件分析有無表征行走部故障的異響。

3.4 受電弓異響探測與磨損監測

受電弓和接觸網之間在地鐵車輛行進過程中需要保持精密的接觸關系，才能夠穩定的為車輛供電，保障線路運營以及供配電設施的安全。而受電弓與接觸線相對運動過程中會因振動、磨損等原因出現接觸不良等問題，為了在線檢測和評價弓網關系，可以首先在監測區域內的隧道壁上接近受電弓的位置布置2個聲音傳感裝置，其原理與行走部異響探測相同。其次，可利用無損探傷原理使用激光探測器獲取圖像資料，分析受電弓滑板等關鍵零部件有無裂紋等缺陷并評估其磨損程度。

3.5 軸承溫度檢測模塊

軸承溫度變化能夠表征地鐵車輛傳動系統的運行可靠性，當溫度異常升高時往往意味著潤滑不良或零件損壞等問題，如若不及時維護則易導致車輛故障。所以在設計在線監測系統時，需要設置軸承溫度的檢測分析模塊。為了能夠基于地面監測區域的探測裝置感應行駛中的車輪部位軸溫參數，在地鐵軌道兩側分別安裝一個紅外溫度傳感器，當列車經過時可以直接獲取車輪軸箱的溫度數據并上傳給探測站服務器，由軟件系統分析軸溫變化有無異常，并在必要時發出警示信息。

3.6 車輛行駛速度檢測與車號識別輔助模塊

車號識別和車輛行駛速度檢測為監測系統的數據庫管理與故障分析、參數計算提供了關鍵信息。其中的車號識別模塊應用的是射頻識別技術，在軌道道床布置探測天線，識別列車前后端車廂下部的RFID標簽即可在系統中匹配列車編號[4]。而行駛速度檢測基于2個布置于軌道沿線、間距固定的傳感器，感知、記錄車輪先后經過的時間點便可以計算出車輛行駛速度，一方面可以通過在線監測系統的控制中心面向管理網絡發布實時信息，供管理人員查詢和參考。另一方面則作為在線監測系統數據處理軟件計算、分析車輪幾何參數、踏面擦傷的基礎數據。

4 軟件研發及系統運維

地鐵車輛在線監測系統的軟件也有多個功能模塊，分別實現數據采集分析、數據庫管理以及系統管理等功能，運行于探測站控制層和數據服務管理層的服務器，既相互獨立又需要進行數據交換和保持實時通訊。其中探測站控制層的軟件主要完成信息的識別和分析，同時控制這一物理層的網絡運行狀態。而數據庫以及系統管理軟件則實現了故障分析預警、生成報表以及信息發布功能，基于SQL數據庫軟件平臺進行相應的功能開發。此外，為了保障在線監測系統運行的穩定性，應針對各物理層的運行環境特點制定運維措施，對于地面監測區域內布置的探測裝置進行必要的保養與維護，并且利用防火墻與網絡安全監測軟件保障系統的通訊安全。

5 結束語

在線監測系統能夠采集高速運行狀態下地鐵車輛的重要參數，從而實現易發故障的預測和診斷，為地鐵線路安全運營提供了有力支持。而隨著信息技術的不斷進步，給實施更加全面的信息采集和數據處理創造了條件，未來的地鐵車輛在線監測系統的檢測精度、故障識別和預警能力將會不斷得到提高和完善。

參考文獻：

[1]黃紀云.地鐵信號設備在線監測系統設計與實現[J].城市建設理論研究（電子版），2016，6（8）：392-393.

[2]趙鐵柱，董輝，林玉文，等.面向地鐵運維的軌道交通大數據在線監測系統[J].東莞理工學院學報，2019（5）：50-55.

[3]馬治東.軌道交通在線監測專用無線傳輸系統設計及應用[J].科技風，2018（29）：109.

[4]杜東偉，張陸軍，邢傳義，等.車號圖像識別設備在地鐵中的應用[J].現代城市軌道交通，2019（10）：1-4.