成都地鐵5 號線車輛在線監測系統分析

龔承啟

（成都軌道交通集團有限公司，成都 610000）

近年來，城市軌道交通的飛速發展，各地區對地鐵的運營水平和維護能力都提出了更高的要求，而信息化、智能化且自動化程度更高的智慧運維系統為地鐵車輛的穩定運行提供了可靠的保障。上海地鐵智能運維系統由車地無線傳輸子系統、軌旁車輛綜合檢測子系統和車輛維護管理信息子系統3 部分組成，并在上海地鐵17 號線取得成功運用[1]。廣州地鐵8 號線采用了車載動力學監測系統，可對車輛軸向振動、構架振動和車體振動等走行部進行狀態監測[2]。東莞地鐵的車體360°全車檢測系統能在車輛通過時自動檢測車輛的外表故障、識別車底車頂異物及緊固件松動情況，實現不停車列檢[3]。深圳地鐵利用車輛智慧運維平臺數據整合的優勢，充分挖掘數據的價值，結合用戶實際的需求，有效降低運維成本[4]。

盡管目前各地鐵線路的車輛智慧運維系統種類繁多，但大都存在識別率低、誤報率高和無法完全替代人工等問題。成都地鐵5 號線車輛在線監測系統自2020年初投入使用，能夠實現列車的狀態監測、運營數據存儲和故障分析等功能，但依然存在對車輛狀態監測不全、智能化程度低等問題，無法有效減少一線員工的檢修負擔，因此，挖掘車輛在線監測系統更多實用功能，優化判斷條件，提高車輛在線監測系統的使用率，提升檢修人員正線故障處置效率，有著極為重要的工程意義。

1 成都地鐵5 號線在線監測系統簡介

成都地鐵5 號線在線監測系統是一套支持列車運營檢修維護的地面軟件系統平臺，主要功能是依靠列車TCMS（Train Control Management System）網絡，并借助4G 無線網絡實現車輛數據落地，通過瀏覽器可實現車輛狀態實時監測，故障自動報警等功能，從而為列車運行提供遠程專家技術支持和遠程診斷。在線監測系統主要由車地無線傳輸系統、地面監控分析系統平臺組成（圖1）。在線監測網站按照功能分可分為列車故障及狀態實時監控、列車故障及異常查詢和數據分析及應用3 大版塊。

圖1 成都地鐵車輛在線監測系統示意圖

1.1 列車故障及狀態實時監控

實時監控功能不但可以總覽全部正線運營列車的狀態，還可以實時觀察某列車的速度、駕駛模式和牽引制動力等信息，通過查詢列車旁路開關狀態、通信狀態等功能，實現正線列車的遠程監視（圖2）。對于有故障的列車會有語音提示及異常顏色區分，便于檢修人員快速識別。

圖2 車輛狀態界面

1.2 列車故障及異常查詢

在線監測系統的故障及異常查詢可以實現以下功能。

1）對當前所有列車的故障進行查詢；

2）查詢某列車在規定時間段內的故障；

3）對某個系統的故障進行查詢統計。

該功能不但可以快速獲得列車的故障情況，還便于檢修人員對某些故障進行統計、分析。故障及異常查詢主界面如圖3 所示。

圖3 故障及異常查詢界面

1.3 數據分析及應用

列車運營數據主要包含：列車運營公里數、牽引系統能耗、輔助電源系統能耗、電制動時反饋到電網的再生能量及空調能耗等。列車運行過程中，各個牽引、輔助控制單元分別計算其各自的能耗，并實時將數據傳輸至TCMS。TCMS 將各單元能耗累加后顯示在人機交互界面（HMI），傳統的能耗獲取一般需要檢修人員抄錄列車HMI 上的運營數據，由專業技術人員將列車能耗數據進行錄入后，再進行統計和分析[5]。

數據分析應用模塊通過車地無線系統將列車運營數據上傳至在線監測網站，可以快速查詢列車的公里數、牽引輔助能耗等數據，并能將數據導出以便進行更詳細的統計分析。該功能的運用不僅減少了檢修人員的作業量，也提高了專業技術人員對列車運行能耗數據分析的效率。

2 重要故障預警功能

在地鐵車輛綜合監測預警系統中，車地無線傳輸系統主要負責將地鐵列車的運行狀態和故障信息實時、可靠地傳遞給地面檢修維保系統，進而實現地鐵車輛牽引、制動等系統的實時信息監測和預警效果[6]。隨著地鐵線網化運營對車輛維保的高效、準確提出了更高要求，成都地鐵5 號線在線監測系統雖然能夠對列車速度、牽引和制動等狀態進行有效監視，但依然無法滿足大線網運營情況下對列車故障處置高效、快捷的需求，為滿足不斷提升的正線處置效率需求，車輛在線監測系統結合實際運營及維保需求搭建了客室溫度預警、車輛狀態指示燈預警等多個預警功能，以及車輛I/O 變量顯示等措施，對在線監測系統進行優化[7]。

2.1 客室溫度過高預警

隨著地鐵運營對乘客舒適性及駕乘體驗提出了更高要求，對空調系統運行的穩定性也提出了更高要求。常規的地下線路，列車處于陰涼的環境下，環境溫度較穩定，在客流量相對平均的情況下客室的溫度可保持在一個舒適的狀態下[8]，但在地鐵運營的高峰期間，地鐵客流會在短時間內出現快速上漲，部分客流量大的線路因地鐵車廂內乘客擁擠，導致客室溫度上升。

車輛在線監測系統能實時接收電客車車廂內溫度數據，并在在線監測網頁上對應的界面顯示，但需人工去選擇對應車輛查看某列車的客室溫度，為了能夠實時反饋正線車輛空調的工作狀態，避免電客車未開空調或空調故障等問題造成客室內溫度過高，引起乘客投訴，利用在線監測系統監測到的客室溫度進行空調溫度異常預警。當正線運營的列車的客室溫度超過目標設定溫度一定值時，在線監測系統會報出語音提示預警，便于檢修人員快速發現運營列車的客室溫度異常狀況，從而進行快速處理（圖4）。

圖4 空調預警邏輯

2.2 車輛狀態指示燈顯示及異常預警

車輛狀態指示燈是車輛顯示TCMS 系統狀態、車門關閉情況和制動緩解情況的重要指示功能，上述系統一旦出現故障，輕則引起列車晚點，嚴重可能導致列車救援，影響整條線路的運營，由于車輛狀態指示燈為列車硬線電路構成，大多數車輛在線監測系統未直接采集，為進一步提高車輛在線監測系統對電客車狀態判斷的覆蓋面，提高正線故障處置效率，在車輛在線監測系統將列車中的車門全關閉指示燈、制動緩解指示燈、TCMS 正常指示燈和停放制動緩解指示燈進行顯示，并增加車輛狀態指示燈異常熄滅預警功能。

車輛狀態指示燈是采用列車繼電器控制燈的亮滅，通過結合電客車實際電路圖和TCMS 系統現有相關指令采集點，最終將車輛指示燈狀態顯示在在線監測網站上，車輛狀態指示燈最終的顯示效果如圖5 和圖6 所示，當列車狀態指示燈顯示異常時，在線監測系統會有語音提示預警，檢修人員可以快速發現故障并及時給出處置建議[9]。

圖5 車輛狀態指示燈顯示界面

圖6 TCMS 指示燈預警邏輯

除了上述預警外，在線監測系統還搭建了蓄電池溫度異常預警、列車總風壓力異常預警等共計20 多條預警，上述預警功能完善了在線監測系統對列車異常狀態的監視，提升了檢修人員對運營列車故障處置的效率。

2.3 車輛I/O 變量顯示

為了便于檢修人員在列車故障時能夠快速查看不同系統、繼電器及開關的實時狀態，在線監測系統將牽引指令、制動指令、列車激活和開關門等多個變量在網站上進行顯示，通過查看I/O 變量，可快速查找對應部件的實際狀態，I/O 界面顯示如圖7 所示。

圖7 I/O 變量顯示情況

3 繼電器動作次數統計

繼電器是地鐵列車電路系統的重要控制部件之一，通常運用于列車激活、牽引制動等重要控制環節，是地鐵列車控制電路的“心臟”，如發生故障，可能造成列車清客甚至救援，嚴重影響整條地鐵線路的運營效率及乘客的出行安排[10]。因此，繼電器的日常維護和更換也是列車檢修的重要項目之一，繼電器的動作次數是繼電器壽命的重要指標，列車繼電器的更換及維護主要依賴繼電器廠家提供的維護文件，但目前國內大多數地鐵線路對列車運營過程中繼電器的動作次數缺少有效統計，使得地鐵列車在架修或大修進行繼電器維護時缺少有效依據。通過在線監測系統的繼電器動作次數統計功能，可精確地獲得列車繼電器的動作次數，為列車后期繼電器維護，大架修期間繼電器的更換提供數據支撐[11]。

列車TCMS系統對列車大部分關鍵繼電器都進行了采集，通過車地無線功能將相關繼電器變量上傳至在線監測網站，可實時記錄采集繼電器的動作化次數，并進行累積記錄，使得繼電器動作次數統計成為可能（圖8）。

圖8 繼電器動作次數統計

4 實時變量分析

地鐵列車故障原因復雜、多樣，部分故障可能是多個系統聯合誘發導致，當地鐵列車的故障原因需要結合多個系統、變量或者狀態分析時，往往需要對電客車故障數據進行下載以便進一步分析，目前，地鐵檢修人員主要通過手動方式來下載列車故障數據，即用電腦通過有線或無線的連接方式與列車數據存儲單元相連，再通過人工操作數據下載軟件來實現列車故障數據的下載。通常情況下為保證地鐵列車的運營效率，列車故障數據的下載需要在運營結束回庫后進行，隨著目前地鐵列車采集變量的增多，數據量也進一步增大，人工下載數據往往需要花費更長的時間[12]。目前成都地鐵5 號線列車人工進行故障數據下載的時間平均為30 min 左右。因此，傳統的人工數據下載無法滿足地鐵大線網運營條件下，對故障處理實時、高效的要求。

為彌補傳統數據下載存在滯后性的缺陷，通過車地無線技術將電客車的速度、駕駛模式和牽引制動指令等信息上傳至在線監測系統，如圖9 所示，在線監測系統可通過實時采集的變量進行圖像繪制，當列車發生故障時，檢修人員可結合故障現象將列車相關變量加載并進行波形繪制，實現對列車故障的快速分析，以便對正線運營有故障的列車給予更加精確的處置建議，可以大大降低因對故障判斷錯誤導致的列車清客或晚點。

圖9 實時變量分析頁面

5 結束語

目前，我國地鐵列車的檢修運維主要依靠計劃檢修和事后維修，即預防修和故障修。但是，通過長期的設備檢修和實踐證明，采用計劃維修的方法，有可能因為檢修中的拆動造成額外的故障從而破壞原有系統的穩定性，同時也會消耗大量的人力、物力，造成成本浪費。本文對在線監測系統的故障預測及健康管理分析，是維保方式由傳統的預防修、故障修向狀態修的轉變，即在線監測系統實時監測設備在線工作狀態，依據設備關鍵部件工作狀態參數確定對該部件的維修策略。同時結合現場實際檢修維保需求，在平臺上新搭建了重要故障預警、繼電器動作統計、實時變量分析等功能，大幅度提升了在線監測的使用覆蓋面。車輛在線監測系統目標是提升設備可靠性、降低勞動強度、優化設備檢修和行程組織方式，已成為檢修人員的重要輔助工具[13]。

1）在線監測系統的車輛實時監控配合重要故障預警功能，對于運營列車出現的異常情況，檢修人員能夠快速識別，提高正線處置效率。

2）列車運營數據統計一方面可精確統計電客車的公里數、能耗等運營信息，便于技術人員進行后臺分析，同時也代替了檢修人員通過傳統人工錄入電客車數據的工作，有效降低了檢修人員的作業量。

3）繼電器動作次數統計可有效獲取列車的繼電器動作次數情況，為列車后期繼電器維護，大架修期間繼電器的更換提供數據支撐。

目前，受限于車地無線技術的硬件水平，在線監測系統依然存在傳輸數據容量有限，部分情況下列車狀態判斷不夠精確等問題，同時，由于智慧化運維目前正在發展初期，深度數據分析和實際生產應用還存在較大差距[14]，未來，隨著車地無線技術的發展及5G 技術的推廣應用，列車在線監測系統的性能會得到優化。

1）利用5G 技術低延時、高可靠性的能力，在線監測系統的傳輸速率和存儲數據容量可進一步提升，同時支持列車運營數據的遠程下載功能[15]。

2）對列車進行深度數據挖掘和應用分析，進一步服務生產一線。