軌道車輛運(yùn)行安全地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

摘要 軌道車輛是軌道交通系統(tǒng)的重要組成部分。隨著新開通運(yùn)營軌道交通的城市增多、運(yùn)營規(guī)?？焖僭鲩L、客運(yùn)量不斷攀升，整個(gè)市場(chǎng)對(duì)軌道車輛的運(yùn)行安全提出了更高要求。文章提出了一種軌道車輛運(yùn)行安全地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)軌道車輛關(guān)鍵部件的故障特點(diǎn)，在軌邊安裝了多維傳感器陣列，并利用熱學(xué)診斷和聲學(xué)診斷技術(shù)對(duì)軌道運(yùn)行車輛關(guān)鍵部件的溫度、圖像、聲音和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道車輛的軸箱、輪對(duì)、制動(dòng)盤、牽引電機(jī)箱、大/ 小齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和車底外露電纜等關(guān)鍵部件的綜合監(jiān)控。

關(guān)鍵詞 軌道車輛；地對(duì)車監(jiān)測(cè)；熱學(xué)診斷；聲學(xué)診斷；多維傳感器陣列

中圖分類號(hào) U279 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）15-0024-03

0 引言

當(dāng)前我國地鐵車輛的檢修一般分為日常維修、定修、架修和大修。其中，日常維修又根據(jù)車型、運(yùn)營周期等制定日檢、月檢、臨修等工藝過程[1]。檢修人員按不同的檢修等級(jí)對(duì)轉(zhuǎn)向架、牽引電機(jī)箱、齒輪箱、聯(lián)軸器、制動(dòng)機(jī)和車載設(shè)備的控制單元等檢修部位進(jìn)行階段性的檢修和維護(hù)，但檢修作業(yè)未針對(duì)性地對(duì)車輛狀態(tài)跟蹤。采用這種檢修模式雖然可以保證車輛在運(yùn)行中處于良好的技術(shù)狀態(tài)，但這種人工定期檢修的方式非常依賴于檢修人員長期積累的檢修經(jīng)驗(yàn)，且人工檢修的方式不得不延長地鐵車輛的檢修時(shí)間，導(dǎo)致資源利用率低[2]。因此，既影響了車輛運(yùn)轉(zhuǎn)率，還無法保障檢修工藝。因此，試驗(yàn)開發(fā)一種適用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道車輛各關(guān)鍵部件運(yùn)行狀態(tài)的地面設(shè)備，確保軌道車輛運(yùn)行安全、降低運(yùn)維成本，意義重大。我公司根據(jù)軌道車輛關(guān)鍵部件故障特點(diǎn)，安裝成熟的軌邊傳感器陣列，對(duì)地鐵運(yùn)行車輛關(guān)鍵部件的溫度、圖像、聲音、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析。通過光熱融合、光纖微振動(dòng)、聲學(xué)頻譜分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、自動(dòng)定位、大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，針對(duì)軌道車輛故障，優(yōu)化判別模型，開發(fā)針對(duì)軌道車輛運(yùn)行安全的地對(duì)車綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)方案

軌道車輛運(yùn)行安全地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)軌道車輛關(guān)鍵部件的故障特點(diǎn)，在軌邊安裝成熟的軌邊傳感器陣列，通過集成紅外熱成像、高速光學(xué)成像、聲學(xué)和光纖微振動(dòng)等多維傳感器陣列技術(shù)，對(duì)地鐵運(yùn)行車輛關(guān)鍵部件的溫度、圖像、聲音和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛的軸箱、輪對(duì)、制動(dòng)盤、牽引電機(jī)箱、大/ 小齒輪箱、聯(lián)軸器、車廂連接器和車底外露電纜等關(guān)鍵部件的綜合監(jiān)測(cè)。

該系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備和機(jī)房服務(wù)設(shè)備2 部分組成。監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備由熱成像、光學(xué)成像、光纖聲音傳感器、光纖微振動(dòng)傳感器等多維傳感器陣列組成，主要完成數(shù)據(jù)采集、過濾、清洗，從而形成可用于分析的有效原始數(shù)據(jù)。機(jī)房服務(wù)設(shè)備主要由服務(wù)器、磁盤陣列及中心監(jiān)控平臺(tái)設(shè)備組成，主要完成原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和智能分析、故障識(shí)別和高級(jí)抽象數(shù)據(jù)處理。

1.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備

監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)備安裝于入段口線路探測(cè)區(qū)，對(duì)出入段地鐵車輛關(guān)鍵運(yùn)行部件的工況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。軌道設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖1 所示。

1.1.1 車輪傳感器組

車輪傳感器組安裝在探測(cè)區(qū)的鋼軌內(nèi)側(cè)，是系統(tǒng)判斷列車是否接近、計(jì)算運(yùn)行車輛速度、采集定位等的重要依據(jù)，可為系統(tǒng)提供開機(jī)、計(jì)軸計(jì)輛、車速計(jì)算信號(hào)。

1.1.2 軌邊箱

軌邊箱安裝在線路兩邊，用于監(jiān)測(cè)運(yùn)行地鐵車輛車輪、軸箱、車廂連接器的運(yùn)行溫度及外觀，主要由熱學(xué)成像模組、光學(xué)成像模組、光學(xué)補(bǔ)償光源構(gòu)成。

1.1.3 軌心箱

軌心箱安裝在線路中間兩枕木間隙處，用于監(jiān)測(cè)運(yùn)行列車底部牽引電機(jī)箱、大/ 小齒輪箱、聯(lián)軸器、車輛底部外露電纜等的運(yùn)行溫度及外觀，主要由熱學(xué)成像模組、光學(xué)成像模組、光學(xué)補(bǔ)償光源構(gòu)成。

1.1.4 車號(hào)箱

車號(hào)箱安裝在線路一邊，用于監(jiān)測(cè)識(shí)別地鐵車輛車體上的車號(hào)，主要由光學(xué)成像模組和光學(xué)補(bǔ)償光源構(gòu)成。

1.1.5 聲音箱

聲音箱安裝在線路兩條鋼軌的內(nèi)側(cè)和外側(cè)，由多個(gè)光纖聲音傳感器形成聲音采集陣列，用于監(jiān)測(cè)列車車輛各部件的運(yùn)行噪聲，從而識(shí)別軸承（軸箱）、牽引電機(jī)箱、大/ 小齒輪箱、聯(lián)軸器等轉(zhuǎn)動(dòng)傳動(dòng)部件的工況。

1.1.6 振動(dòng)傳感器組

振動(dòng)傳感器組安裝在探測(cè)區(qū)的鋼軌底部，由多個(gè)光纖微振動(dòng)傳感器形成振動(dòng)噪聲采集陣列，用于監(jiān)測(cè)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)與鋼軌沖擊振動(dòng)產(chǎn)生的運(yùn)行噪聲，從而識(shí)別車輪的運(yùn)行工況。

1.1.7 控制分析機(jī)群

控制分析機(jī)群安裝在探測(cè)區(qū)軌道限界外的戶外機(jī)柜內(nèi)，用于控制軌道設(shè)備的啟動(dòng)關(guān)閉、車輛信息采集、部件定位、車號(hào)識(shí)別、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息分析、故障診斷、數(shù)據(jù)上傳、設(shè)備自檢等功能，主要由車輪傳感器信號(hào)處理裝置、電控箱、光熱采集主機(jī)、聲振采集主機(jī)、車號(hào)識(shí)別主機(jī)、分析機(jī)、顯示器、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、電源箱等構(gòu)成，設(shè)備機(jī)柜現(xiàn)場(chǎng)安裝如圖2 所示。

1.2 機(jī)房服務(wù)設(shè)備

機(jī)房服務(wù)設(shè)備可安置于DCC 機(jī)房。通過網(wǎng)絡(luò)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分析機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)車輛的跟蹤監(jiān)測(cè)、缺陷預(yù)測(cè)，以及多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的集中管理、監(jiān)測(cè)中心平臺(tái)服務(wù)等。主要由服務(wù)器、磁盤陣列、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、防雷箱、UPS、配電箱等構(gòu)成。

2 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1 多維傳感器陣列探測(cè)技術(shù)

軌道車輛運(yùn)行安全地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)模擬了人工檢修時(shí)常用的“ 看”“ 聽”“ 摸” 等手段，通過在軌邊建立傳感器陣列，分別從熱成像、光學(xué)成像、聲音、振動(dòng)等不同數(shù)據(jù)源對(duì)運(yùn)行中的地鐵車輛關(guān)鍵部件的工況進(jìn)行全方位信息采集。

“ 看” 的技術(shù)難點(diǎn)在于成像清晰、定位準(zhǔn)確和智能識(shí)別。系統(tǒng)采用高速光學(xué)相機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵車輛兩側(cè)和底部所有部件清晰成像。利用人工智能軟件及圖像識(shí)別技術(shù)，自動(dòng)識(shí)別關(guān)鍵部件外觀類故障，形成模型特征表達(dá)式。系統(tǒng)在實(shí)時(shí)過車時(shí)，一是利用模式識(shí)別算法，機(jī)器優(yōu)先識(shí)別該類故障，人工再次識(shí)別其他類次要故障；二是數(shù)據(jù)分析中心對(duì)故障分類，對(duì)數(shù)據(jù)建立模式。

“ 摸” 主要由紅外熱成像探頭實(shí)現(xiàn)。熱成像探頭負(fù)責(zé)捕捉對(duì)比車體兩側(cè)和底部各運(yùn)行部件在運(yùn)行過程中的運(yùn)轉(zhuǎn)熱輻射。熱成像探頭利用測(cè)定目標(biāo)的本身和背景之間的紅外線波長差值，得到不同的紅外圖像，并形成人眼可以看到的代表目標(biāo)表面溫度分布的熱圖像。

系統(tǒng)由高靈敏度光纖聲音傳感器和光纖微振動(dòng)傳感器模擬人工檢修的“ 聽”，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛關(guān)鍵部件運(yùn)行過程中的異響異振等噪聲振動(dòng)信號(hào)的感應(yīng)和傳輸，具有靈敏度高、探測(cè)范圍大、抗電磁干擾等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。信號(hào)處理部分應(yīng)用人工智能技術(shù)，采用基于深度學(xué)習(xí)的模式識(shí)別算法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)充分提取聲音振動(dòng)樣本信號(hào)的特征信息，提高系統(tǒng)對(duì)故障信號(hào)的識(shí)別率。

2.2 信息綜合診斷技術(shù)

多維傳感器陣列采集了關(guān)鍵部件的熱成像、光學(xué)成像、聲音、振動(dòng)以及車輛基本信息（包含車號(hào)、速度）后，系統(tǒng)將以上多維信息進(jìn)行數(shù)據(jù)同步與融合，通過對(duì)多維信號(hào)的聯(lián)合分析、處理[3]，實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道車輛關(guān)鍵部件進(jìn)行綜合探測(cè)診斷，使系統(tǒng)能真實(shí)、全面地反映被探測(cè)部件的工作狀態(tài)。牽引電機(jī)紅外熱圖如圖3 所示，輪對(duì)探測(cè)效果圖如圖4 所示。

系統(tǒng)中對(duì)關(guān)鍵部件的綜合診斷主要依據(jù)部件熱學(xué)診斷和聲學(xué)診斷2 種方法。

運(yùn)用熱學(xué)診斷方法判斷軌道車輛故障部件的技術(shù)原理：首先獲取部件區(qū)域的最高溫度和平均溫度，并獲取列平均溫度；系統(tǒng)獲取到高溫區(qū)域的特征位置，得到高溫區(qū)域集中度，定位到電機(jī)軸端位置，計(jì)算出電機(jī)部件溫度指數(shù)，進(jìn)一步求出電機(jī)故障指數(shù)。當(dāng)滿足故障指數(shù)大于FLset 時(shí)，則系統(tǒng)將該電機(jī)診斷為故障。FLset 為常數(shù)，不同關(guān)鍵部位的值不同。

系統(tǒng)運(yùn)用聲學(xué)診斷運(yùn)行軌道車輛故障主要運(yùn)用了聲發(fā)射信號(hào)預(yù)處理技術(shù)：聲發(fā)射信號(hào)預(yù)處理采用小波包分析法進(jìn)行降噪處理，提高信號(hào)的信噪比，為后續(xù)聲音信號(hào)特征向量的提取奠定基礎(chǔ)。

利用小波包分析算法進(jìn)行濾波降噪一共有4 個(gè)步驟：

1）根據(jù)原始信號(hào)的特征，選定合適的小波類型與分解層數(shù)。

2）根據(jù)設(shè)定的熵值計(jì)算最優(yōu)分解樹。求取最優(yōu)分解樹實(shí)質(zhì)上就是確定最佳小波包基，此步驟可以根據(jù)實(shí)際需求選擇執(zhí)行或不執(zhí)行。

3）設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?，?duì)各個(gè)分解層的小波系數(shù)進(jìn)行閾值量化處理。

4）根據(jù)需要對(duì)閾值量化處理后的系數(shù)進(jìn)行小波包重構(gòu)。

經(jīng)過上述4 個(gè)流程，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道車輛原始聲音信號(hào)的有效降噪，提高聲音信號(hào)的信噪比，為進(jìn)一步提取特征向量奠定基礎(chǔ)，如圖5 所示。

系統(tǒng)通過熱學(xué)診斷和聲學(xué)診斷兩個(gè)維度綜合判斷被探測(cè)部件的故障狀態(tài)，能夠有效避免單一傳感器出現(xiàn)故障而造成的監(jiān)測(cè)范圍缺失的安全隱患；對(duì)于工作狀態(tài)發(fā)生異常的部件，能被系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)。

3 系統(tǒng)在地鐵中的應(yīng)用

軌道車輛運(yùn)行安全地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在運(yùn)行軌道車輛的監(jiān)測(cè)工作中主要監(jiān)測(cè)部位包括牽引電機(jī)箱、車廂連接器、齒輪箱、聯(lián)軸器、軸箱、車輪和踏面輪緣。牽引電機(jī)箱、齒輪箱、聯(lián)軸器主要通過安裝于軌心兩枕木之間的光熱一體傳感探頭和高靈敏光纖聲學(xué)傳感探頭采集部件表面溫度和運(yùn)行噪聲；自動(dòng)識(shí)別部件溫度梯度和時(shí)頻特征，利用了熱學(xué)和聲學(xué)兩種信息綜合診斷方法實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛部件健康狀態(tài)診斷，發(fā)現(xiàn)故障實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。電機(jī)接線器、輪盤以及底部外露電纜等這類運(yùn)行噪聲不突出的關(guān)鍵部件主要通過安裝于軌邊的光熱一體傳感探頭采集部件表面溫度，識(shí)別部件和熱分布趨勢(shì)及梯度，對(duì)部件健康狀態(tài)進(jìn)行診斷。

輪對(duì)踏面及輪緣的運(yùn)動(dòng)是不斷與鋼軌沖擊、摩擦、滑動(dòng)的過程。因此，系統(tǒng)對(duì)此類關(guān)鍵部件主要通過安裝于鋼軌底部的光纖微振動(dòng)傳感器對(duì)輪對(duì)踏面輪緣與鋼軌接觸所產(chǎn)生的沖擊振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集。通過傳感器安裝距離控制實(shí)現(xiàn)輪對(duì)旋轉(zhuǎn)一周的振動(dòng)信號(hào)的完整采集，結(jié)合BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練，建立優(yōu)化故障判決模型，實(shí)現(xiàn)故障智能識(shí)別，實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)。

4 結(jié)語

該文主要對(duì)軌道車輛運(yùn)行安全地面綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)方案、技術(shù)實(shí)現(xiàn)、在地鐵中的應(yīng)用以及未來帶來的社會(huì)效益進(jìn)行探討研究。系統(tǒng)通過多維傳感器陣列技術(shù)和信息綜合診斷技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵車輛的軸箱、輪對(duì)、制動(dòng)盤、牽引電機(jī)箱、大/ 小齒輪箱、聯(lián)軸節(jié)和車底外露電纜等關(guān)鍵部件的綜合監(jiān)控。針對(duì)軌道車輛故障優(yōu)化判別模型開發(fā)出一套針對(duì)軌道車輛運(yùn)行安全的地對(duì)車綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)地鐵車輛已發(fā)故障和潛在隱患都起到了及時(shí)的報(bào)警和預(yù)警作用。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)軌道車輛故障部件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，保障車輛運(yùn)行安全。在軌道車輛實(shí)際監(jiān)測(cè)、檢修工作過程中，系統(tǒng)的實(shí)施和應(yīng)用可以大大減輕軌道車輛現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高軌道車輛檢車和修車的工作效率，實(shí)現(xiàn)軌道交通智能化和自動(dòng)化檢修，為軌道交通的快速發(fā)展提供技術(shù)支撐，完善了軌道車輛運(yùn)行安全監(jiān)測(cè)手段，健全了以運(yùn)營安全和服務(wù)質(zhì)量為重點(diǎn)的城市軌道交通運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)體系。其大數(shù)據(jù)分析功能為軌道車輛的智能運(yùn)維提供數(shù)據(jù)支撐和技術(shù)保障，促進(jìn)城市軌道交通車輛維修體制的變革，應(yīng)用前景十分廣闊。

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