軌道列車故障診斷系統(tǒng)設計開發(fā)

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摘要：安全可靠是軌道交通最基本、最核心的要求，在跟蹤和借鑒國內(nèi)外機械設備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷技術基礎上，結合軌道列車機械傳動系統(tǒng)早期故障診斷的工程需求，對軌道列車機械傳動狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)進行了設計，包括系統(tǒng)結構設計、流程設計、功能設計、數(shù)據(jù)庫構建等。并基于C#+SQLServer平臺研發(fā)了一套軌道列車機械傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包括數(shù)據(jù)采集、信號分析、特征提取、信息融合、故障診斷以及系統(tǒng)管理等功能。

關鍵詞：狀態(tài)監(jiān)測；故障診斷；數(shù)據(jù)采集；特征提取

引言

軌道車輛負荷強，車速變化頻繁，停站時間短，行車密度大，隨著運營時間的增加，城市軌道車輛運行狀態(tài)處于不斷變化之中，在大負荷、變速環(huán)境下工作，轉向架各零部件之間反復作用，其關鍵部件的故障如軸承發(fā)生疲勞剝落、磨損、塑性變形，齒輪發(fā)生腐蝕、斷裂、壓痕、膠合等現(xiàn)象，往往會導致車輛各部位振動加劇、性能下降，甚至脫軌翻車等嚴重事故。隨著軌道交通的跨越式發(fā)展，發(fā)生了一系列安全事故[1]。提高軌道車輛運行的安全可靠性的關鍵在于對關鍵機械裝備的健康狀態(tài)評估，并預測其發(fā)展趨勢[2]。如果在軌道車輛機械系統(tǒng)故障潛伏階段，即故障萌芽、剛剛出現(xiàn)或者故障程度尚輕微時，能及時準確地予以狀態(tài)評估和識別，并據(jù)此指導保養(yǎng)和維修工作，就能及時采取措施，防止造成嚴重損失及交通事故。

1系統(tǒng)總體設計

軌道列車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)利用網(wǎng)絡化在線監(jiān)測技術采集傳動系統(tǒng)各關鍵零部件的信號，對軌道列車的運行狀態(tài)與故障模式及時準確的辨別，指導軌道列車的維修維護，提高其安全性、穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)技術調(diào)研結果和應用需求分析，軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)需要達到的技術要求主要有[3]。（1）信號的準確獲取。對軌道列車進行狀態(tài)監(jiān)測首先需要獲取有效的信號以準確反映列車的運行狀態(tài)。為了更準確地對軌道列車的各個部件進行狀態(tài)監(jiān)測，需要合理選擇測點、正確選擇并安裝傳感器、合理設置信號采集參數(shù)，使所采集信號盡可能受干擾小、能很好地反映所監(jiān)測部位的狀態(tài)，便于后續(xù)分析處理。（2）信號的可靠傳輸管理。作為在線監(jiān)測系統(tǒng)，要求保證信號能夠通過網(wǎng)絡可靠傳輸至服務器，并且能夠方便的管理。這就要求制定合理的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，保證數(shù)據(jù)傳輸效率高、實時性好。且需采用數(shù)據(jù)庫方式進行數(shù)據(jù)管理和維護，數(shù)據(jù)庫存儲容量大，數(shù)據(jù)表結構設計合理，數(shù)據(jù)的安全性好，訪問方便快捷。（3）信息處理的實時性。要求軌道列車狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)能夠快速地對采集的數(shù)據(jù)進行處理，對監(jiān)測點的工作狀態(tài)進行正確的判斷，當軌道列車傳動系統(tǒng)處于異常狀態(tài)時，能夠及時、準確地給出報警，并給出處理建議。這就需要對系統(tǒng)的算法進行優(yōu)化，提高其實時處理能力。（4）功能強大。要求提供強大的信號分析處理功能、特征提取功能以及故障診斷功能。信號分析功能包括信號預處理、穩(wěn)態(tài)信號分析、瞬態(tài)信號分析?？梢酝ㄟ^時域分析、頻域分析、時頻分析提取信號多域特征，并根據(jù)特征進行選擇和約簡的功能，除了對單個測點信號進行特征提取外，也可以結合多個測點信號進行信息融合，并對故障特征進行模式識別以判斷軌道列車傳動系統(tǒng)運行狀態(tài)。根據(jù)系統(tǒng)的需求分析以及軌道列車的結構特點，軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)分為前端采集設備、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)庫服務器和監(jiān)控維護集成模塊（客戶端）四個部分。采集模塊通過有線以太網(wǎng)、4G無線網(wǎng)或GPRS方式將數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)庫或集成監(jiān)控維護軟件(客戶端)。每節(jié)車廂都有獨立一套采集設備，采集模塊可以同時連接多個采集設備，同時可以局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)向多個客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。前端采集設備用于采集并傳輸軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)信號，如振動、轉速、溫度等，由采集器、采集卡和傳感器組成。數(shù)據(jù)采集模塊是數(shù)據(jù)庫服務器、監(jiān)控維護集成模塊與采集設備連接橋梁。用戶通過監(jiān)控維護集成模塊組建工程，配置各種參數(shù)并保存于數(shù)據(jù)庫，采集模塊從數(shù)據(jù)庫中讀取相關采集參數(shù)（如傳感器類型、采樣長度、采樣頻率等）并控制前端采集設備的數(shù)據(jù)采集，所采集的數(shù)據(jù)一方面按照指定格式和時間間隔保存至數(shù)據(jù)庫，一方面當有客戶端向采集模塊發(fā)送實時瀏覽命令時將數(shù)據(jù)傳輸給客戶端，數(shù)據(jù)采集模塊能同時連接多個客戶端，分別對其實時傳輸數(shù)據(jù)。監(jiān)控維護集成模塊是該系統(tǒng)的主要人機交互工具，系統(tǒng)的信號瀏覽、信號分析、故障診斷與系統(tǒng)管理等主要功能都是通過該模塊完成，包括將配置參數(shù)，向數(shù)據(jù)采集端發(fā)送采集命令，從數(shù)據(jù)采集端實時讀取數(shù)據(jù)或從數(shù)據(jù)庫讀取歷史數(shù)據(jù)等。系統(tǒng)各模塊交互關系如圖2所示。

2系統(tǒng)軟件功能結構

從軟件功能上可以分為數(shù)據(jù)采集功能、信號分析處理功能、特征提取及故障診斷功能。各個功能模塊之間以SqlServer數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)交換媒介，每個功能模塊又可分為一些子功能。采集模塊包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠程傳輸以及數(shù)據(jù)儲存，信號分析包括數(shù)據(jù)顯示、穩(wěn)態(tài)信號分析、瞬態(tài)信號分析以及監(jiān)測預報警等功能，系統(tǒng)軟件功能結構如圖3所示。

3信號分析處理功能

信號分析處理是軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的重要工具，包括基本顯示功能、信號穩(wěn)態(tài)分析、信號瞬態(tài)分析及監(jiān)測預報警等功能，如圖5所示。顯示功能是信號分析模塊的一個公共基礎功能，顯示器是所有數(shù)據(jù)分析處理結果顯示的載體，顯示方式包括二維波形顯示、色譜圖顯示和三維瀑布圖顯示。顯示器中可以顯示數(shù)據(jù)波形，數(shù)據(jù)單位、數(shù)據(jù)采集時間、測點名稱、數(shù)據(jù)坐標等信息?？赏ㄟ^右鍵快捷菜單對數(shù)據(jù)進行縮放、導出數(shù)據(jù)或設置顯示器風格等操作，顯示器界面如圖6所示。

4故障診斷

特征提取是軌道列車傳動系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)的核心功能之一，系統(tǒng)通過信號分析，特征提取，進而進行模式識別以實現(xiàn)早期故障診斷?；诹餍螌W習的軌道列車傳動系統(tǒng)早期故障特征提取流程如圖7所示。在軌道列車服役初期，連續(xù)收集一段時間的傳動系統(tǒng)振動信號數(shù)據(jù)作為原始樣本數(shù)據(jù)，對信號進行非線性降噪預處理。通過多域特征提取、特征選擇獲取多域高維特征集，采用批量流形學習算法進行特征約簡，并將原始高維特征集和約簡后的低維特征集保存于樣本庫。對軌道列車傳動系統(tǒng)進行實時監(jiān)測，定期采集列車振動信號，同樣進行非線性降噪、多域特征提取和選擇，繼而利用原始樣本特征提取結果和增量流形學習算法對新增樣本進行特征約簡，其結果也保存于樣本庫，作為下次特征提取的原始樣本數(shù)據(jù)。利用分類器對約簡后的特征進行分別結果如圖8所示。

5總結

介紹了軌道列車傳動系統(tǒng)早期故障診斷系統(tǒng)的設計過程。首先根據(jù)需求對系統(tǒng)進行了總體設計，隨后采用SQLServer進行了系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務器的構建，并采用面向對象的編程語言C#進行了監(jiān)控維護集成分析軟件設計和開發(fā)，針對風電機組狀態(tài)監(jiān)測的需要，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集功能、信號分析功能、特征提取功能、早期故障診斷功能。

參考文獻

[1]李熙.城市軌道車輛行走部安全評估方法研究[D].北京:北京交通大學,2011.

[2]劉志亮,潘登,左明健,李興林.軌道車輛故障診斷研究進展[J].機械工程學報(14期):134-146.

[3]劉紹凱.軌道交通車輛遠程故障診斷系統(tǒng)的研究[D].北京:北京交通大學,2015.

作者：王瑜琳 陳興劼 牟剛 徐曉靈 盧德林 單位：重慶公共運輸職業(yè)學院