轨道交通车辆走行部轴承监控系统的开发.pdf

852023,61(11)总第7 1 1 期机械制造检测试验轨道交通车辆走行部轴承监控系统的开发陈怡然上海电气集团股份有限公司中央研究院上海200070摘要：为了实时监控轨道交通车辆走行部轴承，开发了一套轨道交通车辆走行部轴承监控系统。这一监控系统由采集终端模块、数据传输模块、监控模块组成。采集终端模块负责采集轴承的运行数据，数据传输模块对运行数据处理后传输至监控模块，监控模块将处理后的运行数据显示在用户终端上，由此实现对各轨道交通车辆行走部轴承的实时监控。应用这一监控系统，可以及时排查故障，发现濒临故障的轴承，进而保障安全。关键词：轨道交通通走行部轴承监控开发中图分类号：U260.331*.2文献标志码：A文章编号：1 0 0 0-49 9 8（2 0 2 3）1 1-0 0 8 5-0 3Abstract:In order to monitor the bearing of rail transit vehicle in real time,a set of bearing monitoringsystem for walking part of rail transit vehicle was developed.This monitoring system consists of a collectionterminal module,a data transmission module,and a monitoring module.The collection terminal module isresponsible for collecting the operating data of the bearing,and the data transmission module transmits theoperation data to the monitoring module,and the monitoring module displays the processed operation data onthe user terminal,so as to realize the real-time monitoring of bearing of each walking part of rail transitvehicle.Using this monitoring system,fault can be detected in time,and bearing on the verge of failure can befound to ensure safety.Keywords:Rail TransitWalking PartBearingMonitorDevelopment1天开发背景轨道交通车辆走行部轴承是影响轨道交通正常运行的最重要部件之一。走行部轴承若发生故障，轻则导致车辆晚点、停运或清客，重则会影响乘客的生命安全。因此，及时监控走行部轴承的运行状态，能够便于运维人员及时发现问题，并制订相应的维修策略，从而避免车辆发生突发性故障事件，保证乘客和车辆的运输安全。现阶段对走行部轴承的分析通常局限在实验室或高校，且仅停留在理论研究阶段，并未考虑到车辆实际运行环境对走行部轴承所造成的影响，也没有形成可以供用户直接或直观使用的监控系统，由此用户很难及时监控到走行部轴承的运行状态。一旦车辆发生突发故障，用户可能需要很长时间才能解决故障，车辆的安全保障功能较差，且体验不好。笔者开发了一套轨道交通车辆走行部轴承监控系统，包括采集终端模块、数据传输模块、监控模块。通过采集终端模块获得各走行部轴承在当前时段的运行数据，这些运行数据经过数据传输模块到达监控模块，当前时段的轴承运行状态由此显示在用户终端上，进而实现对走行部轴承的实时监控。2采集终端模块采集终端模块包括复合传感器和数据运算单元。复合传感器安装在车辆各走行部轴承上，数量与走行部轴承的数量相同。复合传感器在车辆运行过程中实时采集各走行部轴承的运行数据。复合传感器由振动传感器单元、冲击力传感器单元、温度传感器单元构成，可采集走行部轴承在运行时产生的高频振动数据、低频缓变量数据、振动趋势数据等。其中，高频振动数据包括振动信号和冲击数据，低频缓变量数据包括温度数据和负载数据，3数据传输模块采集终端模块的数据可以通过多种方式传输给监控模块，数据传输模块如图1 所示。第一种，采集终端与移动通信基站可以通过有线或者无线方式连接。移动通信基站接收到采集终端发送的网际协议数据包后，先解析各个网际协议数据包，862023,61(11)总第7 1 1 期机械制造试验检测采集终端移动通信基站数据解析服务器数据库服务器监控服务器图1数据传输模块得到各走行部轴承在当前时段的运行数据，然后基于数据传输协议将运行数据通过有线或无线方式发送给监控服务器第二种，移动通信基站接收到采集终端所发送的网际协议数据包后，将IP数据包发送给数据解析服务器，通过解析得到各走行部轴承在当前时段的运行数据，再将解析后的运行数据通过有线或无线方式发送给监控服务器。数据解析服务器中至少设置一个按照集群式部署的数据解析节点，服务器接收到各个网际协议数据包后，根据数据解析节点的资源使用情况，将网际协议数据包发送给较为空闲的数据解析节点进行解析。数据解析节点是基于Netty框架开发的节点，Netty框架为JBoss应用服务器提供一个Java开源框架,具有异步、高性能、高可靠性的数据传输能力，并可以以秒级的高频率对安装在各走行部轴承处的采集模块所采集到的运行数据进行处理第三种，在第二种的基础上通过数据解析服务器获得各走行部轴承在当前时段的运行数据后，将运行数据转换为预设格式，即将每个走行部轴承在当前时段运行数据中的各部分数据按照预先设定的顺序进行排列，得到每个走行部轴承在当前时段的运行数据表。数据解析服务器将预设格式的运行数据发送给数据库服务器，数据库服务器对其进行备份，之后再将运行数据通过有线或无线方式发送给监控服务器。通过使用数据库服务器对各走行部轴承在各时段的运行数据进行备份，使管理人员可以随时从数据库服务器中获取各时段的运行数据，从而避免运行数据在数据处理过程中丢失，保证数据的安全性。4监控模块监控模块设置多个微服务，包括故障诊断微服务、实时监控微服务、维修建议微服务、配置微服务，具体架构如图2 所示。任意两个微服务可以相互连通，某一微服务可以获取其它任意微服务的处理结果，也可以向其它任意微服务发送数据。4.1故障诊断微服务故障诊断微服务根据各走行部轴承在当前时段的运行数据，确定各走行部轴承在当前时段的运行状态。配置微服务故障诊断微服务网络维修建议微服务实时监控微服务图2监控模块架构任何一个走行部轴承运行状态的确定，可以通过六个步骤完成。（1）从走行部轴承的运行数据中提取得到高频振动数据和低频缓变量数据。（2）根据高频振动数据确定当前时段走行部轴承在设定特征下的特征值，设定特征指与走行部轴承运行状态相关的特征，可以是以下任意一项或任意多项的组合：均值、最大值、最小值、偏度、峭度、波形指标、方差、方根幅值、绝对平均值、均方根值、峰峰值、峰值指标、脉冲指标、波形指标、峭度指标、裕度指标、偏斜度指标。（3）基于主成分分析方法对设定特征和低频缓变量数据进行特征提取，得到贡献率大于第一预设阈值的多个主特征。（4）基于走行部轴承在各个主特征下的特征值，构建待评估运行状态的高斯混合模型，待评估运行状态的高斯混合模型用于表征走行部轴承在当前时段的运行状态。（5）确定走行部轴承对应的待评估运行状态下的高斯混合模型和正常运行状态下的高斯混合模型的重合度，重合度C计算式为：gi(x)g2(x)dxCy(1)/J(gi(x)dx(g2(x)dx式中：gl（x）为处于待评估运行状态下的高斯混合模型；g2（x）为处于正常运行状态下的高斯混合模型；x为特征矩阵。（6）根据待评估运行状态下的高斯混合模型和正常运行状态下的高斯混合模型的重合度，确定走行部轴承在当前时段的运行状态。重合度小于设定值，说明走行部轴承在当前时段有故障，然后生成相关故障信息、故障代码、故障等级。若故障等级大于预设故障等级，则还可以向用户终端发送告警信息，并在告警信息中携带故障信息、故障代码、故障等级，及时通知运维人员进行维修管理。872023,61(11)总第7 1 1 期机械制造MMMM4924上海电气邮发代号MM气技术季刊欢迎订阅M4925邮发代号口装备机械季刊MM欢迎来主管上海电气控股集团有限公司收稿时间.2 0 2 3-0 7A检测试验4.2实时监控微服务实时监控微服务将轨道交通车辆中各走行部轴承在当前时刻的运行状态显示在用户终端上。在实时监控微服务中，采用HTML5+WebGL+WebSocket可视化技术，在监控服务器的前端建立待监控的车辆三维模型，可以支持管理人员对车辆的三维模型执行旋转、缩放、透视等操作。功能页面以秒级的数据推送间隔实时向管理人员展示各走行部轴承的运行状态、温度、振动趋势等信息，还可以从故障诊断微服务中获取需要进行预警或告警的信息，并从维修建议微服务中获取对应的维修建议，实时向管理人员提示预警信息、告警信息、维修建议。4.3维修建议微服务维修建议微服务根据各走行部轴承在当前时刻的运行状态确定维修建议，并经由实时监控微服务显示在用户终端上，推送给运维人员。维修建议微服务根据走行部轴承的故障数据，从维修知识库中查询到匹配的故障类型，自动将该故障类型对应的维修策略发送给运维人员。由此，监控系统能够实现从实时监控车辆的运行状态到每个故障轴承的维修建议推送给运维人员的一系列流程，监控系统的智能化程度较高，不需要人工参与，从而可以降低运维成本，提高运维效率。4.4配置微服务配置微服务对故障诊断微服务中的各诊断规则进行设置，以使故障诊断微服务根据设置的诊断规则判断走行部轴承是否发生故障。配置微服务向管理人员提供配置界面，并输入配置信息。配置信息包括各个设定特征、设定运行状态、第一预设阈值、第二预设阈值、告警等级判定方式等。配置微服务可以将这些配置信息存储在相关配置关系表中，管理人员基于这些信息，使监控结果更加满足实际业务需求，灵活性更高，管理人员的体验也更好。5结束语笔者开发了轨道交通车辆走行部轴承监控系统，实时监控各走行部轴承的运行状态，并及时排查出故障或濒临故障的走行部轴承，可以提高对车辆管理的智能化水平，能够保障乘客和车辆的安全，具有较高的应用价值。参考文献1范会川.轨道交通安全态势感知研究D.北京：北京交通大学,2 0 1 1.2万恒，苏燕辰，李忠元，等.基于EMD的城市轨道交通走行部轴承故障监测系统 J.仪表技术与传感器，2 0 2 2（1 1）：40-44.3王逸松.国外城市轨道交通建设及其对我国发展轨道交通的启示 J.铁道通信信号，2 0 0 0,36（1）：32-34.4朱慧娴，吕红霞，潘金山.城市轨道交通乘客路径选择行为研究 J.综合运输，2 0 2 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