基于机车数据库系统的海外电力机车电气系统优化

梁兴元，木合塔尔·莎根迪，加玉涛

（1.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲412001；2.中车株洲电力机车有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

在海外批量电力机车电气系统项目技术支持过程中，遇到了沟通不畅、人力不足、变更频繁、海外客户项目管理制度缺乏且与国内管理制度差异大等重重困难[1]。基于海外电力机车电气系统项目特点，需要一个科学、高效的数据库决策支持系统辅助开展电气系统产品优化、功能优化、运行状态监视等工作。以此系统为基础科学高效地实现海外电力机车电气系统相关故障技术分析、优化改进及现场维护等工作。

1 机车数据库系统组成及功能简介

机车数据库系统结构由车载设备（WTD、网络控制系统、传动控制单元、电度表等）数据、数据集市、地面数据库服务器、前端工具等部分组成，如图1所示。

图1 数据库系统体系结构

鉴于轨道交通电气系统产品特点，对车载数据源及数据结构进行简要描述。

数据源：是数据库系统的基础，是整个系统的数据源泉[2]。机车数据库系统的数据源是由车载WTD装置、网络控制系统、传动控制单元等设备提供的条件量数据（Monitoring data）、严重故障数据（Event history）、事件记录数据（Blackbox data）、能量文件数据（Energy data）、紧急短消息（Emergency message）数据等组成。并通过机务段内WIFI点或GPRS通信模式将条件量、能量文件、严重故障记录数据、事件记录数据等远程下载至数据库服务器中，供系统后台软件完成解析、统计等业务功能。

2 技术决策支持功能

机车数据库系统在机车上线运营之初就已建立，作为一个决策支持环境，为管理部门提供了一个统一的数据视图，使得各部门能够更方便地完成对公用数据的查询和分析[2]。

通过数据库系统使决策者可以相当容易地根据已获得的数据，运用定量分析与定性分析相结合的技术，从多个侧面对系统内部运行过程进行分析、评价和判断。使得决策人在做出诸如硬件批量改造、软件优化效果确认等重大的决策之前，能够对历史数据和其他相关数据进行科学和有效的分析，避免因决策失误造成不必要的损失。

3 紧急短消息、数据点播下载功能

机车在运行过程中可能会出现火灾、锁轴故障、运行超速、紧急制动施加等严重紧急事件，此类事件一旦发生会产生非常恶劣影响或造成重大财产损失、人员伤亡，此类事件一旦发生需第一时间传递信息给相关人员。

紧急短消息激活条件定义如下：

1）紧急按钮动作；

2）紧急制动施加且机车速度大于5 km/h；

3）火宅报警；

4）轴温报警；

5）自动降弓激活；

6）锁轴故障激活；

7）无人警惕惩罚制动激活；

8）机车超速；

紧急短消息数据示例如表1。

表1 紧急短消息数据示例

同时系统具备数据远程点播下载功能，当发生严重事件时，可通过远程点播功能，及时下载故障时刻的数据，实现最快速度获取故障时刻数据，故障分析人员可以快速定位故障发生原因，为故障处理提供最为及时的处理建议，尽最大程度降低故障带来的影响。

4 基于数据库系统电气系统优化实例

4.1 紧急短消息、数据点播下载功能在锁轴故障误报优化中的应用

机车运行过程中存在轴抱死故障的可能，从锁轴控制原理分析，一般分为“真锁轴”和“假锁轴”两种情况。所谓“真锁轴”就是真正的动轮抱死，此种情况一般是由于动轮轴承和牵引电机轴承故障，牵引齿轮卡滞等情况引起。该种情况轮对从滚动摩擦变为滑动摩擦，轻则造成轮对擦伤，重则引起机车脱线、颠覆等恶性事故。所谓“假锁轴”就是动轴没有真正固死的情况下，而被判定为轴固死，进行轴固死对应保护，导致机车可用性变差，造成不必要的机破及恶劣影响。

考虑到锁轴故障的严重性和危害性，根据机车数据库系统设定的规则，一旦发生锁轴故障，需第一时间通过WTD装置向地面服务器传输发送故障时刻的紧急短消息，如故障时刻、运行速度、GPS经纬度坐标、牵引或制动状态、网压、网流等，用于跟踪跟进锁轴故障状态。在锁轴故障判断优化过程中，结合了数据库系统的紧急短消息及数据点播下载功能。当数据库系统接收到锁轴故障紧急短消息后，地面服务器可及时传递数据下载命令到故障机车，获得对应故障时刻的严重故障数据、事件记录数据。

S024号机车在运用过程中报出“锁轴”故障，经过对故障时刻严重故障数据、事件记录数据解析，获得故障时刻机车速度及对应的GPS坐标。

通过分析，确认S024号机车在故障时刻处于制动工况，其中有三个轴速度明显低于整车综合速度，在牵引时有三个轴的速度明显高于机车综合速度。

根据对误报锁轴故障的S024号机车数据分析，报出锁轴故障时刻整列车运行于弯道，见图2 GPS坐标标记定位标志，出现了空转。空转表现为速度缓慢上升，并最终在控制程序的影响下建立了动态平衡。使得发生空转的轮对在短时间内维持在一个固定差值（6 km/h）上，粘着程序的保护门槛值，发生故障时特殊工况建立了平衡。

图2 根据S024号机车GPS坐标确定报锁轴故障时刻机车所处位置为弯道

而锁轴故障判断的条件为单轴速度与机车综合速度差值大于5 km/h并持续超过10 s，则被认为锁轴故障发生。在机车运行于弯道时出现的6 km/h差值能够满足锁轴故障判定条件，所以报出锁轴故障。

通过程序分析确认，锁轴故障判断门槛与粘着控制门槛冲突，导致锁轴故障误报发生，因此，定性为假锁轴，为故障误报。经过软件优化改进，大幅度降低锁轴故障误报概率。

4.2 GPS、GSM上线率质量提升应用实例

GPS和GSM信号均为无线信号，看不见摸不着，且硬件设备离散分布于200台电力机车上，运用于海外铁路线上。GPS、GSM信号是否稳定、可靠直接影响到机车位置定位和车载数据向地面传输的稳定、可靠，决定了数据库系统数据的质量，影响到机车运行状态的监控。

S型电力机车上线运营初期，GPS、GSM上线率偏低，为了改善GPS、GSM上线率，鉴于GSM信号强弱与实际地理位置强相关的特点及结合机车离散分布的实际情况，确定通过机车数据库系统监测的方法查找GPS、GSM上线率低的原因。主要通过以下方法实现：

数据库系统服务器使用ping（Packet Internet Groper，因特网包探索器）命令周期性（1 min）与车载WTD装置进行通信，通过ping通次数占总的ping命令发出次数的百分比评估车载WTD装置GSM信号上线率。能量数据（Energy data）包含了GPS坐标等信息，能量数据每隔5 min通过GSM传递至数据库系统，通过批量解析一天时间内GPS坐标信息评判GPS上线率。每台车每天的GSM、GPS上线率被划分为90% ～100%，70% ～90%，0～70%，未知状态四个等级，实现GSM、GPS上线率指标评判量化，以GPS上线率提升为例，见表2。

4.2.1 GPS上线率日报示例（表2）

表2 机车GPS上线率日报统计示例

4.2.2 GPS上线率稳定性提升

根据机车数据库系统的GPS上线率日报统计，S型机车GPS上线率处于“90%～100%”的仅占机车总数的58%。经过故障分析及排查，确定WTD装置无线主控板软件是原因之一，对此软件进行了优化，并在现场进行了批量优化升级。随着优化软件更新车辆的不断增多，S型机车GPS上线率不断提升，GPS上线率由批量升级之初的58%上升至75%，上线率显著提升，具体数据见表4及图3。

表4 机车GPS上线率统计

图3 90%～100%的GPS上线率统计跟踪

4.3 能量管理系统数据质量提升实例

能量管理系统涉及地面服务器和车载设备。其中车载设备包括车载电度表、WTD装置、传动控制单元、网络控制系统，各设备间相互配合，完成能量、公里数等数据的记录、融合、管理和传输。多设备、多环节、多接口，某个设备、环节、接口出问题，则造成能量、公里数等数据异常。能量、公里数等数据是能量管理系统的根源，一旦某台车或几台车出现异常时，将会对整个数据库系统造成污染，导致统计数据失真，因此能量管理系统数据质量提升是必行之路。

对能量管理系统数据质量提升，主要是通过机车数据库系统对已记录数据设定规则，通过设定的规则检验记录的数据是否存在错误，以此评判机车能量管理系统数据的质量，并基于机车数据库系统所记录到的错误信息进行数据质量提升，从而实现能量管理系统的优化。能量管理系统设定错误判断规则如表5所列。

表5 能量管理系统数据错误判断规则表

根据数据库系统识别到的能量数据原始错误，对有数据异常的机车有针对性的进行异常排查。

经过近2年时间的能量管理系统数据质量提升专项工作，数据质量大幅提升，能量管理系统的错误数据大幅下降。2016年4月18日至2018年3月11日能量管理数据错误统计如图4所示。

图4 能量管理系统错误数据统计（2016年4月18日至2018年3月11日）

5 展望

海外项目的技术支持和维保维护是一个系统工程，通过对机车数据库系统积累的数据建模，提炼维保维护的有效信息，获得维保的基础信息，以此为基础，对海外电力机车电气系统维保维护全面管理[3]。

随着时间的推移，机车数据库系统积累的数据会越来越充分，能够为决策提供的信息会越来越有效，也为电气系统研究提供数据支撑。

随着海外批量电力机车、动车、城轨项目的不断增多，海外电气系统技术支持将会越来越多，难度也越来越大，成本越来越高。

在技术支持、维保维护方面机车数据库系统的应用，将会大幅提升服务效率和带来显著的经济效益。

6 结语

本文探讨了批量海外电力机车项目技术支持和维保维护存在的困难，简要阐述了机车数据库系统在出口海外电力机车电气系统优化改进及现场维护应用过程中的重要性，介绍了电力机车数据库系统组成及车载数据，在海外电力机车电气系统应用实践过程中基于机车数据库系统进行了WTD装置GPS、GSM上线率提升、能量管理系统优化等实践应用，总结如下：

（1）数据库系统的使用消除了时间和距离的限制。大大提高了与地域线路相关故障的分析、处理效率，大幅降低海外项目的优化改进、维护成本，与传统服务对比，服务成本可降低至1/3，并且数据库系统的数据更为全面；

（2）数据结构化、有序、稳定存储，数据随时间的累积，所展现出的效果明显；

（3）数据库系统的数据共享性高，海外业主与供应商共同使用，作为海外业主与供应商之间沟通的桥梁，实现了高效沟通，技术支持等工作得以高效开展。

在海外批量电力机车电气系统质量提升过程中数据库系统的应用经验值得借鉴。