动车组滚动轴承故障轨旁声学联网监测应用技术研究*

杨 凯

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京100081）

保障动车组列车运行安全是保障铁路运输安全的重点工作。动车组滚动轴承故障轨旁声学诊断设备（TADS，Trackside Acoustic Detection Sys⁃tem）［1］作为动车组地对车运行状态的重要检测设备之一，自高铁正线试点安装使用起，有效地实现了动车组滚动轴承早期损伤的及时发现，为动车组运行安全的保障提供了有力的技术支持。由于TADS的故障诊断需依据多次历史检测数据综合分析，单点部署的TADS设备在故障的快速准确判定上难以满足运用需求。随着动车组TADS统型设备研制及全路建设部署的开展，基于TADS设备特点及现场运用需求，研究TADS统型设备数据接入技术，设计规范的联网接入方案，实现全路高铁沿线多点TADS设备的集中联网应用与故障综合诊断，具有重要的研究意义与应用价值。

1 研究现状

动车组滚动轴承故障轨旁声学诊断设备TADS利用安装在高速铁路轨旁的声音传感器阵列，采集动车组运行通过时的滚动轴承运转声音，并利用声学分析诊断的方法，实现滚动轴承运行状态的故障早期诊断。

动车组TADS设备主要由轨旁装置和轨旁机房设备组成［2］。其中，轨旁装置包括声学采集传感器阵列、车号采集识别装置、探测开机装置、车速测量装置等；轨旁机房设备包括声学处理服务器、通讯服务装置、控制及监控装置、不间断电源等。TADS设备主要功能如下：

（1）自动检测识别动车组轴箱滚动轴承滚子、内圈和外圈的裂纹、剥离、蚀裂、磨损等故障；

（2）能够对检测识别的轴承早期故障实现分级别报警提示；

（3）自动识别动车组列车车次、车组号、车辆号、端位，具有自动计轴、计辆、测速功能；

（4）具有系统状态自检、远程升级维护和监控功能；

（5）具有防雨雪、风、沙尘功能。

目前，已广泛应用的TADS设备至少包括两种［3-4］，自2003年起引进国内生产，并在货车运行安全领域实现了安装部署，作为货车5T系统［5］的重要组成部分，实现了集中的联网接入，有效提高了货车安全监控和列检作业的质量和效率，为保障货车车辆的运行安全提供了技术支持。

随着我国高铁线路的不断建设及动车组列车开行的日益密集，TADS在应用于动车组安全监控领域时，对声学数据采集与处理设备进行了大幅改进，同时增加了动车组独有运行信息采集与处理的适配能力，其设备生成的数据内容及格式均有明显变化，致使既有5T系统模式下的数据接入技术难以兼容动车组TADS设备联网。同时，既有货车TADS联网的应用功能在检测预报模型、报警应急响应、故障跟踪处置、业务管理流程等方面均无法满足动车组行车安全监测的运用需求。为此，在逐步推广TADS设备建设的过程中，借鉴既有铁路安全监测联网应用经验，研究动车组TADS设备集中接入技术，建立统一的联网监测系统平台，设计面向动车组运用管理的应用功能，是动车组滚动轴承故障轨旁声学联网监测亟待解决的技术问题。

2 联网应用设计

2.1 系统架构设计

2.1.1总体架构

动车组滚动轴承故障轨旁声学联网监测应用（以下简称TADS联网监测）在国铁集团及铁路局集团建立两级部署，实现轨旁检测设备与铁路局集团连接，建立国铁集团、铁路局集团、动车段、动车所之间联网，设计研发多级业务单位的应用功能，系统总体架构示意如图1所示。

图1 系统总体架构示意图

其中，国铁集团连接并汇总各铁路局集团上报信息，主要部署包括数据库服务器、应用服务器、文件服务器及监控终端等设备，主要用于对各路局上报的监控信息进行汇总处理、对故障规律进行总结、对安全管理工作进行研究等。同时，TADS联网监测在国铁集团与动车组管理信息系统（EMIS）［6］建立接口双向共享数据。

各铁路局集团是TADS联网监测的主要应用单元，连接并汇总所辖TADS探测站设备监测信息，主要部署包括接口服务器、数据服务器、应用服务器、监控终端等设备，主要用于监测数据汇总、上报、分析与管理，向动车所、动车段提供监测访问应用，并支持国铁集团对铁路局集团的数据查询。

各动车段、动车所配置监测终端，通过终端访问部署于铁路局集团的TADS联网监测应用，对过车信息、报警信息进行查询显示、故障处理、检修反馈、应用管理等。

TADS探测站设备主要对通过动车组进行滚动轴承声学信息采集及故障分析，并将过车信息、监控声音信息、故障报警信息及设备状态信息汇总上报至铁路局集团服务器。

2.1.2 网络架构

TADS联网监测依托铁路综合信息网建设，其总体网络架构示意如图2所示。

图2 总体网络架构示意图

其中，探测站设备与铁路局集团之间需要实时传输全部声音监测文件，每探测站设备至铁路局之间带宽应不小于8Mbps；国铁集团、铁路局集团、动车段、动车所之间，传输带宽应不小于8Mbps，并设计双通道冗余措施；国铁集团、铁路局集团内部局域网络应保证千兆以上带宽；各级网络应满足时延小于500ms、抖动小于100ms、丢包率小于1/1000的性能要求。

2.1.3 部署平台架构

TADS联网监测的铁路局集团级平台设计配置超融合平台（虚拟数据库、应用、接口服务器），路由器、交换机等网络设备，监测终端等显示设备，以及多计算机切换器（KVM）、机柜、不间断电源（UPS）等配套设备。其核心设备连接示意如图3所示。

图3 铁路局集团级平台核心设备结构示意图

其中，超融合平台虚拟的接口服务器是探测站与铁路局集团级平台的逻辑边界，主要用于探测站实时监测声音及报文的传输与处理；虚拟应用服务器主要提供监测终端并发应用访问；虚拟数据库服务器主要负责处理与存储海量声音数据与报文信息；网络设备主要用于保障数据传输带宽及通道的充足稳定；监测终端主要用于提供各级用户的应用系统访问。

TADS联网监测的国铁集团级平台主要用于存储全路范围的过车信息、报警信息及原始声音数据，提供国铁集团级应用及相关数据分析，应至少设计配备应用服务器、文件服务器、数据库服务器、网络设备、监测终端等设备，主要硬件资源的配备标准及组织结构按照铁路车辆运行安全监控系统联网及信息综合应用总体方案［7］确定。

2.2 数据传输设计

TADS联网监测的数据传输主要采用专用传输软件、Webservice等传输方式，传输流程如图4所示，具体包括以下几个步骤：

图4 数据传输示意图

（1）探测站与铁路局集团级平台的数据传输。TADS探测站设备将过车信息、报警信息与声音数据等按照统一的数据接口规范上传至铁路局集团级平台服务器。

（2）铁路局集团级平台与国铁集团级平台的数据传输。铁路局集团级平台接收TADS探测站设备上报的各项数据，会同铁路局集团各级用户业务操作产生的数据信息，将其上报至国铁集团级平台供其信息应用，同时接收国铁集团下发的分析诊断信息、统计分析数据、基础字典信息、数据反查指令等信息。

（3）国铁集团级平台与外部系统间的数据传输。TADS联网监测在国铁集团级平台与动车组管理信息系统等外部系统共享监测、配属、开行及检修等数据信息，便于监测配合检修、检修辅助监测。

其中，为便于实现动车组滚动轴承故障的多点综合故障诊断，铁路局集团与国铁集团两级平台均存储所辖TADS探测站设备采集的动车组过车信息、报警信息，以及动车组全部滚动轴承原始声音监测数据。

2.3 数据接口设计

2.3.1 探测站设备接口

TADS探测站设备在动车组列车通过时，生成检测数据并实时存入设备服务器中，同时将过车信息、报警信息按照数据接口要求生成报文文件，将监测声音数据按照文件命名规则生成轴承声音文件，传输到铁路局集团级平台的接口服务器。

（1）报文文件规则。

报文文件名编制规则为：报文类型编码+"_"+通过时间+"_"+过车序号+"_"+版本号+".sms"。

其中，报文类型编码长度为2位，具体类型见表1；通过时间长度为14位，采用“YYYYMMDDhh24miss”格式生成；过车序号长度为3位，自每日0点后通过探测站的列车起从001开始依次编定；版本号为2位，表示协议的版本。

不同类型的报文文件所包含的数据内容见表1。

表1 报文文件类型及内容

（2）声音数据规则。

轴承声音文件的存储路径及命名规则为：\过车时间\过车时间"_"过车序号"_"重联序号\轴位+"_"+辆序+"_"+声音文件序号+".WAV"。

其中，过车时间长度为8位，采用“YYYYMMDD”格式生成；过车时间长度为6位，按照24小时制采用“hh24miss”格式生成；过车序号长度为3位，自每日0点后通过探测站的列车起从001开始依次编定；重联序号长度为1位，按列车过站顺序编定；轴位长度为2位，编制规则如图5所示；辆序长度为2位，自01起依次给车辆编号；声音文件序号为变长，从1开始编制。

图5 轴位编号示意图

2.3.2 外部系统接口

TADS联网监测在国铁集团级平台与动车组管理信息系统建立数据接口实现数据交互，数据交互的主要内容及方式见表2。

表2 数据交互主要内容及方式表

2.4 应用功能设计

2.4.1 业务流程

TADS联网监测的主要业务流程设计如图6所示。

图6 业务流程示意图

TADS联网监测的应用系统应汇总TADS探测站上传的实时监测数据，向国铁集团、铁路局集团及动车段的专业监控、调度和管理等人员提供实时监测功能。

通过系统综合分析得出的动车组轴承故障报警信息，可在动车段（动车所）由运用检修管理人员进行检修计划编制及复核任务下发，并经地勤机械师复核、检修后进行反馈回填，实现故障信息的闭环管理。

故障报警的复核检修结果反馈至系统中，用于系统更新故障诊断模型、总结轴承故障规律、实现统计分析功能等。

2.4.2 功能设计

依据业务需求及相应流程设计的应用系统功能如图7所示。

图7 主要功能模块设计图

系统主要包括实时监测、综合分析、故障处置、统计分析及相关系统管理等功能模块。其中，实时监测模块主要包括车组综合监测、报警综合监测、轴承信息追踪、列车信息追踪、报警信息追踪等功能，为监控及调度等管理人员提供动车组轴承状态的实时状态展示及快速追踪查询的能力；综合分析模块主要通过故障诊断分析功能为现场提供灵活可配的诊断模型框架，实现对动车组滚动轴承故障的综合报警能力；故障处置模块主要包括报警信息确认、复核检修回填、轴承信息填报等功能，为运用管理及检修维护人员提供动车组轴承故障报警全流程处置管理能力；统计分析模块主要包括对过车、轴承、故障、运用情况、设备状态等信息的统计分析功能，为业务主管人员提供管理支持能力；系统管理模块主要包括数据接口处理、功能管理、用户管理、数据管理等功能，为系统管理人员提供全面的信息化管理能力。

3 应用系统实现

根据联网应用的设计，研发了动车组滚动轴承故障轨旁声学联网监测应用系统软件。系统软件主要包括国铁集团、铁路局集团、动车段、动车所四级应用，其基本应用组成如图8所示。

图8 应用系统组成图

其中，国铁集团级应用能够进行全路数据的实时监测追踪，实现故障报警综合分析诊断，提供全路监控信息查询统计分析，可与外部信息系统进行信息共享；

铁路局集团级应用能够实时监测管内过车及故障报警信息，可配合进行现场处置，提供管内监测数据查询统计分析；

动车段及动车所级应用能够实时监测管内过车及故障报警信息，可对故障报警信息开展复核检修处理，能够接收上级单位统计分析通报情况。

系统应用中车组综合监测界面、报警信息确认界面、报警信息追踪界面如图9~图11所示。

图9 车组综合监测界面

图11 报警信息追踪界面

目前，系统已在国铁集团铁路主数据中心平台部署上线，暂接入7个铁路局所辖TADS设备16台套，检测覆盖9条高铁线路部分区段，试运行期间日均监测动车组760余列次。

图10 报警信息确认界面

4 小结

研究了动车组滚动轴承故障轨旁声学联网监测应用技术，构建了两级部署、多级应用的总体联网技术方案，提出了集中统一的数据接入规范，设计了全流程闭环管理的监测故障报警处置流程，实现了动车组滚动轴承故障的集中监测、联网诊断及综合管理，为有效保障动车组运行安全提供了技术支持。后续的研究将集中于故障综合诊断模型建立、业务逻辑优化设计等方向。