地铁车辆在线监测系统的设计和应用探究

孙宁

摘 要：基于传感、通讯以及计算机技术搭建在线监测系统，能够实时检测影响地铁车辆运行安全的关键参数，分析车辆轮对、受电弓以及轴承等部位有无故障风险并自动发出预警信息，为地面控制中心的管理人员提供决策信息支持，从而保障车辆运行安全、优化地铁列车的运维管理。本文首先阐释了地铁车辆在线监测系统的设计目标及软硬件构成，进而介绍了其基本架构以及各个功能模块的技术原理和安装方案，并且探讨了数据采集分析以及系统管理软件的研发，分析了在系统应用过程中应如何采取合理的运维措施。

关键词：在线监测;系统结构;功能模块;地铁车辆

0 引言

地铁车辆高速运行于地下密闭空间，车轮与钢轨、受电弓与接触网以及走行部零配件之间都必须保持精密的相对运动关系，才能够保证列车的稳定和安全运行。而要想准确、及时掌握相关信息并对安全态势做出客观评价，必须对地铁车辆行驶状态下的相关参数进行采集和分析，所以有必要设计在线监测系统，以便动态获取和分析轮对、走行部以及受电弓等的几何形状、影像以及声音等数据和信息，实现对车辆运行故障的预测、识别以及预警。

1 地铁车辆在线监测系统的设计目标

对运行中的地铁车辆进行在线监测，需要通过设置在轨道道床、隧道壁以及钢轨上的传感装置完成信息采集，并且依托无线通信以及光线网络建立其与地面探测站、控制中心之间的信息交互，运用数据分析软件完成信息处理，根据需要发布故障预警或者面向管理人员提供列车运行状态的信息查询服务。

1.1 基于传感技术动态采集车辆运行相关参数

根据地铁车辆行驶状态下各重点监测对象的温度等参数，可以基于算法研发完成对轮对等核心部件状态的实时分析和评价。而运用不同技术原理制造的各类传感装置可以动态感知相关信息并将其传输至数据分析系统，目前市场上有适用于在线监测系统的各类传感装置，既有能够胜任声音、速度等物理学参数的采集和上传的产品，也有基于物理场检测并可以计算出所需参数以及绘制图形的集成化解决方案。但每一类产品在灵敏度、信号分辨率以及性能的稳定性方面都存在明显差异，在地铁车辆在线监测系统的设计过程中，需要针对传感装置拟安装环境的特点以及系统的运行要求进行选择。目前应用最多的是温度、声音传感器和图像采集与识别装置。

1.2 通过数据分析评价车辆运行状态并进行故障预警

布设于地铁线路固定地点的传感装置采集到的信息通常为数字、模拟信号以及影像，要想从中提取出表征监测对象状态的信息和数据，必须运用计算机软件对其进行处理和分析，才能够通过与数据库当中信息的匹配，实现状态预测以及故障预警[1]。在目前广为应用的地铁车辆监测系统中，数据分析和处理软件被安装于地面探测站的主机当中，分别在前置机完成信号解译、转换并在后置机进行数据分析，再将分析结果上传至控制中心以及根据需要发布预警。

1.3 为优化线路运营和车辆运维提供信息支持

利用在线监测系统实现地铁车辆故障预警的同时，也可以基于数据库构建和数据分析优化地铁线路运营与车辆运维。首先，通过对在线监测系统所获取的信息的深入挖掘，可以让线路运营管理单位对运营安全进行综合评价，掌握故障发生规律、车辆运维数据，从而在设备采购、升级以及制定线路运营规划的过程中优化决策。其次，可以利用线上监测系统所提供的数据预测车辆轴承、走行部等关键零部件的使用寿命，并且制定前瞻性的维修保养计划，降低地铁列车的运行风险。

2 系统的基本架构以及软硬件构成

根据地铁列车在线监测系统的设计目标和功能要求，硬件系统中主要包含了服务器、终端监视器、探测站的主机及其辅助设备以及各类传感器与探测装置，而软件系统主要分为探测站主机中运行的信号转换与数据分析软件、控制中心服务器中的系统管理软件两个部分，后者兼具上传数据的处理、故障分析、数据库构建以及面向系统用户的服务功能，通过不同功能模块完成地铁车辆运行数据管理、用户登录授权与身份认证以及系统自身运行状况的监控[2]。而系统的基本架构包含了图1所示的三个物理层，其中现场传感层的功能是完成监测对象的信息感知与数据检测，利用各类探测、传感装置获取高速通过的地铁车辆各个被监测部位的参数，并且将信息上传到探测站当中的前置机。探测站是地铁车辆在线监测系统的中间层，主要由信号输入输出模块、电源以及前置、后置机构成，基于软件运行完成信息处理以及故障预警，并且与其它两个物理层之间分别保持双向通讯联系。而位于控制中心的数据服务管理层则主要完成数据的分类存储、面向用户提供查询服务以及发布相关信息，包括地鐵线路运营管理所需的区域车辆实时位置、编号等方面的内容。

3 在线监测系统各功能模块的设计

根据监测对象将地铁车辆的在线监测系统分为若干个相对独立的子系统，并且实施模块化的设计，可以提高其可扩展性并且简化系统的运维。根据目前地铁线路运行过程中车辆故障类型与影响因素的特点，可以设置如图2所示的五个基础功能模块，并且为满足系统信息处理和参数计算的需要，加设车号识别与列车行驶速度测量模块。

3.1 轮对廓形检测模块

地铁车辆的轮对变形、磨损会增加列车运行风险，因此采集轮径、轮缘宽度等数据并且进行处理，还原出轮对的廓形曲线并进行进一步的分析计算，可以综合评定其工况并判断是否需要采取运维措施。为了实现这一监测模块的功能，应选择集成了高速摄像头、激光测距仪的探测装置，将其对称布置在两条轨道的内外侧道床，在列车轮对通过监测范围时，可以从车轮内外两侧以及前后两个方向分别完成各项几何参数的测量和采集，因此共需要安装8个探测装置，前后间距控制在20 m左右。

3.2 平轮探测模块的设计及安装

由于地铁车辆在运行过程中需要频繁启动和刹车，在制动过程中会出现滑行现象，从而造成轮对外缘局部过度磨损并形成表面瘢痕，从而破坏圆滑过渡的轮廓曲线，这一现象也被称为踏面擦伤。当擦伤达到一定程度，就会导致车辆运行中的振动并影响轴承等关键零部件的使用寿命，增加故障发生概率。而平轮探测模块的功能就是探测和识别踏面擦伤并评估是否需要进行维修，所以需要完成定性与定量的信息分析和处理[3]。为了保障探测结果的可靠性应选择8个高灵敏度与分辨率的加速度传感器，对称紧固在两条轨道的外侧，感应踏面擦伤部位通过时形成的周期性振动波，进而通过频谱分析完成定性定量分析。

3.3 走行部在线监测模块

地铁车辆的走行部包括了齿轮箱等传动部件，在列车高速运行过程中承受着零配件之间的摩擦、机械振动以及冲击，因此较易出现紧固、连接件松动等问题，影响车辆的平稳和安全运行。针对这一隐患发生和发展的特点，设计走行部的异响检测模块，在监测区域内的地铁隧道壁两侧对称布置2个声音探测装置，采集走行部通过时的声音数据并传至探测站，由探测站软件分析有无表征行走部故障的异响。

3.4 受电弓异响探测与磨损监测

受电弓和接触网之间在地铁车辆行进过程中需要保持精密的接触关系，才能够稳定的为车辆供电，保障线路运营以及供配电设施的安全。而受电弓与接触线相对运动过程中会因振动、磨损等原因出现接触不良等问题，为了在线检测和评价弓网关系，可以首先在监测区域内的隧道壁上接近受电弓的位置布置2个声音传感装置，其原理与行走部异响探测相同。其次，可利用无损探伤原理使用激光探测器获取图像资料，分析受电弓滑板等关键零部件有无裂纹等缺陷并评估其磨损程度。

3.5 轴承温度检测模块

轴承温度变化能够表征地铁车辆传动系统的运行可靠性，当温度异常升高时往往意味着润滑不良或零件损坏等问题，如若不及时维护则易导致车辆故障。所以在设计在线监测系统时，需要设置轴承温度的检测分析模块。为了能够基于地面监测区域的探测装置感应行驶中的车轮部位轴温参数，在地铁轨道两侧分别安装一个红外温度传感器，当列车经过时可以直接获取车轮轴箱的温度数据并上传给探测站服务器，由软件系统分析轴温变化有无异常，并在必要时发出警示信息。

3.6 车辆行驶速度检测与车号识别辅助模块

车号识别和车辆行驶速度检测为监测系统的数据库管理与故障分析、参数计算提供了关键信息。其中的车号识别模块应用的是射频识别技术，在轨道道床布置探测天线，识别列车前后端车厢下部的RFID标签即可在系统中匹配列车编号[4]。而行驶速度检测基于2个布置于轨道沿线、间距固定的传感器，感知、记录车轮先后经过的时间点便可以计算出车辆行驶速度，一方面可以通过在线监测系统的控制中心面向管理网络发布实时信息，供管理人员查询和参考。另一方面则作为在线监测系统数据处理软件计算、分析车轮几何参数、踏面擦伤的基础数据。

4 软件研发及系统运维

地铁车辆在线监测系统的软件也有多个功能模块，分别实现数据采集分析、数据库管理以及系统管理等功能，运行于探测站控制层和数据服务管理层的服务器，既相互独立又需要进行数据交换和保持实时通讯。其中探测站控制层的软件主要完成信息的识别和分析，同时控制这一物理层的网络运行状态。而数据库以及系统管理软件则实现了故障分析预警、生成报表以及信息发布功能，基于SQL数据库软件平台进行相应的功能开发。此外，为了保障在线监测系统运行的稳定性，应针对各物理层的运行环境特点制定运维措施，对于地面监测区域内布置的探测装置进行必要的保养与维护，并且利用防火墙与网络安全监测软件保障系统的通讯安全。

5 结束语

在线监测系统能够采集高速运行状态下地铁车辆的重要参数，从而实现易发故障的预测和诊断，为地铁线路安全运营提供了有力支持。而随着信息技术的不断进步，给实施更加全面的信息采集和数据处理创造了条件，未来的地铁车辆在线监测系统的检测精度、故障识别和预警能力将会不断得到提高和完善。

参考文献：

[1]黄纪云.地铁信号设备在线监测系统设计与实现[J].城市建设理论研究（电子版），2016，6（8）：392-393.

[2]趙铁柱，董辉，林玉文，等.面向地铁运维的轨道交通大数据在线监测系统[J].东莞理工学院学报，2019（5）：50-55.

[3]马治东.轨道交通在线监测专用无线传输系统设计及应用[J].科技风，2018（29）：109.

[4]杜东伟，张陆军，邢传义，等.车号图像识别设备在地铁中的应用[J].现代城市轨道交通，2019（10）：1-4.