成都地铁5 号线车辆在线监测系统分析

龚承启

（成都轨道交通集团有限公司，成都 610000）

近年来，城市轨道交通的飞速发展，各地区对地铁的运营水平和维护能力都提出了更高的要求，而信息化、智能化且自动化程度更高的智慧运维系统为地铁车辆的稳定运行提供了可靠的保障。上海地铁智能运维系统由车地无线传输子系统、轨旁车辆综合检测子系统和车辆维护管理信息子系统3 部分组成，并在上海地铁17 号线取得成功运用[1]。广州地铁8 号线采用了车载动力学监测系统，可对车辆轴向振动、构架振动和车体振动等走行部进行状态监测[2]。东莞地铁的车体360°全车检测系统能在车辆通过时自动检测车辆的外表故障、识别车底车顶异物及紧固件松动情况，实现不停车列检[3]。深圳地铁利用车辆智慧运维平台数据整合的优势，充分挖掘数据的价值，结合用户实际的需求，有效降低运维成本[4]。

尽管目前各地铁线路的车辆智慧运维系统种类繁多，但大都存在识别率低、误报率高和无法完全替代人工等问题。成都地铁5 号线车辆在线监测系统自2020年初投入使用，能够实现列车的状态监测、运营数据存储和故障分析等功能，但依然存在对车辆状态监测不全、智能化程度低等问题，无法有效减少一线员工的检修负担，因此，挖掘车辆在线监测系统更多实用功能，优化判断条件，提高车辆在线监测系统的使用率，提升检修人员正线故障处置效率，有着极为重要的工程意义。

1 成都地铁5 号线在线监测系统简介

成都地铁5 号线在线监测系统是一套支持列车运营检修维护的地面软件系统平台，主要功能是依靠列车TCMS（Train Control Management System）网络，并借助4G 无线网络实现车辆数据落地，通过浏览器可实现车辆状态实时监测，故障自动报警等功能，从而为列车运行提供远程专家技术支持和远程诊断。在线监测系统主要由车地无线传输系统、地面监控分析系统平台组成（图1）。在线监测网站按照功能分可分为列车故障及状态实时监控、列车故障及异常查询和数据分析及应用3 大版块。

图1 成都地铁车辆在线监测系统示意图

1.1 列车故障及状态实时监控

实时监控功能不但可以总览全部正线运营列车的状态，还可以实时观察某列车的速度、驾驶模式和牵引制动力等信息，通过查询列车旁路开关状态、通信状态等功能，实现正线列车的远程监视（图2）。对于有故障的列车会有语音提示及异常颜色区分，便于检修人员快速识别。

图2 车辆状态界面

1.2 列车故障及异常查询

在线监测系统的故障及异常查询可以实现以下功能。

1）对当前所有列车的故障进行查询；

2）查询某列车在规定时间段内的故障；

3）对某个系统的故障进行查询统计。

该功能不但可以快速获得列车的故障情况，还便于检修人员对某些故障进行统计、分析。故障及异常查询主界面如图3 所示。

图3 故障及异常查询界面

1.3 数据分析及应用

列车运营数据主要包含：列车运营公里数、牵引系统能耗、辅助电源系统能耗、电制动时反馈到电网的再生能量及空调能耗等。列车运行过程中，各个牵引、辅助控制单元分别计算其各自的能耗，并实时将数据传输至TCMS。TCMS 将各单元能耗累加后显示在人机交互界面（HMI），传统的能耗获取一般需要检修人员抄录列车HMI 上的运营数据，由专业技术人员将列车能耗数据进行录入后，再进行统计和分析[5]。

数据分析应用模块通过车地无线系统将列车运营数据上传至在线监测网站，可以快速查询列车的公里数、牵引辅助能耗等数据，并能将数据导出以便进行更详细的统计分析。该功能的运用不仅减少了检修人员的作业量，也提高了专业技术人员对列车运行能耗数据分析的效率。

2 重要故障预警功能

在地铁车辆综合监测预警系统中，车地无线传输系统主要负责将地铁列车的运行状态和故障信息实时、可靠地传递给地面检修维保系统，进而实现地铁车辆牵引、制动等系统的实时信息监测和预警效果[6]。随着地铁线网化运营对车辆维保的高效、准确提出了更高要求，成都地铁5 号线在线监测系统虽然能够对列车速度、牵引和制动等状态进行有效监视，但依然无法满足大线网运营情况下对列车故障处置高效、快捷的需求，为满足不断提升的正线处置效率需求，车辆在线监测系统结合实际运营及维保需求搭建了客室温度预警、车辆状态指示灯预警等多个预警功能，以及车辆I/O 变量显示等措施，对在线监测系统进行优化[7]。

2.1 客室温度过高预警

随着地铁运营对乘客舒适性及驾乘体验提出了更高要求，对空调系统运行的稳定性也提出了更高要求。常规的地下线路，列车处于阴凉的环境下，环境温度较稳定，在客流量相对平均的情况下客室的温度可保持在一个舒适的状态下[8]，但在地铁运营的高峰期间，地铁客流会在短时间内出现快速上涨，部分客流量大的线路因地铁车厢内乘客拥挤，导致客室温度上升。

车辆在线监测系统能实时接收电客车车厢内温度数据，并在在线监测网页上对应的界面显示，但需人工去选择对应车辆查看某列车的客室温度，为了能够实时反馈正线车辆空调的工作状态，避免电客车未开空调或空调故障等问题造成客室内温度过高，引起乘客投诉，利用在线监测系统监测到的客室温度进行空调温度异常预警。当正线运营的列车的客室温度超过目标设定温度一定值时，在线监测系统会报出语音提示预警，便于检修人员快速发现运营列车的客室温度异常状况，从而进行快速处理（图4）。

图4 空调预警逻辑

2.2 车辆状态指示灯显示及异常预警

车辆状态指示灯是车辆显示TCMS 系统状态、车门关闭情况和制动缓解情况的重要指示功能，上述系统一旦出现故障，轻则引起列车晚点，严重可能导致列车救援，影响整条线路的运营，由于车辆状态指示灯为列车硬线电路构成，大多数车辆在线监测系统未直接采集，为进一步提高车辆在线监测系统对电客车状态判断的覆盖面，提高正线故障处置效率，在车辆在线监测系统将列车中的车门全关闭指示灯、制动缓解指示灯、TCMS 正常指示灯和停放制动缓解指示灯进行显示，并增加车辆状态指示灯异常熄灭预警功能。

车辆状态指示灯是采用列车继电器控制灯的亮灭，通过结合电客车实际电路图和TCMS 系统现有相关指令采集点，最终将车辆指示灯状态显示在在线监测网站上，车辆状态指示灯最终的显示效果如图5 和图6 所示，当列车状态指示灯显示异常时，在线监测系统会有语音提示预警，检修人员可以快速发现故障并及时给出处置建议[9]。

图5 车辆状态指示灯显示界面

图6 TCMS 指示灯预警逻辑

除了上述预警外，在线监测系统还搭建了蓄电池温度异常预警、列车总风压力异常预警等共计20 多条预警，上述预警功能完善了在线监测系统对列车异常状态的监视，提升了检修人员对运营列车故障处置的效率。

2.3 车辆I/O 变量显示

为了便于检修人员在列车故障时能够快速查看不同系统、继电器及开关的实时状态，在线监测系统将牵引指令、制动指令、列车激活和开关门等多个变量在网站上进行显示，通过查看I/O 变量，可快速查找对应部件的实际状态，I/O 界面显示如图7 所示。

图7 I/O 变量显示情况

3 继电器动作次数统计

继电器是地铁列车电路系统的重要控制部件之一，通常运用于列车激活、牵引制动等重要控制环节，是地铁列车控制电路的“心脏”，如发生故障，可能造成列车清客甚至救援，严重影响整条地铁线路的运营效率及乘客的出行安排[10]。因此，继电器的日常维护和更换也是列车检修的重要项目之一，继电器的动作次数是继电器寿命的重要指标，列车继电器的更换及维护主要依赖继电器厂家提供的维护文件，但目前国内大多数地铁线路对列车运营过程中继电器的动作次数缺少有效统计，使得地铁列车在架修或大修进行继电器维护时缺少有效依据。通过在线监测系统的继电器动作次数统计功能，可精确地获得列车继电器的动作次数，为列车后期继电器维护，大架修期间继电器的更换提供数据支撑[11]。

列车TCMS系统对列车大部分关键继电器都进行了采集，通过车地无线功能将相关继电器变量上传至在线监测网站，可实时记录采集继电器的动作化次数，并进行累积记录，使得继电器动作次数统计成为可能（图8）。

图8 继电器动作次数统计

4 实时变量分析

地铁列车故障原因复杂、多样，部分故障可能是多个系统联合诱发导致，当地铁列车的故障原因需要结合多个系统、变量或者状态分析时，往往需要对电客车故障数据进行下载以便进一步分析，目前，地铁检修人员主要通过手动方式来下载列车故障数据，即用电脑通过有线或无线的连接方式与列车数据存储单元相连，再通过人工操作数据下载软件来实现列车故障数据的下载。通常情况下为保证地铁列车的运营效率，列车故障数据的下载需要在运营结束回库后进行，随着目前地铁列车采集变量的增多，数据量也进一步增大，人工下载数据往往需要花费更长的时间[12]。目前成都地铁5 号线列车人工进行故障数据下载的时间平均为30 min 左右。因此，传统的人工数据下载无法满足地铁大线网运营条件下，对故障处理实时、高效的要求。

为弥补传统数据下载存在滞后性的缺陷，通过车地无线技术将电客车的速度、驾驶模式和牵引制动指令等信息上传至在线监测系统，如图9 所示，在线监测系统可通过实时采集的变量进行图像绘制，当列车发生故障时，检修人员可结合故障现象将列车相关变量加载并进行波形绘制，实现对列车故障的快速分析，以便对正线运营有故障的列车给予更加精确的处置建议，可以大大降低因对故障判断错误导致的列车清客或晚点。

图9 实时变量分析页面

5 结束语

目前，我国地铁列车的检修运维主要依靠计划检修和事后维修，即预防修和故障修。但是，通过长期的设备检修和实践证明，采用计划维修的方法，有可能因为检修中的拆动造成额外的故障从而破坏原有系统的稳定性，同时也会消耗大量的人力、物力，造成成本浪费。本文对在线监测系统的故障预测及健康管理分析，是维保方式由传统的预防修、故障修向状态修的转变，即在线监测系统实时监测设备在线工作状态，依据设备关键部件工作状态参数确定对该部件的维修策略。同时结合现场实际检修维保需求，在平台上新搭建了重要故障预警、继电器动作统计、实时变量分析等功能，大幅度提升了在线监测的使用覆盖面。车辆在线监测系统目标是提升设备可靠性、降低劳动强度、优化设备检修和行程组织方式，已成为检修人员的重要辅助工具[13]。

1）在线监测系统的车辆实时监控配合重要故障预警功能，对于运营列车出现的异常情况，检修人员能够快速识别，提高正线处置效率。

2）列车运营数据统计一方面可精确统计电客车的公里数、能耗等运营信息，便于技术人员进行后台分析，同时也代替了检修人员通过传统人工录入电客车数据的工作，有效降低了检修人员的作业量。

3）继电器动作次数统计可有效获取列车的继电器动作次数情况，为列车后期继电器维护，大架修期间继电器的更换提供数据支撑。

目前，受限于车地无线技术的硬件水平，在线监测系统依然存在传输数据容量有限，部分情况下列车状态判断不够精确等问题，同时，由于智慧化运维目前正在发展初期，深度数据分析和实际生产应用还存在较大差距[14]，未来，随着车地无线技术的发展及5G 技术的推广应用，列车在线监测系统的性能会得到优化。

1）利用5G 技术低延时、高可靠性的能力，在线监测系统的传输速率和存储数据容量可进一步提升，同时支持列车运营数据的远程下载功能[15]。

2）对列车进行深度数据挖掘和应用分析，进一步服务生产一线。