基于物联网的城轨机电设备智能诊断系统的设计与研究

宗彩乐 岳 强

（柳州铁道职业技术学院，柳州 545616）

目前，我国城轨交通已经运营60 余年，运营水平得到了较大提高。随着信息技术与集成电路的快速发展，智慧城轨的要求越来越高，尤其对车站机电设备的运维水平提出了更高的要求。在各大城市地铁线路网格化运营后，对车站的机电设备智能化运维要求越来越高，上海地铁、成都地铁等一直在开展智慧化运维探索。如何有效利用云计算、移动互联网和物联网等实现地铁车站设备的智能管理与智慧运维，一直是现阶段急需解决的问题。目前，城轨机电设备主要分为暖通机组、站台门设备和电扶梯设备，而开发设计机电设备智能诊断系统是智慧城轨的重要内容。文章所研究的城轨机电设备主要指扶梯与暖通机组等大型设备，通过设计一款基于物联网的智能诊断系统，可以有效检测车站的主要机电设备，并实现智慧运维，同时起到降本固效的作用。

1 硬件系统搭建

1.1 系统介绍

硬件系统是智能诊断系统的重要组成部分[1]。结合系统设备的主要功能，诊断系统的硬件设计主要分为3 个部分：一是数据采集设备，包括机电设备专用数据采集器、加速度振动传感器、红外温度传感器、电流传感器、通信接口设备、数据采集箱、接线箱和安装附件等；二是车站级局域网络设备，主要有交换机、光电转换器、光缆终端盒、光缆尾纤和网络跳线等；三是智能诊断系统设备和应用管理设备，包括车站风机与扶梯智能诊断服务器、诊断软件、服务器设备控制器、磁盘阵列、显示终端、设备机柜和电源设备等[2]。

1.2 平台搭建

硬件平台的搭建对于整个诊断系统的整体性能、开发成本、运行稳定性起到了决定性作用，无论是内部的电机控制卡、电源模块还是传感器信号转换模块，都有很多可供选择的成熟产品[3]。因此，主要采用硬件模块拼装的方式，自主开发各模块的通信连接程序来完成硬件系统的搭建。硬件系统整体搭建如图1所示。

图1 硬件系统搭建图

2 软件系统搭建

2.1 系统介绍

软件系统是智能诊断系统的“大脑”，对于系统的稳定性起决定性作用。软件系统的设计主要围绕“一网三层”开展，一网即维保网，由无线网络和有线网络两部分组成，其中无线网络主要解决非接触式检测数据的灵活接入，有线网络解决检测数据的长距离回传。

2.2 系统设计

2.2.1 网络系统

网络系统主要通过Socket 访问正确的网际互连协议（Internet Protocol，IP）地址和端口号与路由器连接，产生Socket 对象和树莓派实现通信[4]。上位机Android 安装包（Android Package，APK）程序的开发步骤如下。首先，搭建Android 开发环境，通过安卓手机进行实时控制。其软件主要由Java 语言编写，因此需先下载Java 开发工具包（Java Development Kit，JDK）和开发Java 软件的开发环境Eclipse。其次，通信连接。上位机控制程序和下位机程序需要实现通信链路的双向连接。最后，编写程序代码并将其打包成可在Android 设备上运行的APK 文件。经过上述3 个步骤编好上位机程序后，点击客户端图标，软件运行并跳入主界面。在主界面点击“连接登录”和“机器控制”按钮，分别跳入对应界面。在登录界面输入树莓派的用户名、密码并配置好IP 和端口号后，点击“连接”按钮。连接成功后，用户可以基于此软件的源码添加其他功能进行控制。

2.2.2 逻辑功能

逻辑功能主要以云计算数据中心为基础分析系统设计[5]，分为以下3 层。

第一，数据处理层。数据处理层主要由各机电设备数据采集器构成，实现各监测参数的实时采集、滤波、放大等功能，为智能诊断系统提供底层数据。

第二，应用服务层。该层分析与处理数据处理层提供的数据，通过响应客户指令完成对数据库的相关操作，从而提供系统的智能诊断应用功能。

第三，人机接口层。该层用于处理人机操作接口，通过车站级故障诊断器获取数据，在车站监控终端上显示人机界面，完成各种监控操作。数据应按照分级进行保存，共可分为4 级，每级有不同的保存时间。同时，按照智能存储策略对历史数据进行优化存储，数据的存储间隔不大于20 s。数据存储的时间长度可根据用户需要进行自定义，但一般不少于15 d。对于采集的振动、温度等模拟量报警数据永久存储。数据的处理主要通过检测数据回传，以云计算数据中心基础设施作为物理层，支撑起逻辑功能。

2.3 系统分析

该系统在面向车站机电各专业的在线检测中，采取实时监测的方式。在满足软件运行的软硬件性能要求和网络要求的条件下，对该系统进行分析测试。本测试采用的车站机电设备为自动扶梯设备，通过对扶梯内部轴承等设置监测点进行实时数据监测。

2.3.1 系统余量

第一，软件余量。系统软件属于模块化设计，单个模块故障不会引起数据的丢失和系统的瘫痪。实时数据库、历史数据库的配置余量为20%以上，并具有100%的扩展能力。

第二，硬件余量。相同设备的硬件配置如计算机内存、磁盘容量、通信端口、接线端子等，在满足系统性能指标的基础上留有20%的余量，并具有扩展能力。

2.3.2 设备状态在线监测、显示及报警功能

通过中心级服务器调用车站级功能，车站级系统可查看各站电扶梯的实时或历史检测参数，且具备各站电扶梯检测数据处理功能，可修改检测参数，现场用笔记本或者其他设备查看和分析诊断故障。另外，车站级系统可以对电扶梯的状态进行在线监测（电梯仅传输自身的状态及故障信息），实时显示各监测数据及报警信息，实现设备早期异常的报警和故障诊断。

2.3.3 趋势分析

趋势分析主要是通过测点趋势图、测点波形图和测点频谱图有效完成设备特征类型的检测分析。其中：测点趋势图横坐标可以显示时间，纵坐标可以显示测点特征值；测点波形图横坐标和纵坐标分别表示时间和幅值；测点频谱图横坐标显示频率，纵坐标显示幅值，坐标值刻度可手动调整，也可根据图形变化自动调整至合适大小。特征类型主要有加速度特征类型和速度特征类型，其中：加速度特征类型包括加速度峰值、加速度高频、加速度低频、加速度波形峭度、速度有效值和通频值；速度特征类型包括通频有效值、1 倍频有效值、2 倍频有效值、3 倍频有效值、1/2 倍频有效值和残振有效值。

3 研究成果

3.1 设备精准维保

通过智能诊断系统在线监测数据传输，可以对设备进行有效监管。一方面，该系统降低了运营公司每日巡视巡检的成本，并优化了巡检内容；另一方面，通过该系统可以提升状态维修规程间隔，起到降本固效的作用。

3.2 提升智能化水平

该系统除了可以应用于机电设备，还可以通过数据修改同步检测供电系统和车辆系统等，具有较高的智能化水平。各个系统的有效利用可以进一步减少人工作业，降低安全风险，提升设备维修效率。

3.3 预警保障

该系统具有变工况预警功能，可根据设备不同负荷下的实际工作状态设置不同的报警线。该系统还具有解决重复报警的技术，当某个特征值不断超过报警线时，不会反复发送报警信息，提高了设备诊断的有效性。

3.4 具体应用

诊断系统可以监测主要部件，记录监测参数的运行趋势及波形并进行存储，集成自动诊断专家系统。例如，针对扶梯宽频时变振动信号，支持采用小波、短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform，STFT）进行时频CT 分析，并进行信号增强CT 分析，实时区分机械冲击信号和宽带噪声信号。根据监测参数变化特征判断部件运行状态，在参数趋势恶化时及时进行报警并给出故障结论，为设备维护提供有力的数据支撑。

故障诊断专家系统模块，如图2 所示。该系统可对自动扶梯的常见故障进行智能诊断，预警并给出故障原因。它可以分析诊断设备的典型故障，包括自动扶梯转子故障（不平衡、不对中）、地脚螺栓松动故障、齿轮故障（断齿、咬合、点蚀）、轴承故障（内圈磨损、外圈磨损、保持架磨损）、扶手带温度超标以及制动距离超标等。它还具有案例管理功能，可将已有的故障案例进行审核、整理并录入系统，便于以后将发生的设备故障和案例库中的设备故障进行对比、参考。

图2 故障诊断专家系统模块

以机电设备中水泵的多状态检测为例，主要收集车站水泵与网络通信、水位、水泵运行的点位检测数据，按照不同的等级将水泵警报划分为3 类，主要为一级警报（红色）、二级警报（橙色）和三级警报（黄色）。通过数据的有效采集和分析，可以对车站的水泵运行状态、水位高度、水泵的通信状态进行实时有效检测，快速处理各类通信故障及水位高度超过极限的状态，有效保证了维保质量。

4 结语

以城轨机电设备为例，设计和研究以物联网为基础的智能检测系统。通过有效联动可以提高维保质量和运营服务水平，同时推进城轨维保信息化与智能化的融合，为智慧交通、智能运维打下坚实的基础，实现了降本、提质、增效、节能的目标。