轨道交通车辆走行部轴承监控系统的开发

2023-12-12陈怡然

机械制造 2023年11期

□ 陈怡然

上海电气集团股份有限公司中央研究院上海 200070

1 开发背景

轨道交通车辆走行部轴承是影响轨道交通正常运行的最重要部件之一。走行部轴承若发生故障,轻则导致车辆晚点、停运或清客,重则会影响乘客的生命安全。因此,及时监控走行部轴承的运行状态,能够便于运维人员及时发现问题,并制订相应的维修策略,从而避免车辆发生突发性故障事件,保证乘客和车辆的运输安全。

现阶段对走行部轴承的分析通常局限在实验室或高校,且仅停留在理论研究阶段,并未考虑到车辆实际运行环境对走行部轴承所造成的影响,也没有形成可以供用户直接或直观使用的监控系统,由此用户很难及时监控到走行部轴承的运行状态。一旦车辆发生突发故障,用户可能需要很长时间才能解决故障,车辆的安全保障功能较差,且体验不好。

笔者开发了一套轨道交通车辆走行部轴承监控系统,包括采集终端模块、数据传输模块、监控模块。通过采集终端模块获得各走行部轴承在当前时段的运行数据,这些运行数据经过数据传输模块到达监控模块,当前时段的轴承运行状态由此显示在用户终端上,进而实现对走行部轴承的实时监控。

2 采集终端模块

采集终端模块包括复合传感器和数据运算单元。复合传感器安装在车辆各走行部轴承上,数量与走行部轴承的数量相同。复合传感器在车辆运行过程中实时采集各走行部轴承的运行数据。

复合传感器由振动传感器单元、冲击力传感器单元、温度传感器单元构成,可采集走行部轴承在运行时产生的高频振动数据、低频缓变量数据、振动趋势数据等。其中,高频振动数据包括振动信号和冲击数据,低频缓变量数据包括温度数据和负载数据。

3 数据传输模块

采集终端模块的数据可以通过多种方式传输给监控模块,数据传输模块如图1所示。

第一种,采集终端与移动通信基站可以通过有线或者无线方式连接。移动通信基站接收到采集终端发送的网际协议数据包后,先解析各个网际协议数据包,得到各走行部轴承在当前时段的运行数据,然后基于数据传输协议将运行数据通过有线或无线方式发送给监控服务器。

第二种,移动通信基站接收到采集终端所发送的网际协议数据包后,将IP数据包发送给数据解析服务器,通过解析得到各走行部轴承在当前时段的运行数据,再将解析后的运行数据通过有线或无线方式发送给监控服务器。数据解析服务器中至少设置一个按照集群式部署的数据解析节点,服务器接收到各个网际协议数据包后,根据数据解析节点的资源使用情况,将网际协议数据包发送给较为空闲的数据解析节点进行解析。数据解析节点是基于Netty框架开发的节点,Netty框架为JBoss应用服务器提供一个Java开源框架,具有异步、高性能、高可靠性的数据传输能力,并可以以秒级的高频率对安装在各走行部轴承处的采集模块所采集到的运行数据进行处理。

第三种,在第二种的基础上通过数据解析服务器获得各走行部轴承在当前时段的运行数据后,将运行数据转换为预设格式,即将每个走行部轴承在当前时段运行数据中的各部分数据按照预先设定的顺序进行排列,得到每个走行部轴承在当前时段的运行数据表。数据解析服务器将预设格式的运行数据发送给数据库服务器,数据库服务器对其进行备份,之后再将运行数据通过有线或无线方式发送给监控服务器。通过使用数据库服务器对各走行部轴承在各时段的运行数据进行备份,使管理人员可以随时从数据库服务器中获取各时段的运行数据,从而避免运行数据在数据处理过程中丢失,保证数据的安全性。

4 监控模块

监控模块设置多个微服务,包括故障诊断微服务、实时监控微服务、维修建议微服务、配置微服务,具体架构如图2所示。任意两个微服务可以相互连通,某一微服务可以获取其它任意微服务的处理结果,也可以向其它任意微服务发送数据。

4.1 故障诊断微服务

故障诊断微服务根据各走行部轴承在当前时段的运行数据,确定各走行部轴承在当前时段的运行状态。

任何一个走行部轴承运行状态的确定,可以通过六个步骤完成。

(1) 从走行部轴承的运行数据中提取得到高频振动数据和低频缓变量数据。

(2) 根据高频振动数据确定当前时段走行部轴承在设定特征下的特征值,设定特征指与走行部轴承运行状态相关的特征,可以是以下任意一项或任意多项的组合:均值、最大值、最小值、偏度、峭度、波形指标、方差、方根幅值、绝对平均值、均方根值、峰峰值、峰值指标、脉冲指标、波形指标、峭度指标、裕度指标、偏斜度指标。

(3) 基于主成分分析方法对设定特征和低频缓变量数据进行特征提取,得到贡献率大于第一预设阈值的多个主特征。

(4) 基于走行部轴承在各个主特征下的特征值,构建待评估运行状态的高斯混合模型,待评估运行状态的高斯混合模型用于表征走行部轴承在当前时段的运行状态。

(5) 确定走行部轴承对应的待评估运行状态下的高斯混合模型和正常运行状态下的高斯混合模型的重合度,重合度Cvd计算式为:

(1)

式中:g1(x)为处于待评估运行状态下的高斯混合模型;g2(x)为处于正常运行状态下的高斯混合模型;x为特征矩阵。

(6) 根据待评估运行状态下的高斯混合模型和正常运行状态下的高斯混合模型的重合度,确定走行部轴承在当前时段的运行状态。重合度小于设定值,说明走行部轴承在当前时段有故障,然后生成相关故障信息、故障代码、故障等级。若故障等级大于预设故障等级,则还可以向用户终端发送告警信息,并在告警信息中携带故障信息、故障代码、故障等级,及时通知运维人员进行维修管理。

4.2 实时监控微服务

实时监控微服务将轨道交通车辆中各走行部轴承在当前时刻的运行状态显示在用户终端上。

在实时监控微服务中,采用HTML5 +WebGL +WebSocket可视化技术,在监控服务器的前端建立待监控的车辆三维模型,可以支持管理人员对车辆的三维模型执行旋转、缩放、透视等操作。功能页面以秒级的数据推送间隔实时向管理人员展示各走行部轴承的运行状态、温度、振动趋势等信息,还可以从故障诊断微服务中获取需要进行预警或告警的信息,并从维修建议微服务中获取对应的维修建议,实时向管理人员提示预警信息、告警信息、维修建议。