地鐵電動塞拉門故障預(yù)測與健康管理研究

　　摘要：地鐵電動塞拉門是地鐵車輛的重要組成部分，現(xiàn)通過在地鐵電動塞拉門上加裝采集模塊，采集車門狀態(tài)數(shù)據(jù)，再利用車地?zé)o線傳輸網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娣��?wù)器，然后對車門狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，通過算法模型對車門狀態(tài)趨勢進(jìn)行分析，并依據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障預(yù)測，指導(dǎo)車門的檢修工作，從而實現(xiàn)了地鐵電動塞拉門修程修制的優(yōu)化，提高了地鐵電動塞拉門的可靠性、安全性。

　　關(guān)鍵詞：地鐵電動塞拉門;故障預(yù)測與健康管理(PHM);車輛運維

　　0引言

　　PHM(PrognosticandHealthManagement，故障預(yù)測與健康管理)技術(shù)起源于航空航天軍事領(lǐng)域，目前廣泛應(yīng)用于包括航空航天、電子產(chǎn)品、軌道交通等在內(nèi)的多個領(lǐng)域[1]。地鐵電動塞拉門是直接關(guān)系到乘客安全的重要子系統(tǒng)，PHM技術(shù)在地鐵塞拉門系統(tǒng)上的應(yīng)用，可以有效提高其可靠性和安全性。PHM技術(shù)通過地鐵電動塞拉門驅(qū)動電機的實時參數(shù)(電壓、電流、速度、轉(zhuǎn)矩、功率等輸出量)變化來評估車門系統(tǒng)的性能下降程度，進(jìn)而評估車門系統(tǒng)健康度，診斷、預(yù)測車門故障。

　　交通論文投稿刊物：《現(xiàn)代城市軌道交通》(雙月刊)創(chuàng)刊于2004年，由鐵道部主管、鐵道部科學(xué)技術(shù)信息研究所和鐵科院(北京)工程咨詢有限公司主辦。將以新傳媒模式運作，密切關(guān)注城市軌道交通事業(yè)的焦點、熱點;全方位介紹國內(nèi)外地鐵、輕軌等快捷交通的建設(shè)和運營經(jīng)驗;及時報道相關(guān)技術(shù)及其裝備和高新技術(shù)成果;不斷擴大國際合作，多元化促進(jìn)學(xué)術(shù)研討與技術(shù)交流。

　　1軌道交通車輛運維現(xiàn)狀

　　隨著軌道市場的蓬勃發(fā)展，軌道交通方式逐漸成為了人們交通的首選。在當(dāng)前緊迫的交通壓力下，如何進(jìn)一步提升維修效率，延長車輛及其零部件壽命，降低維護成本，是地鐵運營企業(yè)亟需解決的問題。在軌道交通行業(yè)，目前動車組都在關(guān)鍵部件上安裝了傳感器采集設(shè)備的狀態(tài)信息，并將這些設(shè)備的狀態(tài)信息和故障信息傳輸?shù)降孛妫�地面維護人員通過數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，即可及時了解車輛各系統(tǒng)的運行狀態(tài)和故障情況，這樣可以對部分關(guān)鍵部件故障在早期及時發(fā)現(xiàn)并處理，從而實現(xiàn)由過去的計劃修、故障修向狀態(tài)修的轉(zhuǎn)變。但地鐵車輛缺少這類完整的數(shù)據(jù)采集傳輸分析系統(tǒng)。

　　2地鐵電動塞拉門PHM研究內(nèi)容

　　引起車門系統(tǒng)狀態(tài)異常、性能退化和故障的主要原因有環(huán)境因素(風(fēng)壓、溫度、濕度等)、人為因素(擠壓、強行扒門等)和時間因素(元件老化、磨損等)。從控制系統(tǒng)的角度來看，乘客擠壓、風(fēng)壓等外部干擾因子會導(dǎo)致車門驅(qū)動電機負(fù)載特性發(fā)生變化，因而，地鐵電動塞拉門系統(tǒng)的狀態(tài)可以轉(zhuǎn)換為驅(qū)動電機參數(shù)變化來評估[2]。通過在地鐵電動塞拉門上加裝PHM模塊，實時采集軌道車輛電動塞拉門狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后傳輸解析存儲至地面數(shù)據(jù)倉庫中。

　　隨著車輛在正線(或試車線路上)車門狀態(tài)數(shù)據(jù)的不斷累積以及人工模擬車門亞健康和故障狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，通過對積累的車門數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析，形成車門模型，并通過深度挖掘故障間的關(guān)聯(lián)性、故障的變化趨勢等，能夠?qū)崿F(xiàn)車門健康度的評估分析及故障預(yù)測，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果快速形成維修方案建議，指導(dǎo)車門的檢修作業(yè)，并逐步為車門修程修訂提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。同時能夠根據(jù)業(yè)務(wù)需要，定制分析展示界面，將車門數(shù)據(jù)及分析結(jié)果數(shù)據(jù)以多樣性的可視化手段進(jìn)行展示。

　　3地鐵電動塞拉門PHM關(guān)鍵技術(shù)

　　(1)增加的電動塞拉門PHM模塊與車門原有控制系統(tǒng)采用相互獨立的設(shè)計理念，即對車門的故障預(yù)測與健康管理不影響車門原來功能的正常使用，即使電動塞拉門PHM模塊故障，車門也可以正常使用。(2)電動塞拉門數(shù)據(jù)采集傳感器為高精度傳感器，電流作為最關(guān)鍵的變量，其采集傳感器線性度為1‰，可以采集塞拉門的多個模擬量、數(shù)字量，對不同的模擬量進(jìn)行處理、運算得到車門速度、位置等實時信號。

　　(3)電動塞拉門PHM模塊的CPU處理單元采用DSP高頻數(shù)字信號處理芯片，遠(yuǎn)超業(yè)內(nèi)常用的單片機、ARM芯片的采集方案。(4)車地?zé)o線傳輸?shù)腁P采用滿足IEEE802.11ac的技術(shù)，作為IEEE802.11n的迭代技術(shù)，理論帶寬可以實現(xiàn)1Gb/s，實際帶寬可以達(dá)到300Mb/s。(5)后期采用物聯(lián)網(wǎng)邊緣計算的思想，根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)特點，采用接近于數(shù)據(jù)源頭的計算方式，可以對車輛數(shù)據(jù)先進(jìn)行標(biāo)記處理，再將影響系統(tǒng)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛�，增加有效�?shù)據(jù)占比，減輕數(shù)據(jù)存儲壓力。

　　4地鐵電動塞拉門故障預(yù)測

　　通過使用采集模塊采集地鐵電動塞拉門電機的電流以及霍爾信號，根據(jù)塞拉門三相無刷電機的電流和霍爾反饋信號參數(shù)建立相應(yīng)的電機模型，在電機模型的基礎(chǔ)上將機械參數(shù)數(shù)字化，建立機電聯(lián)合仿真模型，對仿真模型進(jìn)行仿真分析，代入電流和霍爾信號實測參數(shù)進(jìn)行仿真模型修正。

　　首先對采集到的地鐵塞拉門電機的電流、霍爾信號數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，再壓縮提取特征值[3]，由提取出來的特征值曲線在每一個分段上設(shè)定一個具有上下限的區(qū)間范圍作為參考基準(zhǔn)(包括X時間軸長度和Y幅值大小，合計兩個區(qū)間范圍)，當(dāng)實測數(shù)據(jù)超過這個區(qū)間范圍時，采集模塊可判斷該塞拉門工作在故障或亞健康狀態(tài)。

　　鑒于每一次開關(guān)門后，由于機械振動，機械參數(shù)都會有些許的改變，故采用動態(tài)區(qū)間的形式，即以上一次系統(tǒng)判定開關(guān)門處于正常狀態(tài)時設(shè)定的參數(shù)區(qū)間作為下一次開關(guān)門判斷區(qū)間。以關(guān)門階段的單相電流為例進(jìn)行診斷操作，對關(guān)門階段數(shù)據(jù)進(jìn)行了特征值提取，在關(guān)門到位后階段中設(shè)定了兩個判斷區(qū)間，分別是時間長度與幅值大小，當(dāng)數(shù)據(jù)處于判斷區(qū)間范圍內(nèi)時即為正常狀態(tài)，反之即為故障或亞健康狀態(tài)。

　　5結(jié)語

　　地鐵電動塞拉門PHM技術(shù)應(yīng)用，通過故障預(yù)測減少了計劃外的維修工作，大幅度降低了維修成本;而在故障發(fā)生之前進(jìn)行針對性維修，提升了車輛零部件的使用效率。電動塞拉門的安全運行涉及乘客生命安全，并且單列車塞拉門數(shù)量較多，日常塞拉門檢修調(diào)整耗費的工時較多，因此電動塞拉門PHM系統(tǒng)的應(yīng)用研究意義重大。

　　[參考文獻(xiàn)]

　　[1]呂琛，馬劍，王自力.PHM技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展情況綜述[J].計算機測量與控制，2016，24(9)：1-4.

　　[2]時旭.地鐵車門系統(tǒng)故障診斷與維修決策的方法研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2009.

　　[3]高偉民，茅飛.地鐵車門PHM系統(tǒng)應(yīng)用[J].城市軌道交通，2019(5)：33-35.

　　作者：顧陽王家鉅

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