中速磁浮列车综合安全状态监...警与维护支持技术研究与实现_李颖华.pdf

第期 年月 研究开发文章编号：（）中速磁浮列车综合安全状态监测预警与维护支持技术研究与实现李颖华（中车唐山机车车辆有限公司，河北 唐山 ）摘要：本文针对中速磁浮列车在途状态监测、预警、隐患状态评估和主动运维支持等需求，通过对中速磁浮列车关键部件工况高效主动感知、综合工况与安全状态监测评估、预警预测、适度主动运维和应急处置等关键技术的研究，构建了中速磁浮列车综合安全状态监测预警与维保支持系统方案，研制了中速磁浮列车主动维修、安全维保支持平台和技术装备，实现了对中速磁浮列车的综合运行安全状态全息化的主动监测、综合安全状态的演化趋势预测、故障风险和隐患的评估。充分考虑磁浮列车各关键部件安全性特征和评判依据及关联性，综合使用数据分析、预测、评估等方法，构建了满足中速磁浮列车特点的综合安全状态评估预测方法，为实现综合高效、低成本以及快速中速磁浮系统提供技术支撑。关键词：中速磁浮列车；关键部件；高效主动感知；主动运维；综合安全状态；监测预警；趋势预测；维护支持中图分类号：文献标志码：（，）：，：；收稿日期：基金项目：国家重点研发计划资助项目（）第一作者：李颖华（），女，高级工程师。第 卷第期 年月引言中速磁浮列车具有低成本、高环保、低噪音、爬坡能力强、转弯半径小的优点，能够为城市内和城际间提供多样化的出行选择。发展磁浮交通有利于提升我国国际轨道交通的竞争力，促进我国地铁与城际轮轨系统技术的共同进步。针对中速磁浮列车综合安全保障和故障预警的需求，解决磁浮列车运行中悬浮架、牵引等系统综合安全状态的高效实时地面监测、列车综合安全状态演变预测预警问题。通过对中速磁浮列车综合安全保障和故障预警及处置支持的主动化、一体化装备开发，实现对中速磁浮列车的综合运行安全状态全息化主动监测和维保支持，为实现运输组织与运输控制一体化提供支撑条件，为实现综合高效、低成本及快速中速磁浮系统提供技术支撑。关键技术研究列车关键部件工况高效主动感知技术中速磁浮列车安全状态监测预警与维护支持技术可以实现对列车关键系统、关键单元和列车能耗的监测，还能实现基于大数据跟踪分析的趋势劣化评估以及运维辅助支持。系统覆盖的磁悬浮列车关键部件和列车运行相关状态范围如下：（）悬浮系统监测；（）驻车滑橇监测；（）列车锂电池组监测；（）列车能耗监测；（）车体与转向架振动监测。悬浮系统主动感知技术悬浮架是保障列车安全、可靠运行的重要部件。结合悬浮原理，悬浮架上安装的电磁铁是保障列车稳定悬浮的关键部件之一，悬浮架与轨道之间的相对物理关系是列车安全运行的关键参数之一。悬浮系统的实时监测对磁浮列车安全运行有着至关重要的意义。充分利用车辆悬浮系统已有的各项监测信息，通过列车控制和管理系统（）获取相关的电磁铁电流及故障信息，实现悬浮系统的主动感知，并在地面分析系统中显示。同时，通过加装的电磁铁温度传感器实时监测电磁铁温度，并通过综合多种算法计算实现温度的预警、报警功能。对悬浮系统的监测内容及状态信息获取方式见表。驻车滑橇厚度主动感知技术正常情况下磁浮列车靠反向的电磁力减速。在低速或故障状态下，列车还会利用机械制动闸片夹紧轨道来刹车，紧急情况下甚至降落列车，靠车底的滑橇在轨面上摩擦进行制动，同时列车停车时滑橇将降落到轨道上以支持列车。滑橇的厚度直接影响列车停车时是否能够保持正常高度，也将影响列车紧急情况下的制动效果，因此对滑橇的监测是较为关键的。通过监测驻车状态下的悬浮间隙，可以实现对驻车滑橇厚度的主动感知，并进行磨耗趋势分析。表悬浮系统监测点示例序号监测内容状态信息获取方式悬浮间隙悬浮控制系统提供悬浮电磁铁电流悬浮控制系统提供悬浮电磁铁温度增设温度传感器环境温度增设温度传感器电磁铁磁场增设磁场传感器悬浮架的横向摆动增设陀螺仪锂电池组主动感知技术中速磁浮列车设两组 锂电池组，满足列车在故障状态下的应急功能需求。锂电池组虽然拥有良好的能力密度和电化学性能，但锂电池对使用环境、充放电管理有着一定的要求。系统通过对列车上配备的锂电池组进行工作状态下电流、电压、温度等参数的监测，以评估锂电池组性能状态，进一步指导电池维护等相关工作。综上所述，对锂电池组的监测内容及状态信息获取方式见表。表列车锂电池监测点示例序号监测内容状态信息获取方式电池温度锂电池组控制单元输出电池充电电流锂电池组控制单元输出电池放电电流锂电池组控制单元输出电池充电电压锂电池组控制单元输出电池放电电压锂电池组控制单元输出电池内阻锂电池组控制单元输出列车能耗主动感知技术随着磁悬浮列车的逐步发展和电费的不断上调，作为近些年来出现的新型轨道交通方式，磁悬浮列车的能耗计量和分析面临诸多挑战。在这样的背景下，本系统将对列车能耗进行监测，监测对象主要包括辅助系统和悬浮系统，其中悬浮系统能耗可以由 系统直接提供进行监测，辅助系统能耗通过 系统提供的电流值、电压值进行计算得出。中速磁浮列车综合安全状态监测预警与维护支持技术研究与实现李颖华车体与转向架振动主动感知技术通过安装振动传感器的方式，采集车体与转向架的振动信息，综合多种算法对振动状态进行解析，能够实时监测车体与转向架的振动状态。（）车辆平稳性监测评判准则见表。表评判准则平稳性等级平稳性指标评定级优级 良好级 合格计算流程和方法如下：获取原始数据后经过 转换后，进行 变换，计算修正系数，再计算单频率平稳性指标。经过样本平稳性指标计算后计算单程整车平稳性指标。单频率平稳性指标计算如下：（）（）式（）中：振动加速度（）；振动频率（）；（）频率修正系数。不同频率段的频率修正系数见表。表修正系数计算表垂向振动 （）.（）（）横向振动 （）.（）（）样本、单程整车平稳性指标：（）（）纵向冲击评判准则：列车纵向冲击率不大于 。计算流程：原始数据经过转换，滑动平均滤波后计算纵向冲击率。（）横向失稳评判准则：悬浮间隙在正常范围内波动，横向加速度大于 以上，磕碰轨道，且造成悬浮掉点时，判定悬浮架横向失稳。计算流程：原始数据经过转换，有效值计算，累计 个样本判断是否失稳，经过一周期后判断是否消除报警。列车综合工况与安全监测、故障预警与运维支持技术列车预告警信息系统通过以太网方式与 系统进行双向通信，实现数据交互、实时状态监测。通过多种算法的综合诊断，结合阈值对车辆状态进行预告警的判定。具体阈值见表。表车载系统预报警信息序号监测项点阈值故障描述悬浮电磁铁温度 预警 报警 车悬浮电磁铁电流 报警 车悬浮电磁铁电流 报警车辆状态智能提取诊断设备故障 温度数字转化设备故障 温度数字转化设备故障前置处理器故障地面分析系统地面分析系统接收经无线传输系统发送的车载数据，并在系统上实时呈现车辆的运行状态。地面分析系统可实现运行图状态监测和车辆在途故障预测与健康管理功能。运行图状态监测具体如下：通过 地图监测所有运营线路、列车在地图中的位置；通过问题监测列表、查看列车异常状态；通过点击地图上列车图标，查看具体列车状态。车辆在途故障预测与健康管理功能具体如下：覆盖列车悬浮系统、驻车滑橇、列车锂电池组、列车能耗、车体和转向架的振动加速度等所有监测项点状态显示，可从线路维度及单个列车的构成维度对上述对象的监测告警状态和综合健康进行呈现。悬浮系统监测可实时展示悬浮电磁铁的电流情况，并预设阈值，超过阈值则进行报警。阈值可根据现场情况进行变更。系统设计实现中速磁浮列车安全状态监测预警与维护支持系统包括车载监测系统、车地传输系统、地面分析系统三部分，图是系统架构图。车载监测系统车载监测系统由车辆状态智能采集诊断主机、前置处理器、温度数字转换设备、传感器以及配套线路组成。第 卷第期 年月图系统架构图车辆状态智能采集诊断主机通过布置在车体、电机的加速度传感器采集车体和电机振动加速度，由悬浮系统布置的 温度传感器通过温度数字转换设备转换为数字信号接入车辆状态智能采集诊断主机，通过以太网在 车与 系统连接，实时获取悬浮系统、辅助系统的各项工作参数和状态参数。车辆状态智能采集诊断主机原则上仅从 侧向监测感知子系统的侧单向转发数据，确保监测感知子系统与 网络隔离。车辆状态智能采集诊断主机采集数据进行阈值判断，分析结果和状态数据通过车地传输系统发送到地面中心。车地传输系统车地传输系统通过 的无线网络实现数据传输。子系统采用数据加密、数据校验和传输管道机制来防范无线传输过程中的非法入侵、数据截取、数据篡改；子系统设置了传输应答、数据重复等机制来保证数据传输可靠性。地面分析系统地面分析系统包含标准 机架服务器、防火墙、交换机、设备机柜及配套电缆等。系统平台分为服务器平台和客户端平台。地面分析系统架构见图。图地面分析系统架构图中速磁浮列车综合安全状态监测预警与维护支持技术研究与实现李颖华数据平台对所管理的数据进行全生命周期式的管理，包括数据采集、数据存储、数据加工、数据共享、数据归档。平台对所管理的数据进行标准化、规范化管理，保障数据质量的完整性、一致性、合规性，对数据进行归类存储、分区管理。数据处理系统采用 模式，系统的主要事务处理逻辑均是在服务器端实现。系统采用先进的云平台技术架构，通过可视化的容器、视图技术在客户端呈现可视化功能。平台在硬件资源上设置 虚拟层构建云；在 虚拟层上根据业务需求布设各功能虚拟主机层；在功能虚拟主机层上布设业务层。终端电脑通过支持 标准的 浏览器访问本系统服务器。终端电脑使用的操作系统无严格要求，可以根据客户喜好选择，浏览器推荐采用 、或 浏览器。结束语本文提出并研究了中速磁浮列车运行条件下的综合状态自适应传感网技术，结合高效安全的检测车地信息传输技术，实时获取列车的多维度综合安全状态，用于列车综合安全保障。构建了以中速磁浮列车为对象，综合多种状态和故障关联模型以及动态历程分析的方法，实现了中速磁浮列车综合安全状态的演化趋势预测、故障风险和隐患的评估。开发了基于物联网、扁平化等技术的中速磁浮列车在线监测设备、状态分析评估设备，形成中速磁浮列车综合安全状态监测预警与维护支持平台。参考文献：吴祥明 磁浮 世纪的新型交通 城市轨道交通研究，（）：，（）：柳阳阳中低速磁浮列车悬浮控制系统在线监测与故障诊断系统研究 成都：西南交通大学，薛松低速磁浮列车悬浮系统的故障诊断与容错控制技术研究 长沙：国防科学技术大学，何昱中低速磁浮列车悬浮斩波器优化研究成都：西南交通大学，韦文军，基于车载蓄电池状态监测的中速磁浮车载运行控制策略北京：北京交通大学，胡鹏，城市轨道交通列车运行能耗优化及仿真 成都：西南交通大学，梁鑫，磁浮列车车轨耦合振动分析及试验研究 成都：西南交通大学，叶俊，龙志强 磁浮列车系统故障模型的建立与分析 城市轨道交通研究，（）：，（）：，龙志强，李云，贺光磁浮列车悬浮控制系统电磁铁故障诊断技术研究控制与决策，（）：，（）：李明耀磁浮列车悬浮监控系统研究成都：西南交通大学，