基于云-边协同的城轨牵引系统PHM技术研究.pdf

第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 0 1-0 5 基于云-边协同的城轨牵引系统P HM技术研究董先鹏1,2(1.济南轨道交通集团有限公司,山东 济南 2 5 0 0 0 0;2.山东大学齐鲁交通学院,山东 济南 2 5 0 0 6 1)摘 要:牵引系统作为轨道交通列车关键核心系统,其维护工作量大、检修成本高、产品老化带来的故障率升高等问题开始显现。国家发改委明确提出开发城市轨道交通主动检测与智能维护系统,深入推进轨道交通信息化、智能化发展,构建智慧运行与智慧服务体系。然而目前传统城轨牵引系统存在在途监测能力不足、检修项点针对性不强,全生命周期成本高、运行数据利用率低等问题,严重影响了轨道交通行业的信息化发展。本文提出以“牵引系统端+车载边缘处理终端+大数据云平台”相融合的云边协同的技术体系,引入到城轨牵引P HM边缘处理终端上面用来收集整车牵引系统数据,实现整车牵引系统数据预处理、分布式边缘计算分析、数据安全传输等任务,再结合云端强大的数据处理能力,实现牵引系统的在途监测、故障智能预警诊断与设备健康评估。该技术提高了车辆核心设备的智能化水平,提高了车辆可靠性和运维效率,降低了全寿命周期成本。关键词:城轨;P HM;云-边协同;故障预警;城轨牵引系统;寿命评估中图分类号:U 2 6 0.1 3 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 3.0 5.0 0 1R e s e a r c h o n P HM T e c h n o l o g y o f U r b a n R a i l T r a c t i o n S y s t e m B a s e d o n C l o u d-e d g e C o l l a b o r a t i o nD ONG X i a n p e n g1,2(1.J i n a n R a i l T r a n s i t G r o u p C o.,L t d.,J i n a n 2 5 0 0 0 0,C h i n a;2.Q i l u J i a o t o n g C o l l e g e o f S h a n d o n g U n i v e r s i t y,J i n a n 2 5 0 0 6 1,C h i n a)A b s t r a c t:T h e t r a c t i o n s y s t e m,a s a k e y c o r e s y s t e m o f r a i l t r a n s i t t r a i n s,i s f a c i n g p r o b l e m s s u c h a s h e a v y m a i n t e n a n c e w o r k l o a d,h i g h m a i n t e n a n c e c o s t a n d i n c r e a s e d f a i l u r e r a t e c a u s e d b y p r o d u c t a g i n g.T h e N a t i o n a l D e v e l o p m e n t a n d R e f o r m C o mm i s s i o n h a s c l e a r l y p r o p o s e d t o d e v e l o p a n a c t i v e d e t e c t i o n a n d i n t e l l i g e n t m a i n t e n a n c e s y s t e m f o r u r b a n r a i l t r a n s i t,f u r t h e r p r o m o t e t h e i n f o r m a t i z a t i o n a n d i n t e l l e c t u a l i z a t i o n d e v e l o p m e n t o f r a i l t r a n s i t,a n d b u i l d a n i n t e l l i g e n t o p e r a t i o n a n d s e r v i c e s y s t e m.H o w e v e r,t h e r e a r e s o m e p r o b l e m s i n t h e t r a d i t i o n a l u r b a n r a i l t r a c t i o n s y s t e m,s u c h a s i n s u f f i c i e n t i n-t r a n s i t m o n i t o r i n g,l a c k o f t a r g e t e d m a i n t e n a n c e i t e m s,h i g h l i f e c y c l e c o s t a n d l o w u t i l i z a t i o n r a t e o f o p e r a t i o n d a t a,w h i c h s e r i o u s l y a f f e c t t h e i n f o r m a t i z a t i o n d e v e l o p m e n t o f r a i l t r a n s i t i n d u s t r y.T h e p a p e r p r o p o s e s a c l o u d-e d g e c o l l a b o r a t i o n t e c h n o l o g y s y s t e m i n t e g r a t i n g“t r a c t i o n s y s t e m t e r m i n a l+o n-b o a r d e d g e p r o c e s s i n g t e r m i n a l+b i g d a t a c l o u d p l a t f o r m”,w h i c h i s i n t r o d u c e d i n t o t h e e d g e p r o c e s s i n g t e r m i n a l o f u r b a n r a i l t r a c t i o n P HM t o c o l l e c t t h e d a t a o f e n t i r e v e h i c l e t r a c t i o n s y s t e m,r e a l i z e t h e t a s k s o f d a t a p r e p r o c e s s i n g,d i s t r i b u t e d e d g e c a l c u l a t i o n a n d a n a l y s i s,d a t a s a f e t r a n s m i s s i o n,e t c.C o m b i n e d w i t h t h e p o w e r f u l d a t a p r o c e s s i n g c a p a b i l i t y o f t h e c l o u d,i t c a n r e a l i z e t h e i n-t r a n s i t m o n i t o r i n g,i n t e l l i g e n t f a u l t e a r l y w a r n i n g d i a g n o s i s a n d e q u i p m e n t h e a l t h a s s e s s m e n t o f t r a c t i o n s y s t e m.T h i s t e c h n o l o g y c a n i m p r o v e t h e i n t e l l i g e n t l e v e l o f v e h i c l e c o r e e q u i p m e n t,e n h a n c e v e h i c l e r e l i a b i l i t y a n d o p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e e f f i c i e n c y,a n d r e d u c e t h e f u l l l i f e c y c l e c o s t.K e y w o r d s:u r b a n r a i l;P HM;c l o u d-e d g e c o l l a b o r a t i o n;f a u l t e a r l y w a r n i n g;u r b a n r a i l t r a c t i o n s y s t e m;l i f e a s s e s s m e n t收稿日期:2 0 2 3-0 5-1 2第一作者:董先鹏(1 9 8 9),男,工程师。第6 0卷第5期2 0 2 3年9月 近年来我国城市轨道交通迅速发展,截止2 0 2 3年3月,全国累计开通运营城市轨道交通线路2 9 2条,运营里程9 6 5 2.6 k m,在线运营车辆数量迅速增多,车辆服役年限逐步增长,加之运营多年的车辆设备老化加快,关键部件不可避免的会发生磨损、腐蚀、裂纹等失效现象,导致设备故障率升高甚至可能会出现故障集中发生的局面,严重影响行车安全1。牵引系统作为轨道交通列车关键核心系统,其维护工作量大、检修成本高、产品老化带来的故障率升高等问题更为明显地开始显现。因此对城轨车辆牵引系统进行检修维护十分必要。目前传统城轨牵引系统的运维模式为依据零部件的磨损规律,遵循“日常检查、定期检修”的计划预防性检修2,此运维模式存在过度修、欠修等问题,导致运维成本高、效率低下。并且随着设备老化加剧,设备维护的频次和要求日益上升,这种依靠人为检修为主的运维方式,对技术人员要求较多,运维保障压力大,随着新线不断投入,运维成本也将不断攀升。与此同时,国家发改委明确提出开发城市轨道交通主动检测与智能维护系统,深入推进轨道交通信息化、智能化发展,构建智慧运行与智慧服务体系。城轨发展总体目标:2 0 2 5年,中国式智慧城轨特色基本形成,跻身世界先进智慧城轨国家行列;2 0 3 5年,进入世界先进智慧城轨国家前列,中国式智慧城轨乘势领跑发展潮流3。但目前传统城轨牵引运维系统存在在途监测能力不足、检修项点针对性不强,全生命周期成本高、运行数据利用率低等问题,信息化水平、智能化程度明显不足,难以满足市场对安全性、可靠性、经济性的需求,与国家城轨交通战略发展方向也背道而驰。因此,目前市场亟需提高车辆核心设备的智能化水平,增强信息实时监控的能力,提高车辆可靠性和运维效率4。考虑到上述问题,深入研究城市轨道车辆牵引系统智能监测、诊断与健康管理技术具有重要的现实意义。本文提出以“牵引系统端+车载边缘处理终端+大数据云平台”相融合的“端-边-云”协同的城轨牵引系统P HM体系。此体系打通数据从设备端到云平台服务器的传输通道,借助移动物联网技术实现车-地信息实时共享,融合人工智能技术,基于车载边缘处理终端与云平台的算力资源,进行数据特征挖掘、智能分析等任务。实现城轨列车牵引系统的在途监测、故障智能预警诊断与设备健康评估等功能5-7。在此牵引P HM技术的基础上,实现牵引系统的状态修8,根据关键器件的状态,有问题了再进行维修更换,及时适度维修更换,提高了运维效率,降低了运维成本。1 传统城轨牵引系统运维技术不足传统城轨牵引系 统通常采用“端-云”的运 维方案,即对列车在车载 终端进行数 据采集,数据 通过4 G或WL AN等无线传输形式传输到地面数据云端中心,然后采用私有 云集中对数 据进行挖掘 应用。传统的“端-云”的运维架构模式将列车所有应用集中部署在中心云平台上,从设备端传输大量数据到云平台,导致网络传输负载急剧增加,容易产生较大的网络延迟,存在安全风险9。这种运维系统的架构既不能发挥终端及云端数据协同优势,又不能实现两者在应用和服务层面计算协同优势,存在许多弊端,具体表现主要有:(1)数据传输能力不足。列车所有应用集中部署在中心云平台上,设备端采集监测的大量数据未经筛选、过滤处理直接上传云端,会消耗巨大的网络传输资源,产生较大的网络延迟,数据传输安全性难以保障。(2)数据可用性差、利用率低。由于网络数据传输能力的局限性,网络传输带宽低,数据记录周期一般为1 0 0 m s或5 0 0 m s,导致传输数据颗粒度大1 0,牵引系统设备端所采集的电压电流等关键高频(5 k H z、1 0 k H z)的信号数据无法回传,因此大量关键数据无法被存储或应用。(3)系统协同性差。车载终端可实时控制车辆运行,高频数据采集但是算力资源不足,各设备数据孤岛无法多关联分析;云端具有强大存储数据、管理分析数据的能力,算力资源充足。但是目前的牵引系统架构云平台远离设备端,实时性差,对设备端数据无法全部获得,设备端、云平台互相独立,导致此架构既无数据协同也无计算协同能力,“端-云”无法优势互补,协同工作。(4)系统智能化低。由于“端-云”协同能力差,设备端的关键部件的实时数据无法有效应用,因此牵引系统设备检修依靠外观检修为主,通过人为的“月检”“季度检”“故障检”等来实现城轨牵引系统运维。这导致车辆设备智能化不足、实时故障预警能力弱。(5)设备健康管理成本高。系统智能化低,设备故障只能通过技术人员进行试验复现或者按照既有经验进行评估,无法精准预测判断设备寿命状态,存在过修或者漏检,备品备件不便管理等情况,导致此架构下的牵引系统运维管理成本高,效率低。2“端-边-云”体系技术架构鉴于上述传统城轨牵引系统运维技术的不足,本文提出“云-边”协同的城轨牵引系统P HM技术,其利2基于云-边协同的城轨牵引系统P HM技术研究 董先鹏用云计算与边缘计算的互补协同,通过资源和数据协同,解决仅采用云计算集中式模型实时性不足、高频数据无法获取的问题。基于“云-边”协同的城轨牵引系统P HM技术,由车载变流设备、边缘处理终端、地面云平台3部分组成,“云-边”协同技术架构如图1所示。图1“云-边”协同技术架构2.1 牵引终端车载变流设备端包含高速断路器、接触器、电抗器、VVV F逆变器、制动电阻、牵引电机等高压电气类设备,电流、电压、速度、温度等信号采集传感设备,以及牵引系统控制器。基于传感器及数据采集装置完成牵引系统电压、电流、速度、温度等信号采集。为用户提供牵引系统控制、故障保护服务。2.2 边缘端牵引P HM边缘处理终端用于收集整车牵引系统数据,边缘端结构如图2所示。实现整车牵引系统数据预处理、分布式边缘计算分析、数据安全传输等任务,为用户提供牵引系统关键特征提取、异常预警服务。边缘处理终端数据处理的算力强大,支持多种数据协议。它支持光纤、S S B高速总线、R S-4 8 5/2 3 2串口、以太网、C AN等通信接口,物联协议灵活可变;并且具有高吞吐、低延时的实时计算能力,数据变频采样机制,运行数据积压及丢失处理,可以支持多源数据融合分析可以对各种算法进行部署;具备数据传输握手机制,A E S数据加密算法,可实现数据传输的可靠性及安全。图2 边缘端结构2.3 云平台地面云平台云层包含了数据接收模块、数据解析模块、实时计算模块、数据存储模块、历史数据分析模块、前端交互模块等,为牵引系统数据融合分析工作提供软件环境及强大的算力资源1 1。云端实现牵引系统研发设计数据、地面试验数据、线路运行数据、历史故障数据、检修数据、特征指标等全寿命周期多维度数据的管理与融合应用。本文提出的“云-边”协同的架构,在“端-云”中加入了边缘端,对设备端采集的高低频数据进行变频处3第6 0卷第5期2 0 2 3年9月理,多源数据异构处理,再进行边缘算法的部署,如异常预警分析、寿命的评估等,最后将原始数据、特征量和预警标志传输到云端强大的数据库进行数据管理前端显示,数据可用率得到了提高。在此运维技术架构下,“端”与“云”优势互补,解决了上述传统城轨运维技术的协同能力不足的问题,实现了数据协同、资源协同、服务协同、应用协同。极大提高了牵引系统运维技术的智能化水平。3“云-边”协同的P HM系统功能本文提出的基于“云-边”协同的城轨牵引P HM系统具有6大功能,具体功能如图3所示。图3“云-边”协同的城轨牵引P HM系统功能3.1 牵引系统数据全方位感知与在途监测 实时采集牵引系统及其部件的运行状态信息,重点针对故障频率高的部件。监控状态页面显示与线路列车驾驶室显示屏显示保持一致。同时,实时动态监控多条线路列车运行所处的位置,便于地面运营中心更加灵活地运营调度。3.2 牵引系统关键部件自动测量应用城轨牵引P HM系统后,可通过系统既有参数,根据部件运行机理,借助人工智能算法,实现对支撑电容、牵引电机等关键部件的核心参数在线测量。3.3 牵引系统及其关键部件异常预警通过数据全方位感知与在途监测模块,可有效监测城轨牵引系统运行状态,在此基础上,通过研究分析城轨牵引系统及其关键部件故障机理,识别可表征故障的特征参数,基于故障模式变化,并结合运营经验合理设置的预警阈值参数,在故障未出现时或者故障轻微时进行预警。有效解决当前传统运维技术只能对部件进行人为地外观检修的问题。3.4 牵引系统及其关键部件智能诊断城轨牵引P HM系统基于不同线路牵引系统历史故障数据,并基于故障机理,利用故障树、神经网络等智能算法,对数据进行整合和分析,做到快速处理、诊断,自动找出故障发生的原因,并且其搭载的安全系统可以做到一旦出现故障就可以智能化做出反应。3.5 牵引系统关键部件健康状态评估通过获取表征牵引系统更关键部件状态或寿命的特征参数,分析退化规律,搭建健康评估算法模型,从而实现城轨牵引系统的健康状态评估。改变了传统运维技术只能通过技术人员的经验进行设备状态评估的部件检修评估模式。3.6 建立牵引系统全寿命周期运行数据库能够采集存储系统及部件线路复杂运行工况应力数据,构建车辆牵引系统全寿命周期运行应力和状态性能数据库。为车辆检修以及修程修制的优化提供运行过程数据,解决了传统运维技术支撑数据不足所导致的过修或者漏检等情况。本文提出的“云-边”协同P HM技术充分利用设备端采集的数据信息,实现牵引系统及其部件的运行状态信息的实时监测,对关键器件进行特征量测量、异常预警、诊断、健康状态评估等功能。上述功能改变了传统运维技术的人为外观检修的模式,提高了系统设4基于云-边协同的城轨牵引系统P HM技术研究 董先鹏备检修的实时性、准确性。该技术建立系统全寿命周期运行的数据库,为车辆部件检修以及修程修制的优化提供了数据支撑,解决传统运维技术因无法精准预测判断设备寿命状态所产生的过修、漏检以及备品备件不便管理等问题。此技术降低了运维成本,提高了系统运维的效率和智能化水平。“云-边”协同的城轨牵引P HM系统已经在济南地铁2号线车辆应用,实现了牵引系统在途监测、故障预警与状态评估等功能。4 结论本文所提出的“云-边”协同的城轨牵引P HM系统技术在传统牵引系统上加入了边缘数据处理终端。该技术解决了传统牵引系统控制器算力资源不足、数据处理不及时的弊端,集合了车载控制器、智能边缘终端系统、大数据云平台系统3者资源优势及功能特点。该运维技术既能满足数据采样、边缘处理、数据存储与传输的需求,又能与既有牵引控制架构相兼容,最大化利用原牵引系统采集数据,同时可对采集数据进行处理分析与传输。此技术依靠其强有力的数据和技术支撑,实现了城轨牵引系统全寿命周期数据融合、挖掘分析与应用,使城轨牵引系统实现状态监测、故障预警、智能诊断、状态评估、健康管理等P HM功能。参考文献:1 2 0 1 72 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