车辆结构边缘计算在线监测技术研究与应用.pdf

2023年第3期智能集约维护智能集约维护车辆结构边缘计算在线监测技术研究与应用杜纵纵1，段龙杰1，秦栋2，穆广友1，吴浚豪1，3（1.上海轨道交通检测认证（集团）有限公司，上海 200434；2.北京京城地铁有限公司，北京 101312；3.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804）摘要：城市轨道交通车辆目前存在服役工况与设计工况不完全一致、车辆服役性能与预期不一致的情况，因此超大城市轨道交通智慧运维对车辆车体、走行部关键承载部件的服役安全提出了新要求。研制基于断裂力学的边缘计算在线监测系统，分析包含车辆结构无损检测、车辆结构强度分析、边缘计算在线监测以及断裂力学材料试验在内的技术框架。基于实际应用需求，介绍系统设计、系统部署与应用，并以某地铁的服役安全评估为例，分析系统对车辆故障预测和健康管理起到的重要作用。车辆结构边缘计算在线监测技术可为车辆结构全生命周期的维护、保养和延寿提供数据支撑。关键词：城市轨道交通；车辆结构；边缘计算；在线监测；全生命周期；智慧运维；断裂力学中图分类号：U270.7 文献标识码：B 文章编号：1672-061X（2023）03-0149-08DOI：10.19550/j.issn.1672-061x.2023.03.20.0040 引言我国城市轨道交通线网规模不断扩大，目前城市轨道交通车辆保有量超过30 000列，车辆运营维护与安全检测需求快速增长，需要定期对车辆部件进行检测，并保证检测质量和频率，及时发现、处理已经出现及潜在故障，以杜绝安全隐患。城市轨道车辆智慧运维研究以车辆设备故障预测与健康管理技术为基础，将车辆关键系统、零部件的运行状态和剩余寿命与运营生产数据进行有效结合分析，实现以故障为导向的被动维修方式和计划维修方式向以车辆全生命周期健康状态为导向的状态维修方式转变，达到提高列车运行突发故障的应急处理能力、提高车辆维修效率、提高车辆的可靠性和使用率、降低车辆全生命周期维护成本的目的。城轨车辆作为乘客的载体，其安全性、稳定性和可靠性需要良好的维护系统支持。应对车辆进行全生命周期维修研究、了解车辆在使用期间的性能和故障规律。刘忠俊等 1 对地铁车辆全生命周期维修策略研究，了解基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFB1600704）第一作者：杜纵纵（1990），男，工程师。E-mail：1492023年第3期智能集约维护智能集约维护其故障规律，对地铁车辆故障特点以及车辆维修模式和特点进行分析；王朋 2 分析地铁车辆智能检修的重要意义和主要功能需求，并介绍了智能检修系统的组成。由于城市轨道交通车辆结构复杂、维护检测项点多、作业时间周期短、任务重，目前仍采用传统派遣大量检修人员进行重复性安全检测的作业模式，导致车底、车侧等部位的安全检测作业存在很大的人员安全隐患3。同时传统的检测模式存在信息传递不及时、数据记录不准确、检测结果受人为因素影响大等诸多问题4，其作业质量与效率难以匹配城市轨道交通快速发展的需求，无法形成标准化安全检测模式，逐步成为制约城市轨道交通持续发展的因素，亟待进行城市轨道交通车辆运维检测服务行业的智能化转型升级。1 系统技术框架车辆结构边缘计算在线监测系统技术框架见图1。1.1车辆结构无损检测车辆结构边缘计算在线监测系统对车辆结构的状态评估以断裂力学理论为基础，根据该理论计算框架，需要获取车辆结构中存在缺陷（裂纹、气孔、未熔透、未焊透等）的结构参数。因此需要对车辆结构关键位置，特别是关键焊缝结构开展无损检测，为服役结构评估计算提供缺陷参数的依据。传统无损检测技术及局限性见表1。因传统无损检测技术存在局限性，还应运用远场涡流设备对传统无损检测技术进行补充，远场涡流探头原理见图2。1.2车辆结构强度分析根据断裂力学理论，评估车辆状态、预测结构故障需要载荷数据（载荷谱）。边缘计算在线监测系统采集数据时需要针对性获取车辆薄弱部位的载荷数据。目前有限元分析是确定车辆结构薄弱部位最便捷且效果较好的方法。文献 5 和文献 6 对车体、转向架结构静强度及疲劳强度计算，车体结构有限元仿真分析见图3。通过加载相应的运行工况进行有限元仿真计算，依据计算结果，从关键工况中选取危险点，确定车辆结构强度薄弱部位，为监测系统提供测点布置依据。表1传统无损检测技术及局限性传统技术涡流探伤超声探伤X光探伤磁粉探伤渗透探伤局限性受趋肤效应的影响，无法检测到结构厚度为510 mm及以上的缺陷需要清除结构表面的油漆层、需要耦合剂，无法穿透多层结构探伤设备体积大、有辐射危害发射、接收端需要置于被测物体的两侧只能检测表面缺陷，需要清除结构表面的油漆层只能检测表面缺陷图1车辆结构边缘计算在线监测系统技术框架图2远场涡流探头原理图1502023年第3期智能集约维护智能集约维护1.3边缘计算在线监测车辆结构监测系统为获取有效的载荷数据，通常要求对几十甚至上百通道的传感器进行不低于500 Hz的实时采样，如此大的数据带宽、数据量，传统数据采集系统难以实现数据的稳定传输。为实现监测系统快速且实时采集、处理、传输、计算功能，必须在传统数据采集系统中结合边缘计算技术，进行二次开发。通过数据采集仪、加速度传感器、应变片等设备，边缘计算模块从关键位置监测数据中提取对损伤敏感的关键参数，对系统进行纯健康模式的训练，实现数据回归、预测和分类，掌握车辆运用状态下参数的分布情况。边缘计算在线监测具有以下特点和优势：（1）相较于传统的车辆动应力测试，边缘计算对车辆结构状态评估传输和响应速度更快。（2）可部分摆脱网络环境制约，可解决传统云端计算数据传输带宽高、实时性较强的缺点，使车辆实时监测和评估成为可能。（3）边缘计算的可扩展性和弹性很强，在车辆服役的不同阶段可以根据需求增加监测系统的传感节点。边缘计算在线监测系统见图4。其中，SR1、SR2为5G天线用于车地数据辅助通信，SR3、SR4为边缘计算模块用于部署边缘计算模型，SR5、SR6为数据采集仪用于车辆结构状态数据采集，SR7、SR8为传感器用于感知车辆结构数据，SL1SL4为千兆以太网线缆（带屏蔽层）用于车地数据传输，SL5、SL6为应变片信号电缆，SL7、SL8为天线电缆，SL9、SL10为加速度信号电缆。1.4断裂力学材料试验断裂力学可以对有缺陷的金属结构进行剩余强度和寿命及探伤周期的评估与预测，可解决传统名义应力方法无法解释和难以解决的重大工程装备失效破坏的内在机理、可大幅减少恶性事故的发生，形成一系列公认的服役评估规范，如英国的 BS 7910：2019Guide to Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Metallic Structures7和我国的 GB/T 196242019在用含缺陷压力容器安全评定。同时，基于断裂力学的损伤容限也相继被国际、国内和地区标准吸纳，被普遍认为是继名义应力方法后下一代重大装备结构设计与服役评估的先进方法。目前，断裂力学已在化工机械、核电管道、航空航天、远洋船舶、深海舰船等关系国防和经济战略安全领域得到了广泛应用，并最终形成一种有别于传统疲劳评估理论的新方法，得到工程界的广泛认可8。基于母材与焊接接头的断裂力学性能参数是控制车辆结构裂纹的关键因素之一，因此有必要引入材料断裂力学性能分析试验方法，进行焊缝断裂韧性试验以及焊缝裂纹扩展速率试验。断裂韧性是在疲劳载荷作用下，材料对于断裂显示的阻抗值，对于估算裂纹体疲劳寿命有重要作用；疲劳裂纹扩展速率是在疲劳载荷作用下，裂纹长度a随循环周次N的变化率，反映裂纹扩展速度，对估算裂纹体疲劳寿命有重要作用，该试验结果为车辆结构寿命计算提供参数输入。通过检查关键结构力学性能并进行参数校验，可以为后续缺陷原因分析和疲劳计算提供数据支撑。图3车体结构有限元仿真分析SR1中间车列车主交换机EUHT车地通信单元头车SR2SR3SR4SR6SR5SR7SR8SL1SL3SL5 SL9SL2SR4SL6 SL10SL7SL8图4边缘计算在线监测系统1512023年第3期智能集约维护智能集约维护1.5基于断裂力学车辆结构服役状态评估根据BS 7910：2019标准，引入针对缺陷的断裂力学疲劳分析方法，对车辆结构进行寿命预测。基于断裂力学方法，研究裂纹的扩展过程，同时考虑脆性断裂与塑性失稳风险，以材料、结构、缺陷、应力参数为基础，定量计算裂纹扩展，综合评价结构的剩余使用寿命，断裂力学服役评估技术方案见图5。在各项计算过程中均做出保守性假设，可确保服役分析的安全性9。2 系统设计车辆结构边缘计算在线监测装备由感知层、采集层、计算层、传输层4个部分组成。设备通过传感器感知车辆结构的受力状态，数据采集仪采集记录产生的数据，边缘计算模块根据关键位置的监测数据确定关键参数，实现数据回归、预测和分类，并对结构进行服役状态评估，最后通过EUTH或5G将计算结果传送至数据中心，车辆结构边缘计算在线监测系统组成见图6。系统应用泛在感知、边缘计算、多元耦合等智能技术，从全生命周期视角跟踪车辆结构的服役安全，确定车辆结构（车体和转向架）缺陷的实际状态，对可能造成的隐患进行实时监测和预警，最终实现轨道交通车辆智能维护下的预测性状态修10。3 系统部署与应用3.1装车方案系统以北京某地铁线路为应用对象，开展监测系统的部署和典型应用。示例车体及转向架见图7。图5断裂力学服役评估技术方案传感器若干传感器若干5G网络通信5G网络通信头车中间车列车主交换机EUHT车地通信单元地面服务器智能运维增强平台显示终端车辆段车辆检修人员结构应力、振动数据结构损伤敏感参数阶段性服役安全评估结果.系统维护 图6车辆结构边缘计算在线监测系统组成1522023年第3期智能集约维护智能集约维护监测对象包含1节头车、1节中间车的车体和转向架结构，主要硬件设备包含传感器（应变片、加速度计）、边缘计算主机、数据采集仪、信号线等，需要向车下监测设备提供电源，应变片贴片位置需要脱漆处理。现场设备安装部署见图8。基于Labview开发了车载数据处理软件和地面服务器客户端软件，车载数据处理软件可对采集到的结构应力、加速度数据进行实时处理，得到关键位置应力谱、结构损伤敏感参数等预警信息；通过地面客户端软件的断裂力学评估模型可阶段性的对车辆结构进行服役评估。软件界面见图9。3.2监测周期与系统维护监测工作配合车辆的厂修工作开展，每次厂修前后各监测半年时间，以对比厂修前后的车辆结构服役一致性，以及不同服役阶段的车辆结构健康履历信息。（1）可靠性：应变片的固定一般使用快干胶进行粘接，封装胶水进行防护，使用胶水的性能直接影响应变片是否容易脱落和可靠性。采用HBM专门为粘贴应变片和封装开发的专业胶水、专业粘接工艺，可使应变片可靠工作3年以上。（2）耐久性：HBM 应变片加载周期高达 1 亿次，依据累计损伤理论，通常轨道车辆循环载荷超过1 000万次视为“无限寿命”，因此应变片自身的寿命可以满足长期监测的要求。4 试验与数据分析结合1.11.4节中所述技术获取的该地铁列车材料参数、缺陷情况、正线运营获取的动应力等数据，对车辆结构进行服役安全评估，实际案例分析路线见图10。以车辆结构边缘计算在线监测系统在某地铁中的实际应用为例，通过车体结构强度有限元分析及车辆结构无损检测获取车体结构信息，结合经验进行动应力测试布点，以测试车辆正式运营状态编组，在该车辆实际运营线路上进行动应力监测。现场试验后，将采集数据进行去零漂、去毛刺、数据滤波等处理，运用雨流计数法进行计数统计，编制成应力谱9。图7示例车体及转向架（涂黑部分）图8现场设备安装部署图9软件界面1532023年第3期智能集约维护智能集约维护将材料分析试验所得材料力学性能参数及雨流计数统计应力谱作为数据输入，依照BS 7910：2019进行寿命预测评估。BS 7910：2019 中，采用 Paris 公式计算裂纹扩展见式（1）。dadN=A(K)m ，（1）式中：a为裂纹尺寸；N为循环次数；A、m为焊缝材料固有参数，K为应力强度因子变化范围。根据BS 7910：2019中7.3.3节，计算裂纹扩展的失效评定曲线。根据FAC曲线函数式见式（2），代入材料参数，绘制FAC曲线（见图11）。f(Lr)=(1+12L2r)-1/20.3+0.7exp(-L6r)for Lr 1 ，f(Lr)=f(1)LN-12Nr for 1 Lr Lr，max ，（2）f(Lr)=0 for Lr Lr，max ，式中：Lr为载荷比。根据上述裂纹扩展公式及失效评定图，可以对车辆结构进行寿命预测。该地铁车辆车体端墙上门角焊缝结构1处缺陷的寿命预测评估结果见图12。从图12中可知，当裂纹扩展至3.19 mm时，评估点位于评定线外，表明该缺陷可 能 会 发 生 断 裂 失 效，此 时 的 裂 纹 扩 展 寿 命 为22.8年。车体设计寿命30年（按每年100 000 km进行设计），后续应重点关注该测点区域，并及时采取补强措施。图10实际案例分析路线图11FAC曲线1542023年第3期智能集约维护智能集约维护5 结束语超大城市轨道交通智慧运维对车辆车体、走行部关键承载部件的服役安全提出新要求，在传统车辆结构无损检测、车辆结构强度分析的基础上，提出将断裂力学理论与边缘计算技术相结合构建的基于断裂力学的车辆结构边缘计算在线监测系统，分析相关的技术内容和创新点。基于此系统，可对车辆关键承载结构进行在线监测和服役安全性评估，跟踪车辆结构全生命周期的服役安全，建立车辆结构健康履历，为车辆结构全生命周期的维护、保养和延寿提供数据支撑。参考文献1 刘忠俊，崔艳雨，梁开义，等.地铁车辆全生命周期维修策略研究 J.中国铁路，2016（4）：81-85.2 王朋.地铁车辆智能检修可行性研究 J.门窗，2019，169（13）：206-208.3 徐世锋，邵文东，周国东，等.铁路货运装备智能化维护和检修的几点思考 C/中国铁道学会车辆委员会，中国铁道学会轨道交通装备分会.中国铁路货运市场发展和多样化运输装备技术研讨会论文集.北京，2019.4 韩南南.城市轨道车辆维修模式的优化与改进研究 J.技术与市场，2022，29（4）：175-178.5 European Committee for Standardization.Railway application-structure requirement of railway vehicle bodies：EN 12663：2010 S.Brussels：Coerto Europeen Normalisation，2010.6 British Standards Institute.Railway application-wheelsets and bogies-method of specifying structural requirements of bogie frames：BS EN 13749：2011 S.Brussels：European Committee for Standardiza-tion，2011.7 British Standards Institute.Guide on Methods for Assessing the Acceptability of Flaws in Fusion Welded Structure：BS 7910：2019 S.London，2019.8 吴圣川，任鑫焱，康国政，等.铁路车辆部件抗疲劳评估的进展与挑战 J.交通运输工程学报，2021，21（1）：81-84.9 徐博，韩斌，穆广友.断裂力学在轨道车辆结构寿命预测中的应用 J.铁道车辆，2022，60（1）：73-78.10 苑永祥，蹇波，唐松铨，等.轨道车辆智能运维技术发展及应用现状 J.电力机车与城轨车辆，2023，46（1）：12-22.责任编辑 翟立飒收稿日期 2023-03-20（a）FAD失效评定（b）裂纹扩展预测曲线图12寿命预测评估结果1552023年第3期智能集约维护智能集约维护Research and Application of Edge Computing Online Monitoring Technology for Vehicle StructureDU Zongzong1,DUAN Longjie1,QIN Dong2,MU Guangyou1,WU Junhao1,3(1.Shanghai Railway Certification(Group)Co.,Ltd.,Shanghai 200434,China;2.Beijing Jingcheng Metro Co.,Ltd.,Beijing 101312,China;3.Railway&Urban Rail Transit Research Institute,Tongji University,Shanghai 201804,China)Abstract:At present,for urban rail transit vehicles,the service conditions are not completely consistent with the design conditions,and the service performance is not aligned with the expectations.Therefore,this creates new demands for the intelligent O&M of megacities rail transit in terms of the service safety of key bearing components of vehicle body and running gear.This paper aims to develop an edge computing online monitoring system based on fracture mechanics,analyzing the technical framework including vehicle structure nondestructive testing,vehicle structure strength analysis,edge computing online monitoring and fracture mechanics material test.Based on the actual application requirements,this paper introduces the system design,system deployment and application,and analyzes the important role of the system in vehicle fault prediction and health management by taking the service safety assessment of a metro as an example.The edge computing online monitoring technology for vehicle structure can provide data support for the maintenance,service and life extension of vehicle structures during the full life cycle.Keywords:urban rail transit;vehicle structure;edge computing;online monitoring;full life cycle;intelligent O&M;fracture mechanicsDesign and Development of Intelligent Maintenance Assistant System for Beijing SubwayZANG Zhichao,CUI Tingrui,LI Ming(Beijing Mass Transit Railway Operation Corporation Limited,Beijing 100044,China)Abstract:In view of the increasing demand for network operation and management of Beijing Subway,the maintenance level cannot well support its sustainable development.Augmented reality technology is adopted to carry out application research in the fields of intelligent patrol inspection,remote guidance,employee training,etc.and an intelligent maintenance assistance system for Beijing Subway is designed and developed,which is connected with the network O&M enhancement platform of Beijing Subway to realize work order circulation.The application of this system can effectively reduce personnel misoperation,lower the technical threshold for new employees,improve work efficiency and quality,realize digitalization and standardization of overhaul and maintenance operations,help improve the intelligent and lean management level of Beijing Subway,and promote the construction of smart urban rail transit.Keywords:Beijing Subway;intelligent maintenance;augmented reality;process assistance;audio and video interaction（上接第148页）156