CN103852271B - 基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，包括车载传感器，信号调理与滤波装置，中央处理系统，数据输入与输出接口装置，车辆段信息收集系统，全国列车检修系统，人机交互装置。本发明通过多种车载传感器的设置，实现了走行部关键设备故障的准确识别和定位，实现了故障的提前预测，降低列车运行风险，并且实现了故障的远程诊断，降低故障诊断成本，缩短故障诊断周期。

Description

基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统

技术领域：

本发明涉及高速列车走行部的故障诊断与远程监测系统，特别涉及基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统。

背景技术：

随着我国高速列车运行速度和运营里程的不断提升，列车走行部的安全可靠性变得异常重要。列车走行部关键设备状态异常是车辆安全运行的重要隐患之一。严重的、突发性的异常状态可引起车辆脱轨，甚至倾覆等恶性事故，从而对社会、人员造成无法计算的损失。常见的行走部关键设备状态异常有转向架失稳、轴承温度过高和轮对踏面擦伤及不平衡，轴承裂纹与断裂、齿轮断齿与裂纹等。

目前对走行部的状态的监测只能采用人工测量方式，在人工测量方式中，人工经验在诊断中占有主导地位，人为因素较大。并且不能发现设备的安全隐患，对车辆早期出现的故障不能及时发现，造成检修不及时，实时性不强。人工测量不能全面的记录运行状态和故障信息，对故障的分析不能系统化。

中国专利（申请）号为201110381590，名称为“高速列车智能化系统及其通信方法”，包括车载智能感知节点，列车控制系统车载部分，车载数据中心，车地宽带通信系统，地面数据中心，主机厂和/或动车基地应用系统，物联网采集终端，宽带应用系统，一个或多个传感器，I/O接口设备，实现了列车系统的自检测，自诊断，自决策的功能，但是这种智能化系统，无法实现去全国所有列车的诊断和在线监测，所以整个系统还需要进一步的完善。

发明内容：

本发明基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，在原来智能化系统的基础上进行了改进，实现了对全国列车的诊断和在线监测，通过人机交互装置直观的显示列车运行状态和设备的故障信息，使列车的智能检测系统更加完善。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，包括在车载传感器，信号调理与滤波装置，中央处理系统，数据输入与输出接口装置，车辆段信息收集系统，全国列车检修系统，人机交互装置，所述的车载传感器包括加速度传感器，角速度传感器，温度传感器和位移传感器，将车载传感器采集到的信息输送给信号调理与滤波装置，经过处理的信号传输给中央处理系统，进行数据的分析和储存，通过数据输入与输出接口装置以无线通信系统传送给车辆段信息收集系统，经过车辆段信息收集系统的整理汇总，将所有列车走行部关键设备的信息传输给全国列车检修系统，并且显示在人机交互装置上。

进一步，加速度传感器安装在转向架轴箱，齿轮箱，转向架前端构架，电机上，采集设备振动的加速度信息，温度传感器安装在转向架轴箱上，采集温度变化信息，位移传感器采集车体与转向架之间的位移信息，角速度传感器安装在转向架前端构架上，采集转向架倾覆角的信息。

进一步，上述车载传感器可以配合使用，将采集到的信号进行数据处理，可以全方位的定位和检测列车走行部关键设备的故障信息。

进一步，位移传感器和安装在转向架轴箱上的加速度传感器配合使用，将采集到的位移信息和加速度信息进行数据处理，可以检测出转向架的横向收敛能力。

进一步，安装在转向架前端构架上的加速度传感器和角速度传感器，可以检测出外轮缘在钢轨上滚动的故障。

进一步，安装在转向架前端构架和转向架轴箱上的加速度传感器，采集到的信息经过数据分析可以对轴减震器性能方面进行检测。

进一步，中央处理系统对数据进行统一的编码，根据设备的位置，关键性，名称，测试内容，故障等级进行统一编码。

进一步，无线通信系统包括GPRS无线通信，无线传感器网络，智能天线。

进一步，车辆段信息收集系统通过移动3G网络或者互联网将数据报表传送给全国列车检修系统。

进一步，车辆段信息收集系统和全国列车检修系统均可下达检修任务。

综上内容，本发明所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断和远程监测系统，能够精确的定位并显示故障设备，对发生故障的设备进行预测报警，方便车辆维护人员及时快速维修，提高了列车的维护效率，降低列车运行风险，提高了安全性。并且该系统实现故障的远程监测，降低故障诊断成本，缩短故障诊断周期，为高速列车的安全运行奠定了良好稳定的基础。

附图说明：

图1是本发明基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统的流程示意框图。

图2是本发明基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统的结构示意图。

如图1和图2所示，转向架前端构架1，转向架轴箱2，齿轮箱3，转向架4，电机5，角速度传感器6，加速度传感器7，温度传感器8，位移传感器9，信号调理与滤波装置10，中央处理系统11，数据输入与输出接口装置12，车辆段信息收集系统13，全国列车检修系统14，人机交互装置15，无线通信系统17，移动3G网络或者互联网18，车载传感器19，车库20，在线监测与故障诊断设备21。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

本发明基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，包括感知层的多种车载传感器19，信号调理与滤波装置10，中央处理系统11，数据输入与输出接口装置12，传输层的车辆段信息收集系统13，应用层的全国列车检修系统14，人机交互装置15。

传感器是将非电物理量转换成电信号的一种信号采集装置。多种车载传感器19包括加速度传感器7，角速度传感器6，温度传感器8和位移传感器9。加速度传感器7采集转向架前端构架1、转向架轴箱2、齿轮箱3、电机5的横向加速度信息，角速度传感器6采集转向架前端构架1上的信息，温度传感器8采集转向架轴箱2的温度信息，位移传感器9采集车体与转向架4的位移信息。

温度传感器8安装在转向架轴箱2上，是对转向架轴箱2的温度的测量，将温度的变化转换成电信号，系统可以对电信号进行进一步的处理，分析，其中可以对转向架轴箱2的温度变化设定一限值，当温度超过这一限值时，与之连接的报警器报警。

位移传感器9安装在车体与转向架4之间，以车体为基准点，该传感器与安装在转向架轴箱2上的加速度传感器7配合使用，可以检测出转向架横向振动的收敛能力，从转向架内在的方面检测转向架是否存在故障，最大程度上预防重大故障和重大事故的发生。

加速度传感器7安装在转向架轴箱2上，对转向架轴箱2的振动进行检测，将振动信号转换成电信号，可以对信号进行小波，倒谱等数据分析，从而可以对转向架轴箱2做出早期的故障预警，并且可以对空气弹簧漏气性能方面进行故障诊断与在线监测。

加速度传感器7安装在齿轮箱3上，对齿轮箱3的振动情况进行检测，对信号进行相应的数据分析，对齿轮进行故障诊断。

加速度传感器7安装在电机5上，测试电机5振动的加速度信号，并且引出电机5的三相电流，通过结合电机5的加速度信号值和三相电流值的数据处理，计算，可以对电机5进行故障的诊断。

加速度传感器7安装在转向架前端构架1上，结合转向架轴箱2上的加速度传感器7，通过算法可以进行轴减震器性能方面的故障诊断与在线监测。

角速度传感器6安装在转向架前端构架1上，对角速度传感器6采集的信号进行积分计算，可以计算倾覆角度，当转向架倾覆角超出某一个限定值时，发出列车将要发生翻车的报警信号。

安装在转向架轴箱2和转向架前端构架1的加速度传感器7，可以用于列车脱线的在线监测，当转向架振动信号的特征有较大的改变，振动信号的均方差值大幅度增强，则发出列车转向架脱线的报警。为了防止列车脱线误报警的情况，关于列车脱线的在线监测还可以采用另外一种方式，在车头与车尾外部中间部分安装摄像头，通过图像处理能够辨识两天钢轨在图像中所处的位置，考虑车体有横向摆动的情况，当钢轨超出位于图像应有的位置时，进行列车脱线报警。

安装在转向架前端构架1上的加速度传感器7和角速度传感器6，可以通过现有算法，对采集的信号进行处理，可以在线监测轮对的外轮缘在钢轨上滚动的故障。

车载传感器19应该满足较高的IP防护等级。车载传感器19安装在车的底部，灰尘大，偶尔有水，高速列车振动强度高，要求车载传感器19防水防尘，在高强度振动下都可以正常工作。

加速度信号，角速度信号，温度信号，位移信号通过信号调理与滤波装置10，对信号进行初步处理，抑制不需要的噪声和干扰，提取出有用的信号，并且包含模数转换器，将模拟信号转换成数字信号，便于传输和中央处理系统11的接收，转换完成的信号传输到中央处理系统11，进行信号的进一步处理。

中央处理系统11的数据库中包含专家知识库和早期预测模型。建立一个大型数据库，将不同的特征信号和故障信息一一对应，当进行故障诊断时，将计算得到的特征信号通过模糊算法与该大型数据库中的内容一一比对， 通过比对得出故障诊断的结果，可以对设备做出早期预警，最大程度上消除了关键设备的隐患。

中央处理系统11将设备运行状态信息与故障诊断结果进行统一编码，编制成故障信息标准代码，标准代码可以分为故障设备代码、故障种类代码、故障部位代码、故障等级代码和故障维修代码。对故障信息进行标准化划分，为建立专家知识库提供了清晰的分类数据。并且实现故障的准确识别和定位，便于车辆维护人员快速维修，提高了列车的维护效率。

统一编码是根据走行部关键设备在转向架上排列的顺序、设备名称、设备的关键性、故障等级等编制的有规律性的唯一的设备标识号码，设备的统一编制的标准故障信息代码，是对设备故障信息进行标准化划分，方便数据的汇总，整理，分类，更容易识别设备的故障特性，方便维修人员进行设备维护。通过统一编码后的故障信息，每一个设备出什么样的故障，就会有相应的标准代码显示，这样可以直接通过标准化信息代码，直观的分辨出故障设备的位置及原因等。

中央处理系统11将统一编码之后的数据输入到数据输入输出接口装置12，数据输入输出接口装置12通过有线连接接收中央处理系统11的运行状态信息与故障诊断结果的标准信息代码，如图2所示，在列车进入到列车检修和维护的车库20后，数据输入输出接口装置12通过无线通信系统17传输给车辆段信息收集系统13。

优选的，无线通信系统17可以包括GPRS无线通信，无线传感器网络，智能天线。

所述的信号调理与滤波装置10，中央处理系统11和数据输入输出接口装置12，这三个模块构成如图2所示的在线监测与故障诊断设备21。

每列列车的每节车厢都具备在线监测与诊断设备21，这样就实现列车的每节车厢的在线监测与诊断，精确的定位了故障设备的位置，节省了维修的时间，提高了维修的效率。

如图2所示，车辆段信息收集系统13通过无线接收装置连接客户端电脑，将各个列车的每一节车厢的故障标准信息代码传送至客户端电脑，客户端电脑可以通过移动3G网络或者互联网18将车辆段信息收集系统13收集列车的诊断数据，整理成数据报表，将数据报表汇总通过移动3G网络或互联网18发送给全国列车检修系统14。

车辆段信息收集系统13可以根据标准的故障信息代码，定位设备的故障点，对于一些简单的，易于检修的设备，可以请车辆段的维修人员对车辆进行及时、有效的维修，这样可以节省维修时间和维修费用，提高了列车的维修和维护的效率。

全国列车检修系统14中设置全国检修终端数据库服务器，web（万维网）服务器，安全防火墙，人机交互装置15。可以对全国所有高速列车走行部关键设备的故障信息的汇总和储存，实现了高速列车的走行部关键设备的在线监测。

全国检修终端数据库服务器接收车辆段信息收集系统13的标准信息代码，将故障标准信息代码显示在人机交互装置15上，通过人机交互装置15的显示故障特征，指定相应的技术人员进行故障的排除，这样就可以有针对性的对故障设备分配相应的维修人员进行维修。

全国检修终端数据库服务器是对所有列车的运行状态和故障信息的处理和储存，web（万维网）服务器是全国检修服务器客户端的协调管理和存储数据，全国各地的客户端都可以通过网络服务器连接全国列车检修系统14，了解所有的列车运行状态和设备故障信息，安全防火墙是对web服务器的一个安全保护，避免列车运行系统的数据被泄露或者被恶意篡改，如果数据不能正确反映列车的运行情况，这将给列车的安全情况造成很大的影响，甚至造成无法弥补的损失。

人机交互装置15是一个智能系统，可以在车辆段信息收集系统13和全国列车检修系统设置14。人机交互装置15可以实现列车维护人员和计算机的直接互动交流。人机交互装置15的界面显示列车走行部关键设备的运行状态与故障信息。维修技术人员可以通过人机交互装置15第一时间识别出严重和一般的故障类别和故障设备，并且根据故障分类做出相应的检修计划。技术人员如果需要了解更详细的零件历史信息，也可以通过人机交互装置15查询列车走行部关键设备的相应信息，了解关键设备的一些具体参数和运行状况，方便做出故障预警。

检修完成以后，将人机交互装置15上的故障报警解除。

基于物联网的高速列车走行部故障诊断和远程监测系统，能够精确的定位并显示故障设备，对发生故障的设备进行预测报警，方便车辆维护人员及时快速维修，提高了列车的维护效率，降低列车运行风险，提高了安全性。并且该系统实现故障的远程监测，降低故障诊断成本，缩短故障诊断周期，为高速列车的安全运行奠定了良好稳定的基础。

如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，包括车载传感器(19)，信号调理与滤波装置(10)，中央处理系统(11)，数据输入与输出接口装置(10)，车辆段信息收集系统(13)，全国列车检修系统(14)，人机交互装置(15)，

其特征在于，所述的车载传感器(19)包括加速度传感器(7)，角速度传感器(6)，温度传感器(8)和位移传感器(9)，将车载传感器(19)采集到的信息输送给信号调理与滤波装置(10)，经过处理的信号传输给中央处理系统(11)，进行数据的分析和储存，通过数据输入与输出接口装置(12)以无线通信系统(17)传送给车辆段信息收集系统(13)，经过车辆段信息收集系统(13)的整理汇总，将所有列车走行部关键设备的信息传输给全国列车检修系统(14)，并且显示在人机交互装置(15)上；

加速度传感器(7)分别安装在转向架轴箱(2)，齿轮箱(3)，转向架前端构架(1)，电机(5)上，采集设备振动的加速度信息，温度传感器(8)安装在转向架轴箱(2)上，采集温度变化信息，位移传感器(9)采集车体与转向架(4)之间的位移信息，角速度传感器(6)安装在转向架前端构架(1)上，采集转向架倾覆角的信息。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，上述车载传感器(19)可以配合使用，将采集到的信号进行数据处理，可以全方位的定位和检测列车走行部关键设备的故障信息。

3.根据权利要求2所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，位移传感器(9)和安装在转向架轴箱(2)上的加速度传感器(7)配合使用，将采集到的位移信息和加速度信息进行数据处理，可以检测出转向架的横向收敛能力。

4.根据权利要求2所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，安装在转向架前端构架(1)上的加速度传感器(7)和角速度传感器，可以检测出外轮缘在钢轨上滚动的故障。

5.根据权利要求2所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，安装在转向架前端构架(1)和转向架轴箱(2)上的加速度传感器(6)，采集到的信息经过数据分析可以对轴减震器性能方面进行检测。

6.根据权利要求1所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，中央处理系统(11)对数据进行统一的编码，根据设备的位置，关键性，名称，测试内容，故障等级进行统一编码。

7.根据权利要求1所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，无线通信系统(17)包括GPRS无线通信，无线传感器网络，智能天线。

8.根据权利要求1所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，车辆段信息收集系统(13)通过移动3G网络或者互联网(18)将数据报表传送给全国列车检修系统(14)。

9.根据权利要求1所述的基于物联网的高速列车走行部故障诊断与远程监测系统，其特征在于，车辆段信息收集系统(13)和全国列车检修系统(14)均可下达检修任务。