CN116009508A - 一种机车柴油机phm可视化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机车柴油机PHM可视化系统，包括：采用多类型传感器采集机车柴油机的运行数据的数据采集单元；接收数据采集单元传送的运行数据的PHM主控单元，所述PHM主控单元对机车柴油机运行数据进行存储、分析和处理，并对柴油机状态进行分析、从而进行故障诊断和故障预测，根据诊断结果提供维保建议；对PHM主控单元处理后的数据进行访问的可视化单元，所述可视化单元基于用户输入的运维信息进行计算和反馈生成修程维护、部件维修的维保记录并进行人机交互。该系统有益于技术人员进行柴油机状态分析，并且实现了人机交互，根据时间推算下一次维护时间并给技术人员提示，提升了运维信息管理。
Description
技术领域
本发明涉及机车状态分析技术领域，尤其涉及一种机车柴油机PHM可视化系统。
背景技术
故障预测与健康管理(PHM，Prognostics Health Management)是一种利用先进传感器集成，借助故障机理、数据驱动等算法和模型，实现状态评价、故障预测、诊断分析的健康管理技术。数据可视化技术能够将核心数据指标可视化、直观化和具体化，并且强调了数据分析上的价值。目前机车只具备参数报警功能，不具备故障诊断、故障预测、提供运维建议提示功能，数据分析处理需要回机务段外接电脑查看和解决。因此开发机车柴油机PHM可视化系统在机车上运用，提供多形式的数据展示方式，提供故障诊断和运维提示信息，能够有效提高运维效率，提高柴油机可用性。
现行机车显示屏采用传统LCD屏幕，界面切换使用物理按键控制。屏幕显示实时采集参数，具备参数超阈值故障报警功能。机车数据存储使用数据记录仪，需要外接电脑搭配配套软件显示。修程及部件维修目前采用运维人员纸质记录，临近修程的日期通过人工计算；因此造成现有机车显示屏不提供故障诊断、运维建议信息；不能直接查看历史数据、故障数据；不展示参数曲线，因此无法进行分析，对修程维护、部件维修等不记录、不提示；并且不具备主题功能，配置单一且不具有美观性，交互体验感差。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种机车柴油机PHM可视化系统，具体方案包括：
采用多类型传感器采集机车柴油机的运行数据的数据采集单元；
接收数据采集单元传送的运行数据的PHM主控单元，所述PHM主控单元对机车柴油机运行数据进行存储、分析和处理，并对柴油机状态进行分析、从而进行故障诊断和故障预测，根据诊断结果提供维保建议；
对PHM主控单元处理后的数据进行访问的可视化单元，所述可视化单元基于用户输入的运维信息进行计算和反馈生成修程维护、部件维修的维保记录并进行人机交互。
所述数据采集单元包括电源模块、信号转化模块、信号隔离模块和通讯模块，所述电源模块为数据采集单元内的各模块供电能，所述信号转化模块包括热电阻温度信号检测电路、4-20mA模拟量输入信号检测电路、频率量输入信号检测电路和开关量输入/输出信号电路，所述信号转换模块将各信号检测电路采集到的传感器信号通过通讯模块发送数据，所述信号隔离模块对多路传感器信号之间的外界干扰信号进行阻断。
所述PHM主控单元包括中央处理器、通信模块、存储模块、开发模块和数据库，在机车柴油机运行时，通过存储模块接收数据采集单元传送的柴油机运行参数数据，通过中央处理器对数据进行处理和状态识别，如果发生故障，则开发模块通过内置算法进行故障诊断和运维建议提示，并将建议信息通过通信模块发送至可视化单元。
所述可视化单元包括数据驾驶舱、实时状态模块、历史数据模块、诊断分析模块、趋势分析模块、运用维护模块、报表输出模块、账户管理模块和数据下载模块，所述数据驾驶舱接收其他模块传送的数据信息并以模块化的方式进行排版，单击模块则进入对应其他模块进行详细内容查询；所述实时状态模块对实时数据进行动态展示并提供统计数据；所述历史数据模块对历史数据进行展示和查询并以曲线绘图形式进行展示；所述诊断分析模块在发生故障时进行报警和故障统计；所述趋势分析模块对预测的重点变化数据进行特征提取和异常值去除、并拟合出趋势线；所述运用维护模块对用户输入的修程维护进行展示；所述报表输出模块对日报表和月报表进行展示；所述账户管理模块对系统用户权限进行管理；所述数据下载模块对该系统的历史数据进行自定义下载和报表下载。
所述存储模块内存储有机车柴油机的运行数据、故障信息、诊断结果和运维操作信息。
所述可视化单元包括时间插件、图表插件、文本插件、按键插件和菜单插件；所述时间插件对数据和故障报警进行时间定位；所述图表插件对历史数据进行列表和折线图展示、对档位占比进行饼状图展示、对故障次数进行柱状图展示；所述文本插件接收用户输入的修程内容；通过按键插件进行人机交互操作；所述菜单插件用于切换可视化单元内模块。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种机车柴油机PHM可视化系统，该系统提供机车柴油机故障诊断、运维建议信息，可直接在现场处理故障，提高机车运维效率，并且能够在机车上查看历史数据和故障数据，解决了现有机车数据记录仪需要外接电脑查看数据的缺点，可以呈现列表、点阵图、趋势图、报表等多种展现形式，可展示历史数据曲线、故障前后数据曲线、关键数据趋势分析曲线，利于技术人员进行柴油机状态分析，并且实现了人机交互，技术人员可直接在系统输入运维信息，系统对修程维护、部件维修等进行记录及显示，并根据时间推算下一次维护时间并给技术人员提示，提升了运维信息管理。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明机车柴油机PHM可视化系统构成示意图
图2为本发明机车柴油机PHM可视化系统可视化单元构成示意图
图3为本发明机车柴油机PHM可视化系统可视化单元实时状态模块组成示意图
图4为本发明机车柴油机PHM可视化系统可视化单元诊断分析模块组成示意图；
图5为本发明机车柴油机PHM可视化系统可视化单元趋势分析模块组成示意图
图6为本发明机车柴油机PHM可视化系统可视化单元运用维护模块组成示意图
图7为本发明机车柴油机PHM可视化系统可视化单元报表输出模块组成示意图
图8为本发明机车柴油机PHM可视化系统可视化单元数据下载模块组成示意图
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
如图1所示的一种机车柴油机PHM可视化系统，包括数据采集单元、PHM主控单元和可视化单元。
所述数据采集单元包括电源模块、信号转化模块、信号隔离模块、通讯模块，用于通过多类型传感器采集机车柴油机运行数据，并传输给PHM主控单元。
所述PHM主控单元采用中央处理器、通信模块、存储模块、Visual Studio开发模块、数据库MYSQL，用于对机车柴油机运行数据存储、分析、处理，得到柴油机状态的分析，进行故障诊断和故障预测，根据诊断结果提供维保建议。PHM主控单元内置数据库存储所有产生及反馈的信息，包括运行数据、故障信息、诊断结果、运维操作等。
所述可视化单元提供数据可视化及交互功能，通过访问主控单元处理的信息向显示模块提供数据，对数据进行显示、调用及曲线绘制。通过可视化单元操作人员输入运维信息，系统进行计算和反馈，生成修程维护、部件维修等维保记录并进行提示，进行人机交互。可视化单元界面可根据应用需求，自定义界面，设定应用主题。
进一步的，数据采集单元包括电源模块、信号转化模块、信号隔离模块、通讯模块。电源模块为数据采集单元内的各模块供电。信号转换模块由热电阻温度信号检测电路、4-20mA模拟量输入信号检测电路、频率量输入信号检测电路和开关量输入/输出信号电路组成，信号转换模块将各信号检测电路采集到的传感器信号通过通讯模块发送数据。信号隔离模块用于避免多路传感器信号之间及外界信号的干扰，防止过流或失效情况发生。
进一步的，PHM主控单元包括数据采集、存储、处理、特征提取、故障告警等功能，用于配置、查询、监控通讯信号、原始数据、机车状态以及硬件状况，通过特征提取、分段切片、寿命统计、规则预警、AI模型等应用对实时数据进行深入计算分析。PHM主控单元技术实现方式采用中央处理器、通信模块、存储模块、Visual Studio开发技术、数据库MYSQL。VisualStudio开发技术配置内置算法，机车柴油机运行时，通过存储模块接收从数据采集单元传输的柴油机运行参数数据，通过PHM主控单元的中央处理器处理数据，对状态进行识别。若发生故障，通过内置算法进行故障诊断与运维建议提示，并将信息通过通讯模块发送给可视化单元。存储模块搭配数据库存储包括运行数据、故障信息、诊断结果、运维操作等所有PHM信息。
可视化单元用于数据展示，分为数据驾驶舱、实时状态模块、历史数据模块、诊断分析模块、趋势分析模块、运用维护模块、报表输出模块、账户管理模块、数据下载模块，可视化单元包含时间插件、图表插件、文本插件、按键插件、菜单插件。使用复合式电容触摸显示屏显示内容，所有数据均来源于PHM主控单元分析结果。界面可根据屏幕尺寸自适应调整，界面可根据应用场景，自定义主题颜色、产品图片等。所述时间插件对数据和故障报警进行时间定位；所述图表插件对历史数据进行列表和折线图展示，对档位占比进行饼状图展示，对故障次数进行柱状图展示；所述文本插件实现对修程内容输入；所述按键插件实现人机交互操作；所述菜单插件用于切换可视化单元内模块。
数据驾驶舱的作用：显示其他模块中必要信息，以模块化的方式进行排版，模块增加切换模块链接，单击模块可以进入对应其他模块进行详细内容查看。
实时状态模块的作用：动态展示实时数据、提供统计数据展示。展示内容主要包括：与内燃机车柴油机有关的基础信息、各子系统包括油水系统、增压系统、排气系统在内的参数实时数据、运行时间、公里数等相关统计信息，并提供对应参数数据的状态等级。该数据来源于数据采集单元的传输和PHM主控单元的处理结果。展示信息包含转速、压力、温度等多类型采集数据以及柴油机型号、出厂日期等文本内容。
历史数据模块的作用：展示和查询历史数据，并以曲线绘图展示。界面由两部分构成：可上下切换要查询的指标名称、对应指标的历史数据。历史数据包含查询条件和曲线图，可筛选起止时间(精确到时分秒)，可支持多指标同时查询，可切换曲线与列表展示形式。
诊断分析模块的作用：包含当日报警、历史报警、故障统计。
①当日报警用于展示当日(00:00～23:59)的预警信息，包括发生报警状态和恢复报警状态的信息、报警总数。信息列表包括预警代码、预警名称、状态等级、发生时间、恢复时间、详细信息。详细信息可点击跳转详细信息子界面，详细信息子界面含故障信息、故障原因、处置建议内容，下方展示报警前120秒相关数据曲线图。界面增加保存、下载、返回功能。数据来源于PHM主控单元处理结果以及显示内部自定义处理结果。
②历史报警用于展示历史预警信息、故障总数，每页10条预警信息。信息列表包括预警代码、预警名称、状态等级、发生时间、恢复时间、详细信息。信息包含当日报警。其余指标逻辑同当日报警。
③故障统计用于提供按系统功能划分的故障统计数据，其中包括报警总和、报警次数、前五故障、传感器故障四个内容。“报警总和”以柱状图形式显示总数及各子系统对应的故障总数。“报警次数”以饼状图形式展示各子系统下各故障的次数和占比。“前五故障”获取故障次数较高的前五个故障，通过故障次数形成柱状图。“传感器故障”按照故障出现次数排列顺序，以列表形式展现。
趋势分析模块的作用：用于预测重点变化数据如机油压力、机油压差、进气压力、增压器转速、中冷后空气压力、曲轴箱压力、涡轮排气温度、气缸排气温度的趋势走向，可筛选10天、20天、30天、60天对应曲线图。对数据做特征提取，去除异常值，以天为单位计算该参数某一特定工况下的平均值，以散点绘制，拟合一条趋势线。数据可根据需求选择。特征提取数据来源于PHM主控单元处理结果，拟合趋势线在可视化单元上直接实现。
运用维护模块的作用：展示和输入修程维护、部件维护内容。修程维护包括修程级别、维护次数、最近维护时间、编辑和查看。用户通过可视化单元输入修程时间文本信息后，根据每个修程时间周期，计算距离下一次修程维护的时间，并在临近日期进行提示。部件维护包括维护部件名称、部件代号信息，输入文本信息后上传至数据库。
报表输出模块的作用：用于展示日报表和月报表，数据按自定义报表导出，默认展示每日报表数据。
账户管理模块的作用：用于对系统的用户及权限进行管理。
数据下载模块的作用：增加usb口，用于近7天数据、自定义下载、报表下载，可根据需要选择进行下载。自定义下载含可自定义下载时间的历史数据、故障详情。
本发明公开的一种机车柴油机PHM可视化系统，能够数据呈现数据列表、点阵图、趋势图、报表等形式，可展示PHM主控单元提供的数据形成历史数据曲线、故障前后数据曲线、关键数据趋势分析曲线，在机车直接提供分析。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种机车柴油机PHM可视化系统，其特征在于包括：
采用多类型传感器采集机车柴油机的运行数据的数据采集单元；
接收数据采集单元传送的运行数据的PHM主控单元，所述PHM主控单元对机车柴油机运行数据进行存储、分析和处理，并对柴油机状态进行分析、从而进行故障诊断和故障预测，根据诊断结果提供维保建议；
对PHM主控单元处理后的数据进行访问的可视化单元，所述可视化单元基于用户输入的运维信息进行计算和反馈生成修程维护、部件维修的维保记录并进行人机交互。
2.根据权利要求1所述的机车柴油机PHM可视化系统，其特征在于：所述数据采集单元包括电源模块、信号转化模块、信号隔离模块和通讯模块，所述电源模块为数据采集单元内的各模块供电能，所述信号转化模块包括热电阻温度信号检测电路、4-20mA模拟量输入信号检测电路、频率量输入信号检测电路和开关量输入/输出信号电路，所述信号转换模块将各信号检测电路采集到的传感器信号通过通讯模块发送数据，所述信号隔离模块对多路传感器信号之间的外界干扰信号进行阻断。
3.根据权利要求1所述的机车柴油机PHM可视化系统，其特征在于：所述PHM主控单元包括中央处理器、通信模块、存储模块、开发模块和数据库，在机车柴油机运行时，通过存储模块接收数据采集单元传送的柴油机运行参数数据，通过中央处理器对数据进行处理和状态识别，如果发生故障，则开发模块通过内置算法进行故障诊断和运维建议提示，并将建议信息通过通信模块发送至可视化单元。
4.根据权利要求1所述的机车柴油机PHM可视化系统，其特征在于：所述可视化单元包括数据驾驶舱、实时状态模块、历史数据模块、诊断分析模块、趋势分析模块、运用维护模块、报表输出模块、账户管理模块和数据下载模块，所述数据驾驶舱接收其他模块传送的数据信息并以模块化的方式进行排版，单击模块则进入对应其他模块进行详细内容查询；所述实时状态模块对实时数据进行动态展示并提供统计数据；所述历史数据模块对历史数据进行展示和查询并以曲线绘图形式进行展示；所述诊断分析模块在发生故障时进行报警和故障统计；所述趋势分析模块对预测的重点变化数据进行特征提取和异常值去除、并拟合出趋势线；所述运用维护模块对用户输入的修程维护进行展示；所述报表输出模块对日报表和月报表进行展示；所述账户管理模块对系统用户权限进行管理；所述数据下载模块对该系统的历史数据进行自定义下载和报表下载。
5.根据权利要求1所述的机车柴油机PHM可视化系统，其特征在于：所述存储模块内存储有机车柴油机的运行数据、故障信息、诊断结果和运维操作信息。
6.根据权利要求1所述的机车柴油机PHM可视化系统，其特征在于：所述可视化单元包括时间插件、图表插件、文本插件、按键插件和菜单插件；所述时间插件对数据和故障报警进行时间定位；所述图表插件对历史数据进行列表和折线图展示、对档位占比进行饼状图展示、对故障次数进行柱状图展示；所述文本插件接收用户输入的修程内容；通过按键插件进行人机交互操作；所述菜单插件用于切换可视化单元内模块。
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