关于合作研发车辆制动系统预警平台的研究

关于合作研发车辆制动系统预警平台的研究

唐瑜、吕文斌

上海电气集团自动化工程有限公司 上海 200030

摘要：为了做好轨道交通车辆制动系统故障预判及故障修复，切实提高车辆可靠性，保障车辆的可用率，实现行业内一直呼吁的从故障修到状态修的转变，本文将从数据分析着手，结合政策导向、业主需求及技术要点方面进行研究。

关键词：轨道交通、电动列车、牵引、制动、故障、预警。

引言：立足检修业务需求，设备自检、预警、告警及时性、准确性，一直是设备维修人员的关注重点，为此基于车辆核心制动系统现状，思考如何破题，最大程度的发挥设备自我感知的优势，提高更为直观便捷的维修策略及建议。

1.背景分析

随着上海列车保有量突破7000辆，规模位居世界第一，提高车辆核心系统的维护质量及故障处置效率的需求就显得更为迫切，而车辆几大核心系统中，尤其是制动系统，目前基本采用外商系统，涉及技术保密，维修人员掌握深度不足。以上海地铁5号线为例，南延增补列车共计33列，均采用克诺尔公司的EP2002制动控制系统。

按照车辆现有检修模式，通过制动系统检测发现轻、中或高级别故障后，车辆回库进行检查，下载对应故障的故障代码进行分析，检查相应的设备部件。

结合现有模式分析，该系统存在以下4项不足之处。

系统告警不合理，现有的制动系统故障告警存在几个特点，显示界面不够友好，不直观、代码化，无提前预警显示，数据无法实时供维修人员掌握。

技术要求过高，现有的告警设计对系统维修人员技术能力要求极高，不利于维护经验快速推广，且将会造成故障处置效率低下。

次生影响极大，由于故障告警信息分析需要的技术能力及经验非常高，但是往往存在真正掌握核心技术的人员反而寥寥，对于上海这种超大地铁网络运行的城市，点多面广，有经验人员无法做到全面覆盖，由于故障告警信息的不透明，可能将造成故障处理不及时或不彻底，且制动系统为核心中的核心，往往这一个点的问题将会对整个城市地铁网络运行带来影响，极大的制约公众出行效率，进而带来社会性不良效应。

增加运营成本，多个点位的故障处置效率低下，一旦集合将造成不可避免的列车备车数需求增加，从而增加地铁公司的资金压力。

2.技术研究

根据上海地铁5号线南延线增补列车运营维护情况分析，目前5号线南延线列车制动系统主要的告警信息种类有：风源故障告警、制动阀故障告警、管路压力异常告警、传感器故障、系统软件故障等。主要的故障信息及制动故障对运营条件的影响如下表所示：

表1 制动系统故障种类

从上表可以看出，制动系统故障基本上都会导致列车无法上线或退出运营，影响极大。

自2019年9月1日至2020年9月1日仅一年时间，5号线发生制动系统相关故障29次，占车辆故障总数的13%。各类故障的占比情况如图1所示。

图1 5号线车辆各设备故障占比

3.行业需求

3.1业主需求，通过对全国多家城市轨道交通运营管理单位的对接及调研，统一反应一个问题，制动系统技术保密过于严苛，故障报警信息极其模糊化、人机界面不友好。

作为业主方来说，主要有三大需求：一是故障信息

要精准；二是故障信息要实时；三是具备状态数据趋势分析、预警功能。

故障告警要精准指的是故障后的处理，维修人员能够对症下药，确保根治故障，防范同样问题重复发生。

故障告警要实时指的是，运维人员第一时间知晓列车制动系统出现的异常，便于及时采取应对措施，避免故障影响扩大化。

状态数据的趋势分析、预警指的是，对设备部件劣化情况进行感知，提醒运维人员及早更换，避免影响运行故障的发生。

3.2发展趋势，目前国产层面越来越重视新基建，对于轨道交通行业来说，所谓的新基建就是要做到科技化、智能化，自轨道交通运营管理统一划归交通运输部主管后，相继出台了交通部2018年第8号令《城市轨道交通运营管理规定》、《GB／T 38707-2020城市轨道交通运营技术规范》等一系列国家规范要求，如图5、图6所示。其中《GB／T 38707-2020》第4.1.11还提到，车辆、通信、信号等关键设备设施设计制造除了要满足原有ＧＢ５０１５７、ＧＢ５０４９０外，还需要满足设备设施的运行维修需要。在这种大环境形势下，对于设备设施故障预警信息实时化、透明化就是各地地铁运维单位的普遍需求。

图5 2018年第8号《城市轨道交通运营管理规定》

图6 GB/T 38707-2020城市轨道交通运营技术规范

从形势来看，智能化是大势所趋，各地的地铁公司都在投入人力研究智能化，对于制动系统智能化也都有初步考虑，目前在新线招投标阶段都已开始纳入招标条款内，同时国内几大制动系统供应商已经积极行动，响应国家号召，也逐步开始研究系统告警智能化。如图7、8所示，为国内某条地铁线路应用的智能运维管理平台及状态监测显示界面。另外关于车辆各系统状态监测信息实时传输至地面终端，现已开始成逐渐成为趋势，在已运营线路，传输网络可以借用原有车地无线传统通道，也可以采用5G技术，在传输环节上已没有技术限制。

图7 地铁线路状态监测显示界面 图8地铁线路制动系统参数显示界面

4.合作开发建议

4.1技术实现路线：

制动根据不同工况分为紧急制动、常用制动和停放制动。不同制动的施加缓解均有控制回路控制，控制回路设定了各种条件，确保列车牵引制动安全。控制回路影响整列车制动施加缓解，因此提前发现问题，及时采取应对措施确保控制回路无异常能够有效避免列车清客下线。具体技术路线如下所示：

数据落地：制动系统与车地无线系统制定接口协议，制动系统数据可通过TCMS或车辆维护以太网传输至车辆既有车地无线传输系统传输落地。

状态监测：通过读取采集落地的制动系统压力监测数据可实时掌握列车制动系统各风缸、制动阀工作压力是否正常。

趋势分析与故障预警：通过对采集落地的各风缸、制动阀压力监测数据进行趋势分析，可进一步实现制动各子系统状态趋势分析及潜在故障的初步预警。

健康评估：通过采集列车制动系统控制信号和列车制动系统风缸压力变化率、制动阀压力传感器数据结合制动距离等状态信息可判断系统响应时间Δt是否在合理区间，利用累计数据做大数据分析建立制动系统健康模型实现5号线南延增补列车制动系统健康状态评估。

4.2合作开发模式

整车厂与制动系统厂家合作，共同完善制动系统预警平台，合作方式可多样化。

一是数据不开放，采用黑匣子模式合作开发。

数据不开放，整车厂对告警规则进行合作研究，由制动系统厂家对原始数据进行计算，将结果发送至合作研发的智能运维平台。

二是数据开放，整车厂开展系统集成。

根据课题需求，由制动系统厂家提供制动系统原始数据，由整车长整合集成，负责模型研发和告警数据可视化。

三是联合开发智能告警平台

整车厂与制动系统厂家联合，通过双向数据互通，共同设计研发一套智能告警平台，使平台智能化（包括维护提醒、电子手册等功能），可做为后续项目联合投标，打造制动系统智能运维新模式奠定基础。

5.结论

本文的提出，主要是基于运维维护过程中的诸多不便之处而思考，通过技术及行业趋势分析，制动系统预警智能化是大势所趋，且从技术上来看是完全具备条件的，如果系统研发成功，且也是有相当大的市场需求的。

参考文献：

《GB/T 38707-2020 城市轨道交通运营技术规范》国家标准

《城市轨道交通运营管理规定》中华人民共和国交通部 2018.5.21