楊 凱

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京100081）

保障動(dòng)車組列車運(yùn)行安全是保障鐵路運(yùn)輸安全的重點(diǎn)工作。動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)診斷設(shè)備（TADS，Trackside Acoustic Detection Sys?tem）［1］作為動(dòng)車組地對(duì)車運(yùn)行狀態(tài)的重要檢測(cè)設(shè)備之一，自高鐵正線試點(diǎn)安裝使用起，有效地實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組滾動(dòng)軸承早期損傷的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，為動(dòng)車組運(yùn)行安全的保障提供了有力的技術(shù)支持。由于TADS的故障診斷需依據(jù)多次歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析，單點(diǎn)部署的TADS設(shè)備在故障的快速準(zhǔn)確判定上難以滿足運(yùn)用需求。隨著動(dòng)車組TADS統(tǒng)型設(shè)備研制及全路建設(shè)部署的開展，基于TADS設(shè)備特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用需求，研究TADS統(tǒng)型設(shè)備數(shù)據(jù)接入技術(shù)，設(shè)計(jì)規(guī)范的聯(lián)網(wǎng)接入方案，實(shí)現(xiàn)全路高鐵沿線多點(diǎn)TADS設(shè)備的集中聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與故障綜合診斷，具有重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。

1 研究現(xiàn)狀

動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)診斷設(shè)備TADS利用安裝在高速鐵路軌旁的聲音傳感器陣列，采集動(dòng)車組運(yùn)行通過時(shí)的滾動(dòng)軸承運(yùn)轉(zhuǎn)聲音，并利用聲學(xué)分析診斷的方法，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)軸承運(yùn)行狀態(tài)的故障早期診斷。

動(dòng)車組TADS設(shè)備主要由軌旁裝置和軌旁機(jī)房設(shè)備組成［2］。其中，軌旁裝置包括聲學(xué)采集傳感器陣列、車號(hào)采集識(shí)別裝置、探測(cè)開機(jī)裝置、車速測(cè)量裝置等；軌旁機(jī)房設(shè)備包括聲學(xué)處理服務(wù)器、通訊服務(wù)裝置、控制及監(jiān)控裝置、不間斷電源等。TADS設(shè)備主要功能如下：

（1）自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別動(dòng)車組軸箱滾動(dòng)軸承滾子、內(nèi)圈和外圈的裂紋、剝離、蝕裂、磨損等故障；

（2）能夠?qū)z測(cè)識(shí)別的軸承早期故障實(shí)現(xiàn)分級(jí)別報(bào)警提示；

（3）自動(dòng)識(shí)別動(dòng)車組列車車次、車組號(hào)、車輛號(hào)、端位，具有自動(dòng)計(jì)軸、計(jì)輛、測(cè)速功能；

（4）具有系統(tǒng)狀態(tài)自檢、遠(yuǎn)程升級(jí)維護(hù)和監(jiān)控功能；

（5）具有防雨雪、風(fēng)、沙塵功能。

目前，已廣泛應(yīng)用的TADS設(shè)備至少包括兩種［3-4］，自2003年起引進(jìn)國內(nèi)生產(chǎn)，并在貨車運(yùn)行安全領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了安裝部署，作為貨車5T系統(tǒng)［5］的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了集中的聯(lián)網(wǎng)接入，有效提高了貨車安全監(jiān)控和列檢作業(yè)的質(zhì)量和效率，為保障貨車車輛的運(yùn)行安全提供了技術(shù)支持。

隨著我國高鐵線路的不斷建設(shè)及動(dòng)車組列車開行的日益密集，TADS在應(yīng)用于動(dòng)車組安全監(jiān)控領(lǐng)域時(shí)，對(duì)聲學(xué)數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備進(jìn)行了大幅改進(jìn)，同時(shí)增加了動(dòng)車組獨(dú)有運(yùn)行信息采集與處理的適配能力，其設(shè)備生成的數(shù)據(jù)內(nèi)容及格式均有明顯變化，致使既有5T系統(tǒng)模式下的數(shù)據(jù)接入技術(shù)難以兼容動(dòng)車組TADS設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。同時(shí)，既有貨車TADS聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用功能在檢測(cè)預(yù)報(bào)模型、報(bào)警應(yīng)急響應(yīng)、故障跟蹤處置、業(yè)務(wù)管理流程等方面均無法滿足動(dòng)車組行車安全監(jiān)測(cè)的運(yùn)用需求。為此，在逐步推廣TADS設(shè)備建設(shè)的過程中，借鑒既有鐵路安全監(jiān)測(cè)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，研究動(dòng)車組TADS設(shè)備集中接入技術(shù)，建立統(tǒng)一的聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)面向動(dòng)車組運(yùn)用管理的應(yīng)用功能，是動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)亟待解決的技術(shù)問題。

2 聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1總體架構(gòu)

動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用（以下簡(jiǎn)稱TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)）在國鐵集團(tuán)及鐵路局集團(tuán)建立兩級(jí)部署，實(shí)現(xiàn)軌旁檢測(cè)設(shè)備與鐵路局集團(tuán)連接，建立國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)、動(dòng)車段、動(dòng)車所之間聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)研發(fā)多級(jí)業(yè)務(wù)單位的應(yīng)用功能，系統(tǒng)總體架構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖

其中，國鐵集團(tuán)連接并匯總各鐵路局集團(tuán)上報(bào)信息，主要部署包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器及監(jiān)控終端等設(shè)備，主要用于對(duì)各路局上報(bào)的監(jiān)控信息進(jìn)行匯總處理、對(duì)故障規(guī)律進(jìn)行總結(jié)、對(duì)安全管理工作進(jìn)行研究等。同時(shí)，TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)在國鐵集團(tuán)與動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)（EMIS）［6］建立接口雙向共享數(shù)據(jù)。

各鐵路局集團(tuán)是TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要應(yīng)用單元，連接并匯總所轄TADS探測(cè)站設(shè)備監(jiān)測(cè)信息，主要部署包括接口服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、監(jiān)控終端等設(shè)備，主要用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總、上報(bào)、分析與管理，向動(dòng)車所、動(dòng)車段提供監(jiān)測(cè)訪問應(yīng)用，并支持國鐵集團(tuán)對(duì)鐵路局集團(tuán)的數(shù)據(jù)查詢。

各動(dòng)車段、動(dòng)車所配置監(jiān)測(cè)終端，通過終端訪問部署于鐵路局集團(tuán)的TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用，對(duì)過車信息、報(bào)警信息進(jìn)行查詢顯示、故障處理、檢修反饋、應(yīng)用管理等。

TADS探測(cè)站設(shè)備主要對(duì)通過動(dòng)車組進(jìn)行滾動(dòng)軸承聲學(xué)信息采集及故障分析，并將過車信息、監(jiān)控聲音信息、故障報(bào)警信息及設(shè)備狀態(tài)信息匯總上報(bào)至鐵路局集團(tuán)服務(wù)器。

2.1.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)依托鐵路綜合信息網(wǎng)建設(shè)，其總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意如圖2所示。

圖2 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

其中，探測(cè)站設(shè)備與鐵路局集團(tuán)之間需要實(shí)時(shí)傳輸全部聲音監(jiān)測(cè)文件，每探測(cè)站設(shè)備至鐵路局之間帶寬應(yīng)不小于8Mbps；國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)、動(dòng)車段、動(dòng)車所之間，傳輸帶寬應(yīng)不小于8Mbps，并設(shè)計(jì)雙通道冗余措施；國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)保證千兆以上帶寬；各級(jí)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)滿足時(shí)延小于500ms、抖動(dòng)小于100ms、丟包率小于1/1000的性能要求。

2.1.3 部署平臺(tái)架構(gòu)

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的鐵路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)設(shè)計(jì)配置超融合平臺(tái)（虛擬數(shù)據(jù)庫、應(yīng)用、接口服務(wù)器），路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，監(jiān)測(cè)終端等顯示設(shè)備，以及多計(jì)算機(jī)切換器（KVM）、機(jī)柜、不間斷電源（UPS）等配套設(shè)備。其核心設(shè)備連接示意如圖3所示。

圖3 鐵路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)核心設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

其中，超融合平臺(tái)虛擬的接口服務(wù)器是探測(cè)站與鐵路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)的邏輯邊界，主要用于探測(cè)站實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)聲音及報(bào)文的傳輸與處理；虛擬應(yīng)用服務(wù)器主要提供監(jiān)測(cè)終端并發(fā)應(yīng)用訪問；虛擬數(shù)據(jù)庫服務(wù)器主要負(fù)責(zé)處理與存儲(chǔ)海量聲音數(shù)據(jù)與報(bào)文信息；網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要用于保障數(shù)據(jù)傳輸帶寬及通道的充足穩(wěn)定；監(jiān)測(cè)終端主要用于提供各級(jí)用戶的應(yīng)用系統(tǒng)訪問。

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的國鐵集團(tuán)級(jí)平臺(tái)主要用于存儲(chǔ)全路范圍的過車信息、報(bào)警信息及原始聲音數(shù)據(jù)，提供國鐵集團(tuán)級(jí)應(yīng)用及相關(guān)數(shù)據(jù)分析，應(yīng)至少設(shè)計(jì)配備應(yīng)用服務(wù)器、文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、監(jiān)測(cè)終端等設(shè)備，主要硬件資源的配備標(biāo)準(zhǔn)及組織結(jié)構(gòu)按照鐵路車輛運(yùn)行安全監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)及信息綜合應(yīng)用總體方案［7］確定。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸主要采用專用傳輸軟件、Webservice等傳輸方式，傳輸流程如圖4所示，具體包括以下幾個(gè)步驟：

圖4 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

（1）探測(cè)站與鐵路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。TADS探測(cè)站設(shè)備將過車信息、報(bào)警信息與聲音數(shù)據(jù)等按照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口規(guī)范上傳至鐵路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)服務(wù)器。

（2）鐵路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)與國鐵集團(tuán)級(jí)平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。鐵路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)接收TADS探測(cè)站設(shè)備上報(bào)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，會(huì)同鐵路局集團(tuán)各級(jí)用戶業(yè)務(wù)操作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，將其上報(bào)至國鐵集團(tuán)級(jí)平臺(tái)供其信息應(yīng)用，同時(shí)接收國鐵集團(tuán)下發(fā)的分析診斷信息、統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)字典信息、數(shù)據(jù)反查指令等信息。

（3）國鐵集團(tuán)級(jí)平臺(tái)與外部系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸。TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)在國鐵集團(tuán)級(jí)平臺(tái)與動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)等外部系統(tǒng)共享監(jiān)測(cè)、配屬、開行及檢修等數(shù)據(jù)信息，便于監(jiān)測(cè)配合檢修、檢修輔助監(jiān)測(cè)。

其中，為便于實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障的多點(diǎn)綜合故障診斷，鐵路局集團(tuán)與國鐵集團(tuán)兩級(jí)平臺(tái)均存儲(chǔ)所轄TADS探測(cè)站設(shè)備采集的動(dòng)車組過車信息、報(bào)警信息，以及動(dòng)車組全部滾動(dòng)軸承原始聲音監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

2.3.1 探測(cè)站設(shè)備接口

TADS探測(cè)站設(shè)備在動(dòng)車組列車通過時(shí)，生成檢測(cè)數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)存入設(shè)備服務(wù)器中，同時(shí)將過車信息、報(bào)警信息按照數(shù)據(jù)接口要求生成報(bào)文文件，將監(jiān)測(cè)聲音數(shù)據(jù)按照文件命名規(guī)則生成軸承聲音文件，傳輸?shù)借F路局集團(tuán)級(jí)平臺(tái)的接口服務(wù)器。

（1）報(bào)文文件規(guī)則。

報(bào)文文件名編制規(guī)則為：報(bào)文類型編碼+"_"+通過時(shí)間+"_"+過車序號(hào)+"_"+版本號(hào)+".sms"。

其中，報(bào)文類型編碼長(zhǎng)度為2位，具體類型見表1；通過時(shí)間長(zhǎng)度為14位，采用“YYYYMMDDhh24miss”格式生成；過車序號(hào)長(zhǎng)度為3位，自每日0點(diǎn)后通過探測(cè)站的列車起從001開始依次編定；版本號(hào)為2位，表示協(xié)議的版本。

不同類型的報(bào)文文件所包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容見表1。

表1 報(bào)文文件類型及內(nèi)容

（2）聲音數(shù)據(jù)規(guī)則。

軸承聲音文件的存儲(chǔ)路徑及命名規(guī)則為：\過車時(shí)間\過車時(shí)間"_"過車序號(hào)"_"重聯(lián)序號(hào)\軸位+"_"+輛序+"_"+聲音文件序號(hào)+".WAV"。

其中，過車時(shí)間長(zhǎng)度為8位，采用“YYYYMMDD”格式生成；過車時(shí)間長(zhǎng)度為6位，按照24小時(shí)制采用“hh24miss”格式生成；過車序號(hào)長(zhǎng)度為3位，自每日0點(diǎn)后通過探測(cè)站的列車起從001開始依次編定；重聯(lián)序號(hào)長(zhǎng)度為1位，按列車過站順序編定；軸位長(zhǎng)度為2位，編制規(guī)則如圖5所示；輛序長(zhǎng)度為2位，自01起依次給車輛編號(hào)；聲音文件序號(hào)為變長(zhǎng)，從1開始編制。

圖5 軸位編號(hào)示意圖

2.3.2 外部系統(tǒng)接口

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)在國鐵集團(tuán)級(jí)平臺(tái)與動(dòng)車組管理信息系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，數(shù)據(jù)交互的主要內(nèi)容及方式見表2。

表2 數(shù)據(jù)交互主要內(nèi)容及方式表

2.4 應(yīng)用功能設(shè)計(jì)

2.4.1 業(yè)務(wù)流程

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的主要業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 業(yè)務(wù)流程示意圖

TADS聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用系統(tǒng)應(yīng)匯總TADS探測(cè)站上傳的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，向國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)及動(dòng)車段的專業(yè)監(jiān)控、調(diào)度和管理等人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能。

通過系統(tǒng)綜合分析得出的動(dòng)車組軸承故障報(bào)警信息，可在動(dòng)車段（動(dòng)車所）由運(yùn)用檢修管理人員進(jìn)行檢修計(jì)劃編制及復(fù)核任務(wù)下發(fā)，并經(jīng)地勤機(jī)械師復(fù)核、檢修后進(jìn)行反饋回填，實(shí)現(xiàn)故障信息的閉環(huán)管理。

故障報(bào)警的復(fù)核檢修結(jié)果反饋至系統(tǒng)中，用于系統(tǒng)更新故障診斷模型、總結(jié)軸承故障規(guī)律、實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析功能等。

2.4.2 功能設(shè)計(jì)

依據(jù)業(yè)務(wù)需求及相應(yīng)流程設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)功能如圖7所示。

圖7 主要功能模塊設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、綜合分析、故障處置、統(tǒng)計(jì)分析及相關(guān)系統(tǒng)管理等功能模塊。其中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)模塊主要包括車組綜合監(jiān)測(cè)、報(bào)警綜合監(jiān)測(cè)、軸承信息追蹤、列車信息追蹤、報(bào)警信息追蹤等功能，為監(jiān)控及調(diào)度等管理人員提供動(dòng)車組軸承狀態(tài)的實(shí)時(shí)狀態(tài)展示及快速追蹤查詢的能力；綜合分析模塊主要通過故障診斷分析功能為現(xiàn)場(chǎng)提供靈活可配的診斷模型框架，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障的綜合報(bào)警能力；故障處置模塊主要包括報(bào)警信息確認(rèn)、復(fù)核檢修回填、軸承信息填報(bào)等功能，為運(yùn)用管理及檢修維護(hù)人員提供動(dòng)車組軸承故障報(bào)警全流程處置管理能力；統(tǒng)計(jì)分析模塊主要包括對(duì)過車、軸承、故障、運(yùn)用情況、設(shè)備狀態(tài)等信息的統(tǒng)計(jì)分析功能，為業(yè)務(wù)主管人員提供管理支持能力；系統(tǒng)管理模塊主要包括數(shù)據(jù)接口處理、功能管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理等功能，為系統(tǒng)管理人員提供全面的信息化管理能力。

3 應(yīng)用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的設(shè)計(jì)，研發(fā)了動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件主要包括國鐵集團(tuán)、鐵路局集團(tuán)、動(dòng)車段、動(dòng)車所四級(jí)應(yīng)用，其基本應(yīng)用組成如圖8所示。

圖8 應(yīng)用系統(tǒng)組成圖

其中，國鐵集團(tuán)級(jí)應(yīng)用能夠進(jìn)行全路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)追蹤，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警綜合分析診斷，提供全路監(jiān)控信息查詢統(tǒng)計(jì)分析，可與外部信息系統(tǒng)進(jìn)行信息共享；

鐵路局集團(tuán)級(jí)應(yīng)用能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)過車及故障報(bào)警信息，可配合進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)處置，提供管內(nèi)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)分析；

動(dòng)車段及動(dòng)車所級(jí)應(yīng)用能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)管內(nèi)過車及故障報(bào)警信息，可對(duì)故障報(bào)警信息開展復(fù)核檢修處理，能夠接收上級(jí)單位統(tǒng)計(jì)分析通報(bào)情況。

系統(tǒng)應(yīng)用中車組綜合監(jiān)測(cè)界面、報(bào)警信息確認(rèn)界面、報(bào)警信息追蹤界面如圖9~圖11所示。

圖9 車組綜合監(jiān)測(cè)界面

圖11 報(bào)警信息追蹤界面

目前，系統(tǒng)已在國鐵集團(tuán)鐵路主數(shù)據(jù)中心平臺(tái)部署上線，暫接入7個(gè)鐵路局所轄TADS設(shè)備16臺(tái)套，檢測(cè)覆蓋9條高鐵線路部分區(qū)段，試運(yùn)行期間日均監(jiān)測(cè)動(dòng)車組760余列次。

圖10 報(bào)警信息確認(rèn)界面

4 小結(jié)

研究了動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障軌旁聲學(xué)聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)應(yīng)用技術(shù)，構(gòu)建了兩級(jí)部署、多級(jí)應(yīng)用的總體聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案，提出了集中統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接入規(guī)范，設(shè)計(jì)了全流程閉環(huán)管理的監(jiān)測(cè)故障報(bào)警處置流程，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組滾動(dòng)軸承故障的集中監(jiān)測(cè)、聯(lián)網(wǎng)診斷及綜合管理，為有效保障動(dòng)車組運(yùn)行安全提供了技術(shù)支持。后續(xù)的研究將集中于故障綜合診斷模型建立、業(yè)務(wù)邏輯優(yōu)化設(shè)計(jì)等方向。