設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案

1、設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方案1. 研究背景及必要性隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路信息化取得長(zhǎng)足的進(jìn)步。在大規(guī)?？瓦\(yùn)專線建設(shè)和既有線改造升級(jí)過(guò)程中，上線運(yùn)行的系統(tǒng)越來(lái)越多，隨著車站自動(dòng)化程度的不斷提升，對(duì)設(shè)備的依賴性也越來(lái)越高。而設(shè)備作為支撐信息平臺(tái)和鐵路信息化管理的核心單元，其可靠性、可維修性、安全性直接決定著車站運(yùn)營(yíng)組織、安全化生產(chǎn)的好壞。目前，在鐵路車站中，購(gòu)置了大量?jī)r(jià)格昂貴的服務(wù)設(shè)施/設(shè)備，這些設(shè)施/設(shè)備來(lái)自不同的生產(chǎn)廠家，設(shè)備的優(yōu)劣好壞只有通過(guò)工作人員巡檢或車站人員通告才能得知，還不能做到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；在遇到春運(yùn)、暑運(yùn)等特殊情景下，一些關(guān)鍵設(shè)備如電梯、空調(diào)等還不能做到事前維修；

2、且設(shè)備巡檢的勞動(dòng)強(qiáng)度較大，容易忽略或遺漏問(wèn)題；目前絕大多數(shù)鐵路客運(yùn)站尚未建立一套完善的設(shè)備維修體制，維修由外包公司或生產(chǎn)廠家來(lái)承擔(dān)，設(shè)備維修完畢后有時(shí)不能及時(shí)告知車站，造成車站工作人員對(duì)設(shè)備的好壞優(yōu)劣心中無(wú)數(shù)，從而設(shè)備的可靠性及安全性不可控制。因此，為了改善這種局面，提高工作人員效率，使工作人員對(duì)設(shè)備真正心中有數(shù)，打造一個(gè)智能化、人性化、高效安全、適應(yīng)現(xiàn)代的鐵路生產(chǎn)管理體系，建立設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并上傳報(bào)警，對(duì)設(shè)備的故障進(jìn)行診斷，對(duì)設(shè)備的質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，具有重要的應(yīng)用價(jià)值和社會(huì)意義。2. 車站設(shè)備分類2.1 按地點(diǎn)分類車站設(shè)備按地點(diǎn)進(jìn)行分類，可以分為：a.

3、 售票廳 b. 進(jìn)站口 c. 候車室 d. 出站口 e. 天橋、地道 f. 站臺(tái)、風(fēng)雨棚g. 消防通道 h. 辦公區(qū) i. 人員裝備 2.2 按類別分類a. 安檢設(shè)備類大型安檢儀便攜式安檢儀金屬測(cè)器安全門b. 售、檢票類自動(dòng)售票機(jī)進(jìn)出站閘機(jī)c. 導(dǎo)向、廣播、查詢、監(jiān)控類導(dǎo)向及PDP屏攝像頭自助查詢機(jī)d. 電梯類直梯扶梯e. 空調(diào)類中央空調(diào)多聯(lián)機(jī)機(jī)房專用空調(diào)f. 電腦類服務(wù)器個(gè)人電腦g. 通訊類對(duì)講機(jī)h. 桌椅家具類辦公桌座椅i. 靜態(tài)標(biāo)志j. 廁衛(wèi)類洗手池面 鏡便 器干手機(jī)2.3 按業(yè)務(wù)分類按照車站不同的業(yè)務(wù)范疇，車站設(shè)備分為客運(yùn)設(shè)備、機(jī)電設(shè)備、行車設(shè)備、消防設(shè)備、站房設(shè)備等，其中行車設(shè)備不在

4、監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)，其總體分類如下圖1所示。圖1 車站設(shè)備分類2.4 按設(shè)備等級(jí)分類a. 安全一級(jí)設(shè)備電梯空調(diào)照明服務(wù)器UPS電源b. 二級(jí)設(shè)備廣播導(dǎo)向視頻監(jiān)控自動(dòng)售票機(jī)自動(dòng)取票機(jī)閘機(jī)制票機(jī)查詢機(jī)c. 三級(jí)設(shè)備洗手池面 鏡便 器干手機(jī)安全門3. 系統(tǒng)總體需求（1） 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的基礎(chǔ)信息維護(hù)對(duì)全站設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)，對(duì)設(shè)備的狀態(tài)值進(jìn)行統(tǒng)一劃分，如在用、停用、維修、借入、借出、調(diào)入、報(bào)廢等；靈活配置設(shè)備的類別，并用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)展示；設(shè)備的屬性值可以自主設(shè)置，如個(gè)、張、排、支、臺(tái)、套等；可以自主添加和刪除設(shè)備的基礎(chǔ)項(xiàng)目和字段。（2） 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控通過(guò)制定統(tǒng)一的設(shè)備接口規(guī)范，自動(dòng)獲取各設(shè)備（電梯、照明

5、設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等）的在線運(yùn)行狀態(tài)情況。（3） 實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障報(bào)警對(duì)監(jiān)測(cè)出有故障的設(shè)備可以用紅色報(bào)警燈提示。（4） 實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)防維修對(duì)一些關(guān)鍵設(shè)備如電梯、照明、空調(diào)等設(shè)備故障用不同的報(bào)警提示，如故障：紅色，異常：黃色。（5） 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障閉環(huán)管理對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行閉環(huán)跟蹤，保證設(shè)備故障能及時(shí)銷號(hào)。（6） 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷對(duì)一些機(jī)電設(shè)備如電梯、空調(diào)等故障進(jìn)行分析和診斷。（7） 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的質(zhì)量評(píng)估根據(jù)一定時(shí)間段內(nèi)設(shè)備的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，從而評(píng)估出設(shè)備的質(zhì)量，質(zhì)量等級(jí)分為：優(yōu)、中、差。（8） 實(shí)現(xiàn)設(shè)備的查詢與統(tǒng)計(jì)報(bào)表對(duì)設(shè)備按各種形式進(jìn)行查看、查詢、生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。4. 系統(tǒng)架構(gòu)4.1 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

6、車站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)分基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)據(jù)共享與交換、應(yīng)用中間件、系統(tǒng)應(yīng)用4層。l 基礎(chǔ)設(shè)施層：網(wǎng)絡(luò)和硬件設(shè)備、操作系統(tǒng)及相關(guān)系統(tǒng)軟件。l 數(shù)據(jù)共享與交換層：集中數(shù)據(jù)庫(kù)、本地相關(guān)信息化系統(tǒng)和自動(dòng)化設(shè)備數(shù)據(jù)接口、外部相關(guān)信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口，以及提供信息共享和交換的處理機(jī)制。l 應(yīng)用中間件層：提供支持上層應(yīng)用的領(lǐng)域框架、工作流引擎、基礎(chǔ)類庫(kù)、通用模版等。l 系統(tǒng)應(yīng)用層：提供與業(yè)務(wù)管理相關(guān)的應(yīng)用功能、以及輔助應(yīng)用系統(tǒng)配置與管理的相關(guān)功能。車站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如下圖2所示：圖2 車站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)4.2 系統(tǒng)物理結(jié)構(gòu)本設(shè)備在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用分散式測(cè)量

7、和總線式監(jiān)控分析相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元和工控機(jī)兩部分組成。其中，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元主要包括：PT(電壓互感)信號(hào)變換器、光纖流傳感器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖信號(hào)變換器為純阻性產(chǎn)生的電壓信號(hào)作為監(jiān)測(cè)信號(hào)的相位基準(zhǔn)參考值。運(yùn)用精密的光纖傳感器測(cè)量容性設(shè)備的泄漏電流。并通過(guò)參數(shù)測(cè)試儀對(duì)所有監(jiān)測(cè)量進(jìn)行就地?cái)?shù)字信號(hào)處理。將最終測(cè)量結(jié)果通過(guò)光纖傳到后臺(tái)監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析、診斷、顯示。監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接到前臺(tái)客戶端上。5. 關(guān)鍵技術(shù)5.1 關(guān)鍵設(shè)備智能預(yù)警技術(shù)在車站，如果某個(gè)設(shè)備已經(jīng)存在嚴(yán)重故障，不但造成設(shè)備報(bào)廢的損失，而且對(duì)乘客的生命安全及車站的正常運(yùn)行造成巨大的威脅和隱患。將預(yù)

8、警技術(shù)應(yīng)用在設(shè)備在線監(jiān)控系統(tǒng)中，能從根本上提高設(shè)備故障監(jiān)測(cè)的靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的故障早期預(yù)警，防止因設(shè)備故障影響車站的正常運(yùn)營(yíng)。應(yīng)用智能預(yù)警技術(shù)，能夠在強(qiáng)大的、實(shí)現(xiàn)面向車站設(shè)備的在線狀態(tài)分析與預(yù)報(bào)，即通過(guò)設(shè)備狀態(tài)的信息獲取、特征提取及在線分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的多層次預(yù)報(bào)，在監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，構(gòu)造監(jiān)控及運(yùn)營(yíng)管理專家系統(tǒng)，從而提高運(yùn)營(yíng)管理水平，減少工作人員的人工維護(hù)，減少設(shè)備故障率，提高設(shè)備的運(yùn)營(yíng)效率，改善車站人員的工作環(huán)境，降低運(yùn)營(yíng)成本。在盡量不改變或少改變現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過(guò)局部的嵌入式技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站監(jiān)控設(shè)備的智能化改造；對(duì)既有不同設(shè)備進(jìn)行信息整合，通過(guò)信息和智能技術(shù)，提升設(shè)備監(jiān)控

9、系統(tǒng)的性能。數(shù)據(jù)融合技術(shù)涉及信號(hào)處理、特征提取、推理決策三大環(huán)節(jié)，本研究所采用的多傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合同樣也由這三大部分組成，其過(guò)程如圖4所示。由于被測(cè)對(duì)象多為具有不同特征的非電量，所以首先將它們通過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換將現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)變?yōu)榭捎晌⑻幚砥魈幚淼臄?shù)字量。數(shù)字化后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)預(yù)處理，可以濾除數(shù)據(jù)采集過(guò)程中現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下的干擾和噪聲；對(duì)處理后的目標(biāo)信號(hào)做特征提取，根據(jù)所提取的特征信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終輸出結(jié)果。圖4 多傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合過(guò)程在設(shè)備故障特征識(shí)別中，采用經(jīng)典的自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，其模型如圖4所示。這種數(shù)據(jù)融合方法不要求知道傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的任何知識(shí)，只是靠傳

10、感器所提供的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算和調(diào)整，就可得出均方誤差最小的數(shù)據(jù)融合值。圖5 自適應(yīng)加權(quán)融合估計(jì)算法模型算法先對(duì)各傳感器在某一時(shí)刻的測(cè)量值進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)估計(jì)真值為常量時(shí)，就可根據(jù)各個(gè)傳感器歷史數(shù)據(jù)的均值來(lái)進(jìn)行估計(jì)。因?yàn)椴煌膫鞲衅鞫加邢鄳?yīng)的加權(quán)數(shù)，在總均方誤差最小這一最優(yōu)條件下，根據(jù)各個(gè)傳感器所得到的測(cè)量值，以自適應(yīng)的方式尋找其對(duì)應(yīng)的權(quán)數(shù)，可使圖5融合后的x達(dá)到最優(yōu)。5.2 故障診斷技術(shù)故障診斷就是根據(jù)從系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中得到的信息，進(jìn)行分析和判斷，確定系統(tǒng)是否存在故障及存在何種故障的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程實(shí)際上是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的模式進(jìn)行分類，因此故障診斷也是模式識(shí)別問(wèn)題。選擇合適的故障特征是故障診斷的關(guān)鍵

11、問(wèn)題。故障診斷主要由五個(gè)部分組成，如下圖所示。圖6 故障診斷組成故障診斷流程如下：圖7 故障診斷流程1）數(shù)據(jù)獲取根據(jù)需要通過(guò)傳感器測(cè)取有關(guān)參量，來(lái)自傳感器的信號(hào)要用計(jì)算機(jī)可以運(yùn)算的符號(hào)來(lái)表示。通常輸入對(duì)象的信息有一維波形(如機(jī)械振動(dòng)和噪聲)、二維圖像(如光彈圖像、文字、圖片等)、物理參量和邏輯值(如壓力、溫度，或?qū)顟B(tài)的描述，如關(guān)或開(kāi)可用邏輯值即。或1表示)等。 通過(guò)測(cè)量、采樣、量化、編碼、數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換和校準(zhǔn)，使信號(hào)變成可以計(jì)算的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)可以用向量或矩陣表示一維波形或二維圖像，這就是數(shù)據(jù)獲取的過(guò)程。2）預(yù)處理 預(yù)處理的目的是提高信號(hào)的信噪比，如剔除奇異項(xiàng)，去掉電平漂移，必要時(shí)零均值化，消

12、除趨勢(shì)項(xiàng)和平滑濾波等，以便突出有用的信息，并對(duì)輸入測(cè)量?jī)x器或其他原因所造成的退化現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)原。3）特征提取與選擇 特征可以分為三類，即物理方面的、結(jié)構(gòu)方面的和數(shù)學(xué)方面的特征。人們通常習(xí)慣于從物理和結(jié)構(gòu)方面的特征去識(shí)別對(duì)象，因?yàn)檫@些特征容易被感覺(jué)器官所發(fā)現(xiàn)，也便于認(rèn)識(shí)和理解。但是只有對(duì)相應(yīng)的工業(yè)設(shè)備或系統(tǒng)工作機(jī)理有了深入的了解，才有可能從物理和結(jié)構(gòu)上的合適特征去識(shí)別系統(tǒng)的故障。數(shù)學(xué)方面的特征主要是指運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法等得到的特征，如均值、方差、協(xié)方差函數(shù)及線性預(yù)測(cè)模型的參數(shù)等等。4）故障模式分類如果每一個(gè)模式有n個(gè)特征數(shù)據(jù)，則它對(duì)應(yīng)于n維模式空間的一個(gè)矢量或一個(gè)點(diǎn)。模式分類的問(wèn)題就是把這些模式空間

13、中的矢量(或點(diǎn))確定為一個(gè)適當(dāng)?shù)哪Ｊ筋愔?。模式空間事先被劃分成互不相交的區(qū)域，每個(gè)區(qū)域與一個(gè)類別的模式相對(duì)應(yīng)。對(duì)于故障診斷，就是在已知各種故障類別及已知一些故障樣本點(diǎn)的條件下，去判別被觀測(cè)的樣本屆于哪一種故障。在進(jìn)行故障診斷以前，這些已知的信息是通過(guò)上述的學(xué)習(xí)過(guò)程輸入到計(jì)算機(jī)中去的。5）分析決策這里通過(guò)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)的故障診斷來(lái)說(shuō)明用模式識(shí)別方法進(jìn)行故障診斷的過(guò)程。根據(jù)所測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)的各部分的溫度和壓力，經(jīng)特征提取壓縮數(shù)據(jù)后形成兩維矢量，如圖所示，橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為壓力。每一次測(cè)量形成一個(gè)矢量，矢量的始端為原點(diǎn)，末端標(biāo)志為平面上的一個(gè)點(diǎn)，這就代表一個(gè)運(yùn)行模式。經(jīng)過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的一系列測(cè)

14、試后，得到的測(cè)點(diǎn)分為兩類，一類為良好工作狀態(tài)點(diǎn)，如圖所示 類；另一類為較差或故障工作狀態(tài)點(diǎn)如圖所示 類。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的某一運(yùn)行狀態(tài)，得到測(cè)點(diǎn)z，人們可以通過(guò)判斷它屬于 類還是 類來(lái)識(shí)別它的工作良好程度。很明顯，z點(diǎn)屬于 類。6. 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)鐵路客運(yùn)站設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)、在線監(jiān)測(cè)、關(guān)鍵設(shè)備預(yù)防維修、故障事故管理、故障診斷、設(shè)備質(zhì)量評(píng)估、系統(tǒng)管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等。見(jiàn)下圖8所示。圖8 設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與維護(hù)管理系統(tǒng)7. 功能說(shuō)明7.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護(hù)用于建立設(shè)備的靜態(tài)履歷臺(tái)賬，即設(shè)備的基本屬性信息，包括設(shè)備名稱、設(shè)備類別（售、檢票類、電梯類、安檢類、空調(diào)類等）、設(shè)備品牌、設(shè)備型號(hào)、設(shè)

15、備串碼、投入使用時(shí)間、使用區(qū)域、安裝位置、使用狀態(tài)（在用、停用、維修、借入、借出、調(diào)入、報(bào)廢）、維修記錄（最后一次維修時(shí)間）、借調(diào)用記錄（最后一次借調(diào)用時(shí)間）、計(jì)量單位、數(shù)量、備注等?？梢造`活配置設(shè)備的類別，并能按各種類別形式用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)展示；可以自主添加和刪除設(shè)備的基礎(chǔ)項(xiàng)目和字段；可以自動(dòng)生成設(shè)備的借、調(diào)用記錄表。7.2 在線監(jiān)測(cè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)，如廣播、引導(dǎo)屏、閘機(jī)、視頻狀態(tài)，并用三種報(bào)警燈正常、注意、異常來(lái)表示。7.3 關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)防維修能預(yù)測(cè)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)，從而方便車站工作人員啟動(dòng)維修或應(yīng)急機(jī)制。當(dāng)用算法測(cè)出設(shè)備即將故障后，立即在系統(tǒng)中提示維修。若無(wú)人應(yīng)答，且實(shí)時(shí)數(shù)

16、據(jù)通過(guò)新一輪的檢測(cè)運(yùn)算后仍得出設(shè)備即將故障的結(jié)果，則通過(guò)組態(tài)軟件智能發(fā)送短消息給設(shè)備主要負(fù)責(zé)人，進(jìn)行維修檢測(cè)。7.4 設(shè)備故障診斷根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行的故障信息或傳感器采集的信息，進(jìn)行分析和判斷，對(duì)這些信息特征進(jìn)行分類，運(yùn)用各種模式識(shí)別方法，確定是否存在故障以及何種故障。7.5 故障事故管理故障事故管理根據(jù)設(shè)備的詳細(xì)故障信息，展示了用戶需要完成的工作任務(wù)。不同用戶登錄系統(tǒng)后，根據(jù)用戶權(quán)限和工作內(nèi)容不同，展示的工作任務(wù)不同。（1） 任何用戶：任何用戶指除設(shè)備車間主任、包修人外的其他所有用戶。提交了設(shè)備報(bào)修單據(jù)后，顯示設(shè)備報(bào)修狀態(tài)為“報(bào)修”，簽收狀態(tài)為“未簽收”。（2） 設(shè)備車間主任：對(duì)報(bào)修單據(jù)進(jìn)行派工，確認(rèn)單據(jù)正確后，顯示設(shè)備報(bào)修狀態(tài)為為“派工”，簽收狀態(tài)為“未簽收”，若確認(rèn)單據(jù)不正確，顯示設(shè)備報(bào)修狀態(tài)為“拒簽”，簽收狀態(tài)為“未簽收”，對(duì)處理完成的設(shè)備故障，簽收狀態(tài)為“車間簽收”。（3） 包修人：將已派工的報(bào)修單據(jù)確定為“待處理”、“處理中”、“完成”的任一狀態(tài)，簽收狀態(tài)為“未簽收”。（4） 使用人：若為使用人確認(rèn)設(shè)備故障的處理結(jié)果，對(duì)處理結(jié)果為“完成”簽收結(jié)果為