受电弓智能在线监测系统
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摘 要：智能在线监测受电弓的出现必将极大地促进了铁路运营管理的提升，然而在研发过程中需要解决各种问题，需要硬件、软件及其专项研发人员等同心协力完成研发工作。因此，本文重点分析了研发受电弓智能在线监测系统的意义、软硬件支持以及目标和风险。
关键词：受电弓智能在线监测系统;传感器;PHM平台
1 概述
1.1 背景
随着我国“十三五”计划与“智能制造2025”战略的推行，轨道行业正在向制造自动化、运维智能化、能耗绿色化方向进行快速变革。此时公众安全和降低运维成本意识的增强，铁路系统的安全性、可靠性、运行效率与客户满意度也面临着巨大挑战，特别是以美国智能运维中心（IMS）、GE等提出智能化运维概念以来，业内对轨道系统设备运行、维护智能化的需求正变得愈发强烈。故障预测与健康管理（Prognosis and Health Management，简称PHM）在各系统、子系统的部署实现已经提上日程。我国轨道交通技术的不断突破、快速发展，由中国铁路总公司牵头研制的复兴号顺利投入运营，标志我国在高速铁路众多相关行业领域上取得重大突破。但是其中高速受电弓产品和技术还主要依赖于进口技术，且由于受电弓弓头所用的碳滑板材料接触压降大，机械磨耗和能耗严重，为了满足高铁速度不断提升的需求，急需研发具有自主知识产权的高速受电弓产品，同时通过智能监控与PHM技术，在线监控弓网质量。
1.2 目标
总体目标在于赋予受电弓在线监测防护的能力，实现对受电弓及接触网的实时监测，提高列车运行的安全性，降低人工材料等维护成本，实现智能化输电。主要目标包括：（1）在线监控弓网质量，采集并在时空维度上记录相关数据;（2）对多传感器信号融合分析，评价受电弓、接触网健康状态;（3）实现弓网健康信息的车载通信、车地通信;（4）于地面服务器实现受电弓、接触网综合健康状态统计与分析。
1.3 意義
该项目的意义主要体现在几个方面：（1）安全性运维能力：提高受电弓、接触网的可靠性监测，及时准确发现弓网健康问题的时空特性，提升列车受流安全性，提升综合运维能力。（2）技术积累：培养相关技术人员，增强基于状态修（CBM）与预测修（PM）理念的智能列车维保技术能力，积累多传感器数据采集及融合分析的技术能力。（3）数据积累：为产品功能性能优化、健康管理、预测性维护与智能运维能力的持续提升，提供数据与经验积累。
2 总体技术方案
对受电弓的智能在线监测系统总体方案如图1所示。
原始信号从传感器处获取，通过“数采系统”进行模数转换与信号预处理，最后与位置、时间信息统一标定。形式统一后的数据由数采系统送入车载计算平台，进行进一步的信号处理和数据处理。其中数据处理主要是针对多元数据进行计算分析，得到受流质量、弓网故障的评价。车载计算平台的数据存储使用循环复写方式实现，其中故障数据应长期保存，直至被管理员删除。原始数据和分析结果存于本地，以循环复写方式实现，上传数据仅包含分析结果或特征量，以减小上传带宽负载。车载计算平台软件以B/S（浏览器-服务器）的方式实现，可通过浏览器访问车载PHM平台，实现控制、实时监控与历史数据查询。地面服务端收集多个列车、多个受电弓的信息，实时显示当前的状态信息，后台运算、统计并显示受电弓健康状态。地面服务端将存储相关数据并进行综合分析，通过车辆信息融合同一线路的接触网健康状态，从而形成地理位置上的接触网健康状态评价。地面服务通过对同一受电弓，同一段接触网的长期监控，掌握其状态渐变模式，并通过算法对主要故障模式进行预警[1]。
3 硬件
3.1 传感器
由于受电弓所处高压、大电流环境，传感器及信号线的安装布置应具备一定的抗干扰与安全保护能力，以免损伤精密的数采板卡与电路。电压、电流温度传感器安装于车厢顶部，加速传感器安装于碳滑板、车厢顶部、车厢底部位置，压力传感器安装于碳滑板固定的4个点，速度传感器安装于车厢底部，主要安装位置如图2-图4所示。
3.2 车载PHM平台
车载PHM设备外形结构采用4U84HP机箱，器板卡、5张PHM板卡、1张无线通信板卡、1张MVB通讯板卡、2张数据采集AD板卡和2张电源板卡组成。4U机箱除去3U用作板卡装配位置外，底部1U用作机箱散热风扇装配位置。
4 软件
4.1 车载端软件
车载端软件整体框架如图5所示。
数据从采集系统，列车指令中获得，后台软件运行与Java服务端，算法运行于Flask服务端，显示控制则通过前端Web页面完成。车载软件以B/S方式实现，车载服务的功能划分为3个层次，包括界面层、业务层和通信层。界面层展示软件的功能接口，包括主界面框架、实时监控界面、故障管理界面、数据管理界面、日志管理界面、系统设置界面。业务层主要负责响应界面操作，将界面操作转化为指令发送出去，接收报文数据，显示到界面上。通信层负责和后端通信，前端模块负责与前端通信，响应前端请求，将前端需要的数据发送出去。同时，实时上传报文数据给前端。地面端模块负责和地面端通信，响应地面端的请求，将地面端需要的数据发送出去。实时上传报文数据给地面端，通信功能基于MQTT协议。数采模块包括数采控制和信号预处理，调用数采硬件及预处理资源完成对受电弓传感器数据的同步、采集、预处理并将数据给内部总线。内部总线负责分发报文数据，在模块间传输指令信息和数据。数据存储模块负则将内部总线分发来的数据按照时间分类存储到文件系统中，也可以根据前端或地面端的需求将数据读出上传。故障数据模块负责分析内部总线发来的报文数据、调用故障识别算法、获取受流质量、弓网故障结果数据并存储。日志模块负责记录系统的关键信息，并按照天为单位存储数据[2]。
4.2 地面端软件 地面端软件运行于地面服务器中，实现多个受电弓监测数据的收集、分析、处理、存储和查询。软件主要由前端服务、后端服务、数据服务组成，其中，数据服务是搭建在 Hadoop框架及其多個组件上，作为一个可靠、高效、可伸缩的平台，实现整车数据分布式存储、海量数据查询及统计等功能，大数据平台技术架构分为：数据接入层、数据管理层、数据服务层，另外MySQL在系统中扮演配置存储的角色，对整个平台的配置进行持久化保存。
（1）数据接入层。数据接入模块采用直接上传模式，可以对设备试验的过程数据进行读取，并且将读取的数据进行解析，数据通过Kafka分布式数据处理平台存储到HDFS中。当数据量增大时，可以通过横向扩展Kafka集群节点的方式对系统进行扩容，提高整个系统的数据处理能力。（2）数据管理层。数据管理层作为整个大数据平台的核心，使用了多种组件，达到海量数据存储、数据管理、任务调度及管理等目标。Zookeeper管理集群的数据命名、状态同步、集群管理、配置同步等。所有的任务将在Yarn上执行，同时使用Oozie管理执行中的任务。HBase是一个建立在HDFS之上，提供对大规模数据的随机、实时读写访问接口，通常和Hive一起使用。（3）数据服务层。使用Hive接口访问HBase或HDFS中的数据，提供了灵活的接口对数据进行查询，用户可以提取任意车辆数据到应用层。（4）配置存储MySQL在大数据平台中用来存储配置信息，例如Hive生成的内部表或者外部表，对应的表结构信息、存储路径等信息就会存放在MySQL中。
5 技术指标
（1）能采集、存储、管理基于时间、空间标记的各传感器数据;（2）可显示、查询弓网实时、历史、故障状态;（3）备列车信号交互、车地信息交互能力;（4）能识别弓网异常、预测弓网故障;（5）能评价受流质量、计算功率功耗;（6）地面端应采用大数据处理架构，能收集、处理并统计、显示多个受电弓、接触网的状态。
6 项目风险分析
（1）主要传感器安装分布于受电弓附近，电压高、电流大，需防止电损坏;（2）位于受电弓上的压力、加速度等传感器信号线较长，信号易受到振动干扰，影响判断;（3）故障模拟与故障数据采集不易，基于数据驱动的算法能力提升受到阻碍。
参考文献
[1] 陈国，刘志刚.浅谈高速检测列车的弓网检测技术[J].机电工程技术，2008（5）：39-41+55+114.
[2] 刘凯，费耀平，刘应龙.弓网监测系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2006（5）：600-602.
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