設(shè)備在線監(jiān)測與維護管理系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方案

1、設(shè)備在線監(jiān)測與維護管理系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方案1. 研究背景及必要性隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，鐵路信息化取得長足的進步。在大規(guī)?？瓦\專線建設(shè)和既有線改造升級過程中，上線運行的系統(tǒng)越來越多，隨著車站自動化程度的不斷提升，對設(shè)備的依賴性也越來越高。而設(shè)備作為支撐信息平臺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營組織、安全化生產(chǎn)的好壞。目前，在鐵路車站中，購置了大量價格昂貴的服務(wù)設(shè)施/設(shè)備，這些設(shè)施/設(shè)備來自不同的生產(chǎn)廠家，設(shè)備的優(yōu)劣好壞只有通過工作人員巡檢或車站人員通告才能得知，還不能做到實時監(jiān)測；在遇到春運、暑運等特殊情景下，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)備巡檢的勞動強度較大，容易忽略或遺漏問題；目前絕大多數(shù)鐵路客運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)廠家來承擔，設(shè)備維修完畢后有時不能及時告知車站，造成車站工作人員對設(shè)備的好壞優(yōu)劣心中無數(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，使工作人員對設(shè)備真正心中有數(shù)，打造一個智能化、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)測與維護管理系統(tǒng)，實時監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障并上傳報警，對設(shè)備的故障進行診斷，對設(shè)備的質(zhì)量進行評估，具有重要的應(yīng)用價值和社會意義。2. 車站設(shè)備分類2.1 按地點分類車站設(shè)備按地點進行分類，可以分為：a.

3、 售票廳 b. 進站口 c. 候車室 d. 出站口 e. 天橋、地道 f. 站臺、風雨棚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器安全門b. 售、檢票類自動售票機進出站閘機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d. 電梯類直梯扶梯e. 空調(diào)類中央空調(diào)多聯(lián)機機房專用空調(diào)f. 電腦類服務(wù)器個人電腦g. 通訊類對講機h. 桌椅家具類辦公桌座椅i. 靜態(tài)標志j. 廁衛(wèi)類洗手池面 鏡便 器干手機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)備分為客運設(shè)備、機電設(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)備等級分類a. 安全一級設(shè)備電梯空調(diào)照明服務(wù)器UPS電源b. 二級設(shè)備廣播導(dǎo)向視頻監(jiān)控自動售票機自動取票機閘機制票機查詢機c. 三級設(shè)備洗手池面 鏡便 器干手機安全門3. 系統(tǒng)總體需求（1） 實現(xiàn)設(shè)備的基礎(chǔ)信息維護對全站設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行維護，對設(shè)備的狀態(tài)值進行統(tǒng)一劃分，如在用、停用、維修、借入、借出、調(diào)入、報廢等；靈活配置設(shè)備的類別，并用樹狀結(jié)構(gòu)展示；設(shè)備的屬性值可以自主設(shè)置，如個、張、排、支、臺、套等；可以自主添加和刪除設(shè)備的基礎(chǔ)項目和字段。（2） 實現(xiàn)設(shè)備的運行狀態(tài)監(jiān)控通過制定統(tǒng)一的設(shè)備接口規(guī)范，自動獲取各設(shè)備（電梯、照明

5、設(shè)備、空調(diào)設(shè)備等）的在線運行狀態(tài)情況。（3） 實現(xiàn)設(shè)備故障報警對監(jiān)測出有故障的設(shè)備可以用紅色報警燈提示。（4） 實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)防維修對一些關(guān)鍵設(shè)備如電梯、照明、空調(diào)等設(shè)備故障用不同的報警提示，如故障：紅色，異常：黃色。（5） 實現(xiàn)設(shè)備的故障閉環(huán)管理對設(shè)備故障進行閉環(huán)跟蹤，保證設(shè)備故障能及時銷號。（6） 實現(xiàn)設(shè)備的故障診斷對一些機電設(shè)備如電梯、空調(diào)等故障進行分析和診斷。（7） 實現(xiàn)設(shè)備的質(zhì)量評估根據(jù)一定時間段內(nèi)設(shè)備的故障進行統(tǒng)計，從而評估出設(shè)備的質(zhì)量，質(zhì)量等級分為：優(yōu)、中、差。（8） 實現(xiàn)設(shè)備的查詢與統(tǒng)計報表對設(shè)備按各種形式進行查看、查詢、生成各種統(tǒng)計報表等。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)測與維護管理系統(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、本地相關(guān)信息化系統(tǒng)和自動化設(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、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)測與維護管理系統(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)測與維護管理系統(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)測系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用分散式測量

7、和總線式監(jiān)控分析相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，主要由現(xiàn)場監(jiān)測單元和工控機兩部分組成。其中，現(xiàn)場監(jiān)測單元主要包括：PT(電壓互感)信號變換器、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)框圖信號變換器為純阻性產(chǎn)生的電壓信號作為監(jiān)測信號的相位基準參考值。運用精密的光纖傳感器測量容性設(shè)備的泄漏電流。并通過參數(shù)測試儀對所有監(jiān)測量進行就地數(shù)字信號處理。將最終測量結(jié)果通過光纖傳到后臺監(jiān)控計算機進行分析、診斷、顯示。監(jiān)控計算機通過網(wǎng)絡(luò)連接到前臺客戶端上。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，如果某個設(shè)備已經(jīng)存在嚴重故障，不但造成設(shè)備報廢的損失，而且對乘客的生命安全及車站的正常運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)測的靈敏度，從而實現(xiàn)準確的故障早期預(yù)警，防止因設(shè)備故障影響車站的正常運營。應(yīng)用智能預(yù)警技術(shù)，能夠在強大的、實現(xiàn)面向車站設(shè)備的在線狀態(tài)分析與預(yù)報，即通過設(shè)備狀態(tài)的信息獲取、特征提取及在線分析，實現(xiàn)設(shè)備故障的多層次預(yù)報，在監(jiān)控歷史數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，構(gòu)造監(jiān)控及運營管理專家系統(tǒng)，從而提高運營管理水平，減少工作人員的人工維護，減少設(shè)備故障率，提高設(shè)備的運營效率，改善車站人員的工作環(huán)境，降低運營成本。在盡量不改變或少改變現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，通過局部的嵌入式技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)對車站監(jiān)控設(shè)備的智能化改造；對既有不同設(shè)備進行信息整合，通過信息和智能技術(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，其過程如圖4所示。由于被測對象多為具有不同特征的非電量，所以首先將它們通過傳感器轉(zhuǎn)換成為電信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換將現(xiàn)場參數(shù)變?yōu)榭捎晌⑻幚砥魈幚淼臄?shù)字量。數(shù)字化后的電信號經(jīng)過預(yù)處理，可以濾除數(shù)據(jù)采集過程中現(xiàn)場環(huán)境下的干擾和噪聲；對處理后的目標信號做特征提取，根據(jù)所提取的特征信號進行數(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)融合過程在設(shè)備故障特征識別中，采用經(jīng)典的自適應(yīng)加權(quán)融合估計算法進行數(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量數(shù)據(jù)的任何知識，只是靠傳

10、感器所提供的測量數(shù)據(jù)，通過自動計算和調(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)融合估計算法模型算法先對各傳感器在某一時刻的測量值進行估計，當估計真值為常量時，就可根據(jù)各個傳感器歷史數(shù)據(jù)的均值來進行估計。因為不同的傳感器都有相應(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)各個傳感器所得到的測量值，以自適應(yīng)的方式尋找其對應(yīng)的權(quán)數(shù)，可使圖5融合后的x達到最優(yōu)。5.2 故障診斷技術(shù)故障診斷就是根據(jù)從系統(tǒng)運行過程中得到的信息，進行分析和判斷，確定系統(tǒng)是否存在故障及存在何種故障的過程。這個過程實際上是對系統(tǒng)運行的模式進行分類，因此故障診斷也是模式識別問題。選擇合適的故障特征是故障診斷的關(guān)鍵

11、問題。故障診斷主要由五個部分組成，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)需要通過傳感器測取有關(guān)參量，來自傳感器的信號要用計算機可以運算的符號來表示。通常輸入對象的信息有一維波形(如機械振動和噪聲)、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)或開可用邏輯值即。或1表示)等。 通過測量、采樣、量化、編碼、數(shù)據(jù)形式的轉(zhuǎn)換和校準，使信號變成可以計算的數(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)獲取的過程。2）預(yù)處理 預(yù)處理的目的是提高信號的信噪比，如剔除奇異項，去掉電平漂移，必要時零均值化，消

12、除趨勢項和平滑濾波等，以便突出有用的信息，并對輸入測量儀器或其他原因所造成的退化現(xiàn)象進行復(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。人們通常習慣于從物理和結(jié)構(gòu)方面的特征去識別對象，因為這些特征容易被感覺器官所發(fā)現(xiàn)，也便于認識和理解。但是只有對相應(yīng)的工業(yè)設(shè)備或系統(tǒng)工作機理有了深入的了解，才有可能從物理和結(jié)構(gòu)上的合適特征去識別系統(tǒng)的故障。數(shù)學(xué)方面的特征主要是指運用數(shù)理統(tǒng)計方法等得到的特征，如均值、方差、協(xié)方差函數(shù)及線性預(yù)測模型的參數(shù)等等。4）故障模式分類如果每一個模式有n個特征數(shù)據(jù)，則它對應(yīng)于n維模式空間的一個矢量或一個點。模式分類的問題就是把這些模式空間

13、中的矢量(或點)確定為一個適當?shù)哪Ｊ筋愔?。模式空間事先被劃分成互不相交的區(qū)域，每個區(qū)域與一個類別的模式相對應(yīng)。對于故障診斷，就是在已知各種故障類別及已知一些故障樣本點的條件下，去判別被觀測的樣本屆于哪一種故障。在進行故障診斷以前，這些已知的信息是通過上述的學(xué)習過程輸入到計算機中去的。5）分析決策這里通過對某發(fā)動機的故障診斷來說明用模式識別方法進行故障診斷的過程。根據(jù)所測試發(fā)動機運行時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，橫坐標為溫度，縱坐標為壓力。每一次測量形成一個矢量，矢量的始端為原點，末端標志為平面上的一個點，這就代表一個運行模式。經(jīng)過對發(fā)動機運行狀態(tài)的一系列測

14、試后，得到的測點分為兩類，一類為良好工作狀態(tài)點，如圖所示 類；另一類為較差或故障工作狀態(tài)點如圖所示 類。對發(fā)動機的某一運行狀態(tài)，得到測點z，人們可以通過判斷它屬于 類還是 類來識別它的工作良好程度。很明顯，z點屬于 類。6. 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)鐵路客運站設(shè)備在線監(jiān)測與維護管理系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護、在線監(jiān)測、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)量評估、系統(tǒng)管理、統(tǒng)計報表等。見下圖8所示。圖8 設(shè)備在線監(jiān)測與維護管理系統(tǒng)7. 功能說明7.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)維護用于建立設(shè)備的靜態(tài)履歷臺賬，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、設(shè)

15、備串碼、投入使用時間、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、報廢）、維修記錄（最后一次維修時間）、借調(diào)用記錄（最后一次借調(diào)用時間）、計量單位、數(shù)量、備注等。可以靈活配置設(shè)備的類別，并能按各種類別形式用樹狀結(jié)構(gòu)展示；可以自主添加和刪除設(shè)備的基礎(chǔ)項目和字段；可以自動生成設(shè)備的借、調(diào)用記錄表。7.2 在線監(jiān)測能實時監(jiān)測關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)，如廣播、引導(dǎo)屏、閘機、視頻狀態(tài)，并用三種報警燈正常、注意、異常來表示。7.3 關(guān)鍵設(shè)備的預(yù)防維修能預(yù)測未來一段時間內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備的狀態(tài)，從而方便車站工作人員啟動維修或應(yīng)急機制。當用算法測出設(shè)備即將故障后，立即在系統(tǒng)中提示維修。若無人應(yīng)答，且實時數(shù)

16、據(jù)通過新一輪的檢測運算后仍得出設(shè)備即將故障的結(jié)果，則通過組態(tài)軟件智能發(fā)送短消息給設(shè)備主要負責人，進行維修檢測。7.4 設(shè)備故障診斷根據(jù)系統(tǒng)運行的故障信息或傳感器采集的信息，進行分析和判斷，對這些信息特征進行分類，運用各種模式識別方法，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)備報修單據(jù)后，顯示設(shè)備報修狀態(tài)為“報修”，簽收狀態(tài)為“未簽收”。（2） 設(shè)備車間主任：對報修單據(jù)進行派工，確認單據(jù)正確后，顯示設(shè)備報修狀態(tài)為為“派工”，簽收狀態(tài)為“未簽收”，若確認單據(jù)不正確，顯示設(shè)備報修狀態(tài)為“拒簽”，簽收狀態(tài)為“未簽收”，對處理完成的設(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：若為使用人確認設(shè)備故障的處理結(jié)果，對處理結(jié)果為“完成”簽收結(jié)果為