1、設備在線監測與維護管理系統設計技術方案1. 研究背景及必要性隨著我國高速鐵路的快速發展，鐵路信息化取得長足的進步。在大規模客運專線建設和既有線改造升級過程中，上線運行的系統越來越多，隨著車站自動化程度的不斷提升，對設備的依賴性也越來越高。而設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、安全化生產的好壞。目前，在鐵路車站中，購置了大量價格昂貴的服務設施/設備，這些設施/設備來自不同的生產廠家，設備的優劣好壞只有通過工作人員巡檢或車站人員通告才能得知，還不能做到實時監測；在遇到春運、暑運等特殊情景下，一些關鍵設備如電梯、空調等還不能做到事前維修；

2、且設備巡檢的勞動強度較大，容易忽略或遺漏問題；目前絕大多數鐵路客運站尚未建立一套完善的設備維修體制，維修由外包公司或生產廠家來承擔，設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備的好壞優劣心中無數，從而設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，使工作人員對設備真正心中有數，打造一個智能化、人性化、高效安全、適應現代的鐵路生產管理體系，建立設備在線監測與維護管理系統，實時監測設備狀態，及時發現故障并上傳報警，對設備的故障進行診斷，對設備的質量進行評估，具有重要的應用價值和社會意義。2. 車站設備分類2.1 按地點分類車站設備按地點進行分類，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 i. 人員裝備 2.2 按類別分類a. 安檢設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. 導向、廣播、查詢、監控類導向及PDP屏攝像頭自助查詢機d. 電梯類直梯扶梯e. 空調類中央空調多聯機機房專用空調f. 電腦類服務器個人電腦g. 通訊類對講機h. 桌椅家具類辦公桌座椅i. 靜態標志j. 廁衛類洗手池面 鏡便 器干手機2.3 按業務分類按照車站不同的業務范疇，車站設備分為客運設備、機電設備、行車設備、消防設備、站房設備等，其中行車設備不在

4、監測范圍內，其總體分類如下圖1所示。圖1 車站設備分類2.4 按設備等級分類a. 安全一級設備電梯空調照明服務器UPS電源b. 二級設備廣播導向視頻監控自動售票機自動取票機閘機制票機查詢機c. 三級設備洗手池面 鏡便 器干手機安全門3. 系統總體需求（1） 實現設備的基礎信息維護對全站設備的基礎數據進行維護，對設備的狀態值進行統一劃分，如在用、停用、維修、借入、借出、調入、報廢等；靈活配置設備的類別，并用樹狀結構展示；設備的屬性值可以自主設置，如個、張、排、支、臺、套等；可以自主添加和刪除設備的基礎項目和字段。（2） 實現設備的運行狀態監控通過制定統一的設備接口規范，自動獲取各設備（電梯、照明

5、設備、空調設備等）的在線運行狀態情況。（3） 實現設備故障報警對監測出有故障的設備可以用紅色報警燈提示。（4） 實現關鍵設備的預防維修對一些關鍵設備如電梯、照明、空調等設備故障用不同的報警提示，如故障：紅色，異常：黃色。（5） 實現設備的故障閉環管理對設備故障進行閉環跟蹤，保證設備故障能及時銷號。（6） 實現設備的故障診斷對一些機電設備如電梯、空調等故障進行分析和診斷。（7） 實現設備的質量評估根據一定時間段內設備的故障進行統計，從而評估出設備的質量，質量等級分為：優、中、差。（8） 實現設備的查詢與統計報表對設備按各種形式進行查看、查詢、生成各種統計報表等。4. 系統架構4.1 系統邏輯結構

6、車站設備在線監測與維護管理系統分基礎設施、數據共享與交換、應用中間件、系統應用4層。l 基礎設施層：網絡和硬件設備、操作系統及相關系統軟件。l 數據共享與交換層：集中數據庫、本地相關信息化系統和自動化設備數據接口、外部相關信息系統的數據接口，以及提供信息共享和交換的處理機制。l 應用中間件層：提供支持上層應用的領域框架、工作流引擎、基礎類庫、通用模版等。l 系統應用層：提供與業務管理相關的應用功能、以及輔助應用系統配置與管理的相關功能。車站設備在線監測與維護管理系統的邏輯結構如下圖2所示：圖2 車站設備在線監測與維護管理系統的邏輯結構4.2 系統物理結構本設備在線監測系統在結構上采用分散式測量

7、和總線式監控分析相結合的結構，主要由現場監測單元和工控機兩部分組成。其中，現場監測單元主要包括：PT(電壓互感)信號變換器、光纖流傳感器，系統結構框圖如圖所示。圖3 系統結構框圖信號變換器為純阻性產生的電壓信號作為監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備的泄漏電流。并通過參數測試儀對所有監測量進行就地數字信號處理。將最終測量結果通過光纖傳到后臺監控計算機進行分析、診斷、顯示。監控計算機通過網絡連接到前臺客戶端上。5. 關鍵技術5.1 關鍵設備智能預警技術在車站，如果某個設備已經存在嚴重故障，不但造成設備報廢的損失，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

8、警技術應用在設備在線監控系統中，能從根本上提高設備故障監測的靈敏度，從而實現準確的故障早期預警，防止因設備故障影響車站的正常運營。應用智能預警技術，能夠在強大的、實現面向車站設備的在線狀態分析與預報，即通過設備狀態的信息獲取、特征提取及在線分析，實現設備故障的多層次預報，在監控歷史數據庫基礎上，構造監控及運營管理專家系統，從而提高運營管理水平，減少工作人員的人工維護，減少設備故障率，提高設備的運營效率，改善車站人員的工作環境，降低運營成本。在盡量不改變或少改變現有設備的基礎上，通過局部的嵌入式技術應用，實現對車站監控設備的智能化改造；對既有不同設備進行信息整合，通過信息和智能技術，提升設備監控

9、系統的性能。數據融合技術涉及信號處理、特征提取、推理決策三大環節，本研究所采用的多傳感器系統數據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換成為電信號，經過AD轉換將現場參數變為可由微處理器處理的數字量。數字化后的電信號經過預處理，可以濾除數據采集過程中現場環境下的干擾和噪聲；對處理后的目標信號做特征提取，根據所提取的特征信號進行數據融合，最終輸出結果。圖4 多傳感器系統數據融合過程在設備故障特征識別中，采用經典的自適應加權融合估計算法進行數據融合，其模型如圖4所示。這種數據融合方法不要求知道傳感器測量數據的任何知識，只是靠傳

10、感器所提供的測量數據，通過自動計算和調整，就可得出均方誤差最小的數據融合值。圖5 自適應加權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，就可根據各個傳感器歷史數據的均值來進行估計。因為不同的傳感器都有相應的加權數，在總均方誤差最小這一最優條件下，根據各個傳感器所得到的測量值，以自適應的方式尋找其對應的權數，可使圖5融合后的x達到最優。5.2 故障診斷技術故障診斷就是根據從系統運行過程中得到的信息，進行分析和判斷，確定系統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）數據獲取根據需要通過傳感器測取有關參量，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，或對狀態的描述，如關或開可用邏輯值即。或1表示)等。 通過測量、采樣、量化、編碼、數據形式的轉換和校準，使信號變成可以計算的數據，其數據可以用向量或矩陣表示一維波形或二維圖像，這就是數據獲取的過程。2）預處理 預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象進行復原。3）特征提取與選擇 特征可以分為三類，即物理方面的、結構方面的和數學方面的特征。人們通常習慣于從物理和結構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現，也便于認識和理解。但是只有對相應的工業設備或系統工作機理有了深入的了解，才有可能從物理和結構上的合適特征去識別系統的故障。數學方面的特征主要是指運用數理統計方法等得到的特征，如均值、方差、協方差函數及線性預測模型的參數等等。4）故障模式分類如果每一個模式有n個特征數據，則它對應于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)確定為一個適當的模式類中。模式空間事先被劃分成互不相交的區域，每個區域與一個類別的模式相對應。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習過程輸入到計算機中去的。5）分析決策這里通過對某發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。根據所測試發動機運行時的各部分的溫度和壓力，經特征提取壓縮數據后形成兩維矢量，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。經過對發動機運行狀態的一系列測

14、試后，得到的測點分為兩類，一類為良好工作狀態點，如圖所示 類；另一類為較差或故障工作狀態點如圖所示 類。對發動機的某一運行狀態，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. 系統功能結構鐵路客運站設備在線監測與維護管理系統主要包括基礎數據維護、在線監測、關鍵設備預防維修、故障事故管理、故障診斷、設備質量評估、系統管理、統計報表等。見下圖8所示。圖8 設備在線監測與維護管理系統7. 功能說明7.1 基礎數據維護用于建立設備的靜態履歷臺賬，即設備的基本屬性信息，包括設備名稱、設備類別（售、檢票類、電梯類、安檢類、空調類等）、設備品牌、設備型號、設

15、備串碼、投入使用時間、使用區域、安裝位置、使用狀態（在用、停用、維修、借入、借出、調入、報廢）、維修記錄（最后一次維修時間）、借調用記錄（最后一次借調用時間）、計量單位、數量、備注等。可以靈活配置設備的類別，并能按各種類別形式用樹狀結構展示；可以自主添加和刪除設備的基礎項目和字段；可以自動生成設備的借、調用記錄表。7.2 在線監測能實時監測關鍵設備的狀態，如廣播、引導屏、閘機、視頻狀態，并用三種報警燈正常、注意、異常來表示。7.3 關鍵設備的預防維修能預測未來一段時間內關鍵設備的狀態，從而方便車站工作人員啟動維修或應急機制。當用算法測出設備即將故障后，立即在系統中提示維修。若無人應答，且實時數

16、據通過新一輪的檢測運算后仍得出設備即將故障的結果，則通過組態軟件智能發送短消息給設備主要負責人，進行維修檢測。7.4 設備故障診斷根據系統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設備的詳細故障信息，展示了用戶需要完成的工作任務。不同用戶登錄系統后，根據用戶權限和工作內容不同，展示的工作任務不同。（1） 任何用戶：任何用戶指除設備車間主任、包修人外的其他所有用戶。提交了設備報修單據后，顯示設備報修狀態為“報修”，簽收狀態為“未簽收”。（2） 設備車間主任：對報修單據進行派工，確認單據正確后，顯示設備報修狀態為為“派工”，簽收狀態為“未簽收”，若確認單據不正確，顯示設備報修狀態為“拒簽”，簽收狀態為“未簽收”，對處理完成的設備故障，簽收狀態為“車間簽收”。（3） 包修人：將已派工的報修單據確定為“待處理”、“處理中”、“完成”的任一狀態，簽收狀態為“未簽收”。（4） 使用人：若為使用人確認設備故障的處理結果，對處理結果為“完成”簽收結果為